Установка, печь и нагреватель печи для изготовления композиционного оптического материала селенид цинка/сульфид цинка
Группа полезных моделей относится к устройствам для выращивания материалов из газовой фазы и предназначена для получения гомогенного поликристаллического материала в виде структурной композиции, в которой на подложку из селенида цинка нанесен слой сульфида цинка. Технический результат заключается в повышении технологичности всей установки в целом и ее составных частей, высоком качестве получаемого оптического материала с высокой однородностью оптических характеристик и улучшенными термомеханическими и механическими свойствами. Установка для изготовления композиционного оптического материала селенид цинка/сульфид цинка, включающая печь, соединенную с пультом управления, вакуумной системой, системой водяного охлаждения и силовым трансформатором, где пульт управления в свою очередь соединен через силовой трансформатор с системой водяного охлаждения, которая также подключена к вакуумной системе. Печь для изготовления композиционного оптического материала селенид цинка/сульфид цинка включает корпус, в котором размещен нагреватель, внутри которого расположен реакционный контейнер, корпус печи закрыт сверху и снизу крышками, а внутри корпуса размещены теплоизоляционные экраны, в боковых стенках корпуса расположены средства для подсоединения вентиляции печи и вакуумной системы, датчики температуры и вакуума и вентиль напуска воздуха, через нижнюю крышку печи подключен датчик для измерения температуры под контейнером, а к наружной части дна нагревателя подключены токовводы, при этом корпус и крышки корпуса выполнены водоохлаждаемыми. Нагреватель печи выполнен из графита в виде цилиндра с прорезями по его высоте, в котором боковые стенки имеют переменную толщину, наименьшую снизу и наибольшую в верхней части. 3 независимых и 3 зависимых пунктов формулы.
Группа полезных моделей относится к устройствам для выращивания материалов из газовой фазы и может быть использована при получении гомогенного поликристаллического материала с определенной структурой. В частности данные устройства предназначены для получения структурной композиции, в которой на подложку из селенида пинка нанесен слой сульфида цинка.
Устройство для получения гомогенных поликристаллических материалов обычно представляет собой систему для осуществления технологического процесса, в котором поликристаллический материал получают методом химического или физического осаждения из паровой фазы в условиях вакуума. Основной составляющей таких устройств является рабочая камера - печь, представляющая собой особое устройство для обеспечения парофазного осаждения исходного материала с соответствующим тепловым узлом, экранами, которое соединяется с устройствами охлаждения, регулирования и управления.
В патенте РФ 
1774675, опубликованном 10.02.1997 по индексу МПК C30B 23/00, описан контейнер для выращивания поликристаллических заготовок из газовой фазы, который состоит из камеры испарения, над которой размещена фильтрующая перегородка, вплотную к которой установлена пластина с отверстием. На этой пластине установлен паропровод с крышкой, на внутренней поверхности которой закреплен подложкодержатель в виде сменных вкладышей. Повышение качества заготовок обеспечивается с помощью фильтрующего элемента, препятствующего пролету твердых частиц в камеру осаждения, а также с помощью отверстия в пластине, которое подбирается соответствующего размера, что обеспечивает регулирование и стабилизацию скорости роста заготовок селенида цинка.
Данное устройство обеспечивает выращивание однослойных поликристаллических заготовок.
В патенте РФ 2034100, опубликованном 30.04.1995 по индексам МПК С30В 25/00 и С30В 29/48, описано устройство для получения поликристаллических слоев соединений типа А2В6, которое содержит рабочую камеру, нагреватель, испаритель, форвакуумный насос, контур осаждения и снабжено ловушкой, выполненной составной, с основанием в виде тарели с отверстиями и крышкой. Даны соотношения размеров устройства.
В данном устройстве решается задача улучшения оптико-механических характеристик получаемого материала за счет повышения его однородности, которое достигается путем установки фильтра между контуром осаждения и верхним патрубком в рабочей камере, с помощью которого снижаются концентрации объемных структурных дефектов за счет попадания непрореагированных исходных реагентов в «холодную» зону между контуром осаждения и выходным патрубком, образования аморфной фазы соединения А 2В6 в виде порошка, который удаляется из реактора через отверстие в крышке фильтра и выходной патрубок или оседает на днище основания фильтра.
Устройство обеспечивает получение поликристаллического материала хорошего оптического качества, но не позволяет выращивать заготовки крупных габаритов (толщина >20 мм), поперечное сечение >200 мм), а производительность данного устройства крайне мала (скорость роста ~ 50-100 мкм/час).
