Вакуумная трубчатая печь
Полезная модель относится к термическому оборудованию, и предназначена для получения тонких многокомпонентных полупроводниковых соединений с целью создания на их основе приборов используемых в качестве датчиков и преобразователей оптического излучения, и для термоотжига, легирования, азотирования, цементирования металлов, ионной обработки поверхности материалов. Данное техническое решение направлено на повышение надежности механизма вакуумного уплотнения, защите блока вакуумной откачки от загрязнения и расширение технологических возможностей печи. Для решения поставленной задачи предлагаемая полезная модель снабжена двумя вертикальными зонами нагрева. С целью повышения надежности механизма вакуумного уплотнения вакуумные кольца установлены в специальные пазы во фланцах. Для защиты блока вакуумной откачки от загрязнения, на выходном фланце печи установлен конденсатор прореагировавших химических компонент.
Полезная модель относится к термическому оборудованию, и предназначена для получения тонких многокомпонентных полупроводниковых соединений с целью создания на их основе приборов используемых в качестве датчиков и преобразователей оптического излучения, и для термоотжига, азотирования, цементирования металлов, ионной обработки поверхности материалов и т.д.
Известна трубчатая вакуумная печь TVF-1200X22/X43 компании «Актан» (http://www.actan.ru/vac_frn_tvf.html). которую можно выбрать в качестве прототипа. Особенностью конструктивного исполнения трубчатых нагревательных печей является использование керамической или кварцевой трубы в нагревательной камере. Конструкция печи включает нагревательную камеру и силовой блок. Нагревательная камера в большинстве своем однозонная, или двухзонная, но с горизонтальным разделением зон. Нагревательная камера снабжена нагревательными элементами, разметенными вокруг кварцевой трубы, проходящей через центр нагревательной камеры. На концах кварцевой трубы установлены впускной и выпускной механизмы вакуумного уплотнения для подачи или выпуска газов. Механизм вакуумного уплотнения предназначен для обеспечения герметичности полости кварцевой трубки и включает фланцы, между которыми размещено распорное кольцо и вакуумные уплотнительные кольца. Силовой блок печи обеспечивает электроснабжение и включает трансформаторы, преобразователи тока, блоки управления тиристорами, и т.п. а также приборы контроля, измерения и управления температурой и иными параметрами технологического процесса, установленные на панели управления.
Недостатком печей данной фирмы является их работа в среде низкого вакуума (механизм вакуумного уплотнения рассчитан на уровень вакуума в пределах 10-2 -10-5 торр в зависимости от применяемой откачкой системы), так как используемый механизм вакуумного уплотнения недостаточно эффективен и допускает утечку. Отсутствие к конструкции печи системы улавливания прореагировавших химических компонент может привести к загрязнению блока вакуумной откачки.
Технической задачей, решаемой данной полезной моделью является повышение надежности механизма вакуумного уплотнения, зашита блока вакуумной откачки от загрязнения и расширение технологических возможностей печи. Поставленная задача продиктована особыми требованиями к получению тонких пленок, например к получению тонкой пленки CuInSe2 методом селенизации медно-индиевых слоев. При этом необходима высокая степень вакуума (не менее 10 -7 мм.рт.ст) для проведения технологического процесса в безкислородной среде. Связано это с тем, что кислород, содержащийся и воздухе, в этих соединениях играет роль акцепторной примеси и может существенно повлиять на свойства материала. Также крайне важно иметь в печи наличие двух и более вертикальных зон нагрева достаточно большой длины (не менее 500 мм) с независимой регулировкой температуры каждой зоны (в пределах от Т=200-1000°С) и малым разбросом температур но диаметру. Следует отметить, что применение печи с вертикальным разделением зон нагрева позволяет, например, проводить одновременно испарение селена и процесс его термодиффузии в медно-индиевую пленку в двух зонах путем независимой регулировки температуры каждой зоны. Однако печи, удовлетворяющей всем перечисленным требованиям в совокупности, на сегодняшний день нет.
Для решения поставленной задачи предлагаемая полезная модель снабжена двумя вертикальными зонами нагрева. С целью повышения надежности механизма вакуумного уплотнения, вакуумные кольца установлены в специально выполненные пазы во фланцах. Для защиты блока вакуумной откачки от загрязнения, на выходе откачного фланца печи установлен конденсатор прореагировавших химических компонент, В качестве конденсатора может быть применен, например, обратный холодильник, применяемый в стандартной лабораторной аппаратуре (http://chemistry-books.narod.ru/experimenl/glava4_1,html).
