Гелий в электронике: чистота, контроль и охлаждение

Гелий играет важную роль в производстве электроники, так как он обладает уникальными физико-химическим свойствам. Но, как этот инертный газ применяется в сфере производства электроники. Также нужно рассмотреть требования к его чистоте, методам контроля и системам охлаждения.

Уникальные свойства гелия

Сначала нужно понять, почему стабильно растут продажи гелия, причины высокого спроса на этот газ. Этот газ не вступает в реакции при нормальных условиях, что делает его идеальным для работы с чувствительными материалами. Кроме того, гелий обладает такими преимуществами, как:

1. Высокая теплопроводность. Она составляет около 0,15 Вт/(м·К), что выше чем у воздуха (0,026 Вт/(м·К)). За счет этого обеспечивается эффективное отведение тепла.

2. Низкая температура кипения. Жидкий гелий кипит при -269°C, что позволяет обеспечивать экстремальное охлаждение.

3. Атом гелия настолько мал, что может проникать через микроскопические дефекты в материалах. Это свойство используется для проверки герметичности.

4. Диэлектрическая проницаемость гелия близка к единице, что минимизирует электрические помехи в чувствительных устройствах.

Кроме того, отсутствие в естественной атмосфере в значимых концентрациях исключает фоновые помехи.

Требования к чистоте гелия в электронике

В электронной промышленности предъявляются строгие требования к чистоте используемых газов, и гелий не исключение. В промышленности используются следующие обозначения чистоты этого газа:

1. Гелий 5.0 (99,999% чистоты) – минимальный стандарт, который подходит для большинства технологических процессов.

2. Гелий 6.0 (99,9999% чистоты) используется в критически важных процессах производства полупроводников.

3. Гелий 7.0 (99,99999% чистоты) предназначен для особо чувствительных сфер использования, таких как EUV-литография.

При литографии загрязнение фотошаблона гелием с примесями может повлиять на резкость и точность рисунка.

Примеси и их влияние на работу электроники

Даже незначительные примеси в газах могут критически влиять на электронику:

• кислород приводит к окислению металлических дорожек и контактов;

• водяной пар способствует появлению коррозии, приводит к дефектам в кристаллической структуре полупроводниковых материалов;

• углеводороды загрязняют поверхности, могут превращаться в углеродные отложения под воздействием высокой температуры.

Азот влияет на тепловые характеристики и может искажать результаты тестирования герметичности.

Методы очистки и контроля чистоты гелия

Для глубокой очистки гелия используются следующие методы:

1. Криогенная дистилляция требует охлаждения гелия до температур, при которых примеси конденсируются и удаляются.

2. Адсорбционная очистка. Гелий пропускается через материалы с большой удельной поверхностью (активированный уголь, цеолиты) под воздействием низких температур для поглощения примесей.

3. Геттерная очистка основана на использовании высокоактивных металлов (титан, цирконий), которые химически связывают примеси.

4. Диффузионная очистка осуществляется путем пропуска гелия через нагретые палладиевые мембраны. Они проницаемы только для этого газа.

Для контроля чистоты инертного газа используются следующие методы:

1. Масс-спектрометрия обеспечивает обнаружение примесей на уровне ppb (частей на миллиард).

2. Газовая хроматография используется для выявления органических примесей.

3. Электрохимические датчики обеспечивают непрерывный мониторинг определенных примесей, например, кислорода или водорода.

Спектроскопия относится к оптическим методам контроля. Он также используется для выявления примесей определенных газов.

Особенности применения гелия в производстве электроники

Гелий используется для создания защитной среды для повышения эффективности различных процессов:

1. При выращивании монокристаллов предотвращает окисление и загрязнение расплава.

2. При осаждении тонких пленок создает инертную среду для точного контроля химических реакций.

3. При лазерной обработке предотвращает окисление поверхности и улучшает отведение тепла.

4. При пайке чувствительных компонентов предотвращает образование оксидов и обеспечивает лучшую смачиваемость припоя.

Гелий используется в производстве герметичных электронных приборов для выявления утечек. Гелиевый масс-спектрометрический метод – наиболее чувствительный способ обнаружения утечек до 10⁻¹² мбар·л/с.

Плазменные процессы

Гелиевая плазма используется в производстве электроники для:

• очистки поверхностей от органических загрязнений без их повреждения;

• модификации поверхностей полимеров, улучшения адгезионных свойств без изменения объемных характеристик;

• плазмохимического осаждения для создания специальных покрытий с контролируемыми свойствами.

Газообразный гелий используется как теплоноситель. В приборах, устройствах, которые выделяют большое количество тепла, инертный газ эффективно его отводит.