Сучасні досягнення мікроелектроніки зобов’язані успіхам технологій отримання напівпровідникових матеріалів, з яких далі одержують конкретну продукцію: діоди, транзистори, мікросхеми, мікропроцесори та ін. Основою напівпровідників є кристали кремнію, германію, селену та деяких інших елементів. Чистий вигляд кристалів у природі зустрічається вкрай рідко, тому необхідних електричних та фізичних властивостей матеріалів домагаються очищення руди кольорових металів або силікатів. У промисловому виробництві поширений метод отримання кристалічного виду напівпровідників шляхом витягування кристалів, що не розкладаються, в інертному газовому середовищі, в якості якого може виступати гелій.
Гелій відноситься до групи інертних газів, не надає скільки -небудь помітного на сенсорику людини. У рідкому стані речовина не має кольору, має дуже низьку температуру кипіння, яка при нормальному атмосферному тиску складає всього 4,21 К, для випаровування досить малої кількості теплоти. Твердого стану цих умовах немає. З рідкого стану при температурі середовища близького до абсолютного нуля і тиску від 25 атмосфер, відбувається перехід у твердий стан.
Атом гелію складається з ядра і пари електронів, що обертається навколо. Його хімічна пасивність пояснюється однаковим розташуванням орбіт електронів, які дуже близько від ядра. Щоб вирвати електрони з атома, необхідна значна енергія (близько 79 еВ).
Газ складається з неполярних молекул, що характеризуються силами міжмолекулярної взаємодії меншими за будь-яку іншу речовину. Має дуже велику теплоємність і малу в’язкість.
Гелій виконує важливу місію в процесі сучасного виробництва електронного обладнання . Виробництво чистих кристалів для напівпровідників не обходиться без застосування.
Історична довідка про використання інертного газу при отриманні напівпровідників
Одержання кремнію пов’язують з ім’ям французьких вчених Ж.Л. Гей-Люссака, Л. Ж. Тенара в 1811 і шведського хіміка Й. Я. Берцеліуса в 1825 р. Через 70 років, в 1886 р. німецьким хіміком К. Вінклер був відкритий германій. Кристали виділялися із природних сполук шляхом проведення хімічної реакції. Однак ступінь їх чистоти виявлялася недостатньою для промислового виготовлення напівпровідників, тому було здійснено пошуки більш ефективного методу.
У 1916 році польський хімік Я. Чохральський під час проведення дослідів із розплавленим оловом випадково впустив ручку в тигель. Витягаючи ручку з тигля, він спостерігав тонку нитку із застиглого олова. Провівши повторні експерименти зі шматочками металів, учений виявив, що нитка, що витягується, має структуру монокристалу, що є необхідною умовою створення напівпровідників.
Незважаючи на те, що германій був відкритий пізніше за кремнієм, перші напівпровідникові елементи були створені з монокристалів германію. Так, у липні 1948 року американською пресою опубліковано повідомлення про розробку вченими винахідниками Джоном Бардіним та Уолтером Браттейном першого напівпровідникового підсилювача-транзистора на германієвій основі.
Німеччин необхідної чистоти змогли отримати вже 1950 р. завдяки установці, створеній співробітниками корпорації Bell Labs Г. К. Тілу та Дж. В. Літтлу, в якій монокристали вирощувалися в інертній атмосфері. Вони удосконалили метод Чохральського, запустивши у трубку з тиглем інертний газ. Тільки використання інертної атмосфери дозволило досягти високої чистоти напівпровідників.
У 1952 році В. Дж. Пфанном розроблено метод зонного наплавлення, який далі впроваджується у виробництво напівпровідникових елементів. Метод також передбачає наявність інертної середовища отримання необхідної чистоти германію. Пізніше таку обробку почали застосовувати і кристалам кремнію.
Сучасні технічні установки отримання кремнію та германію
За більш ніж піввікову історію отримання напівпровідникових матеріалів ідея вирощування монокристалу в атмосфері інертного середовища збереглася і в наш час. У робочу камеру, заповнену гелієм, поміщають тигель з речовиною, що очищається. Тиск газу, що підтримується в камері, зазвичай перевищує тиск пари компонентів, що випаровуються, на 50 – 100%. Високі значення тиску атмосфери (10МПа) використовують у промислових установках, в яких проводиться вирощування монокристалів з напівпровідникових сполук, що розкладаються, за допомогою методу рідинної герметизації.
Основне призначення інертного середовища в установках вирощування кристалів полягає у забезпеченні високої чистоти кінцевого продукту. Застосування гелію дозволяє поліпшити технологію виробництва, підвищити якість напівпровідникових виробів, що випускаються, а, отже, і вироби в цілому.
Інші застосування в технічних установках
Освоєння гелію промисловістю розвивається завдяки його унікальним властивостям. Багато металів і сплавів, охолоджені до температури рідкого стану, стають надпровідниками. Надпровідники з використанням зрідженого гелію знаходять застосування в електроніці. У конструкціях ЕОМ знаходять застосування надпровідникові реле-кріотрони. У цьому властивості працюють надпровідні соленоїди на формування потужних магнітних полів (близько 300 тис. е.) при незначних енергетичних затратах. Надпровідники входять до складу детекторів інфрачервоного випромінювання, вимірювальних приладів у діапазоні надвисоких частот, квантових генераторів, молекулярних підсилювачів.
Цікаві факти
Лише через 34 роки з дня опублікування повідомлення про фізичне отримання гелію в лабораторних умовах було зроблено його практичне застосування. Такий час був потрібний для вивчення його фізико-хімічних властивостей.
Гелій має найкращі показники електропровідності серед газів і вважається другим за провідністю тепла, після водню;
мінімальним значенням поверхневого натягу у рідкому стані.
Остання властивість використана в магнітах адронного колайдера, створеного для вивчення зіткнень заряджених частинок, де гелій використовується при температурі переходу в стан надплинності (без тертя).
Компанія «DP Air Gas» є провідним підприємством в Україні, яке постачає технічні гази споживачеві. Компанія виробляє не лише постачання газів, а й надає тару на обмін. Повний перелік послуг, що надаються компанією, можна дізнатися тут.
