CN101759225B - 一种化学气相沉积低温生长ZnS设备和工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于无机块状材料制备领域的一种化学气相沉积低温生长ZnS设备和工艺方法。该内容主要包括：通过采用具有非封闭边界属性的沉积室硬件结构；同时对沉积室进行表面处理；沉积产品经过原位变温热处理，有效地解决了低温CVDZnS材料起拱和开裂的问题，可获得比高温CVDZnS红外光学性能更为优异的大尺寸材料。

Description

一种化学气相沉积低温生长ZnS设备和工艺
技术领域
本发明涉及低温生长条件下利用化学气相沉积工艺(CVD)制备大尺寸高光学透过性能硫化锌(ZnS)设备及其工艺，属于无机块状材料制备的领域。
背景技术
ZnS属于性能优良的红外光学透过材料，它的透射波段涵盖可见光、中红外和远红外，同时具备优良的力学和热学性能，是应用于特殊环境或者先进武器中的红外探测、成像等装置的窗口、整流罩和透镜的首选材料。
目前国际上制备ZnS途径有粉末热压工艺、熔融单晶拉制工艺和化学气相沉积(CVD)工艺等。CVD工艺制备的ZnS材料纯度好、密度高、光学透过性能优良，目前国际上高性能ZnS窗口、透镜等元件普遍采用CVD工艺制备。
CVD工艺低温(600～670℃)生长ZnS材料杂相少，红外透过性能优异，但是材料生长过程中内应力大，容易出现起拱、开裂等问提，产品利用率低下。目前国际上普遍采用高温(670～730℃)生长ZnS。但高温生长ZnS的红外透过性能降低。低温生长ZnS抑制起拱，获得高红外透过性能的大尺寸ZnS块材在国际上一直是一个难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种化学气相沉积ZnS低温生长的设备及其工艺，可消除ZnS材料起拱和开裂，比高温生长的材料具有更为优异的红外透过性能，在3～5um波段透过性能提高15～20％，8～12um波段透过性能提高1～3％。
所述化学气相沉积ZnS低温生长的设备，其特征在于，在真空炉内最下端安放锌池(1)，内部盛放锌原料，锌池侧壁接有氩气进口管(5)，在锌池的盖部通过喷嘴(2)与其上部的沉积室(3)接通，并有经氩气稀释的硫化氢气体进口管(6)与喷嘴相连，沉积室(3)的上口与卸料箱(4)的下口相通，卸料箱内安放挡板(9)，且上口与抽气管道(7)、高效过滤器(10)、真空泵(11)、硫化氢吸收塔(12)相连。在真空炉内设有加热器(8)，给锌池和沉积室提供加热。
所述沉积室具有非封闭边界属性。
所述化学气相沉积ZnS低温生长的工艺方法具体包括：
1)选用碳质材料作为基底，对基底进行抛光处理，然后利用喷涂的方法在基底上覆盖一层碳质胶体，最后把基底用氩气保护在200℃温度中烘干处理；
2)调整沉积室在空间位置上相对进气口和出气口保持对称，同时不同方位的沉积基底之间必须保证均匀的空间隔离，在沉积室的外围空间安装密封屏同加热系统有效隔离；
3)预抽真空，调节沉积室压力；
4)调整锌池温度和沉积室温度，同时向沉积室内部通入原料气体，开始反应生长ZnS；
5)对ZnS材料进行原位后续变温热处理，即首先对ZnS材料升温20～100℃，保温处理20～60h，然后回到起始生长温度，再次降温到≤300℃，整个变温处理过程持续1～5天；
6)整个过程耗时20～30天，即完成一个化学气相低温沉积高质量大尺寸ZnS材料的沉积过程。
所述碳质材料为高强度石墨材料。
所述沉积室压力值为1E4～5E4Pa。
所述锌池温度为425～650℃，沉积室温度为600～670℃。
所述原料气体为H2S和Zn蒸气，二者体积比为0.7～1.3。
沉积反应原理如下：
氩气携带Zn蒸气和H2S进入沉积室。H2S和锌在沉积室内壁上发生如下化学反应：
H2S+Zn→ZnS+H2↑
反应之后生成的固体粉末废料被抽出沉积室后经过高效过滤器给予处理，气体废料经过吸收塔进行无害处理。
本发明的优点是，采用独特的沉积室硬件结构，结合沉积室底面特殊处理及原位变温热处理技术，有效地解决了低温沉积ZnS起拱和开裂问题，在中波和长波段获得红外透过性能更为优异的ZnS大尺寸块状材料。本发明的设备结构和工艺过程可以应用于高质量CVDZnS材料的批量生产中。
附图说明
图1为化学气相沉积ZnS低温生长的设备示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明采用沉积室具有非封闭边界属性。在真空炉内最下端安放锌池(1)，内部盛放锌原料，锌池侧壁接有氩气进口管(5)，在锌池的盖部通过喷嘴(2)与其上部的沉积室(3)接通，并有经氩气稀释的硫化氢气体进口管(6)与喷嘴相连，沉积室(3)的上口与卸料箱(4)的下口相通，卸料箱内安放挡板(9)，且上口与抽气管道(7)、高效过滤器(10)、真空泵(11)、硫化氢吸收塔(12)相连。在真空炉内设有加热器(8)，给锌池和沉积室提供加热。以下所述实施例详细说明了本发明。
实施例1
1)选用高强度石墨材料作为基底，对基底进行抛光处理，然后利用喷涂的方法在基底上覆盖一层碳质胶体，最后把基底用氩气保护在200℃温度中烘干处理；
2)调整沉积室在空间位置上相对进气口和出气口保持对称，同时不同方位的沉积基底之间必须保证均匀的空间隔离，在沉积室的外围空间安装密封屏同加热系统有效隔离，并连接好设备其他部分(图1)；
3)预抽真空，调节沉积室压力到1.5E4Pa；
4)调整锌池温度到600℃，沉积室温度到630℃，同时向沉积室内部通入原料气体H2S和Zn蒸气，两种气体比例为1，开始反应生长ZnS；
5)对ZnS材料进行原位后续变温热处理，即首先对ZnS材料升温50℃，保温处理24h，然后回到起始生长温度630℃，保温处理15h，再次降温到300℃后断电自然冷却，整个变温处理过程持续3天；
整个材料制备过程耗时21天，获得平板材料不开裂，起拱幅度小于1mm，原生材料中波4um红外透过率达到69.5％，长波9.5um红外透过率达到73.9％。
实施例2
1)选用高强度石墨材料作为基底，对基底进行抛光处理，然后利用喷涂的方法在基底上覆盖一层碳质胶体，最后把基底用氩气保护在200℃温度中烘干处理；
2)调整沉积室在空间位置上相对进气口和出气口保持对称，同时不同方位的沉积基底之间必须保证均匀的空间隔离，在沉积室的外围空间安装密封屏同加热系统有效隔离，并连接好设备其他部分(图1)；
3)预抽真空，调节沉积室压力为3E4Pa；
4)调整锌池温度到500℃，沉积室温度到650℃，同时向沉积室内部通入原料气体H2S和Zn蒸气，两种气体比例为0.9，开始反应生长ZnS；
5)对ZnS材料进行原位后续变温热处理，即首先对ZnS材料升温到100℃，保温处理40h，然后回到起始生长温度650℃，保温处理20h，再次降温到300℃后断电自然冷却，整个变温处理过程持续5天；
整个过程耗时28天，获得平板材料不开裂，起拱幅度小于3mm，原生材料中波3um红外透过率超过65％，长波8um红外透过率达到73.5％。

