專利名稱：一種化學(xué)氣相沉積低溫生長ZnS設(shè)備和工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及低溫生長條件下利用化學(xué)氣相沉積工藝(CVD)制備大尺寸高光學(xué)透過性能硫化鋅(ZnS)設(shè)備及其工藝，屬于無機塊狀材料制備的領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
ZnS屬于性能優(yōu)良的紅外光學(xué)透過材料，它的透射波段涵蓋可見光、中紅外和遠(yuǎn)紅外，同時具備優(yōu)良的力學(xué)和熱學(xué)性能，是應(yīng)用于特殊環(huán)境或者先進武器中的紅外探測、成像等裝置的窗口 、整流罩和透鏡的首選材料。 目前國際上制備ZnS途徑有粉末熱壓工藝、熔融單晶拉制工藝和化學(xué)氣相沉積(CVD)工藝等。CVD工藝制備的ZnS材料純度好、密度高、光學(xué)透過性能優(yōu)良，目前國際上高性能ZnS窗口 、透鏡等元件普遍采用CVD工藝制備。 CVD工藝低溫(600 670°C )生長ZnS材料雜相少，紅外透過性能優(yōu)異，但是材料生長過程中內(nèi)應(yīng)力大，容易出現(xiàn)起拱、開裂等問提，產(chǎn)品利用率低下。目前國際上普遍采用高溫(670 730°C )生長ZnS。但高溫生長ZnS的紅外透過性能降低。低溫生長ZnS抑制起拱，獲得高紅外透過性能的大尺寸ZnS塊材在國際上一直是一個難題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種化學(xué)氣相沉積ZnS低溫生長的設(shè)備及其工藝，可消除ZnS材料起拱和開裂，比高溫生長的材料具有更為優(yōu)異的紅外透過性能，在3 5um波段透過性能提高15 20%，8 12um波段透過性能提高1 3%。 所述化學(xué)氣相沉積ZnS低溫生長的設(shè)備，其特征在于，在真空爐內(nèi)最下端安放鋅池(1)，內(nèi)部盛放鋅原料，鋅池側(cè)壁接有氬氣進口管(5)，在鋅池的蓋部通過噴嘴(2)與其上部的沉積室(3)接通，并有經(jīng)氬氣稀釋的硫化氫氣體進口管(6)與噴嘴相連，沉積室(3)的上口與卸料箱(4)的下口相通，卸料箱內(nèi)安放擋板(9)，且上口與抽氣管道(7)、高效過濾器(10)、真空泵(11)、硫化氫吸收塔(12)相連。在真空爐內(nèi)設(shè)有加熱器(8)，給鋅池和沉積室提供加熱。 所述沉積室具有非封閉邊界屬性。 所述化學(xué)氣相沉積ZnS低溫生長的工藝方法具體包括 1)選用碳質(zhì)材料作為基底，對基底進行拋光處理，然后利用噴涂的方法在基底上
覆蓋一層碳質(zhì)膠體，最后把基底用氬氣保護在20(TC溫度中烘干處理； 2)調(diào)整沉積室在空間位置上相對進氣口和出氣口保持對稱，同時不同方位的沉
積基底之間必須保證均勻的空間隔離，在沉積室的外圍空間安裝密封屏同加熱系統(tǒng)有效隔
離； 3)預(yù)抽真空，調(diào)節(jié)沉積室壓力； 4)調(diào)整鋅池溫度和沉積室溫度，同時向沉積室內(nèi)部通入原料氣體，開始反應(yīng)生長ZnS ;
5)對ZnS材料進行原位后續(xù)變溫?zé)崽幚?，即首先對ZnS材料升溫20 IO(TC，保溫 處理20 60h，然后回到起始生長溫度，再次降溫到《30(TC，整個變溫處理過程持續(xù)1 5天； 6)整個過程耗時20 30天，即完成一個化學(xué)氣相低溫沉積高質(zhì)量大尺寸ZnS材 料的沉積過程。 所述碳質(zhì)材料為高強度石墨材料。
所述沉積室壓力值為1E4 5E4Pa。所述鋅池溫度為425 650°C ，沉積室溫度為600 670°C 。
所述原料氣體為H2S和Zn蒸氣，二者體積比為0. 7 1. 3。
