2) Материалы и технология изготовления панелей

Плазменная панель пере­менного тока собирается из двух независимо изготавливае­мых подложек, образующих камеру для газа. Затем панель через трубку заполняется соот­ветствующей газовой смесью и герметизируется. Схема это­го технологического процесса показана на рис.6.2. Для панелей, в техноло­гии которых используются «го­рячие» процессы, необходимо, чтобы каждая следующая ста­дия процесса производилась при температуре, исключаю­щей ухудшение свойств мате­риалов, нанесенных на преды­дущих операциях. Для «хо­лодной» технологии это требо­вание температурной иерар­хии снимается.

Рис.6.2. Технологический процесс изготовления плат и панели.

Подложка

Подложкой служит оконное стекло (силикат смеси СаО и NaOH, или натронная известь) толщиной от 3 до 6 мм в зави­симости от размера панели.

Проводники

Проводники создаются нанесением тонких или толстых пле­нок через трафареты или в виде сплошных слоев. Сплошные слои затем покрываются фоторезистом, экспонируются и про­являются. Затем проводники травятся в соответствии с тополо­гией резиста. Для панелей с малым разрешением можно исполь­зовать самые дешевые проводники, наносимые с помощью сеткографии. Фотолитографическая обработка многослойных тонкопленочных проводников для обеспечения высокой разре­шающей способности дисплея приводит к удорожанию процес­са. Нанесение проводников на подложку и их разделение на полоски требует хорошей адгезии проводников к подложке, пассивности по отношению к последующим этапам технологи­ческого процесса, высокой электропроводности, малых откло­нений размеров и малого количества пор, закороток или других дефектов в готовом проводнике.

а) Толстопленочные проводники. В панелях используются наносимые с помощью сеткографии полосковые проводники на основе золотой пасты со сравнительно малой разрешающей спо­собностью (меньшей или равной 1,2 лин./мм), шириной поряд­ка 150 мкм и высотой 12 мкм. Из-за дороговизны золотой пасты для проводников используются и другие металлические пасты, например никелевые. К толстопленочным проводни­кам предъявляются два требования: 1) иметь заданное значе­ние удельного сопротивления (Ом/кВ); 2) не реагировать с наносимым сверху диэлектрическим слоем.

Проводящие пасты смешиваются со стеклянной фриттой, обеспечивающей адгезию между подложкой и металлическими частицами. Обычно используются металлические проводники типа золота и никеля благодаря их пассивности. Разрешающая способность толстопленочных проводников улучшается при ис­пользовании фоточувствительного связующего материала. Этот материал применяется в качестве однородного слоя, подвергае­мого экспонированию и обработке. Можно получить линейное разрешение лучше 150 мкм с ровными краями линий.

После нанесения и задания топологии проводников подложки с пастой подвергаются термообработке для удаления свя­зующего вещества пасты, улучшения адгезии к подложке и спе­кания металлических частиц в проводящие полоски. Темпера­тура термообработки паст обязательно должна быть ниже температуры размягчения подложки. Даже если в активной части панели используются тонкопленочные проводники и сам экран задается топологией тонкопленочного проводника, про­водник по краям подложки может быть толстопленочным.

Как следствие требования высокой электропроводности про­водники должны иметь достаточно толщину, исключающую их прозрач­ность. К счастью, протяженность тлеющего разряда в газовой камере превышает ширину проводника (порядка величины меж­электродного зазора камеры). Однако, если ширина проводни­ка составляет значительную долю общей площади ячейки, доля видимого наблюдателю света может быть крайне мала.

Выполнение этого условия значительно облегчается при ис­пользовании проводников с прорезями, как показано на рис.6.3. Однако для этой конструкции потребуется тонкопле­ночная технология даже для панелей с малым разрешением, поскольку многочисленные проводники, соединенные параллельно и пропускающие свет, расположены очень близко друг к другу. Типичный проводник шириной 150 мкм можно превра­тить в проводник с прорезью, получив проводники шириной 50 мкм, разделенные 50-микронным зазором. Таким образом, для проводников с прорезями — даже в случае сплошного про­водника с низким разрешением — необходима тонкопленочная технология.

Рис.6.3. Геометрия проводника с прорезью.