Из уровня техники известна полезная модель «Устройство для выращивания монокристалла сапфира», описанная в патенте РФ 88678, опубликованном 10.11.2009 по индексам МПК С30В 15/14 и F27B 14/04. Устройство содержит вакуумную камеру, электронагреватель, тигель для плавки сырья, отражатель и тепловые экраны, расположенные между электронагревателем и водоохлаждаемыми стенками вакуумной камеры. Особенность выполнения экранов обеспечивает максимальные значения коэффициента отражения теплового потока, снижает теплопотери, улучшает параметры температурного поля и качество изделий, уменьшает расход электроэнергии и мощность нагревателей. Задача данной полезной модели направлена на совершенствование тепловой защиты системы нагрева, в том числе на сокращение потерь тепла и энергозатрат, уменьшение мощности нагревателя и габаритов устройства.
Как и предыдущие аналоги, последнее устройство относится к решению конкретной задачи усовершенствования рабочей камеры, в которой происходит процесс выращивания кристаллов или вакуумной сублимации испаряемого исходного вещества для получения гомогенного поликристаллического слоя из осажденных на подложке частиц. Особое внимание уделяется тепловым узлам, конструкция которых и управление температурным режимом в ростовой камере создают необходимые условия выращивания кристаллов высокого качества.
Известно устройство для выращивания кристаллов сложных полупроводников, описанное в патенте РФ 2022068, опубликованном 30.10.1994 по индексу МПК С30В 23/06, где выращивание кристаллов проводят методом осаждения в низкотемпературных установках. Устройство содержит ампулу для исходного вещества, размещенную в корпусе. Коаксиально ампуле установлен нагреватель, а между ними расположено средство регулирования градиента температуры, выполненное в виде цилиндрического экрана, который установлен с возможностью перемещения. Нагреватель выполнен переменным по толщине из материала на углеродной основе и прилегающим к ампуле в нижней ее части. Устройство снабжено основным и дополнительным средствами визуального наблюдения за ростом кристаллов, размещенных соответственно в области кристаллизации и в нижней части ампулы, в области размещения исходного материала. В изобретении заявлено повышение качества кристаллов за счет создания однородного температурного поля, а также увеличение размеров выращиваемых кристаллов за счет сужения зоны роста.
Данное устройство применимо для выращивания кристаллов сложных полупроводников при низких температурах (90-120°С) и не пригодно для работы при высоких температурах (>1000°С). Кроме того, технологический процесс в данном устройстве протекает в отсутствии динамического вакуума, что усложняет получение высокочистого материала.
В патенте РФ 2163943, опубликованном 10.03.2001 по индексам МПК С30В 15/20, С30В 13/28 и С30В 9/12, описаны способ управления процессом кристаллизации и устройство для его осуществления. Здесь управление процессом кристаллизации основано на бесконтактном возбуждении азимутальных круговых течений - вынужденной конвенции в ростовом объеме посредством вращения (ротации) теплового поля путем поочередного подключения с заданной частотой отдельных нагревательных элементов печи. Устройство управления процессом кристаллизации содержит ростовый тигель, вокруг которого размещен нагреватель, выполненный из отдельных вертикальных нагревательных элементов, регулирующую дифференциальную термопару, блоки управления нагревом и контроля температуры. Термопара выполнена из отдельных элементов, рабочие спаи которой расположены синхронно между отдельными нагревательными элементами. Устройство также содержит формирователь частоты переключений нагревательных элементов и тиристорный блок формирователя напряжения на нагревательных элементах, связанные с регулируемой термопарой.
Данные способ и устройство реализованы при выращивании кристаллов CLBO (CsLiB6O10) из раствор-расплавной системы CsLiB6O10-LiCsMoO4. Поскольку плотность кристалла меньше плотности растворителя (LiCsMoO 4), то спонтанно образовавшийся и растущий при понижении температуры в ростовой печи кристалл плавает на поверхности. И при ротации теплового поля кристалл приобретает вращательное движение. Этот опыт послужил доказательством возможности возбуждения круговых вынужденных течений в цилиндрическом тигле с расплавом посредством ротации теплового поля.
Анализ приведенных аналогов подтверждает, что особое внимание уделяется тепловым узлам, конструкция которых и управление температурным режимом в ростовой камере создают необходимые условия выращивания кристаллов высокого качества.