沉積反應(yīng)原理如下 氬氣攜帶Zn蒸氣和H2S進入沉積室。H2S和鋅在沉積室內(nèi)壁上發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)
H2S+Zn — ZnS+H2個 反應(yīng)之后生成的固體粉末廢料被抽出沉積室后經(jīng)過高效過濾器給予處理，氣體廢 料經(jīng)過吸收塔進行無害處理。 本發(fā)明的優(yōu)點是，采用獨特的沉積室硬件結(jié)構(gòu)，結(jié)合沉積室底面特殊處理及原位 變溫?zé)崽幚砑夹g(shù)，有效地解決了低溫沉積ZnS起拱和開裂問題，在中波和長波段獲得紅外 透過性能更為優(yōu)異的ZnS大尺寸塊狀材料。本發(fā)明的設(shè)備結(jié)構(gòu)和工藝過程可以應(yīng)用于高質(zhì) 量CVDZnS材料的批量生產(chǎn)中。


圖1為化學(xué)氣相沉積ZnS低溫生長的設(shè)備示意圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本發(fā)明采用沉積室具有非封閉邊界屬性。在真空爐內(nèi)最下端安放鋅 池(l)，內(nèi)部盛放鋅原料，鋅池側(cè)壁接有氬氣進口管(5)，在鋅池的蓋部通過噴嘴(2)與其上 部的沉積室(3)接通，并有經(jīng)氬氣稀釋的硫化氫氣體進口管(6)與噴嘴相連，沉積室(3)的 上口與卸料箱(4)的下口相通，卸料箱內(nèi)安放擋板(9)，且上口與抽氣管道(7)、高效過濾器 (10)、真空泵(11)、硫化氫吸收塔(12)相連。在真空爐內(nèi)設(shè)有加熱器(8)，給鋅池和沉積室
提供加熱。以下所述實施例詳細(xì)說明了本發(fā)明。
實施例1 1)選用高強度石墨材料作為基底，對基底進行拋光處理，然后利用噴涂的方法在
基底上覆蓋一層碳質(zhì)膠體，最后把基底用氬氣保護在20(TC溫度中烘干處理； 2)調(diào)整沉積室在空間位置上相對進氣口和出氣口保持對稱，同時不同方位的沉
積基底之間必須保證均勻的空間隔離，在沉積室的外圍空間安裝密封屏同加熱系統(tǒng)有效隔
離，并連接好設(shè)備其他部分(圖1); 3)預(yù)抽真空，調(diào)節(jié)沉積室壓力到1. 5E4Pa ; 4)調(diào)整鋅池溫度到600°C，沉積室溫度到630°C，同時向沉積室內(nèi)部通入原料氣體 H2S和Zn蒸氣，兩種氣體比例為1，開始反應(yīng)生長ZnS ; 5)對ZnS材料進行原位后續(xù)變溫?zé)崽幚?，即首先對ZnS材料升溫50°C ，保溫處理24h，然后回到起始生長溫度63(TC，保溫處理15h，再次降溫到30(TC后斷電自然冷卻，整個變溫處理過程持續(xù)3天； 整個材料制備過程耗時21天，獲得平板材料不開裂，起拱幅度小于lmm，原生材料中波4um紅外透過率達到69. 5%，長波9. 5um紅外透過率達到73. 9% 。
實施例2 1)選用高強度石墨材料作為基底，對基底進行拋光處理，然后利用噴涂的方法在
基底上覆蓋一層碳質(zhì)膠體，最后把基底用氬氣保護在20(TC溫度中烘干處理； 2)調(diào)整沉積室在空間位置上相對進氣口和出氣口保持對稱，同時不同方位的沉
積基底之間必須保證均勻的空間隔離，在沉積室的外圍空間安裝密封屏同加熱系統(tǒng)有效隔
離，并連接好設(shè)備其他部分(圖1); 3)預(yù)抽真空，調(diào)節(jié)沉積室壓力為3E4Pa ; 4)調(diào)整鋅池溫度到500°C，沉積室溫度到650°C，同時向沉積室內(nèi)部通入原料氣體H2S和Zn蒸氣，兩種氣體比例為0. 9，開始反應(yīng)生長ZnS ; 5)對ZnS材料進行原位后續(xù)變溫?zé)崽幚?，即首先對ZnS材料升溫到IO(TC ，保溫處理40h，然后回到起始生長溫度650°C ，保溫處理20h，再次降溫到30(TC后斷電自然冷卻，整個變溫處理過程持續(xù)5天； 整個過程耗時28天，獲得平板材料不開裂，起拱幅度小于3mm，原生材料中波3um紅外透過率超過65 % ，長波8um紅外透過率達到73.5%。
