专利名称：制备硒化锌/硫化锌光学材料的设备、炉、炉用加热体的制作方法
技术领域：
本发明是针对采用气相沉积法生长材料的设备，用于多晶块体材料的生长。特别地用于制备出以硒化锌为基底、表面涂有硫化锌的块体复合材料。
背景技术：
用于生长多晶体材料的设备通常是一个完整的系统，在这个系统中，在真空条件下通过化学或物理沉积的方式从气相中提取多晶材料。此类设备的主要部分包括带加热组件的真空室、真空系统、控温系统和水冷系统。1997年2月10日俄罗斯联邦发布了一项专利，专利号N2 1774675，国际专利分类目录C30B23/00。该专利描述了用于生长多晶块体毛坯的容器，此容器下方为一蒸发小室， 上方放置了过滤隔板，紧挨着隔板装配了带孔的薄板。在这个薄板上安装了一条带盖的蒸汽管道，蒸汽管道的内表面上以交替轴瓦的形式安装了底板支架。通过过滤组件，阻止了粉体内部坚硬粒子进入沉积室；薄板上的孔具有足够大的尺寸，以确保硒化锌毛坯的晶体颗粒度，并可对晶体尺寸进行调整，进一步提高毛坯的质量。上述设备可保障多晶硒化锌块体材料的生长。1995年4月30日俄罗斯联邦发布了一项专利，专利号N2 2034100，国际专利分类目录C30B25/00和C30B^/48。该专利描述了用于获取A2B6型多晶体过渡层的设备，此设备主要包括沉积室、加热器、蒸发器、预抽真空泵、沉积回路，并依据孔、盖以及减震垫片的形式配备了组装完成的分离器。由于提高了所制备的材料的均一性，进而达到了改善材料光学性能和机械性能的目的。改善材料光学性能和机械性能的方法是在沉积回路和沉积室上部套管之间安装过滤器，由于不反应的粉体落入到沉积回路和沉积室之间的“冷却”区域，在过滤器上形成A2B6 无定形相化合物粉末，在过滤器的帮助下，通过过滤器顶部和作为出口的套管处的孔，从反应器中分离，或者沉积至过滤器底座的底部，从而减少了毛坯内部的缺陷。此设备可保证获取高质量的多晶体光学材料，但是不能培养出大尺寸毛坯(厚度 > 20mm,横截面> 200mm)，上述设备的生长速率在50 100 μ m/h)。从设备的制造水平来说，有效的解决方案是《单晶氧化铝材料制备设备》，在2009 年11月10日由俄联邦发布的Ns 88678专利、国际专利分类C30B15/14和F27B14/04目录下，描述了此设备。本设备包含了真空室，加热体，用于熔炼原料的坩埚，位于加热体和真空室水冷套之间的反射器以及热护板。护板保障了热流反射因数的最大值，降低热损失，改进了温度区域的参数以及成品质量，减少了电能消耗以及加热体的功率。上述新技术解决方案的任务致力于加热系统热保护的完善，减少了热损耗以及电能消耗，降低加热体功率，同时减小了设备的占地空间。与上述情况相似，这类设备通过优化真空室结构，可通过其实现单晶体生长或对蒸发粉料进行真空提纯，以获得多晶体材料。特别地，加热体结构和加热区温度控制是生长高品质晶体材料的关键。
1994年10月30日俄联邦发布了 Ns 2022068专利，国际专利分类在C30B23/06目录下。该专利描述了复杂半导体晶体生长设备，该设备在低温条件下以沉积的方式生长多晶体材料。设备中包含用于放置反应原料的细颈玻璃管。加热体安装方向与细颈玻璃管平行。加热体和细颈玻璃管之间放置圆柱形挡板用于调节温度梯度，此挡板位置可以移动。石墨加热体厚度可调，紧邻细颈玻璃管的下部。设备还配备了用于观测晶体生长的目测工具， 这些工具位于相应的晶体生长区域以及细颈玻璃管下部，即初始材料放置区域。该设备构建了均一温度场，提高了晶体的质量；同时由于形成了生长区域温度梯度，进而增加了晶体尺寸。上述设备可用于低温生长(90 120°C)复杂半导体晶体的制备，但不适宜于高温条件(> 1000°C )下工作。除此之外，上述设备的工艺过程是在真空条件下进行，这使得制备高纯度材料的工艺更复杂。在国际专利分类C30B15/20，C30B13/^8和C30B9/12目录下，2001年3月10日发布的俄联邦N2 2163943专利中，描述了控制结晶生长的方法，以及相应的设备。这里结晶过程的控制是基于对方位循环流动无连接刺激一即以指定的频率轮流接通炉子的加热体，利用热区旋转(转动)，生长区也随之转动。