Claims (2)

1.一种化学气相沉积ZnS低温生长的工艺方法，其特征在于，所述工艺方法具体包括：
1)选用碳质材料作为基底，对基底进行抛光处理，然后利用喷涂的方法在基底上覆盖一层碳质胶体，最后把基底用氩气保护在200℃温度中烘干处理；
2)调整沉积室在空间位置上相对进气口和出气口保持对称，同时不同方位的沉积基底之间必须保证均匀的空间隔离，在沉积室的外围空间安装密封屏同加热系统有效隔离；
3)预抽真空，调节沉积室压力；
4)调整锌池温度和沉积室温度，同时向沉积室内部通入原料气体，开始反应生长ZnS；
5)对ZnS材料进行原位后续变温热处理，即首先对ZnS材料升温20～100℃，保温处理20～60h，然后回到起始生长温度，即沉积室温度保温处理10～24h，最后降温到≤300℃，断电停止加热，材料随炉自然冷却，整个变温处理过程持续1～5天；
6)整个过程耗时20～30天，即完成一个化学气相低温沉积高质量大尺寸ZnS材料的沉积过程；
所述沉积室压力值为1E4～5E4Pa；
所述锌池温度为425～650℃，沉积室温度为600～670℃；
所述原料气体为H2S和Zn蒸气，二者体积比为0.7～1.3。
2.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，所述碳质材料为高强度石墨材料。
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