Способ получения поликристаллического селенида цинка и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к силовой МК-оптике для получения пассивных элементов CO₂-лазеров и других приборов, работающих в ИК-диапазоне. Поликристаллический селенид цинка получают осаждением из газовой фазы при раздельной подаче потоков смеси паров цинка с аргоном и смеси селеноводорода с аргоном, каждый из которых имеет вокруг себя защитный поток инертного газа. Потоки селеноводорода и цинка делят на n и 2 n частей, устанавливают соотношение указанных потоков смесей равным 1,5 - 1,8, а суммарный поток газовой смеси 690-750 см³/миндм². . Осаждение ведут на стенках реактора квадратного сечения, имеющего входной фланец, по периметру квадрата со стороной 2 l/3 2n отверстий для подачи смеси паров цинка с аргоном и по периметру квадрата со стороной l/3 - n отверстий для подачи смеси селеноводорода с аргоном, где l - длина стороны квадрата фланца. Центры симметрии квадратов, по периметру которых расположены отверстия, совмещены с центром симметрии фланца. Вокруг каждого из отверстий по концентрическим окружностям расположены отверстия для подачи защитного газа. Изобретение обеспечивает увеличение полезного выхода селенида цинка. 2 с.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл.

Изобретение относится к силовой ИК-оптике и касается разработки способа и устройства для получения равномерных поликристаллических слоев селенида цинка, используемого в качестве пассивных элементов СО₂-лазеров и других приборов, работающих в ИК-диапазоне.

Известно устройство для осаждения селенида цинка, в котором рост поликристаллических слоев проводится в проточном реакторе [1]. В [1] исходные реагенты подавались в реактор по концентрическим кольцевым щелям. В способе [2] была разработана математическая модель процесса осаждения в реакторе квадратного сечения при условии осесимметричной подачи исходных реагентов. С учетом полученных в [2] уравнений, а также проведенных в [3] исследований механизма процесса осаждения ZnSe, можно рассчитать соотношение W_min/W_max для поперечного сечения пластин (W_min(max) - толщина пластин в минимальной (максимальной) точке). При используемых в данном способе условиях роста W_min/W_max = 0,3-0,4, что приводит при изготовлении плоскопараллельных оптических заготовок к большим потерям материала: полезный выход оптических заготовок по селеноводороду не превышает 35-40%.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ получения поликристаллического селенида цинка химическим осаждением из газовой фазы, включающий раздельную подачу смесей паров цинка с аргоном и селеноводорода с аргоном [4]. При этом 50-60% селенида цинка осаждалось на входном фланце, уменьшая полезный выход селенида цинка до 20-25%.

Целью изобретения является повышение полезного выхода оптических заготовок селенида цинка за счет увеличения однородности получаемых пластин по толщине, а также за счет снижения выноса исходных газообразных реагентов из зоны осаждения.

Цель достигается тем, что в известном способе получения поликристаллического ZnSe осаждением из газовой фазы, содержащей пары цинка и селеноводорода в атмосфере аргона, потоки селеноводорода с аргоном и цинка с аргоном делят, соответственно, на n и 2n частей и устанавливают следующие соотношения потоков: смеси паров цинка с аргоном и селеноводорода с аргоном 1,5-1,8, защитного потока аргона и смеси селеноводорода с аргоном 9-12 при суммарном потоке газовой смеси, равном 690-750 см³/мин дм².

На фиг. 1 приведена схема устройства, реализующего предлагаемый способ; на фиг. 2 - схема расположения отверстий на входном фланце.

Устройство состоит из вертикальной кварцевой трубы 1, в которую помещены резервуар 2 с цинком и реактор 3, представляющий собой трубу квадратного сечения, стенки которого являются подложками длиной 30-40 см. Рабочее давление в трубе создается форвакуумным насосом 4 и регулирующим вентилем 5. Необходимая температура в зоне расплава цинка и в зоне реактора создается внешним нагревателем 6.

С целью равномерной подачи в реактор паров цинка и селеноводорода реагенты вводятся через отверстия во входном фланце 7. Схема расположения отверстий приведена на фиг. 2. По n отверстиям 8, расположенным по периметру квадрата со стороной l/3, поступает разбавленный аргоном селеноводород; по 2n отверстиям 9, расположенным по пеpиметpу квадрата со стороной 2l/3, подаются пары цинка с газом-носителем. Вокруг каждого из отверстий расположены по окружности отверстия 10, по которым поступает разделительный поток чистого аргона. Центры симметрии квадратов, по периметру которых расположены отверстия для подачи паров цинка с селеноводорода, совпадают между собой и совмещены с центром симметрии квадрата со стороной l на входном фланце реактора, образованного пазами для установки подложек (т.е. квадрат со стороной l представляет собой поперечное сечение реактора). Суммарное поперечное сечение отверстий для подачи смеси селеноводорода с аргоном S₁, для подачи паров цинка с аргоном S₂, для подачи защитного потока аргона S₃. Для достижения цели изобретения устанавливают следующие соотношения суммарных поперечных сечений: S₂/S₁ = 1,5-2,8; S₃/S₁ = 4,5-8,0.