结晶过程控制包括调节生长坩埚附近放置的加热体(加热体由独立垂直加热元件组成)，调节热电偶，加热控制模块，温度控制模块。热电偶由独立元件组成，热电偶测温端位于加热体之间。设备还包含加热元件连接频率形成器，以及加热元件上电压形成器的晶间管模块，这些加热元件与调节热电偶连接。通过上述设备和方法可以用来培植CSLi 01(1-LiCSMO04晶体。当晶体密度小于溶剂(LiCsM0O4)密度时，降低温度后，在生长炉内结晶和生长的晶体会浮在表面。当热区旋转时，晶体获得旋转动能。实验分析表明，加热体组件的结构以及生长室温度控制是培植高质量晶体的必要条件。在国际专利分类C30B15/34，15/14，15/10目录下，2005年9月10日发布的俄联邦· 47895专利中，列举了四种采用熔融物培养大尺寸晶体的新工艺方案。第一种方案中， 设备包括圆柱形小室(带盖和可移动的底)，热部件，固定在可以旋转和垂直移动的杆上的籽晶支架，固定在可旋转的杆上的熔融物坩埚。加热体至少由两个分离式电阻加热器组成 侧底部的以及侧面的。第二种方案中，设备的加热体至少由两个分离式高频率加热器组成 一个位于另一个的上方。第三种方案中，设备的加热体包括至少有一个上部电阻加热器，以及至少一个下部感应加热器。第四种方案中，设备的加热体至少有一个侧面高频加热器，以及至少有一个侧底面电阻加热器。上述技术解决方案中，加热体由底部加热体和侧面加热体组成。这种情况下，侧面加热体应为成组的，并允许按高度来调节温度。由合适的一组薄片(此薄片为难熔金属或者合金材料的U型结构)组成的加热体确保了加热功能的正常工作。但是此种类型的加热体结构相当复杂。
发明内容
本发明中所述解决方案的目的是优化整体设备，以制备出高品质的光学材料。本发明包括制备硒化锌/硫化锌光学材料的设备，其中，包括炉，所述炉与控制面板、真空系统、水冷系统以及动力变压器相连，控制面板本身通过动力变压器与水冷系统相连，水冷系统也与真空系统相连。制备硒化锌/硫化锌光学材料的炉，其中，包括筒状结构的炉体，炉体内放置加热体，加热体内部装有反应容器，炉体上下端用盖封住，炉体内部装有隔热挡板，隔热挡板安装在炉体和加热体之间，隔热挡板包含上部的隔热挡板，位于炉体上盖的下方；下部的隔热挡板，位于炉体下盖的上方；中间的隔热挡板，位于炉体和加热体的侧壁之间的；炉体上有用于连接炉通风系统和真空系统的孔、温度传感器、真空传感器、以及与大气相通的通风开关；测温热电偶通过炉体下盖连接到相应的传感器上，用于测量容器下方的温度；加热体底部与动力电缆相连，炉体和炉盖是水冷的。如上所述制备硒化锌/硫化锌光学材料的炉，其中，其炉体内放置的加热体，在炉壁的高度方向上厚度是变化的，所述加热体由石墨制成。制备硒化锌/硫化锌光学材料的炉用加热体，其中，由石墨制成，外形为圆柱体， 加热体厚度是越向下越薄，越向上越厚。如上所述的炉用加热体，其中，加热体厚度变化呈阶梯特性。如上所述的炉用加热体，其中，加热体厚度呈三级阶梯状。本发明的优点是对所提供的新技术解决方案中，设备整体提供了良好的水冷、隔热、通风结构，并且格外注意加热体的结构设计。技术成果包括提高工艺装备的性能，该设备可用于制备硒化锌/硫化锌复合光学材料，获取具有光学性能均勻性高的高质量光学材料。相较于单一硒化锌多晶体而言，通过此种设备获取的产品拥有较好的热力性能和机械性能，同时在8-14 μ m范围内也拥有较高的透过特性。
图1是本发明所述制备硒化锌/硫化锌光学材料的设备整体结构示意图；图2是本发明所述制备硒化锌/硫化锌光学材料的设备中详细描述炉部分的结构示意图；图3是加热体结构示意主视图；图4是加热体结构示意俯视图。1-炉，2-控制面板，3-动力变压器，4-真空系统，以及5-水冷系统，6_炉体。 具体实施例以下，结合
和具体实施例对本发明做进一步的描述。关于此设备的技术解决方案原型源自于俄联邦N2 2163943(公开号)专利。新技术解决方案中设备选择的炉体和加热器的原型源自于俄联邦N2 47895(公开号)专利。用于锌硒化物/锌硫化物合成光学材料制作的设备包括炉、控制系统、真空系统、 水冷系统以及控制电源。同样，控制面板通过控制电源与水冷系统(水冷系统与真空系统相连接)相连。用于生长硒化锌/硫化锌复合光学材料的炉是一个筒状结构，内部加装了加热体，加热体呈带状的圆柱体结构，通常为石墨材质。加热体内部放置反应坩埚。炉体上部以炉盖封顶，下部以端盖密封。炉体和炉盖均为水冷结构。炉体内部装有隔热护板一个位于炉体和加热体之间，一个位于炉盖的下方，一个位于炉体下端盖的上部。在炉体侧面墙壁上，安装与炉体连接的通风系统和真空系统，温度与真空传感器。炉体的加热体在沿高度方向厚度是不同的，加热体的上部比下部厚。加热器底部与控制柜相连。用于生长硒化锌/硫化锌光学材料的加热体为圆柱体结构，底部带端盖，材质为高密度石墨。加热体侧壁上部厚度逐渐增加，圆柱体垂直表面和底部表面有切口。圆柱体底部中央处，为容器下方的石墨支架留有孔。加热体沿炉壁方向的厚度变化呈三级阶梯状。加热体高度方向上的切口从圆柱体上部边缘开始，几乎到达圆柱体底部，相反，来自加热体底部的孔不到达圆柱体上部。切口的宽度为3mm。此种加热设备其上部电阻最小，加热量小，下部电阻最大，加热量大。加热体的结构所形成的硫化物底部蒸发区与上部凝结区之间的温度梯度可以满足硒化锌与硫化锌的凝结速度。因此可将硒化锌、硫化锌表面的热侵蚀降至最低，并改善了材料的透明度。反应容器及其组成部分均由热解石墨制成，与普通石墨相比具有更高的密度和极低的孔隙度。原始粉料放在容器底部，粉料的上方安装有挡圈和反射挡板，用以防止材料中细小杂质落入蒸汽凝结区域，同时也可以对蒸发速率进行调节。硫化锌粉末蒸发形成了相应的蒸发热流，蒸汽沉积在抛光好的硒化锌表面，该沉积层位于容器的上部。这种情况可最大限度地减少硒化锌沉积面的热侵蚀，它固定在容器的上部，这样硫化锌蒸汽就可进入硒化锌块体的底部单面和侧面。硒化锌上断面紧密地放置了含钛金属薄片，以使容器的石墨盘和盖与硒化锌上端面紧贴。隔热板由牌号为yKM Π -14的碳-碳复合材料制成。该材料的平均密度为0. 17 0. 2g/cm,在20 2000K温度下，热通过率的临界值为0. 2 0. 4w/ μ m。在结晶过程中，炉体的内部空间形成了两个区域高温区，位于蒸发器和原料粉末高度的加热器的下部；低温区，位于硒化锌底层部分。整体来讲用于生长硒化锌/硫化锌光学材料的设备具有较高的安全可靠性，其中包括对生态环境不会造成污染。这是通过炉体加热调节、真空系统及通风系统来实现的。具体的结构形式如下所述第一，提供了用于制作硒化锌/硫化锌光学材料的设备流程图，图中，炉1由相对应的进出口与控制面板2和动力变压器3以及水冷系统5相连，水冷系统5又与真空系统4 和动力变压器3相连，即水冷系统5还能对真空系统4进行冷却。控制面板2本身与真空系统4和动力变压器3相连。动力变压器3提供动力用电流。第二，提供了用于制作硒化锌/硫化锌光学材料的炉，其中炉体6，炉体6内部同轴地放置了反应容器7，反应容器7又置于加热体8之内，在底部的下方引入电线9。反应容器7内部放置挡圈10，反射挡板11，将容器7内部的容积分成两个区域一下方区域和上方区域。容器7的上方区域依次相应地沿蒸发方向紧密地在中间排列着表面抛光好的锌化硒 12、钛金属薄片13，盘14和盖15。靠近炉壁处为炉体的隔热挡板16。炉体6用上盖17和下盖18密封。炉体内部上盖17临近位置为上部隔热挡板19，而下盖18临近位置为下部隔热挡板20。反应容器安装在支架21上，支架内部安装有温度传感器22。炉体6里安装了温度传感器23和真空传感器M。同样，炉体连接孔25 J6和相应的炉通风系统(未图示)、真空系统4相连(第一种)。炉体6的下部安装了连接至空气的通风开关27。第三，提供了用于制备锌硒化锌/硫化锌光学材料的设备加热体，加热体内，沿炉壁方向的厚度变化呈三级阶梯状。沿着圆柱体部分，自底部的孔向上，加热体留有观个槽， 但槽的长度未到达边缘，自加热体上部的孔边缘向下，槽的长度几乎到达底部。这样，就形成了一条拥有一定长度的特殊带，在这条带的内部，下部电阻最大，上部电阻最小。即从下往上的槽离上边缘的距离，大于从上往下的槽离下边缘的距离。用于制备锌硒化锌/硫化锌光学材料的设备工作由以下方式来完成炉1中，支架 21上为反应容器7，反应容器7装有硫化锌原料粉末、挡圈10，反射挡板11以及硒化锌块体12。硒化锌块体12上端面紧紧地盖上了钛金属薄片13，上面放置了盘14，并以盖15封住。然后安装挡板19，放上炉子上盖17。通过孔沈，利用真空系统4抽出空气，使压力达到 10_5mmHg，开启水冷系统5，利用加热体8，按指定的温度时间曲线开始对反应容器7加热，通过电缆9从动力变压器3中对加热体8供电。炉体加热和真空系统的控制由控制面板2来完成。然后，当温度达到1000士30°C时，保温25士证，在此期间，完成硫化锌在硒化锌表面 12的沉积。然后将炉缓慢冷却至室温，冷却过程中，完成对毛坯的退火。工作过程中，炉内不同区域的温度控制由传感器22和23来完成，炉内的压力由真空传感器M来完成。炉体冷却至室温之后，打开通风开关27，向炉中放入空气，使炉内压力达到大气压力，此时，由于炉体内相对大气为负压，因此，不会由向外扩散的物质，防止了污染。此通风开关27和通风系统先后配合使用，在使用了通风开关27之后，通过孔25，在几分钟之内完成炉体内通风，通风之后打开炉，取出带有复合材料的反应容器。制备得到的a^e/ZnS多晶复合材料为平板结构，直径M0mm，a^e层厚度为25mm， ZnS为0. 5mm,并且在1_12 μ m波段范围内，吸收系数不超过5X KT2CnT1,抗弯强度不小于 70MPa，对硫化锌面进行耐热冲击测试，可承受100°C的温度冲击。材料的显微硬度平均为 120 士 5kg/mm2 (硒化锌面)，200 士 10kg/mm2 (硫化锌面)。
权利要求
1.制备硒化锌/硫化锌光学材料的设备，其特征在于包括炉，所述炉与控制面板、真空系统、水冷系统以及动力变压器相连，控制面板本身通过动力变压器与水冷系统相连，水冷系统也与真空系统相连。
2.制备硒化锌/硫化锌光学材料的炉，其特征在于包括筒状结构的炉体，炉体内放置加热体，加热体内部装有反应容器，炉体上下端用盖封住，炉体内部装有隔热挡板，隔热挡板安装在炉体和加热体之间，隔热挡板包含上部的隔热挡板，位于炉体上盖的下方；下部的隔热挡板，位于炉体下盖的上方；中间的隔热挡板，位于炉体和加热体的侧壁之间的； 炉体上有用于连接炉通风系统和真空系统的孔、温度传感器、真空传感器、以及与大气相通的通风开关；测温热电偶通过炉体下盖连接到相应的传感器上，用于测量容器下方的温度； 加热体底部与动力电缆相连，炉体和炉盖是水冷的。
3.如权利要求2中所述制备硒化锌/硫化锌光学材料的炉，其特征在于其炉体内放置的加热体，在炉壁的高度方向上厚度是变化的，所述加热体由石墨制成。
4.制备硒化锌/硫化锌光学材料的炉用加热体，其特征在于由石墨制成，外形为圆柱体，加热体厚度是越向下越薄，越向上越厚。
5.如权利要求4中所述的炉用加热体，其特征在于加热体厚度变化呈阶梯特性。
6.如权利要求5中所述中的炉用加热体，其特征在于加热体厚度呈三级阶梯状。
全文摘要
本发明是针对采用气相沉积方法制备材料的设备，此设备可用于多晶块体材料的生长。特别地采用该设备可制备出以硒化锌为基底、表面涂有硫化锌的块体复合材料。制备硒化锌/硫化锌复合光学材料的设备包括炉，与控制面板、真空系统、水冷系统以及动力变压器相连。炉体内放置加热体，加热体内部装有反应容器，炉体内部装有隔热挡板，炉壁上有用于连接通风系统和真空系统的孔、温度传感器、真空传感器以及连接大气的通风开关，炉体与炉盖具有水冷结构。加热器由石墨制成，圆柱体结构，沿着它的高度方向开槽，加热体侧壁厚度是变化。该发明成果主要是对设备的工艺性能及其相应部件进行改善，最终获得热力学性能和力学性能较为理想的高品质光学材料。
文档编号C30B35/00GK102560638SQ20111042954
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月16日 优先权日2010年12月16日
发明者克鲁托夫.M.A, 加里宾.E.A, 古谢夫.P.E, 吴志新, 宗杰, 张弢, 扎伊耶夫.U.H, 杜纳耶夫.A.A, 杰米坚科.A.A, 林峰, 甘硕文, 米罗诺夫.I.A, 赵晓龙, 阿法纳西耶夫.B.A, 马卡罗夫.A.H 申请人:天津津航技术物理研究所