Патент на изобретение №2167467

(54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БЛОКА ЭЛЕКТРОДОВ ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ИНДИКАТОРНОЙ ПАНЕЛИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

(57) Реферат:

Изобретение относится к области газоразрядной техники и может быть использовано при разработке и производстве газоразрядных индикаторных панелей (ГИП) переменного тока. Технический результат – создание способа изготовления блока электродов газоразрядной индикаторной панели переменного тока со слоем оксида магния, позволяющего получить высокоэмиссионный слой оксида магния, обеспечивающий низкое статистическое время запаздывания возникновения разряда в ГИП переменного тока за счет создания слоя оксида магния с крупнокристаллической структурой. Высокоэмиссионный слой оксида магния крупнокристаллической структуры, обеспечивающий низкое статистическое время запаздывания возникновения разряда в ГИП переменного тока, получают за счет формирования слоя оксида магния в два этапа: на первом этапе пластину с электродами и диэлектрическим покрытием нагревают в вакууме до температуры (100-200)°С, выдерживают при этой температуре в течение не менее 30 мин и наносят первый слой оксида магния в смеси аргона с (17-35)% кислорода, а на втором этапе пластину нагревают в вакууме до температуры в диапазоне от 300°С до температуры деформации диэлектрического покрытия и наносят второй слой оксида магния в смеси аргона с (30-35)% кислорода, при этом каждый слой оксида магния наносят толщиной не менее 100 нм.

Изобретение относится к области газоразрядной техники и может быть использовано при разработке и производстве газоразрядных индикаторных панелей (ГИП) переменного тока.

Известен способ изготовления блока электродов ГИП переменного тока, заключающийся в нанесении на стеклопластину электродов, формировании на пластине с электродами диэлектрического покрытия из легкоплавкого стекла с последующим напылением на него слоя оксида магния методом электронно-лучевого испарения (ЭЛИ) толщиной не менее 200 нм при нагреве подложки до 200^oC [К. С. Park, E.J. Weitzman, E-beam Evaporated Glass and MgO Layers for Gas Panel Fabrication, IBMJ. Res. Develop. , vol.22, N 6, Novemba 1978, p.p. 607-612].

Недостатком этого способа изготовления блока электродов является то, что при температурах до 200^oC происходит удаление адсорбированных только в приповерхностных слоях диэлектрика воды и газов. Сформированная по известному способу пленка со структурой оксида магния, имеющей преимущественную ориентацию кристаллов типа , более устойчива к гидратации поверхности на атмосфере, однако при повышенных температурах режимов пайки-откачки ГИП происходит дальнейшее газовыделение в основном паров воды, образование гидрооксида магния, ухудшение эмиссионных свойств слоя оксида магния и, как следствие, повышение рабочих напряжений панели.

Известен способ изготовления блока электродов ГИП переменного тока, заключающийся в нанесении на стеклопластину металлических электродов, формировании на них диэлектрического покрытия и слоя оксида магния методом ЭЛИ толщиной 200-300 нм при нагреве подложки до температуры 350^oC при давлении кислорода 10^-2 -10^-3 Па [M.O. Aboelfoton, Omesh Sahni, Aging Characteristics of А С Plasma Display Panels, IEEE Transactions on Electron Devices, vol ED 28, N 6, June 1981, p. 645-653].

При напылении на нагретую до 350^oC подложку происходит значительный рост зерен конденсируемого слоя, что приводит к увеличению эмиссионной способности оксида магния. Однако к причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе не удается избежать “отравления” напыленного слоя оксида магния продуктами газовыделения из диэлектрического покрытия на стадии напыления, так как при нагреве пластины до 200 -300^oC удаляются только адсорбированные вода и газы, а при Т > 300^oC удаляются водяной пар и газы из толщи диэлектрического покрытия, образованные в результате происходящих в нем химических реакций. [Т.А. Ворончев, В.Д. Соболев. Физические основы электровакуумной техники. М.: Высшая школа, 1967, стр.89-91].

Известен способ изготовления блока электродов ГИП переменного тока, заключающийся в нанесении на стеклопластину электродов, формировании на пластине с электродами диэлектрического покрытия с последующим нанесением слоя оксида магния методом магнетронного распыления толщиной 600-700 нм при температуре подложки < 90^oC [C.Pan, P.O.Keefe, J.J.Kester, MgO Coating by Reactive Magnetron Sputtering for Large-Screen Plasma Display Panels Applied Films Corp., Boulder Co. SID 98 (29.1)].

Известный способ позволяет получить плотный слой оксида магния с размерами кристаллов порядка 72,5 нм и высокой вторичной электронной эмиссией.