Устройство печи приведено па чертежах.
На Фиг.1 приведена структурная схема вакуумной трубчатой печи с внешней комплектацией.
На Фиг.2 приведена конструкция вакуумной трубчатой печи.
На Фиг.3 приведен сборочный чертеж механизма вакуумного уплотнения.
Вакуумная трубчатая печь включает корпус нагревательный камеры 1, силовой блок 2, с пультом управления 3. По центру нагревательной камеры проходит кварцевая труба 4. Кварцевая труба с двух торцов закрыта впускным и выпускным механизмом вакуумного уплотнения (МВУ) 5 и 6. К впускному МВУ подключена система газоподачи 7. С другого стороны выпускной МВУ через конденсатор прореагировавших химических компонент 8 подключен к высоковакуумному блоку 9. Каждый МВУ включает фланцы 10, между которыми размещены распорные кольца 11 и вакуумные уплотнительные кольца 12. Фланцы стянуты крепежом 13. Внутри нагревательной камеры вокруг кварцевой трубы размещены электрические высокотемпературные нагреватели 14, создающие две вертикально разделенные зоны нагрева А и В. Во фланцах выполнены круговые пазы 15.
Вакуумная трубчатая печь работает следующим образом:
Раскручивают болты крепежа 13 и снимают один из фланцев 10. Размещают в кварцевой трубе 4 определенным образом исходные ингредиенты и закручивают обратно снятый фланец. Посредством высоковакуумного блока 9 откачивают из полости кварцевой трубы 4 воздух, создавая заданный уровень разрежения. С пульта управления 3 силового блока 2 подают питание на нагреватели 14, создавая в зонах А и В определенный градиент температур. Через впускной МВУ 5 в кварцевую трубу подают газ, или смесь газов определенного состава, и проводят технологический процесс. После завершения технологического процесса извлекают полученный продукт.
Приводим примеры выполнения некоторых технологических процессов:
1. Процесс термоотжига.
Полупроводник Se в виде пластины помешают в зону Л. легирующий материал Сu помещают в зону В. Откачивают воздух из кварцевой трубы 4. Повышают температуру в зоне В до температуры испарения легирующего материала. Повышают температуру в зоне А до температуры отжига. В результате Сu, испарившись из зоны В, в виде пара переносится в зону А, где в результате термоотжига или входит в химическую связь с образованием нового соединения (Cu2Se), или входит в полупроводниковую пластину в виде легирующей примеси (например бор в Si).
2. Процесс азотирования (цементирования).
Это процесс, сущность которого заключается в изменении свойств поверхности металлических образцов в результате насыщения поверхности образцов азотом (углеродсодержащими газами) при некой температуре. Образцы из читана помещаются в кварцевую трубу 4, через выпускной МВУ 6 откачивают воздух до вакуума, через впускной МВУ 5 подают газ азот (азотирование) или метан (цементирование) Через силовой блок 2 поднимают температуру в печи в зонах А и В до 900-1100 градусов С. Поверхность образцов в результате химических реакций титана с азотом или с метаном изменяется с образованием TiN (азотирование), или TiC (цементирование). Эти соединения имеют высокую твердость.
3. Ионная обработка-это обработка образцов в плазме газового разряда. В кварцевую трубу 4 помещают материал, через выпускной МВУ 6 откачивают воздух, устанавливают необходимую температуру в зонах печи, подключают к МВУ 5 и 6 печи высокочастотный генератор или высоковольтный блок питания. Через МВУ 5 в кварцевую трубу 4 подают аргон. Атомы аргона ионизируются и приобретают дополнительную энергию. В результате столкновений ионов аргона и поверхности материала последняя очищается.
Вакуумная трубчатая печь, включающая нагревательную камеру с кварцевой трубой, силовой блок с системой регулирования и контроля, впускной и выпускной механизмы вакуумного уплотнения, включающие фланцы, распорные кольца и вакуумные уплотнительные кольца, отличающаяся тем, что внутри нагревательной камеры вокруг кварцевой трубы размещены электрические высокотемпературные нагреватели, создающие две вертикально разделенные зоны нагрева с независимой регулировкой температуры в каждой зоне, во фланцах выполнены круговые пазы для фиксации вакуумных уплотнительных колец, а выпускной механизм вакуумного уплотнения снабжен конденсатором прореагировавших химических компонент.
