介紹了CVD ZnS 生產(chǎn)工藝、真空氣相沉積爐技術(shù)性能、設(shè)備結(jié)構(gòu)組成及特點(diǎn)。該真空氣相沉積爐是制備大尺寸ZnS 的關(guān)鍵設(shè)備，它生產(chǎn)的CVD ZnS 板料尺寸達(dá)到了1800 mm(長)×800 mm(寬)×25 mm(厚)，單爐產(chǎn)量為1000 kg，是國內(nèi)生產(chǎn)ZnS 板坯料尺寸最大、單爐產(chǎn)量最多的設(shè)備。

　　ZnS 是一種性能優(yōu)異的紅外材料，在軍用紅外系統(tǒng)中有重要的應(yīng)用。ZnS 在常壓下升溫時不熔化，在熔點(diǎn)時(1830 ℃)有很大的蒸汽壓，因此很難制成大尺寸的單晶體。目前，應(yīng)用最多的是ZnS 多晶體，制取ZnS 塊狀多晶，通常只能采用熱壓工藝和CVD 技術(shù)。CVD 技術(shù)制備的ZnS 晶體純度高，面積大、成型性好、質(zhì)地均勻、低散射、低吸收和低高溫輻射等優(yōu)點(diǎn)，具有優(yōu)良的光學(xué)性能。

　　北京有色金屬研究總院1994 年開始CVDZnS 的研制工作，經(jīng)過多年的努力已掌握了比較成熟的ZnS 制備工藝，建成了紅外用ZnS 產(chǎn)品生產(chǎn)線，產(chǎn)品質(zhì)量基本滿足了國內(nèi)用戶的使用要求，產(chǎn)品尺寸可達(dá)到Φ300×15 mm，在國內(nèi)處于絕對領(lǐng)先的地位。最近幾年，隨著紅外技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，要求ZnS 尺寸更大，產(chǎn)量更高。國內(nèi)現(xiàn)有設(shè)備生產(chǎn)的ZnS 尺寸、產(chǎn)量已不能滿足需求，而且現(xiàn)有設(shè)備自動化程度不高，所以迫切需要對現(xiàn)有CVD 法制備ZnS 設(shè)備進(jìn)行升級換代。為此，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.lalazzu.cn/)認(rèn)為研發(fā)大尺寸CVD 法制備ZnS 真空氣相沉積爐非常的有必要。

1、CVD ZnS 制備工藝

　　首先向沉積爐(圖1 所示)內(nèi)裝入高純鋅和高純H2S 氣體，準(zhǔn)備完畢后，預(yù)抽真空度至10^-1 Pa，以盡量消除爐內(nèi)的氧和水;當(dāng)真空達(dá)到要求后，開始逐漸對坩堝區(qū)、混氣室、沉積區(qū)和卸料箱進(jìn)行加熱，坩堝區(qū)、混氣室和沉積區(qū)溫度控制在600 ℃～700 ℃之間;當(dāng)溫度穩(wěn)定在相應(yīng)溫度后，經(jīng)噴嘴向爐內(nèi)沉積室充入用高純氬氣稀釋后的鋅蒸汽和H2S，Zn/H2S 的摩爾比控制在1∶1～1.5∶1 之間，壓力控制在5000～10000 Pa 之間;整個沉積過程壓力要控制在一個恒定的壓力范圍內(nèi)，沉積過程一般連續(xù)進(jìn)行13～20 天，沉積結(jié)束后，緩慢地降至室溫，進(jìn)行出料。原生的CVD ZnS外觀呈橘黃色，在可見光波段透過率很低，并且在6.2 μm 附近存在一個明顯的吸收峰。原生的CVD ZnS 坯料后續(xù)需經(jīng)熱等靜壓處理，經(jīng)處理后，可以顯著地提高CVD ZnS 在短波波段的透過率，使CVD ZnS 變得像水一樣清澈透明，熱等靜壓處理是制備多光譜ZnS 的關(guān)鍵工藝。

圖1 沉積爐結(jié)構(gòu)示意圖

2、主要技術(shù)參數(shù)

　　(1)形式：單室、立式、方型、雙開門;

　　(2) 容量：沉積區(qū)尺寸：800 mm×800 mm×1800 mm;坩堝尺寸：Φ1100 mm×500 mm;混氣室尺寸：Φ1100 mm×500 mm;收集箱尺寸：Φ1100 mm×500 mm;

　　(3)額定溫度：1000 ℃;