В патенте РФ 47895, опубликованном 10.09.2005 по индексам МПК С30В 15/34, 15/14, 15/10, заявлены четыре варианта полезной модели устройства для выращивания объемных кристаллов из расплава. Устройство включает цилиндрическую камеру с крышкой и съемным дном, тепловой узел, затравкодержатель, закрепленный на штоке с возможностью вращения и вертикального перемещения, тигель для расплава, установленный на штоке с возможностью его вращения. Тепловой узел выполнен из, по меньшей мере, двух разделенных резистивных нагревателей: донно-бокового и бокового. В устройстве по второму варианту тепловой узел выполнен из, по меньшей мере, двух раздельных высокочастотных нагревателей, расположенных друг над другом. В устройстве по третьему варианту тепловой узел выполнен в виде, по меньшей мере, одного верхнего резистивного нагревателя и, по меньшей мере, одного нижнего индукционного нагревателя. В устройстве по четвертому варианту тепловой узел выполнен в виде, по меньшей мере, одного бокового высокочастотного нагревателя и, по меньшей мере, одного донно-бокового резистивного нагревателя.
В данном техническом решении достигается разделение нагрева на донный и боковой. При этом боковые нагреватели выполнены секционными, что позволяет регулировать температуру по высоте. Выполнение нагревателей обеспечено из соответствующего набора ламелей - изогнутых U-образных прутков тугоплавкого металла или сплава. Такие нагреватели представляют довольно сложную конструкцию.
Совершенствованию теплового узла также уделено большое внимание и в предлагаемой группе полезных моделей, объединенных творческим замыслом.
Задача нового технического решения относится к усовершенствованию в целом установки для изготовления композиционного оптического материала, а также ее составных частей.
Технический результат заключается в повышении технологичности новой установки для осуществления процесса изготовления композиционного оптического материала, состоящего из слоев селенида цинка и сульфида цинка, высоком качестве получаемого оптического материала с высокой однородностью оптических характеристик. Получаемый продукт обладает улучшенными термомеханическими и механическими свойствами, по сравнению с чистым поликристаллическим селенидом цинка, но в то же время сохраняет хорошую прозрачность в области 8-14 мкм, присущую селениду цинка.
За прототип технического решения установки принят патент РФ 2163943. Прототипом печи и нагревателя выбрано устройство полезной модели по патенту РФ 47895.
Установка для изготовления композиционного оптического материала селенид цинка/сульфид цинка включает печь, систему управления, вакуумную систему, систему водяного охлаждения и силовой трансформатор. Пульт управления в свою очередь соединен через силовой трансформатор с системой водяного охлаждения, которая также подключена к вакуумной системе.
Печь для изготовления композиционного оптического материала селенид цинка/сульфид цинка представляет собой корпус, в котором размещен нагреватель в виде цилиндра с дном, как правило, графитовый, внутри которого расположен реакционный контейнер. Корпус печи закрыт сверху и снизу крышками. Корпус и крышки выполнены водоохлаждаемыми. Внутри корпуса размещены теплоизоляциоиные экраны: теплоизоляционный экран корпуса печи, расположенный между внутренней поверхностью корпуса и нагревателем, теплоизоляционный верхний экран, расположенный под верхней крышкой корпуса печи, и теплоизоляционный нижний экран, расположенный над нижней крышкой печи. В боковых стенках корпуса расположены средства для подсоединения вентиляции печи и вакуумной системы, датчики температуры и вакуума и вентиль напуска воздуха. Нагреватель печи имеет по высоте переменную толщину стенок, более тонкую снизу и наибольшую в верхней части. К донной части нагревателя подсоединены токовводы.
Нагреватель печи для изготовления композиционного оптического материала селенид цинка/сульфид цинка выполнен в виде цилиндра с дном, изготовленного из плотного графита, боковые стенки которого имеют переменную толщину с увеличением в верхней части и прорези в вертикальной и донной поверхностях цилиндра. В центре дна цилиндра имеется отверстие для графитовой подставки под контейнер.
Переменность толщины вертикальных, боковых стенок нагревателя имеет ступенчатый характер, предпочтительно. Целесообразно выполнение трехступенчатого утолщения стенок графитового нагревателя по вертикали.
Прорези по высоте нагревателя выполнены от верхней кромки цилиндра и немного не доходят до отверстия в дне цилиндра и, наоборот, от отверстия в дне нагревателя и почти до верха цилиндрической части. Прорези имеют ширину порядка 3 мм. Такое устройство нагревателя позволяет создать минимальное сопротивление электрического тока в верхней его части и максимальное в нижней его части.