Недостатком этого способа является то, что достигнутый при формировании слоя оксида магния положительный эффект (высокие эмиссионные свойства) теряется в результате его “отравления” продуктами газовыделения из диэлектрического покрытия при высокотемпературных режимах пайки-откачки ГИП. При температуре ниже 100^oC не удаляется и вода, адсорбированная поверхностью диэлектрического покрытия.

Наиболее близким к заявленному способу по совокупности существенных признаков является способ изготовления блока электродов ГИП переменного тока, заключающийся в нанесении на диэлектрическую пластину электродов, формировании на электродах диэлектрического покрытия с последующим нанесением на него слоя оксида магния методом магнетронного распыления металлической мишени в смеси аргона с кислородом [патент РФ N 2134732, С 23 С 14/35, H 01 J 17/49, опубл. 20.08.99 г.].

Сформированные по известному способу слои оксида магния имеют изотропную поликристаллическую структуру стехиометрического состава с постоянной решетки 4,225 А.

Недостатком этого способа является то, что он не обеспечивает получение высокоэмиссионного слоя оксида магния с крупнокристаллической структурой.

Задачей данного изобретения является создание способа изготовления блока электродов газоразрядной индикаторной панели переменного тока со слоем оксида магния, позволяющего получить высокоэмиссионный слой оксида магния, обеспечивающий низкое статистическое время запаздывания возникновения разряда в ГИП переменного тока за счет создания слоя оксида магния с крупнокристаллической структурой.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе изготовления блока электродов газоразрядной индикаторной панели переменного тока, включающем нанесение на диэлектрическую пластину электродов, формирование на электродах диэлектрического покрытия с последующим нанесением на него слоя оксида магния методом магнетронного распыления металлической мишени в смеси аргона с кислородом, слой оксида магния формируют в два этапа, на первом этапе пластину с электродами и диэлектрическим покрытием нагревают в вакууме до температуры 100 – 200^oC, выдерживают при этой температуре в течение не менее 30 минут и наносят первый слой оксида магния в смеси аргона с 17-35% кислорода, а на втором этапе пластину нагревают в вакууме до температуры в диапазоне от 300^oC до температуры деформации диэлектрического покрытия и наносят второй слой оксида магния в смеси аргона с 30 – 35% кислорода, при этом каждый слой оксида магния наносят толщиной не менее 100 нм.

В процессе проведенного анализа уровня техники не обнаружены аналоги, характеризующиеся признаками заявляемого изобретения, а сравнение предлагаемого решения с наиболее близким по совокупности признаков аналогом позволило выявить совокупность существенных отличительных признаков для достижения усматриваемого заявителем технического результата, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленный способ изготовления блока электродов ГИП переменного тока соответствует требованию “новизна”.

Анализ источников информации также показал, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, так как не выявлены способы изготовления блока электродов, позволяющие получить высокоэмиссионный слой оксида магния крупнокристаллической структуры за счет формирования его методом магнетронного распыления в два этапа, на первом из которых на предварительно нагретую в вакууме до температуры 100 – 200^oC и выдержанную при этой температуре не менее 30 минут пластину с электродами и диэлектрическим покрытием в смеси аргона с 17 – 35% кислорода наносят первый слой оксида магния, а на втором этапе в смеси аргона с 30 – 35% кислорода наносят второй слой оксида магния на пластину, нагретую до температуры в диапазоне от 300^oC до температуры деформации диэлектрического покрытия.

Следовательно, заявленное техническое решение соответствует требованию “изобретательский уровень”.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного результата, заключаются в следующем.

