介紹了CVD ZnS 生產工藝、真空氣相沉積爐技術性能、設備結構組成及特點。該真空氣相沉積爐是制備大尺寸ZnS 的關鍵設備，它生產的CVD ZnS 板料尺寸達到了1800 mm(長)×800 mm(寬)×25 mm(厚)，單爐產量為1000 kg，是國內生產ZnS 板坯料尺寸最大、單爐產量最多的設備。

　　ZnS 是一種性能優異的紅外材料，在軍用紅外系統中有重要的應用。ZnS 在常壓下升溫時不熔化，在熔點時(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。CVD 技術制備的ZnS 晶體純度高，面積大、成型性好、質地均勻、低散射、低吸收和低高溫輻射等優點，具有優良的光學性能。

　　北京有色金屬研究總院1994 年開始CVDZnS 的研制工作，經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 產品生產線，產品質量基本滿足了國內用戶的使用要求，產品尺寸可達到Φ300×15 mm，在國內處于絕對領先的地位。最近幾年，隨著紅外技術的應用和發展，要求ZnS 尺寸更大，產量更高。國內現有設備生產的ZnS 尺寸、產量已不能滿足需求，而且現有設備自動化程度不高，所以迫切需要對現有CVD 法制備ZnS 設備進行升級換代。為此，真空技術網(http://bjjyhsfdc.com/)認為研發大尺寸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)內裝入高純鋅和高純H2S 氣體，準備完畢后，預抽真空度至10^-1 Pa，以盡量消除爐內的氧和水;當真空達到要求后，開始逐漸對坩堝區、混氣室、沉積區和卸料箱進行加熱，坩堝區、混氣室和沉積區溫度控制在600 ℃～700 ℃之間;當溫度穩定在相應溫度后，經噴嘴向爐內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，沉積過程一般連續進行13～20 天，沉積結束后，緩慢地降至室溫，進行出料。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 坯料后續需經熱等靜壓處理，經處理后，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 的關鍵工藝。

圖1 沉積爐結構示意圖

2、主要技術參數

　　(1)形式：單室、立式、方型、雙開門;

　　(2) 容量：沉積區尺寸：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：優于0.67 Pa/h;

　　(9)裝載量：1 t。

3、設備組成及特點

　　CVD 法制備ZnS 真空氣相沉積爐主要由高溫真空爐、真空系統、電控系統、供氣系統、刮料及清掃裝置和尾氣處理裝置等組成。在沉積爐內放置沉積組件，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、前后開門結構，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。在該設備中，真空爐殼為該系統中的關鍵設備，尺寸大，爐體內有效尺寸為2050 mm(長)×2050 mm(寬)×4200 mm(高)，重量重，爐體單體重量達到15 t，這么大尺寸的方型爐殼在國內為數不多。由于該設備為內熱式電阻爐，所以爐殼為雙層水冷夾套結構，內壁材質為不銹鋼、外壁為碳鋼。對于傳統真空容器，圓形爐殼相對應用較多、抽真空穩定性好、承受壓力高，由于生產工藝需要，該設備爐殼必須做成方型。但是方型爐殼前后為開門結構，在前后門處為空的結構，在抽真空時兩個側壁要受到特別大的壓力，導致側壁變形大，前后法蘭不平整，穩定性差，所以必須對爐殼焊接結構進行優化設計，經多次強度計算發現，在爐殼內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焊接水套，這種結構形式能保證方形爐殼在抽真空時變形量極小、強度高、穩定性好。

圖2 爐殼結構圖

　　隔熱屏設置在爐殼內部，由于H2S 氣體可對金屬產生腐蝕性，所以不能在爐內設置金屬隔熱屏，通過實驗發現，碳氈能夠在H2S 氣氛內長期穩定使用，該設備在爐殼內設有50 mm 厚炭氈，炭氈外設置不銹鋼支撐板，不銹鋼支撐板固定在爐殼內壁上。加熱器為方型鼠籠式結構，共四面，分別布置在前后爐門和側壁上，加熱器材料采用高強度等靜壓石墨管，在高度方向共分為三個區域，中部和上部加熱器分別對沉積室和卸料箱進行加熱，下部加熱器對坩堝、混氣室進行加熱，由于坩堝尺寸較大，為了保證坩堝區溫度均勻性以及爐體結構緊湊，在坩堝底部單獨設置一面輔助加熱器。