Конструкция нагревателя обеспечивает необходимый для высокой скорости конденсации слоя сульфида пинка на подложку из селенида цинка перепад температур между нижней зоной испарения сульфида цинка и верхней зоной его конденсации. В результате это позволяет минимизировать термотравление поверхностей селенида цинка, в том числе и поверхность, на которую конденсируется сульфид цинка, и, следовательно, улучшить прозрачность материала.
Реакционный контейнер и все его составляющие изготовлены из графита, обработанного пиролизом и обладающего высокой плотностью и низкой пористостью, по сравнению с необработанным графитом. В нижней части контейнера (испаритель) располагают исходный материал, над которым устанавливают диафрагму (кольцо) и экран-отражатель для предотвращения попадания мелких частичек материала в зону конденсации его паров, а также для регулирования скорости процесса. Испарение порошка сульфида цинка организуется соответствующим тепловым режимом, осаждение паров осуществляется на полированную подложку селенида цинка, которая располагается в верхней части контейнера. При этом для минимизации термотравления подложки селенида цинка она зафиксирована в верхней части контейнера таким образом, что пары сульфида цинка могут поступать на нижнюю торцевую и боковую поверхности. Сверху на подложку плотно укладывается титановая фольга и прижимается к подложке графитовым диском и крышкой контейнера.
Теплоизоляционные экраны изготовлены из углерод-углеродного композиционного теплоизоляционного материала марки УКМП-14. Плотность указанного материала равна 0.17-0.2 г/см, а теплопроводность при температурах 20-2000 К находится в пределах 0.2-0.4 Вт/мК.
В процессе кристаллизации во внутреннем пространстве печи формируются две зоны: зона высокой температуры, расположенная в нижней части нагревателя на уровне испарителя с сырьевым порошком, и зона низкой температуры, расположенная в области подложки из селенида цинка.
В целом предлагаемая установка для изготовления композиционного оптического материала селенид цинка/сульфид цинка отличается повышенной системой безопасности, в том числе экологической. Это обеспечивается средствами по регулированию нагрева печи, обеспечения вакуума, а также системой вентиляции.
На Фиг.1 представлена блок-схема установки для изготовления композиционного оптического материала селенид цинка/сульфид цинка, где 1 - печь, 2 - пульт управления, 3 - силовой трансформатор, 4 - вакуумная система и 5 - система водяного охлаждения. Печь 1 соединяется соответствующими выходами - входами с пультом управления 2, силовым трансформатором 3 и системой водяного охлаждения 5, которая также подключена к вакуумной системе 4 и силовому трансформатору 3. Пульт управления 2 соединен в свою очередь с вакуумной системой 4 и силовым трансформатором 3.
На Фиг.2 представлено устройство печи для изготовления композиционного оптического материала селенид цинка/сульфид цинка, где 6 - корпус печи, в котором коаксиально установлены реакционный контейнер 7, расположенный внутри нагревателя 8, к нижней донной части которого подведены токовводы 9. Внутри контейнера 7 расположены: диафрагма 10, экран-отражатель 11, разделяющие внутреннюю емкость контейнера 7 на две зоны - нижнюю и верхнюю. В верхней зоне контейнера 7 поочередно относительно направления испаряемого вещества расположены вплотную между собой полированная подложка из селенида цинка 12, титановая фольга 13, диск 14 и крышка 15. Вблизи внутренних вертикальных стенок корпуса расположен теплоизоляционный экран 16 корпуса печи. Корпус печи 6 закрыт верхней крышкой 17 и нижней крышкой 18. Вблизи верхней крышки 17 внутри корпуса расположен теплоизоляционный верхний экран 19, а вблизи нижней крышки 18 расположен теплоизоляционный нижний экран 20. Реакционный контейнер установлен на подставке 21, внутри которой помещен датчик температуры 22. В корпусе печи 6 установлены датчики температуры 23 и датчик вакуума 24. Также корпус оборудован средствами соединения 25 и 26 соответственно с системой вентиляции печи (на чертежах не показана) и вакуумной системой 4 (Фиг.1). На нижней части корпуса печи 6 установлен вентиль напуска воздуха 27.
На Фиг.3 представлено устройство нагревателя печи для изготовления композиционного оптического материала селенид цинка/сульфид цинка, в котором толщина вертикальных стенок имеет трехступенчатый вид с увеличением вверх. Нагреватель имеет прорези 28 идущие от отверстия в донной части вверх по цилиндрической части, не доходящие до края, и от верхнего края цилиндрической части вниз, не доходящие до отверстия в донной части. Таким образом, получается своеобразная лента определенной длины, по которой течет ток, и в которой максимальное сопротивление в нижней части с минимальной толщиной стенки и минимальное сопротивление в верхней части с максимальной толщиной стенки.
Работа установки для изготовления композиционного оптического материала селенид пинка/сульфид цинка осуществляется следующим образом: В печь 1 на подставку 21 помещают реакционный контейнер 7 с сырьевым порошком сульфида цинка, диафрагмой 10, экраном-отражателем 11, подложкой из селенида цинка 12. Подложку 12 плотно закрывают слоем титановой фольги 13, сверху кладут диск 14 и закрывают крышкой 15. Затем, устанавливают экран 19 и закрывают печь верхней крышкой 17. Через отверстие 26 откачивают вакуумной системой 4 воздух до давления 10-5 мм рт.ст., включают систему водяного охлаждение 5 и начинают разогрев реакционного контейнера 7 по заданному температурно-временному режиму с помощью нагревателя 8, на который по токовводам 9 подается электрический ток от силового трансформатора 3. Управление нагревом печи и вакуумной системой осуществляется с пульта управления 2. После того, как достигают температуры порядка 1000±30°С, делают выдержку 25±5 часов при постоянной температуре, в течение которой происходит конденсация слоя сульфида цинка на подложку селенида цинка 12. Затем осуществляют медленное охлаждение печи до комнатной температуры, в ходе которого реализуется отжиг полученной заготовки. В ходе работы контролируются температуры в различных зонах пространства печи с помощью датчиков температуры 22 и 23, а также давление в печи с помощью датчика вакуума 24. После того как печь остынет до комнатной температуры открывают вентиль 27 и напускают воздух в печь до атмосферного давления. Затем через отверстие 25 осуществляют вентиляцию пространства печи в течение нескольких минут, после чего открывают печь и извлекают контейнер с полученной заготовкой композиционного материала.
Изготовленный поликристаллический композиционный материал ZnSe/ZnS в виде пластин диаметром 240 мм с толщиной слоев ZnSe - 25 мм и ZnS - 0.5 мм обладает показателем ослабления в области 1-12 мкм не более 5×10-2 см-1 , характеризуется прочностью на изгиб не менее 70 МПа и термостойкостью при охлаждении со стороны сульфида цинка порядка 100°С. Микротвердость получаемого материала (твердость по Кнуппу) равна 120±5 кг/мм2 со стороны селенида цинка и 200±10 кг/мм2 со стороны сульфида цинка.
1. Установка для изготовления композиционного оптического материала селенид цинка/сульфид цинка, включающая печь, соединенную с пультом управления, вакуумной системой, системой водяного охлаждения и силовым трансформатором, где пульт управления в свою очередь соединен через силовой трансформатор с системой водяного охлаждения, которая также подключена к вакуумной системе.
2. Печь для изготовления композиционного оптического материала селенид цинка/сульфид цинка включает корпус, в котором размещен нагреватель, внутри которого расположен реакционный контейнер, корпус печи закрыт сверху и снизу крышками, а внутри корпуса размещены теплоизоляционные экраны, представленные как теплоизоляционный экран корпуса печи, расположенный между внутренней поверхностью корпуса и нагревателем, теплоизоляционный верхний экран, расположенный под верхней крышкой корпуса печи, и теплоизоляционный нижний экран, расположенный над нижней крышкой печи, в боковых стенках корпуса расположены средства для подсоединения вентиляции печи и вакуумной системы, датчики температуры и вакуума и вентиль напуска воздуха, через нижнюю крышку печи подключен соответствующий датчик для измерения температуры под контейнером, к наружной части дна нагревателя подключены токовводы, а корпус и крышки корпуса выполнены водоохлаждаемыми.
3. Печь по п.2, в которой нагреватель имеет переменную толщину по высоте боковых стенок и выполнен из графита.
4. Нагреватель печи для изготовления композиционного оптического материала селенид цинка/сульфид цинка выполнен из графита в виде цилиндра с прорезями по его высоте, в котором боковые стенки имеют переменную толщину, наименьшую снизу и наибольшую в верхней части.
5. Нагреватель по п.4, в котором переменность толщины вертикальных стенок имеет ступенчатый характер.
6. Нагреватель по п.5, в котором толщина вертикальных стенок имеет трехступенчатый вид.
