[发明专利]一种具有压力平衡及安全保护功能的退火装置

说明书

本发明公开了一种具有压力平衡及安全保护功能的退火装置。退火装置的主体结构由外腔体、内腔体以及加热炉构成，退火材料放置于内腔体中。其特征在于：内腔体为高纯石英材质，内腔体与外腔体通过密封圈隔绝，内、外腔体分别充入高压保护气体，内、外腔体之间保持0.5个大气压的压差，在内、外腔体进气管路之间安装一个常开电磁阀。本发明的优点是：内腔体采用高纯石英材质可以消除杂质对退火材料的污染，内、外腔体之间的压力差可以防止外腔体的杂质向内腔体扩散，内、外腔体进气管路之间的电磁阀可以在异常断电时起到平衡内外腔体压力的保护作用。本发明的装置满足碲镉汞以及其他半导体材料对高温高压退火的技术要求。

技术领域

本发明涉及半导体材料的高压退火技术，特别是指一种具有压力平衡以及异常断电时具有保护功能的碲镉汞材料退火装置。它采用双层腔体结构，可以避免材料在高温退火过程中受到挥发杂质的污染。

背景技术

碲镉汞是制备红外探测器的首选材料，碲镉汞材料制备完成后，通常需要特殊的退火工艺来调节材料的电学参数以满足器件制备的需要。其中，高压退火是一种常用的工艺。例如，为了调节碲镉汞材料中的汞空位浓度，需要将碲镉汞材料置于汞饱和气氛中退火，退火温度范围为250～500℃，对应的汞的蒸汽压为0.1～10大气压。汞蒸汽是毒性气体，退火过程中要保证汞蒸汽不发生泄漏，并且退火材料不受到外部杂质的污染。常用的退火方式是石英管封管退火，即将碲镉汞材料封在在石英管中，石英管中放入适量的汞进行退火，这种工艺的优点是工艺简单易操作，缺点是难以对大面积的材料进行退火。比如，对于4英寸的碲镉汞外延材料，要求石英管的直径要超过100毫米，这么大直径的石英管难以承受5个大气压以上的压力，高压汞蒸气会造成裂管和汞蒸气泄漏。另外一种方式是采用高强度的金属腔体作为退火管，但是，采用这种方式退火，高温过程中金属腔体的挥发杂质会对材料造成污染，不适合碲镉汞以及大多数半导体材料的退火。

发明内容

基于大尺寸碲镉汞材料高压退火的需求，本发明提出了一种双层腔体的高压退火装置，可以解决汞蒸汽压力控制以及杂质对材料的污染问题，本装置还具有在异常断电情况下的设备保护功能。

图1是本发明的退火装置原理图。退火装置的主体结构由金属材质的外腔体7、高纯石英材质的内腔体8以及加热炉9构成，外腔体7与内腔体8之间由密封圈10隔绝，外腔体7由金属盖板6密封。退火材料12放在石英支架11上并置于内腔体8中。外腔体7与内腔体8分别通过独立的管路充入高压保护气体，保护气体可以是氢气、氮气、氩气。内腔体8的压力大于退火温度下汞的饱和蒸气压，并且，内腔体8的压力大于外腔体7压力，压力差为0.5个大气压。本装置的结构具有如下优点：金属盖板6可以防止汞蒸气向外部环境的泄漏；内腔体8采用高纯石英材质可以消除杂质对退火材料的污染；内腔体8的压力大于汞的饱和蒸气压可以抑制汞的沸腾；内腔体8与外腔体7之间维持0.5个大气压的压力差可以防止外腔体7的挥发杂质通过密封圈10的缝隙向内腔体8的微量扩散。

内腔体进气管路由内腔体进气阀1、内腔体减压器2组成，外腔体进气管路由外腔体进气阀3、外腔体减压器4组成。内腔体和外腔体进气管路之间连接一个压力平衡阀5。内腔体出气管路由内腔体出气阀14、内腔体质量流量计15、内腔体单向阀16组成，外腔体出气管路由外腔体出气阀17、外腔体质量流量计18、外腔体单向阀19组成。

内腔体进气阀1、外腔体进气阀3、内腔体出气阀14、外腔体出气阀17为常闭电磁阀，此类阀门在通电时开启，断电时关闭。压力平衡阀5为常开电磁阀，此类阀门在通电时关闭，断电时开启。在工作状态时，内腔体进气阀1、外腔体进气阀3、内腔体出气阀14、外腔体出气阀17开启，压力平衡阀5关闭，气体从进气管路流入腔体，从出气管路流出腔体，内、外腔体进气管路之间通过压力平衡阀5隔断。如果发生异常断电，内腔体进气阀1、外腔体进气阀3、内腔体出气阀14、外腔体出气阀17自动关闭，压力平衡阀5自动开启，内外腔体压力瞬间达到平衡，可以防止断电降温时由于内外腔体压力差的增加而引起的裂管事故。