Отличительным признаком изобретения является то, что в способе для получения поликристаллического ZnSe устанавливают соотношения потоков смеси паров цинка с аргоном и смеси селеноводорода с аргоном 1,5-1,8, защитного потока аргона и потока смеси селеноводорода с аргоном 9-12; суммарный поток газовой смеси через реактор составляет 690-750 см³/миндм². В устройстве, реализующем предлагаемый способ, отличительным признаком является то, что n отверстий для ввода смеси селеноводорода с аргоном расположены по периметру квадрата со стороной l/3, 2n отверстий для ввода смеси паров цинка с аргоном расположены по периметру квадрата со стороной 2l/3, где l - сторона квадрата входного фланца, при этом центры симметрии квадратов, по периметрам которых расположены отверстия для ввода реагентов, и квадрата входного фланца совмещены; соотношение суммарной площади сечения отверстий для ввода смеси паров цинка с аргоном и отверстий для ввода селеноводорода с аргоном составляет 1,5-2,8, а соотношение суммарной площади сечения отверстий для ввода защитного газа и отверстий для ввода селеноводорода с аргоном составляет 4,5-8,0.

Такое расположение отверстий для подачи реагентов, соотношения их сечений, а также соотношения потоков через отверстия позволяют защищать каждое из них от зарастания селенидов цинка, достичь высокой степени равномерности пластин по толщине (W_min/W_max = 0,95-0,98) и увеличить полезный выход оптических заготовок по селеноводороду по сравнению с прототипом в 3-4 раза.

Расположение отверстий для подачи реагентов, соотношения их сечений и соотношения потоков через отверстия были подобраны экспериментально и, как показали опыты, являются наиболее оптимальными для осуществления цели изобретения.

П р и м е р. Выращивание поликристаллических слоев селенида цинка проводят на установке, состоящей из вертикальной кварцевой трубы, в которую помещены резервуар с цинком и реактор квадратного сечения, состоящий из четырех подложек (фиг.1). На входе в реактор устанавливается входной фланец. С помощью форвакуумного насоса достигается давление 10^-2-10^-1 Торр и подается напряжение на внешний нагреватель. При достижении температуры в зоне цинка 550-555^оС и в зоне реактора 680-690^оС с помощью регуляторов расхода газов устанавливают потоки аргона через отверстия 8, 9 и 10 (фиг.2). Значения потоков аргона приведены в табл. 1.

При указанной температуре в зоне цинка поток паров металла (q_2n) составляет 39 см³/миндм². С помощью вентиля на выходе из трубы устанавливают общее давление в реакторе 7-8 Торр. После этого устанавливают поток селеноводорода q = 39 см²/миндм².

В табл. 1 представлены результаты процесса осаждения при разных расходах аргона через отверстия во входном фланце и, соответственно, при различных соотношениях смесей потоков через отверстия подачи паров цинка, селеноводорода и защитного потока аргона.

В табл. 2 представлены результаты процесса при различных соотношениях площадей суммарных сечений отверстий для подачи реагентов.

Из табл. 1 видно, что поликристаллический селенид цинка, однородный по составу, с максимальным полезным выходом оптических заготовок по селеноводороду (65-70%) получают в том случае, когда соотношение потоков через сопла подачи паров цинка и селеноводорода (Q₂/Q₁) составляет 1,5-1,8; соотношение потоков через отверстия подачи защитного газа и селеноводорода (Q₃/Q₁) составляет 9-12; суммарный поток газовой смеси через единицу площади поперечного сечения реактора равен 690-750 см³/миндм² (примеры 1-4).

При уменьшении либо увеличении соотношения потоков Q₂/Q₁ осаждаемый материал становится неоднородным - в поликристаллитическом слое присутствуют включения аморфного ZnSe (примеры 5,6). Такой материал непригоден для целей высокомощной лазерной техники, что связано с нарушением ламинарности потока и образованием в объеме реактора замкнутых течений газовой смеси (вихрей), что приводит к задержке реагентов в газовой фазе и, следовательно, увеличению вероятности гомогенной газофазной реакции, приводимой к образованию порошка ZnSe.

При соотношении потоков Q₃/Q₁ ниже 9 и выше 12 полезный выход материала снижается с 65-70 до 40-50 %. Кроме того при уменьшении Q₃/Q₁ниже 9 возможно образование частиц порошкообразного ZnSe в объеме пластин. При Q₃/Q₁<9 дополнительного потока аргона через сопла (фиг.2) недостаточно для эффективного разделения потоков цинка и селеноводорода в области отверстий два ввода реагентов, что приводит к осаждению значительного количества селенида цинка на входном фланце и, следовательно, уменьшению полезного выхода материала. Кроме того зарастание отверстий для ввода реагентов может привести к нестационарности условий роста; в частности, возможно увеличение локальных пересыщений в объеме реактора и, как следствие, внедрение частиц аморфного селенида цинка в поликристаллические слои. При Q₃/Q₁>12 мощный разделительный поток аргона относит область смещения реагентов к концу реактора, что приводит к потерям значительного количества исходных веществ. Кроме уменьшения полезного выхода материала это связано с необходимостью нейтрализации большого количества высокотоксичного и дорогого селеноводорода.

Уменьшение суммарного потока ниже 690 см³/миндм² или его увеличение выше 750 см³/миндм² также приводит к снижению полезного выхода материала и возможному неконтролируемому образованию порошкообразных включений в поликристалле. Уменьшение общего потока ниже 690 см³/миндм² приводит к зарастанию входного фланца со всеми вытекающими последствиями, а увеличение его выше 750 см³/миндм²приводит к увеличению массоуноса реагентов из зоны реакции и связанному с этим понижению производительности процесса, а также потере и необходимости нейтрализации высокотоксичного и дорогого гидрида.

Из табл. 2 видно, что поликристаллический селенид цинка, однородный по составу, с максимальным полезным выходом оптических заготовок по селеноводороду 65-70% получают в том случае, когда отношение площади сечения отверстий для подачи паров цинка к площади сечения отверстий для подачи селеноводорода составляет 1,5-2,8, отношение площади сечения отверстий для подачи защитного потока аргона к площади сечения отверстий для подачи селеноводорода 4,5-8,0 (примеры 1-5). Уменьшение соотношения S₂/S₁ ниже 1,5 и увеличение его выше 2,8 (примеры 6,7) приводит к возникновению в объеме реактора замкнутых газовых течений (вихрей) и, следовательно, к увеличению вероятности гомогенных взаимодействий в газовой фазе, что приводит к образованию порошкообразных включений ZnSe в поликристаллическом слое. При уменьшении соотношения S₃/S₁ ниже 4,5 (пример 8) разделение активных газов потоком аргона неэффективно, что приводит к зарастанию отверстий, через которые подаются реагенты, селенидом цинка и, соответственно, уменьшению полезного выхода материала. При увеличении соотношения S₃/S₁ выше 8,0 (пример 9) область смещения реагентов относится к концу реактора, что приводит к значительному уменьшению полезного выхода материала.

В сравнении с прототипом способ и предлагаемое устройство позволяют увеличить полезный выход оптических заготовок селенида цинка по селеноводороду, и соответственно, производительность процесса в 3-4 раза.

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО СЕЛЕНИДА ЦИНКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ.

1. Способ получения поликристаллического селенида цинка химическим осаждением из газовой фазы, включающий раздельную подачу потока смеси паров цинка с аргоном и потока смеси селеноводорода с аргоном с защитным потоком инертного газа вокруг каждого из них к нагретым подложкам и осаждение на них селенида цинка, отличающийся тем, что, с целью увеличения полезного выхода селенида цинка, потоки селеноводорода и цинка делят соответственно на n и 2n частей при объемном соотношении потоков: смеси паров цинка с аргоном и смеси селеноводорода с аргоном 1,5 - 1,8 защитного потока инертного газа и смеси селеноводорода с аргоном 9 - 12 и суммарный поток газовой смеси через реактор устанавливают равным 690 - 750 см³/мин.дм².

2. Устройство для получения поликристаллического селенида цинка химическим осаждением из газовой фазы, содержащее корпус с внешним нагревателем, в котором расположены резервуар с цинком, реактор с подложками и средство для подачи смеси паров цинка с аргоном и смеси селеноводорода с аргоном, отличающееся тем, что, с целью увеличения полезного выхода селенида цинка, реактор составлен из подложек и имеет квадратное сечение, средство для подачи указанных смесей выполнено в виде входного квадратного фланца с отверстиями, расположенного на торце реактора, обращенного к резервуару с цинком и имеющего 2n отверстий по периметру квадрата со стороной 2l/3 для подачи смеси паров цинка с аргоном и n отверстий по периметру квадрата со стороной l/3 для подачи смеси селеноводорода с аргоном, где l - длина стороны квадратного фланца, центры симметрии квадратов, по периметру которых расположены отверстия, совмещены с центром симметрии квадратного фланца, а вокруг каждого из отверстий по концентричным окружностям расположены отверстия для подачи защитного потока аргона, соотношение суммарной площади сечения отверстий для ввода смеси паров цинка с аргоном и отверстий для ввода смеси селеноводорода с аргоном составляет 1,5 - 2,8, а соотношение суммарной площади сечения отверстий для ввода защитного газа и отверстий для ввода смеси селеноводорода с аргоном составляет 4,5 - 8,0.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4