Получение полупроводников с помощью гелия

Современные достижения микроэлектроники обязаны успехам технологий получения полупроводниковых материалов, из которых далее получают конкретную продукцию: диоды, транзисторы, микросхемы, микропроцессоры и др. Основой полупроводников являются кристаллы кремния, германия, селена и некоторых других элементов. Чистый вид кристаллов в природе встречается крайне редко, поэтому необходимых электрических и физических свойств материалов добиваются очисткой руды цветных металлов или силикатов. В промышленном производстве распространен метод получения кристаллического вида полупроводников путем вытягивания неразлагающихся кристаллов в инертной газовой среде, в качестве которого может выступать гелий.

Гелий относится к группе инертных газов, не оказывает сколько-нибудь заметного воздействия на сенсорику человека. В жидком состоянии вещество не имеет цвета, имеет очень низкую температуру кипения, которая при нормальном атмосферном давлении составляет всего 4,21 К, для испарения достаточно очень малого количества теплоты. Твердого состояния в этих условиях не существует. Из жидкого состояния при температуре среды близкой к абсолютному нулю и давлении от 25 атмосфер, происходит переход в твёрдое состояние.

Атом гелия состоит из ядра и вращающейся вокруг пары электронов. Его химическая пассивность объясняется одинаковым расположением орбит электронов, которые находятся очень близко от ядра. Чтобы вырвать электроны из атома, необходима значительная энергия (порядка 79 эВ).

Газ состоит из неполярных молекул, характеризующимися силами межмолекулярного взаимодействия меньшими любого другого вещества. Обладает очень большой теплоемкостью и малой вязкостью.

Гелий выполняет важную миссию в процессе современного производства электронного оборудования. Производство чистых кристаллов для полупроводников не обходится без его применения.

Историческая справка использования инертного газа при получении полупроводников
Получение кремния связывают с именем французских учёных Ж.Л. Гей-Люссака, Л. Ж. Тенара в 1811 и шведского химика Й. Я. Берцелиуса в 1825 г. Спустя 70 лет, в 1886 г. немецким химиком К. Винклером был открыт германий. Кристаллы выделялись из природных соединений путем проведения химической реакции. Однако степень их чистоты оказывалась недостаточной для промышленного изготовления полупроводников, поэтому были предприняты поиски более эффективного метода.

В 1916 году польский химик Я. Чохральский при проведении опытов с расплавленным оловом случайно уронил ручку в тигель. Вытягивая ручку из тигля, он наблюдал тонкую нить из застывшего олова. Проведя повторные эксперименты с кусочками металлов, учёный обнаружил, что вытягиваемая нить имеет структуру монокристалла, что является необходимым условием создания полупроводников.

Несмотря на то, что германий был открыт позже кремния, первые полупроводниковые элементы были созданы из монокристаллов германия. Так, в июле 1948 года американской прессой опубликовано сообщение о разработке учеными изобретателями Джоном Бардиным и Уолтером Браттейном первого полупроводникового усилителя-транзистора на германиевой основе.

Германий требуемой чистоты смогли получить уже в 1950 г. благодаря установке, созданной сотрудниками корпорации Bell Labs Г. К. Тилу и Дж. В. Литтлу, в которой монокристаллы выращивались в инертной атмосфере. Они усовершенствовали метод Чохральского, запустив в трубку с тиглем инертный газ. Только использование инертной атмосферы позволило добиться высокой чистоты полупроводников.

В 1952 году В. Дж. Пфанном разработан метод зонной наплавки, который далее внедряется в производство полупроводниковых элементов. Метод также предполагает наличие инертной среды для получения необходимой чистоты германия. Позже такую обработку стали применять и к кристаллам кремния.

Современные технические установки получения кремния и германия
За более чем полувековую историю получения полупроводниковых материалов, идея выращивания монокристалла в атмосфере инертной среды сохранилась и в наше время. В рабочую камеру, заполненную гелием, помещают тигель с очищаемым веществом. Давление газа, поддерживаемое в камере, обычно превышает давление пара улетучивающихся компонентов на 50 – 100%. Высокие значения давления атмосферы (10МПа) используют в промышленных установках, в которых проводится выращивание монокристаллов из разлагаемых полупроводниковых соединений посредством метода жидкостной герметизации.

Основное назначение инертной среды в установках выращивания кристаллов заключается в обеспечении высокой чистоты конечного продукта. Применение гелия позволяет улучшить технологию производства, повысить качество выпускаемых полупроводниковых изделий, а, следовательно, и изделия в целом.

Другие применения в технических установках
Освоение гелия промышленностью развивается благодаря его уникальным свойствам. Многие металлы и сплавы, охлажденные до температуры жидкого состояния, становятся сверхпроводниками. Сверхпроводники с использованием сжиженного гелия находят применение в электронике. В конструкциях ЭВМ находят применение сверхпроводниковые реле-криотроны. На этом свойстве работают сверхпроводящие соленоиды для формирования мощных магнитных полей (порядка 300 тыс. Э) при незначительных энергетических затратах. Сверхпроводники входят в состав детекторов инфракрасного излучения, измерительных приборов в диапазоне сверхвысоких частот, квантовых генераторов, молекулярных усилителей.

Интересные факты
Только спустя 34 года со дня опубликования сообщения о физическом получении гелия в лабораторных условиях, было сделано его практическое применение. Такое время потребовалось для изучения его физико-химических свойств.

Гелий обладает самыми лучшими показателями электропроводности среди газов и считается вторым по проводимости тепла, после водорода;
минимальным значением поверхностного натяжения в жидком состоянии.

Последнее свойство использовано в магнитах адронного коллайдера, созданного для изучения столкновений заряженных частиц, где гелий используется при температуре перехода в состояние сверхтекучести (без трения).

Компания «DP Air Gas» является ведущим предприятием в Украине, поставляющим технические газы потребителю. Компания производит не только поставку газов, но и предоставляет тару на обмен. Полный перечень услуг, предоставляемых компанией, можно узнать здесь.