б) Тонкопленочная технология. В тонкопленочных провод­никах обычно используется сочетание различных металлов. Первый слой — обычно хром, алюминий или тантал — применя­ется для улучшения адгезии и может иметь толщину (50–100) нм. Следующий слой, обычно толщиной до 1 мкм, обеспечивает электропро­водность, и для него используются металлы типа золота или меди. Третий слой используется для пассивации и адгезии, и он подобен первому слою. Для него можно использовать хром и никель.

Осаждение осуществляется испарением электронным лучом или распылением, причем из-за большой скорости осаждения материала чаще используется последний способ. Разделение проводника на полоски с помощью контактной фотолитографии ограничивается разрешением около 25 мкм вследствие большой площади подложки. Была показана возможность приме­нения распыления алюминия через направляющий углеродный трафарет с линейным разрешением 125 мкм. Чем больше разрешение, тем меньшую ширину должны иметь линии и тем жестче становятся требования к электропроводности материа­ла. Следовательно, необходима разработка новых методов осаждения для создания проводников с большим отношением веса к ширине. Кроме того, точка плавления (размягчения) металлов должна быть ниже температуры последующих термо­обработок.

Диэлектрические пленки

Диэлектрическая пленка создает емкостную связь между проводниками и газом в камере. Величина емкости влияет на максимальный ток (и, следовательно, яркость) элемента и на амплитуду напряжений, необходимых для работы элемента. Эти электрические характеристики управляют также «распростра­нением поля», т.е. связью с соседними элементами. Таким об­разом, диапазон толщин и диэлектрических постоянных этого слоя важен для оптимизации работы панели.

а) Нанесение диэлектрической пасты. Диэлектрик может на­носиться на металлизированную подложку несколькими способами. Одним из способов является нанесение пасты, которая затем высушивается и нагревается до получения однородной стекловидной диэлектрической пленки. Температура затверде­вания этого стекла должна быть ниже температур размягчения подложки и проводящих пленок. Состав стекла должен исклю­чать взаимодействие с проводником во время термообработки.

Для типичных стекол диэлектрические постоянные лежат в интервале от 6 до 15, а толщина пленок меняется от 12 до 50 мкм, давая возможность задания необходимой емкости эле­мента. Нижняя граница толщины определяется возможностью создания однородного металлического покрытия, а верхняя граница — образованием пузырьков при затвердевании. В ка­честве таких стекол при низкотемпературных процессах ис­пользуются прежде всего составы на основе высоких окислов свинца.

б) Напыление диэлектриков. Известно также о напылении тонкопленочных диэлектрических слоев. В процессе напы­ления для получения минимальных напряжений в осаждаемой пленке может потребоваться подогрев подложки. Нижняя гра­ница толщины диэлектрического слоя задается требованием обязательного покрытия краев проводника и пробивным напря­жением диэлектрика. Благодаря этому методу напыления и от­носительной толщине диэлектрического слоя толщина провод­ника должна быть меньше, чем в технологии нанесения диэлек­трической пасты. Однако здесь нет столь жесткого ограничения температуры процесса напыления диэлектрика относительно допустимой температуры подложки, как в методе нанесения ди­электрической пасты. Толщина напыленного боросиликатного стекла составляет 3—15 мкм при величине диэлектрической постоянной, примерно равной 4,5.

Материалы защитного покрытия и газовые смеси

Материал защитного покрытия граничит с газовой смесью. Следовательно, рабочее напряжение и стабильность панели сильно зависят от взаимодействия защитного покрытия с газом. Обычно в качестве материалов защитных покрытий служат окислы, наносимые поверх диэлектрического слоя с помощью напыления тонкой (200—300) нм пленки.

Для получения низкого рабочего напряжения обычно ис­пользуется газовая смесь Пеннинга. В светогенераторных газо­разрядных панелях основным газом является неон, к которому добавляются аргон или ксенон в процентном отношении 0,01÷0,3% соответственно. Когда в качестве основного газа используется неон, эмиттируется оранжевый свет.

а) Рабочее напряжение. Зависимость напряжения зажигания разряда от параметров газа и защитного покрытия может быть представлено в виде:

(6.1)

где А и В — константы, определяемые газовой смесью;

р— дав­ление газа;

d — межэлектродный зазор камеры панели;

γ — коэффициент вторичной эмиссии материала защитного покры­тия.