　　(4)溫度均勻性：±5 ℃;

　　(5)控溫精度：±0.1 ℃;

　　(6)極限真空：10-1 Pa;

　　(7)工作真空度：1 Pa;

　　(8)壓升率：優(yōu)于0.67 Pa/h;

　　(9)裝載量：1 t。

3、設(shè)備組成及特點(diǎn)

　　CVD 法制備ZnS 真空氣相沉積爐主要由高溫真空爐、真空系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、刮料及清掃裝置和尾氣處理裝置等組成。在沉積爐內(nèi)放置沉積組件，自下而上分別為坩堝、噴嘴、混氣室、沉積室和卸料箱。

3.1、高溫真空爐

　　真空爐為方形、立式、前后開門結(jié)構(gòu)，主要由爐殼、前后爐門、加熱器、隔熱屏、工件支撐、電極接口、充氣接口和熱電偶接口等組成。在該設(shè)備中，真空爐殼為該系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，尺寸大，爐體內(nèi)有效尺寸為2050 mm(長)×2050 mm(寬)×4200 mm(高)，重量重，爐體單體重量達(dá)到15 t，這么大尺寸的方型爐殼在國內(nèi)為數(shù)不多。由于該設(shè)備為內(nèi)熱式電阻爐，所以爐殼為雙層水冷夾套結(jié)構(gòu)，內(nèi)壁材質(zhì)為不銹鋼、外壁為碳鋼。對于傳統(tǒng)真空容器，圓形爐殼相對應(yīng)用較多、抽真空穩(wěn)定性好、承受壓力高，由于生產(chǎn)工藝需要，該設(shè)備爐殼必須做成方型。但是方型爐殼前后為開門結(jié)構(gòu)，在前后門處為空的結(jié)構(gòu)，在抽真空時兩個側(cè)壁要受到特別大的壓力，導(dǎo)致側(cè)壁變形大，前后法蘭不平整，穩(wěn)定性差，所以必須對爐殼焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，經(jīng)多次強(qiáng)度計算發(fā)現(xiàn)，在爐殼內(nèi)壁外直接焊接井字形筋板方式，在抽真空時，爐殼變形量最小，而且在兩個側(cè)壁中間位置的筋板要足夠高，在焊接完井字形筋板后再在井字形框內(nèi)焊接水套，這種結(jié)構(gòu)形式能保證方形爐殼在抽真空時變形量極小、強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好。

圖2 爐殼結(jié)構(gòu)圖

　　隔熱屏設(shè)置在爐殼內(nèi)部，由于H2S 氣體可對金屬產(chǎn)生腐蝕性，所以不能在爐內(nèi)設(shè)置金屬隔熱屏，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，碳?xì)帜軌蛟贖2S 氣氛內(nèi)長期穩(wěn)定使用，該設(shè)備在爐殼內(nèi)設(shè)有50 mm 厚炭氈，炭氈外設(shè)置不銹鋼支撐板，不銹鋼支撐板固定在爐殼內(nèi)壁上。加熱器為方型鼠籠式結(jié)構(gòu)，共四面，分別布置在前后爐門和側(cè)壁上，加熱器材料采用高強(qiáng)度等靜壓石墨管，在高度方向共分為三個區(qū)域，中部和上部加熱器分別對沉積室和卸料箱進(jìn)行加熱，下部加熱器對坩堝、混氣室進(jìn)行加熱，由于坩堝尺寸較大，為了保證坩堝區(qū)溫度均勻性以及爐體結(jié)構(gòu)緊湊，在坩堝底部單獨(dú)設(shè)置一面輔助加熱器。

　　根據(jù)工藝需要，在生產(chǎn)時，需要把前后門打開以便放置坩堝、混氣室、沉積板、卸料箱，所以前后爐門需要經(jīng)常開啟，而且該設(shè)備爐門頂部距地面達(dá)到了將近5 m，高度較高，依靠人來擰螺栓或手輪鎖緊爐門不太現(xiàn)實(shí)，該設(shè)備采用氣缸壓緊爐門的鎖緊結(jié)構(gòu)，操作簡單，而且壓緊力大，密封性能好。爐門與爐殼采用鉸鏈連接結(jié)構(gòu)，單個爐門重量為3 t，為了避免鉸鏈長時間使用后爐門開合不靈活，爐門開啟采用了電動方式，在前后爐門外側(cè)底部安裝有滾輪，對爐門起到較好的支撐作用，開啟、關(guān)閉、鎖緊簡便、靈活、安全可靠。爐內(nèi)溫度控制采用3 只K 分度熱電偶，分別對3 個加熱溫區(qū)進(jìn)行控溫，在下部、中部和上部分別布置1 支K 型熱電偶，對溫區(qū)進(jìn)行超溫檢測。為滿足客戶定期對高溫爐進(jìn)行溫度均勻性檢測，在爐體上設(shè)置了1 個溫度均勻性測量口，安裝了9支K 分度熱電偶，供溫度均勻性測量使用。

