Способ формирования защитного слоя оксида магния

 

Изобретение относится к газоразрядной технике и может быть использовано при разработке и изготовлении монохромных и цветных газоразрядных индикаторных панелей (ГИП) переменного тока для повышения качества ГИП и производительности процесса формирования защитного слоя оксида магния. В известном способе, включающем формирование защитного слоя оксида магния на пластине газоразрядной индикаторной панели переменного тока методом магнетронного распыления металлической мишени в окислительной среде кислорода с аргоном, распыление проводят при содержании кислорода в окислительной среде 17 - 45%, распыление проводят при рабочем давлении окислительной среды (1,0 - 1,1) · 10^-1 Па, перед распылением давление окислительной среды устанавливают в диапазоне (1,2 - 3,25) · 10^-1 Па и выдерживают в течение 2-3 мин, распыление проводят при значениях постоянного напряжения и тока 160-210 В и 18-30 А соответственно. Изобретение позволяет улучшить эксплуатационные параметры газоразрядных индикаторных панелей переменного тока. 3 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к газоразрядной технике и может быть использовано при разработке и изготовлении монохромных и цветных газоразрядных индикаторных панелей (ГИП) переменного тока.

Известен способ формирования защитного слоя оксида магния методом электронно-лучевого испарения. Способ предусматривает напыление любых материалов, включая диэлектрики и тугоплавкие металлы. Материалы для напыления размещаются в медном водоохлаждаемом тигле и испаряются под действием сфокусированного в магнитном поле и направленного на него потока электронов. Мощность источника, как правило, составляет 6...10 КВ. Давление в камере при напылении - 1·10^-4 Па. Толщина напыляемого оксида магния 0,2 мкм и более. Подложка нагревается до 200^oC перед напылением. Скорость напыления оксида магния от 1 до 10 нм/с. Как правило, формируется структура оксида магния, обеспечивающая образование преимущественной ориентировки кристаллитов типа <111> и, следовательно, наибольшую устойчивость к гидратации поверхности, см. статью K.C. Park, E.J. Weitzman, E - Beam Evaporated Glass and MgO Layers for Gas Panel Fabrication, IBM J. Res. Develop. vol. 22, No. 6, November 1978, pp. 607-612.

К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного способа относится то, что в известном способе очень сложно получить равномерный по толщине (± 5...10%) слой на большой поверхности из-за точечного источника испарения материалов. Другими недостатками являются очень сложный контроль скорости испарения материала из-за неконтролируемого возникновения положительных ионов, а также большой расход материалов (MgO). Коэффициент вторичной электронной эмиссии пленок оксида магния меньше на 15...20%, чем у аналогичных пленок, полученных, например, методом магнетронного распыления.

Известен способ формирования защитного слоя оксида магния используя высокочастотное магнетронное распыление (RF Magnetron Sputtering). Способ предусматривает использование для распыления мишеней или из магния или оксида магния. Распыление магния осуществляется в окислительной среде Ar + O₂, распыление оксида магния в среде аргона при следующих режимах: давление в камере - 26·10^-1 Па, мощность - 3,8 Вт/см², расстояние до мишени - 45 мм. Толщина напыленной пленки составляет 0,4 мкм при скорости распыления 0,1 мкм/ч (0,028 нм/с), см. статью Yasuhisa Kaneko, Nobuo Mikoshiba and Tsutomu Yamashita, Preparation of MgO Thin Films by FR Magnetron Sputtering. Japanes Journal of Applied Physics, Vol. 30, No 5, May 1991, pp. 1091-1092.

К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного способа относится то, что в известном способе имеет место низкая скорость распыления оксида магния, а для распыления используются материалы очень высокой чистоты. Другими недостатками являются высоковольтная схема питания магнетронов, а также сложный в обслуживании высокочастотный генератор. Пленки оксида магния, полученные этим методом, имеют преимущественную ориентировку кристаллитов <100>, что резко повышает ее неустойчивость к гидратации (образованию Mg(OH)₂ на поверхности пленки), приводящую к ухудшению параметров ГИП переменного тока.

Известен способ формирования защитного слоя оксида магния для ГИП переменного тока с использованием высокочастотного магнетронного распыления. Способ предусматривает формирование защитного слоя в среде аргона при давлении (1,6. . . 33,3)·10^-1 Па, обеспечивающего величину диапазона памяти ГИП переменного тока не более 25 В, см. статью Masayuki Kamiya, Yuuichiro Murakami and Heiyu Uchiike, Examination of sputtered MgO protecting layer for ac plasma display, ITE Technical Report, Nov. 1995, Vol. 19, No. 66, pp. 43-48.

К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного способа относится то, что в известном способе формируется структура оксида магния с такими поверхностями свойствами, которые не обеспечивают получение приемлемой для надежной работы величины диапазона памяти ГИП переменного тока, при этом для работы магнетрона используется высокочастотное напряжение от генератора, достаточно сложного в эксплуатации.

Известен способ формирования защитного слоя оксида магния для ГИП переменного тока с использованием высокочастотного магнетронного распыления, предусматривающий формирование слоя с обеспечением величины диапазона памяти панели до 20 В при толщине MgO - 500 нм. Такое же значение диапазона памяти получают и при использовании других способов получения защитного слоя, а именно: вакуумного напыления и толстопленочной технологии, см. статью M.Tokura, K.Amano, M.Kamiya, A.Iwayama and H.Uchiike, Material of Protecting Layer in ac Plasma Display, IDY 94 - 118, pp. 19 - 24.

К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе формируется структура оксида магния с такими поверхностными свойствами, которые не обеспечивают получение приемлемой для надежной работы величины диапазона памяти ГИП переменного тока, кроме того, способ характеризуется низкой скоростью распыления оксида магния и наличием высокого напряжения питания магнетронов.

Наиболее близким способом того же назначения к заявляемому объекту по совокупности признаков является способ формирования защитного слоя оксида магния для газоразрядных индикаторных панелей переменного тока с использованием высокочастотного магнетронного распыления, предусматривающий формирование пленки оксида магния в среде аргона при давлении (1,6...33,3)·10^-1 Па со скоростью распыления 0,05 нм/с, при этом питание магнетрона осуществляется напряжением 1,6 кВ при токе 250 мА, принятый за прототип, см. статью Kuniaki Amano, Masayuki Kamiya and Heiju Uchiike, Fabrication of MgO Protecting Layer for ac Plasma Display, ITE Technical Rerort, Nov. 1994, Vol. 18, No, 68, pp. 25-30.

К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что в известном способе независимо от режимов напыления отсутствуют условия для повышения диапазона внутренней памяти ГИП переменного тока и производительности технологического процесс, так как в сформированных слоях сохраняется преимущественная ориентировка кристаллитов оксида магния <100>, а также имеет место низкая скорость распыления.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Предлагаемый способ формирования защитного слоя оксида магния решает задачу улучшения эксплуатационных параметров газоразрядных индикаторных панелей переменного тока.

При осуществлении изобретения могут быть получены следующие технические результаты: - повышена величина диапазона внутренней памяти газоразрядной индикаторной панели; - повышена производительность процесса формирования защитного слоя; - повышена эксплуатационная надежность технологического оборудования для напыления оксида магния.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе, включающем формирование защитного слоя оксида магния на пластине газоразрядной индикаторной панели переменного тока методом магнетронного распыления металлической мишени в окислительной среде кислорода с аргоном, распыление проводят при содержании кислорода в окислительной среде от 17 до 45%, распыление проводят при рабочем давлении окислительной среды (1,0-1,1)·10^-1 Па, перед распылением давление окислительной среды устанавливают в диапазоне (1,3-3,25)·10^-1 Па и выдерживают в течение 2-3 минут, распыление проводят при значениях постоянного напряжения и тока 160-210 В и 18-30 А соответственно, распыление при содержании кислорода в окислительной среде в указанном диапазоне обеспечивает устойчивую работу магнетронных распылителей и формирование слоя оксида магния стабильного стехиометрического состава и изотропной структуры; распыление при рабочем давлении окислительной среды в указанном диапазоне обеспечивает максимальную производительность технологического процесса со скоростью не менее 5 нм/мин; установление давления окислительной среды перед распылением и его выдержка в указанных диапазонах обеспечивают исключение распыление чистого магния; распыление при указанных значениях постоянного напряжения и тока обеспечивает оптимальные соотношения рабочих режимов магнетронных распылителей.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизна" по действительному законодательству.

Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений, с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата, в частности, заявленным изобретением не предусматриваются следующие преобразования:
- дополнение известного средства какой-либо известной частью, для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно таких дополнений;
- замена какой-либо части известного средства другой известной частью для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такой замены;
- исключение какой-либо части средства с одновременным исключением обусловленной ее наличием функции и достижением при этом обычного для такого исключения результата;
- увеличение количества однотипных элементов для усиления технического результата, обусловленного наличием в средстве именно таких элементов;
- выполнение известного средства или его части из известного материала для достижения технического результата, обусловленного известными свойствами материала;
- создание средства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между ними осуществлены на основании известных правил, и достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого объекта и связей между ними.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень" по действующему законодательству.

Поясняющие заявленный объект материалы представлены на чертежах, где на фиг. 1 показана зависимость толщины слоя оксида магния от содержания кислорода в окислительной среде при распылении, на фиг. 2 - зависимость толщины слоя оксида магния от давления окислительной среды в процессе распыления.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанных технических результатов, заключаются в следующем.