При заданной газовой смеси для получения низкого рабо­чего напряжения необходимо иметь большое значение коэффи­циента γ. Считается, что материалы с большим коэффициентом вторичной электронной эмиссии имеют малую работу выхода или малое электронное средство. Для надежной «записи» (га­зового разряда в ячейке) одиночными импульсами необходимо

также малое время отклика разряда. Кроме того, покрытие должно иметь хорошие диэлектрические характеристики и ха­рактеристики поверхностного разряда, чтобы помехи при рабо­те ячейки были минимальны.

Величина γ зависит от отношения величины электрического поля, устанавливающегося между электродами ячейки, к дав­лению, т.е. от отношения Е/р, называемого приведенным полем. На рис.6.4 показаны типичные кривые. Резкий спад у при ма­лых Е/р на кривой 2 приводит к сужению области разряда.

Очевидно, что покрытия из окиси свинца и окиси иттрия сужа­ют область разряда сильнее, чем окись магния. Следовательно, можно сделать вывод о том, что для них γ резко спадает при малых значениях Е/р. В панели фирмы Owens-Jllinois, содер­жащей 1024·1024 элементов, 3,3 лин./мм, уменьшение степени взаимного влияния ячеек при высоком разрешении относится за счет покрытия из окиси иттрия.

Рис.6.4. Характеристика вторичной эмиссии.

В табл. 6.1 приводятся сравнительные характеристики различных сравнительно стабильных покрытий по различного рода данным работ.

Таблица 6.1 – Рабочие параметры при разных материалах защитных покрытий

Мате-риал	Коэффициент вторичной эмиссии	Напряжение зажигания разряда, В	Рабочее напря-жение	Газ	Время отклика разряда	Порог распы- ления, эВ
MgO	0,57	100	90	Ne+Ar (?)	Малое	60
Yb2O3			120
La2O3	0,55	130	110	Ne+Ar (?)	Малое	130
CeO2		170		Ne+Ar (?)	Большое	125
MgO		100	90	Ne+0,3Xe/ /1400 Торр	Малое
CeO2	0,41	167	140	Ne+0,3Xe/ /1400 Торр	Большое
La2O3 (90/10)

На рис.6.5 показана зависимость напряжения зажигания от значений pd при одном и том же материале покрытия и сос­тава газа. Отметим, что существует величина pd, при которой напряжение зажигания минимально. Эта величина различна для различных газовых смесей. В противоположность этому эффекту диапазон памяти одиночной ячейки возрастает при

возрастании pd. Таким образом, выбор величины pd является компромиссным.

Рис.6.5. Зависимость напряжения зажигания разряда от произведения (дав­ление X расстояние).

б) Стабильность. На временную стабильность рабочих на­пряжений влияют два фактора. Первый связан с изменением рабочего напряжения ячейки в зависимости от того, была ли она включенной (вкл.) или выключенной (выкл). Разница между включенной и невключенной ячейками связана с приро­дой загрязнений тугоплавких окислов, поскольку эти материа­лы склонны к образованию гидратов окислов или гидроксильных групп на поверхности. Наблюдаемые изменения напряже­ния не всегда имеют одинаковый знак для различных материа­лов защитных покрытий, и эти изменения коррелируются с пе­реносом гидроксильных групп или чистого водорода от вклю­ченных к невключенным ячейкам. Этот эффект слабее выражен в приборах на MgO, нежели на окислах редкоземельных эле­ментов. В образцах MgO, подвергнутых нагреву в вакууме, этот эффект удалось сильно понизить. На сделанных с помо­щью сканирующей электронной микроскопии фотографиях вид­но, что газовый разряд на переменном токе как бы полирует поверхность, т.е. удаляет и разлагает внешние слои с гидрата­ми окислов, порог распыления которых гораздо ниже, чем объ­емного материала.

Второй фактор связан с распылением материала покрытия. При использовании тонкопленочных покрытий необходимо знать условия, при которых может происходить удаление поверхно­стного слоя за счет распыления, вызывающее сдвиг напряже­ния, если нижний слой имеет существенно отличающееся зна­чение γ. Во-первых, следует рассмотреть сам газ. Типичным газом является неон с очень малой в процентном отношении добавкой аргона или ксенона. При возбуждении газа генери­руются примерно одинаковые количества Ne⁺ и неосновных ионов, и считают, что в большом количестве имеется также Ne₂+. Кинетическую энергию соударяющихся ионов можно рас­считать по формуле:

Кинетическая энергия (6.2)

где m — масса иона;

К₀ —приведенная подвижность при давле­нии 10^-5 Па и 273 К;

Е — величина поля.