　　根據工藝需要，在生產時，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常開啟，而且該設備爐門頂部距地面達到了將近5 m，高度較高，依靠人來擰螺栓或手輪鎖緊爐門不太現實，該設備采用氣缸壓緊爐門的鎖緊結構，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構，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，在前后爐門外側底部安裝有滾輪，對爐門起到較好的支撐作用，開啟、關閉、鎖緊簡便、靈活、安全可靠。爐內溫度控制采用3 只K 分度熱電偶，分別對3 個加熱溫區進行控溫，在下部、中部和上部分別布置1 支K 型熱電偶，對溫區進行超溫檢測。為滿足客戶定期對高溫爐進行溫度均勻性檢測，在爐體上設置了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;2.充氣系統;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;13.尾氣處理裝置

圖3 真空氣相沉積爐結構

3.2、真空系統

　　CVD 法制備工藝要求設備具備快速的抽真空系統和良好的真空保持性能，該系統工作真空度為1 Pa，為此采用一臺RTO600 羅茨泵和兩臺HGL-70 滑閥泵對該設備進行抽真空，該系統從大氣壓到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閉，保護系統不受破壞。在各級管道均有檢漏接口，便于逐級檢漏，為避免誤操作，系統設置了完善的安全聯鎖。由于該系統工藝過程是在抽完真空后向爐內充H2S 氣體，整個沉積過程壓力要控制在5000～10000 Pa 范圍內，而且整個沉積過程要連續進行13～20 天，所以在滑閥泵前、羅茨后設置了電動隔膜閥，以便對爐內壓力實時自動控制。真空系統工作過程如下：預抽真空到1 Pa 然后開加熱到要求溫度后，開始向爐內充H2S、Ar，此時要關閉羅茨泵，關閉主抽閥，開旁通閥，根據爐內壓力進行自動控制兩臺滑閥泵，當爐內壓力下降太快時，電控系統自動關閉兩臺滑閥泵其中一臺，然后電動隔膜閥開始對爐內壓力進行自動控制。

3.3、電氣控制系統

　　該設備設置了工業計算機(上位機)監控管理、可編程序控制器為主進行設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，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電氣元件、復合真空計、壓力控制器等組成，可實現真空系統抽空、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、調壓電源等組成閉環回路，帶有PID自整定、自適應無級調壓功能，保證溫度控制的穩定性、均勻性、重復性。可設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，可實現升溫、保溫、冷卻的工藝要求。

　　自動控制系統可同時采集各工藝過程的工藝參數、電氣參數及設備工況(抽真空、升溫、保溫)的運行信息并對現場數據進行監控、儲存，以動態形式顯示溫度設定曲線、控溫偶溫度曲線，以表格的形式顯示工藝曲線設定參數。控制程序可根據設備及工藝要求進行編程，具有完善的連鎖保護功能、直觀醒目的報警方式。操作員只需要通過簡單的鼠標、鍵盤、觸摸屏就可進行系統功能組態，給各部分控制級下達指令，自動生成工藝過程數據報表。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，在管道內壁會產生一些沉積物并伴隨產生一定量粉塵，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，在電氣控制系統中可設置清掃頻率，實現自動刮料。水平刮料主要是把水平管道內沉積物刮掉推入廢料箱內，垂直刮料主要是把垂直管道內沉積物刮掉并掉入卸料箱內。由于刮料裝置在整個沉積過程中始終處于高溫爐內，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，根據以往使用經驗并對原有裝置進行了優化設計，水平刮料裝置設計成圖4 所示形式結構，垂直刮料裝置設計成圖5 所示形式。水平刮料裝置刮板形狀為半環形式，動作時來回反復多次，不但能將管道內沉積物刮掉，還能保證管道內抽空面積足夠大;垂直刮料裝置刮板形狀為圓環結構，圓環厚度為1 mm 厚，刮料時往下運動，當刮料結束時上升到最高點，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 蒸汽都是在熱態下向上揮發，沒完全反應后的氣體會經卸料箱流向廢料箱、一級過濾筒、二級過濾筒，所以在廢料箱、一級過濾筒、二級過濾筒上都設置有水管進行冷卻，在一級過濾筒、二級過濾筒都設置有填充物，能起到很好的過濾作用，在每個沉積過程結束后，都要把過濾筒內填充物取出，把填充物里廢料清理干凈。當氣體經過濾裝置后，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，可以穩定、長時間使用。

圖4 CVD 水平刮料裝置結構圖　　圖5 CVD 垂直刮料裝置結構圖

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污染物使用的最普遍的塔型之一，內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表面，這樣使氣液不斷接觸，氣態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。在生產過程中，對洗滌塔出來的尾氣進行了檢測。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、結束語

　　該設備已投入使用，實際生產運行表明，該設備生產的ZnS 板料厚度均勻，尺寸大，生產效率高。該設備為立式、方型、前后開門結構，操作方便、結構緊湊、工作穩定可靠、自動化程度高，是CVD 法制備大尺寸ZnS 板料的關鍵設備。該設備的研制成功對于紅外探測和紅外末制導材料生產和研究具有十分重要的現實意義。