Для формирования защитного слоя оксида магния использовался метод реактивного магнетронного распыления на постоянном токе (DC Magnetron Sputtering), который основан на использовании скрещенного магнитного и электрического полей для повышения эффективности ионизации рабочего реактивного газа и создания над поверхностью мишени области плотной плазмы. На катод магнетрона по отношению к заземленному аноду подается напряжение постоянного тока от 100 до 600 В. Распыление материала мишени происходит за счет бомбардировки ее поверхности ионами рабочего газа. В зависимости от материала мишени и типа рабочего газа такой способ позволяет получать покрытия из чистых металлов, а также покрытия из оксидов и нитридов металлов. В качестве мишеней для заявленного изобретения использовался магний чистотой 99,96%. Размеры мишени 970 х 100 х 10 мм. Размеры стеклянных пластин 972 х 552 х 2,65 мм. Рабочими газами служили технически чистые кислород и аргон. Напуск газов в камеру распыления производился с помощью регулятора расхода газа, входящего в состав системы напуска.

После загрузки изделия в установку проводилась откачка камеры до давления 4,9·10^-3 Па. Перед нанесением оксида магния с целью повышения адгезионных свойств поверхность стеклянной пластины обрабатывалась в течение 15 минут ионами кислорода при следующих параметрах ионного источника: I = 640 мА, U = 2,3 кВ. Давление в камере напыления установки составляло 5,6·10^-2 Па, а скорость протока кислорода - 6 л/ч.

После окончания очистки и прокачки камеры откачными средствами до давления 4,9·10^-3 Па включается напуск рабочих газов: кислорода и аргона со скоростями, выбираемыми в интервалах 1,5...4,5 л/ч и 4,8...8,0 л/ч соответственно, причем содержание кислорода в смеси должно находится в интервале от 17 до 45%. Этот диапазон обеспечивает стабильность работы разряда (см. фиг. 1). Давление в камере при этом составляет (1,3...3,25)·10^-1 Па. При таком давлении и таком содержании кислорода в указанных выше диапазонах исключается распыление в камере чистого магния, наличие которого нарушает стехиометрический состав пленки MgO и недопустимо в защитных слоях для ГИП переменного тока.

После стабилизации давления включаются магнетронные распылители при значениях тока и постоянного напряжения, выбираемых в интервалах 18-30 А и 160-210 В соответственно. После 2-3 минут работы магнетронных распылителей изменяется скорость напуска газов: кислорода - 1,35 л/ч и аргона - 5,4 л/ч. Давление в камере при такой скорости потока газовой смеси автоматически поддерживается (1,0. . . 1,1)·10^-1 Па. При таком давлении наблюдается максимальная скорость распыления оксида магния (фиг. 2). При давлении менее 8,7·10^-2 и более 3,25·10^-1 Па разряд неустойчив. В частном случае, после окончания 12 циклов перемещения пластины перед мишенью магнетронных распылителей, расположенных на расстоянии 140 мм в течение 30 минут, установка автоматически отключается. Через 5 минут производится напуск атмосферы в камеру. Толщина получаемой пленки составляет 0,15...0,18 мкм с разбросом не более 10% в зависимости от параметров работы магнетронных распылителей.

Для изменения толщины и других несущественных характеристик пленки MgO возможно использование других параметров режима напыления (время, количество циклов и др.), однако при этом основные параметры режима должны устанавливаться в интервалах, приведенных в формуле изобретения.

Электронографические исследования структуры и фазового состава полученной пленки показали, что она имеет изотропную поликристаллическую структуру с постоянной решетки 4,225 А в отличие от пленок оксида магния, получаемых методом электронно-лучевого и высокочастотного магнетронного распыления. Последние имеют преимущественную ориентировку кристаллитов типа <111> и <100> соответственно. После термической обработки до 430^oC фазовый состав и структура пленок оксида магния, напыленных предложенным способом, не изменились. Оже-анализ полученных пленок оксида магния подтвердил их стехиометрический состав. Показатель преломления пленок составил 1,56...1,73, величина удельного поверхностного сопротивления - 3...9·0¹² Ом/□.
Цветные газоразрядные индикаторные панели переменного тока, изготовленные с защитным слоем оксида магния, сформированным вышеописанным способом, имели величину диапазона памяти от 40 до 50 В.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:
- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, именно, в технологии изготовления газоразрядных индикаторных панелей переменного тока;
- для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте нижеизложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеизложенных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;
- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "промышленная применимость" по действующему законодательству.

Формула изобретения

1. Способ формирования защитного слоя оксида магния на пластине электродов газоразрядной индикаторной панели переменного тока методом магнетронного распыления металлической мишени в окислительной газовой среде кислорода с аргоном, отличающийся тем, что распыление проводят при содержании кислорода в окислительной среде 17 - 45%.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что распыление проводят при рабочем давлении окислительной среды (1,0 - 1,1) · 10^-1Па.

3. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что перед распылением давление окислительной среды устанавливают в диапазоне (1,3 - 3,25) · 10^-1 Па и выдерживают в течение 2 - 3 мин.

4. Способ по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что распыление проводят при значениях постоянного напряжения и тока 160 - 210 и 18 - 30 А соответственно.