1.電控系統(tǒng);2.充氣系統(tǒng);3.水平刮料裝置;4.垂直刮料裝置;5.廢料箱;6.卸料箱;7.沉積板;8.混氣室;9.坩堝;10.一級過濾筒;11.二級過濾筒;12.真空系統(tǒng);13.尾氣處理裝置

圖3 真空氣相沉積爐結(jié)構(gòu)

3.2、真空系統(tǒng)

　　CVD 法制備工藝要求設(shè)備具備快速的抽真空系統(tǒng)和良好的真空保持性能，該系統(tǒng)工作真空度為1 Pa，為此采用一臺RTO600 羅茨泵和兩臺HGL-70 滑閥泵對該設(shè)備進(jìn)行抽真空，該系統(tǒng)從大氣壓到l0-1 Pa 有良好的抽氣能力。真空閥為氣動擋板閥，突然停電時會自動關(guān)閉，保護(hù)系統(tǒng)不受破壞。在各級管道均有檢漏接口，便于逐級檢漏，為避免誤操作，系統(tǒng)設(shè)置了完善的安全聯(lián)鎖。由于該系統(tǒng)工藝過程是在抽完真空后向爐內(nèi)充H2S 氣體，整個沉積過程壓力要控制在5000～10000 Pa 范圍內(nèi)，而且整個沉積過程要連續(xù)進(jìn)行13～20 天，所以在滑閥泵前、羅茨后設(shè)置了電動隔膜閥，以便對爐內(nèi)壓力實(shí)時自動控制。真空系統(tǒng)工作過程如下：預(yù)抽真空到1 Pa 然后開加熱到要求溫度后，開始向爐內(nèi)充H2S、Ar，此時要關(guān)閉羅茨泵，關(guān)閉主抽閥，開旁通閥，根據(jù)爐內(nèi)壓力進(jìn)行自動控制兩臺滑閥泵，當(dāng)爐內(nèi)壓力下降太快時，電控系統(tǒng)自動關(guān)閉兩臺滑閥泵其中一臺，然后電動隔膜閥開始對爐內(nèi)壓力進(jìn)行自動控制。

3.3、電氣控制系統(tǒng)

　　該設(shè)備設(shè)置了工業(yè)計算機(jī)(上位機(jī))監(jiān)控管理、可編程序控制器為主進(jìn)行設(shè)備的邏輯和時序控制、智能控溫表爐溫控制的自動控制系統(tǒng)，主要由過程控制和溫度控制組成。

　　過程控制部分由可編程控制器及相關(guān)電氣元件、復(fù)合真空計、壓力控制器等組成，可實(shí)現(xiàn)真空系統(tǒng)抽空、閥門開啟等動作的全部手動或自動控制功能。爐溫控制部分通過K 型鎧裝熱電偶、智能控溫儀、調(diào)壓電源等組成閉環(huán)回路，帶有PID自整定、自適應(yīng)無級調(diào)壓功能，保證溫度控制的穩(wěn)定性、均勻性、重復(fù)性�？稍O(shè)定并儲存多條工藝曲線，可全程自動控溫，也可手動操作。溫度控制精度在±0.1 ℃以內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)升溫、保溫、冷卻的工藝要求。

　　自動控制系統(tǒng)可同時采集各工藝過程的工藝參數(shù)、電氣參數(shù)及設(shè)備工況(抽真空、升溫、保溫)的運(yùn)行信息并對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控、儲存，以動態(tài)形式顯示溫度設(shè)定曲線、控溫偶溫度曲線，以表格的形式顯示工藝曲線設(shè)定參數(shù)�？刂瞥绦蚩筛鶕�(jù)設(shè)備及工藝要求進(jìn)行編程，具有完善的連鎖保護(hù)功能、直觀醒目的報警方式。操作員只需要通過簡單的鼠標(biāo)、鍵盤、觸摸屏就可進(jìn)行系統(tǒng)功能組態(tài)，給各部分控制級下達(dá)指令，自動生成工藝過程數(shù)據(jù)報表。自動化程度高，操作靈活方便。