Для изготовления блока электродов ГИП переменного тока на диэлектрическую пластину, например, из натрийборсиликатного стекла, одним из известных методов, например трафаретной печатью, формируют электроды, например золотосодержащие. Стеклопластина с электродами проходит отжиг при температуре 590^oC. Затем на электроды, например, трафаретной печатью, наносят диэлектрическое покрытие, например, из легкоплавкого стекла (ЛПС) на основе окиси свинца марки С 82-3, и после его оплавления формируют слой оксида магния методом реактивного магнетронного распыления на постоянном токе металлической мишени в среде кислорода с аргоном. В качестве мишени используют магний чистотой 99,96% марки МГ 96 размером 970 x 100 x 10 мм. Рабочими газами служат технически чистые кислород и аргон. Напуск газов в камеру распыления производят с помощью регуляторов расхода газа, входящих в систему напуска, равномерно в зону распыления мишеней. Нанесение слоя оксида магния проводят в установке вакуумного напыления с тремя вертикально расположенными магнетронными распылителями (МР). Пластина с электродами и диэлектрическим покрытием, закрепленная вертикально на рабочем столе, совершает возвратно-поступательное движение через зону распыления со скоростью 1,6 м/мин, расстояние между пластиной и МР составляет 130 – 140 мм. Нагрев пластины осуществляют с помощью ИК-ламп, например, типа КГП 220-1650-2 общей мощностью порядка 8,0 кВт, закрепленных на рефлекторе, расположенном за пластиной на том же рабочем столе для обеспечения постоянного нагрева в процессе движения стола при формировании слоя оксида магния. Температуру пластины контролируют с помощью термопары, установленной на поверхности диэлектрического покрытия пластины с электродами. После загрузки пластины с электродами и диэлектрическим покрытием в установку проводят откачку камеры до давления не более 4,9 10^-3 Па. Затем наносят слой оксида магния в два этапа. На первом этапе формируют первый слой оксида магния. Перед его нанесением проводят нагрев пластины до температуры 100^o T₁ 200^oC и выдерживают при этой температуре в течение не менее 30 минут. T₁ – температура пластины перед напылением первого слоя оксида магния. После выдержки пластины при температуре в интервале 100 – 200^oC производят напыление первого слоя оксида магния по режиму: ток магнетронов и напряжение выбирают в диапазоне 18-30 А и 160-210 В соответственно, давление в камере (1,0 – 1,8) 10^-1 Па поддерживают при постоянной прокачке рабочей смеси аргона с 17 – 35% кислорода, время напыления задают, исходя из выбранной толщины первого слоя. При увеличении процентного содержания кислорода более 35% магниевые мишени сильно окисляются, что приводит к нарушению стабильной работы МР.

Выбор нижнего предела содержания кислорода в рабочей смеси – 17% определяется необходимостью получения слоя оксида магния стехиометрического состава.

При нагреве пластины в интервале температур 100^o T₁ 200^oC удаляется адсорбированная вода из приповерхностных слоев диэлектрического покрытия. Большая часть поверхностной воды удаляется в первые 2 – 3 минуты после повышения температуры. Для обезгаживания более глубоких слоев и стабилизации этого процесса по площади пластины экспериментально выбрано время выдержки не менее 30 минут. При T₁ < 100^oC адсорбированная вода практически не удаляется. Верхний температурный предел не может быть более 200^oC, так как при напылении первого слоя оксида магния на пластину, нагретую до T₁ > 200^oC диэлектрическое покрытие на электродах темнеет, ухудшая параметры ГИП. Это объясняется тем, что под действием плазмы в процессе напыления оксида магния происходит диссоциация воды, находящейся в рабочем объеме камеры. В результате реакции образовавшийся водород восстанавливает свинец из окиси свинца, входящей в диэлектрическое покрытие.

Первый слой оксида магния, сформированный при нагреве пластины до температуры 100^o T₁ 200^oC является защитным. Он предотвращает потемнение диэлектрического покрытия, связанное с восстановлением свинца, при нанесении второго слоя оксида магния, крупнокристаллическая структура которого формируется при нагреве пластины в диапазоне температур 300^oC Т₂ < T_д, где T₂ – температура пластины перед нанесением второго слоя, Т_д – температура деформации диэлектрического покрытия. При минимальной толщине первого слоя оксида магния, равной 100 нм, образуется сплошное покрытие, которое и начинает выполнять защитные функции.

Кроме того, сформированный первый слой оксида магния препятствует выделению паров воды при нагреве пластины от 200^oC до температуры напыления второго слоя и его гидратации в процессе нанесения.

После напыления первого слоя оксида магния пластину нагревают до температуры 300^oC Т₂ < Т_д, и наносят второй слой оксида магния по режиму: давление поддерживают (1,0 – 1,8) 10^-1 Па при постоянной прокачке рабочей смеси аргона с 30 – 35% кислорода при выбранных токах и напряжениях МР 18 – 30 А и 160 – 210 В соответственно. Время напыления задают, исходя из выбранной толщины второго слоя. Данный температурный режим обеспечивает получение второго слоя оксида магния крупнокристаллической структуры с высокими эмиссионными свойствами.

При температуре пластины T₂ < 300^oC технический результат (низкое статистическое время запаздывания возникновения разряда в ГИП переменного тока) не достигается.

Выбор верхнего температурного предела объясняется тем, что при T₂ = Т_д происходит нарушение целостности первого слоя оксида магния, его частичное “погружение” в слой ЛПС, из-за чего ухудшается защитный эффект первого слоя.

Выбор процентного содержания кислорода в рабочей смеси в диапазоне 30 – 35% объясняется, с одной стороны (35%), обеспечением стабильной работы МР при температуре, с другой стороны (30%) – максимальным окислением металлического магния в процессе распыления.

При толщине второго слоя оксида магния 100 нм образуется сплошной слой поликристаллического оксида магния. С увеличением толщины второго слоя оксида магния повышается кристалличность структуры. Оптимальная толщина второго слоя определяется исходя из технологических возможностей оборудования и целесообразности затрат на проведение процесса.

После окончания напыления второго слоя оксида магния изготовленный блок электродов, включающий диэлектрическую пластину с электродами, диэлектрическим покрытием и сформированным в два этапа слоем оксида магния, охлаждают в вакууме до температуры 50 – 60^oC, напускают атмосферу и выгружают из установки.

Предложенный способ изготовления блока электродов ГИП может быть реализован при любых конструктивных решениях распылительной системы и, соответственно, электрических параметрах магнетронов при условии их стабильной работы, но обязательном выполнении двухэтапного напыления слоев оксида магния в температурных режимах, при минимальных толщинах каждого слоя и содержании кислорода в рабочей смеси, указанных в формуле изобретения.

Для обследования предлагаемого способа изготовления блока электродов проведено формирование слоя оксида магния на стеклянную пластину с золотыми электродами и легкоплавким стеклом по следующему режиму:
– нагрев пластины в вакууме при давлении (4,9 – 3,2) 10^-3 Па до температуры Т₁ = 150^oC с выдержкой в течение 60 минут;
– напыление первого слоя оксида магния при температуре пластины T₁ = 150^oC, давлении (1,0 – 1,3) 10^-1 Па с содержанием кислорода в рабочей смеси 20% при расходе кислорода 1,7 л/ч, расходе аргона – 6,8 л/ч, параметрах магнетронов – токах 22 А, напряжениях – 160 – 190 В, времени напыления 50 минут;
– нагрев пластины с электродами, ЛПС и первым слоем оксида магния в вакууме при давлении (4,9 – 3,2) 10^-3 Па до температуры T₂ = 350^oC;
– напыление второго слоя оксида магния при температуре пластины T₂ = 350^oC, давлении (1,0-1,3) 10^-1 Па с содержанием кислорода в рабочей смеси 35% при расходе кислорода 3,04 л/ч, расходе аргона – 5,65 л/ч, параметрах МР, аналогичных напылению первого слоя, времени напыления 75 минут;
– охлаждение блока электродных систем до температуры 60^oC при давлении (4,9 – 2,4) 10^-3 Па;
– напуск атмосферы и выгрузка.

Толщина слоев оксида магния, измеренная в процессе напыления оптическим методом, составила 135 нм и 200 нм для первого и второго слоя соответственно.

Исследование сформированного слоя оксида магния методом электронографии подтвердило его стехиометрический состав, наличие поликристаллической изотропной структуры. Методом растровой электронной микроскопии подтверждено наличие крупно-кристаллической структуры.

Проведенное обследование ГИП переменного тока, собранной из блоков электродов, изготовленных согласно заявленному способу, показало, что панель имеет напряжение поддержания газового разряда на 20% ниже, чем у ГИП с оксидом магния, сформированным по обычной технологии. Статистическое время запаздывания возникновения разряда отсутствует в отличие от ГИП с блоками электродов, изготовленными известными способами.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию “промышленная применяемость” по действующему законодательству.

Таким образом, данное изобретение предлагает способ изготовления блока электродов ГИП переменного тока, позволяющий получить высокоэмиссионный слой оксида магния, обеспечивающий низкое статистическое время запаздывания возникновения разряда в ГИП переменного тока.

Формула изобретения

Способ изготовления блока электродов газоразрядной индикаторной панели переменного тока, включающий нанесение на диэлектрическую пластину электродов, формирование на электродах диэлектрического покрытия с последующим нанесением на него слоя оксида магния методом магнетронного распыления металлической мишени в смеси аргона с кислородом, отличающийся тем, что слой оксида магния формируют в два этапа, на первом этапе пластину с электродами и диэлектрическим покрытием нагревают в вакууме до температуры 100 – 200^oС, выдерживают при этой температуре в течение не менее 30 мин и наносят первый слой оксида магния в смеси аргона с 17 – 35% кислорода, а на втором этапе пластину нагревают в вакууме до температуры в диапазоне от 300^oС до температуры деформации диэлектрического покрытия и наносят второй слой оксида магния в смеси аргона с 30 – 35% кислорода, при этом каждый слой оксида магния наносят толщиной не менее 100 нм.