權(quán)利要求
一種化學(xué)氣相沉積ZnS低溫生長的設(shè)備，其特征在于，在真空爐內(nèi)最下端安放鋅池(1)，內(nèi)部盛放鋅原料，鋅池側(cè)壁接有氬氣進口管(5)，在鋅池的蓋部通過噴嘴(2)與其上部的沉積室(3)接通，并有經(jīng)氬氣稀釋的硫化氫氣體進口管(6)與噴嘴相連，沉積室(3)的上口與卸料箱(4)的下口相通，卸料箱內(nèi)安放擋板(9)，且上口與抽氣管道(7)、高效過濾器(10)、真空泵(11)、硫化氫吸收塔(12)相連。在真空爐內(nèi)設(shè)有加熱器(8)，給鋅池和沉積室提供加熱。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述沉積室具有非封閉邊界屬性。
3. —種化學(xué)氣相沉積ZnS低溫生長的工藝方法，其特征在于，所述工藝方法具體包括1) 選用碳質(zhì)材料作為基底，對基底進行拋光處理，然后利用噴涂的方法在基底上覆蓋 一層碳質(zhì)膠體，最后把基底用氬氣保護在20(TC溫度中烘干處理；2) 調(diào)整沉積室在空間位置上相對進氣口和出氣口保持對稱，同時不同方位的沉積基底 之間必須保證均勻的空間隔離，在沉積室的外圍空間安裝密封屏同加熱系統(tǒng)有效隔離；3) 預(yù)抽真空，調(diào)節(jié)沉積室壓力；4) 調(diào)整鋅池溫度和沉積室溫度，同時向沉積室內(nèi)部通入原料氣體，開始反應(yīng)生長ZnS ;5) 對ZnS材料進行原位后續(xù)變溫?zé)崽幚?，即首先對ZnS材料升溫20 IO(TC，保溫處理 20 60h，然后回到起始生長溫度，即沉積室溫度保溫處理10 24h，最后降溫到《300°C， 斷電停止加熱，材料隨爐自然冷卻。整個變溫處理過程持續(xù)1 5天；6) 整個過程耗時20 30天，即完成一個化學(xué)氣相低溫沉積高質(zhì)量大尺寸ZnS材料的 沉積過程。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的工藝方法，其特征在于，所述碳質(zhì)材料為高強度石墨材料。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的工藝方法，其特征在于，所述沉積室壓力值為1E4 5E4Pa。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的工藝方法，其特征在于，所述鋅池溫度為425 65(TC，沉積 室溫度為600 670°C 。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的工藝方法，其特征在于，所述原料氣體為H2S和Zn蒸氣，二者 體積比為0. 7 1. 3。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于無機塊狀材料制備領(lǐng)域的一種化學(xué)氣相沉積低溫生長ZnS設(shè)備和工藝方法。該內(nèi)容主要包括通過采用具有非封閉邊界屬性的沉積室硬件結(jié)構(gòu)；同時對沉積室進行表面處理；沉積產(chǎn)品經(jīng)過原位變溫?zé)崽幚?，有效地解決了低溫CVDZnS材料起拱和開裂的問題，可獲得比高溫CVDZnS紅外光學(xué)性能更為優(yōu)異的大尺寸材料。
文檔編號C01G9/08GK101759225SQ20081024656
公開日2010年6月30日 申請日期2008年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月25日
發(fā)明者付利剛, 張福昌, 楊建純, 楊海, 王鐵艷, 石紅春, 蘇小平, 趙永田, 霍承松, 魏乃光 申請人:北京有色金屬研究總院;北京國晶輝紅外光學(xué)科技有限公司