3.4、刮料及過濾裝置

　　在ZnS 沉積過程中，在管道內(nèi)壁會產(chǎn)生一些沉積物并伴隨產(chǎn)生一定量粉塵，為確保管道暢通、真空泵、隔膜閥潔凈、長時間使用，需要在高溫爐上設(shè)置刮料及過濾裝置，主要由水平刮料裝置、垂直刮料裝置、廢料箱、一級過濾筒、二級過濾筒組成，如圖2 所示。

　　水平刮料和垂直刮料裝置分別為氣動和電動控制，在電氣控制系統(tǒng)中可設(shè)置清掃頻率，實(shí)現(xiàn)自動刮料。水平刮料主要是把水平管道內(nèi)沉積物刮掉推入廢料箱內(nèi)，垂直刮料主要是把垂直管道內(nèi)沉積物刮掉并掉入卸料箱內(nèi)。由于刮料裝置在整個沉積過程中始終處于高溫爐內(nèi)，其本身也會沉積上物料，時間長了后會沉積成大塊，堵塞管道，根據(jù)以往使用經(jīng)驗(yàn)并對原有裝置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，水平刮料裝置設(shè)計成圖4 所示形式結(jié)構(gòu)，垂直刮料裝置設(shè)計成圖5 所示形式。水平刮料裝置刮板形狀為半環(huán)形式，動作時來回反復(fù)多次，不但能將管道內(nèi)沉積物刮掉，還能保證管道內(nèi)抽空面積足夠大;垂直刮料裝置刮板形狀為圓環(huán)結(jié)構(gòu)，圓環(huán)厚度為1 mm 厚，刮料時往下運(yùn)動，當(dāng)刮料結(jié)束時上升到最高點(diǎn)，并在刮板處充入氬氣，在刮板處形成局部壓力高于其他部分壓力，保證刮板不會生產(chǎn)沉積物。

　　過濾裝置主要由廢料箱、一級過濾筒、二級過濾筒組成， 由于Ar、H2S 和Zn 蒸汽都是在熱態(tài)下向上揮發(fā)，沒完全反應(yīng)后的氣體會經(jīng)卸料箱流向廢料箱、一級過濾筒、二級過濾筒，所以在廢料箱、一級過濾筒、二級過濾筒上都設(shè)置有水管進(jìn)行冷卻，在一級過濾筒、二級過濾筒都設(shè)置有填充物，能起到很好的過濾作用，在每個沉積過程結(jié)束后，都要把過濾筒內(nèi)填充物取出，把填充物里廢料清理干凈。當(dāng)氣體經(jīng)過濾裝置后，溫度降到了50 ℃以下，并且沒有粉塵顆粒，隔膜閥、滑閥泵不會受到污染，可以穩(wěn)定、長時間使用。

圖4 CVD 水平刮料裝置結(jié)構(gòu)圖　　圖5 CVD 垂直刮料裝置結(jié)構(gòu)圖

3.5、尾氣處理裝置

　　尾氣處理裝置采用了填料塔裝置。逆流填料塔是治理氣態(tài)污染物使用的最普遍的塔型之一，內(nèi)有填料整砌在靠近筒底部的支撐板上，氣體從底部被送入，液體在塔頂經(jīng)過分布器淋灑到填料層表面上，液體在填料表面分散成薄膜，經(jīng)填料間的縫隙下流，亦可能成液滴落下，填料層的潤濕表面就成為氣液接觸的傳質(zhì)表面，這樣使氣液不斷接觸，氣態(tài)污染物隨著上升其濃度不斷下降，而往下噴淋的則是新鮮的吸收液。在生產(chǎn)過程中，對洗滌塔出來的尾氣進(jìn)行了檢測。最低H2Se 檢測量為0.01×10-4%，小于允許的極限含量0.05×10-4%。

4、結(jié)束語

　　該設(shè)備已投入使用，實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行表明，該設(shè)備生產(chǎn)的ZnS 板料厚度均勻，尺寸大，生產(chǎn)效率高。該設(shè)備為立式、方型、前后開門結(jié)構(gòu)，操作方便、結(jié)構(gòu)緊湊、工作穩(wěn)定可靠、自動化程度高，是CVD 法制備大尺寸ZnS 板料的關(guān)鍵設(shè)備。該設(shè)備的研制成功對于紅外探測和紅外末制導(dǎo)材料生產(chǎn)和研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。