Значения этих па­раметров при малых полях приведены в табл.6.2. Эти значе­ния не следует экстраполировать в область больших полей (больших отношений поля к давлению); они просто дают воз­можность оцепить влияние состава газа. Из этих значений пред­ставляется вероятным, что ионы молекулярного неона и неос­новные ионы за счет своей кинетической энергии дают основ­ной вклад в повреждение поверхности.

Таблица 6.2 – Параметры ионов в малых полях.

Основной газ	Ион	Масса иона, m	Приведенная подвижность, К0	mК02
Неон	Ne+	20	4,2	352,8
	A+, Ne2+	40	7,8	2433,6
	Хе+	131	6,5	5534,75

Значения m₀K₀², приведенные в табл.4, показывают, что, по-видимому, основной вклад в распыление дают неосновные ионы с высокой подвижностью.

Уравнение для расчета подвижности при различных давлениях р и температурах Т имеет вид:

(6.3)

из которого следует, что более сильное распыление можно ожи­дать при низких давлениях. Оценка и измерение средних значе­ний кинетической энергии Ne⁺ ионов с учетом эффектов иска­жения поля пространственного заряда дают величину в интерва­ле от 1 до 2эВ. Это означает, что в обычных приборах имеют­ся неосновные ионы с большой средней энергией (>10 эВ); энергия Хе⁺ иона больше, чем А⁺ иона, прежде всего за счет большей массы.

Для сохранения постоянного рабочего напряжения поверх­ность материала защитного покрытия должна оставаться ста­бильной при возбуждении газа и, следовательно, должна быть устойчивой к распылению. Параметром материала покрытия, необходимым для расчета порога распыления, является тепло возгонки Н. Энергия порога распыления оцени­вается соотношением вида:

(6.4)

где (3.5)

Н —энергия возгонки;

m —масса поверхностных атомов;

М —масса падающих ионов.

Значения порогов распыления для некоторых материалов покрытий приведены в табл.2.

Этот анализ предполагает, что чем больше тепло возгонки и, следовательно, больше сила химической связи в материале, тем ниже степень распыления.

Герметики и прокладки

По окончании процесса изготовления плат, как показано на схеме технологического процесса (рис.6.2), две готовые пла­ты — передняя и задняя — собираются в панель. Передняя и задняя платы всегда отличаются друг от друга хотя бы наличи­ем высверленного в задней плате отверстия для трубки, через которую производится заполнение панели газовой смесью.

Прокладки обычно прикрепляются к передней плате, по­скольку при сборке она располагается снизу, а задняя плата — сверху, чтобы на нее можно было поместить трубку для запол­нения газом. Прокладки, задающие величину зазора камеры па­нели, либо помещаются на свои места одновременно с гермети­зирующим материалом по периметру панели, либо, если про­кладки расположены в активной области панели, до нанесения материала покрытия. Прокладки из диэлектриков или металлов могут иметь форму стержня, шарика и т. д. Технология изготов­ления прокладок очень важна, поскольку рабочее напряжение и рабочий диапазон ячейки зависят от межэлектродного зазора (при данном давлении) и от расстояния до прокладки.

Герметик наносится по периметру панели в виде пасты или кладется в виде отдельных кусочков материала. Трубка для за­полнения газом припаивается к плате с помощью того же гер­метика или аналогичного материала. Заварка стеклянных герметиков производится в высокотемпературных печах. Затем па­нель просушивается для удаления загрязнений, заполняется до необходимого давления соответствующей газовой смесью, и, на­конец, производится запайка газовой трубки. Герметик по пе­риметру панели должен иметь как можно меньшие течи для обеспечения приемлемого срока службы в силу довольно боль­шого отношения площади герметика к объему газа (по сравне­нию с катодно-лучевой трубкой).

Билет 14

1) Оптика Источников Электронов

2) Устройство самосканирующей ГПП переменного тока

Ответ: