Спосіб одержання катодолюмінесцентного екрана

Винахід відноситься до області електронної техніки і може бути використаний для отримання катодолюмінесцентних екранів електронно-променевих пристроїв, наприклад, ЕПТ, ЕОП, віконних елементів електронних мікроскопів. Відомий спосіб виготовлення люмінесцентного екрана з комірками (Патент Японії №59 - 44738, 1984) полягає в тому, що на підкладці, коефіцієнт термічного розширення (КТР) якої відрізняється від КТР люмінесцентного матеріалу, вакуумним напиленням наносять шар люмінесцентного матеріалу при Tп - 150 - 200°C і в процесі охолодження внаслідок різниці КТР підкладки і шару в останньому виникають сили розтягу в поперечних напрямках, під дією яких шар ущільнюється і у ньому утворюються комірки у вигляді мозаїчних областей, які розділені між собою і мають у поперечному напрямку середній розмір біля 100мкм. Недоліками даного способу є: використання низьких Tп, в результаті чого утворюються структурнослабовпорядковані плівки, мала величина енергетичного виходу люмінесцентного шару, некерованість процесом формування макроструктури екрана, які приводять до суттєвої неоднорідності останнього по товщині і площі. Відома електронно-променева трубка (Заявка Великобританії №1584545, 1981) з двохшаровим екраном, де перший тонкий шар, товщина якого - 1 - 2мкм, що співрозмірно розмірам однієї частинки, наноситься на підкладку способом електрофореза, а потім другий шар з розмірами частинок 2 - 3мкм осаджується під дією сил тяжіння до досягнення загальної товщини шару 10мкм. Недоліками способу є: значна неоднорідність екрана по площі, мала величина роздільної здатності, низька густина упаковки частинок шару. Найбільш близьким по технічній сутності - прототипом є спосіб отримання като-долюмінесцентного екрана з високою роздільною здатністю (Авт. св. СРСР №1582901, 1990), який включає в себе очистку підкладки, нанесення першого та другого шарів люмінофора і відпал, вирізняючою особливістю якого є те, що перший шар люмінофора наносять на підкладку у вигляді полікристалічної плівки товщиною 80 - 150мм іонно-плазменим розпиленням з наступним відпалом при температурі 200 - 300°C на протязі 1 - 2 годин. Другий шар люмінофору наносять методом осадження в гравітаційному полі (седиментацією) з моно-дисперсної суспензії до товщини 2 - 3мкм. Недоліком способу є обмеженість щільності упаковки люмінофорних частинок в першому зароджуючому шарі на поверхні модифікуючої підкладку плівки, яка визначається особливостями дефектності і мікроструктури плівки і яка слабо включає в себе ознаку морфологічних особливостей модифікованої плівки, що не дозволяє підвищити роздільну здатність екрана і зменшити величину міжелементної нерівномірності яскравості свічення екранів (МНЯ). В основу винаходу покладено завдання удосконалити спосіб одержання катодо-люмінесцентного екрана, в якому нова обробка підкладки дозволила б підвищити структурну однорідність екрана і за рахунок цього забезпечити високе значення роздільної здатності та малий рівень шумів. Поставлене завдання досягається тим, що у способі одержання екрана, який включає очищення підкладки, нанесення першого і другого шарів люмінофора та відпал, де перший шар люмінофора наносять на підкладку у вигляді полікристалічної плівки іонно-ппазменним розпиленням з наступним відпалом при температурі 200 - 300°C на протязі 1 - 2 годин, згідно винаходу, перед нанесенням другого шару люмінофора полікристалічну плівку осаджують до товщини 150 - 300нм, а потім із неї способом електронної літографії формують на поверхні підкладки періодичну комірчату матрицю сітчатої структури з розмірами комірок 2 ´ 2мкм і відстанню між ними 2мкм по всій площині підкладки. При осадженні люмінофорних частин малого розміру на поверхню гладкої тонкоплівкової структури міграційна здатність частинок (середньостатистична довжина дифузного пробігу частинок) обмежується центрами фізикохімічної взаємодії з частинкою, при цьому центри розподілені на поверхні хаотично. В даному випадку розмірний фактор (морфологія плівки - виступи, впадини і т.п.) не обмежують вільну дифузію частинки по поверхні. Застосування суцільної гладкої плівки дозволяє використовувати тільки одну ознаку, яка впливає на процес зародження люмінофорного шару, а саме, фізико-хімічний вплив. Суть винаходу полягає в тому, що використовування запропонованої тонкоплівкової періодичної матриці (сітка з комірками 2 ´ 2 ´ 0,15 - 0,3мкм) включає і іншу суттєву ознаку - розмірний фактор. Наявність тонкоплівкових комірок певного періодичного розміру вноситьдоповнюючий елемент в обмеження руху вільнодифузійних частинок на поверхні підкладки. Таким чином, частинки, які знаходяться під дією ознаки хімічної відповідності, будуть, як правило, мати свое місцезнаходження на поверхні елементарних тонкоплівкових площадок, а інші частинки попадуть в "пастки" (впадини між комірками). В результаті перший шар екрана буде характеризуватися суттєвою стр уктурною однороідністю по поверхні підкладки, чим забезпечується підвищення роздільної здатності екрана та зменшення рівня шумів. На кресленні (фіг.) проілюстровано вплив морфології модифікованої плівки на механізм і ріст люмінофорного покриття: а) особливості механізму зародження і формування люмінофорного шару з частинок однакового розміру на поверхні підкладки, модифікованої суцільною плівкою; б) особливості механізму зародження і формування люмінофорного шару з частин однакового розміру на поверхні періодичної комірчатої структури підкладка-плівка. Спосіб ілюструється наступними прикладами. Вивчалися зразки, виготовлені із люмінофору ZnS : Ag різної товщини. Приклад 1: Послідовність операцій формування люмінофорного сітчатого підшару із ZnS : Ag на скляній підкладці з подальшим осадженням на нього дрібнодисперсних люмінофорних частинок середнього розміру ~1мкм тієї ж природи, що і плівка, наступна: - скляні підкладки очищуються хімічним способом (А.С. 1582901, СРСР. Спосіб отримання катодолюмінесцентного екрану з високою роздільною здатністю. Видано 1990p.); - очищені хімспособом підкладки розміщують в підковпачному пристрої ВЧ-магнетронної розпилюючої системи; - підкладки додатково очищуються в тліючому катодному розряді на протязі 15 хвилин; - після іонної очистки на поверхню скляної підкладки ВЧ-магнетронним напиленням наносять шар люмінофора товщиною dпл - 150нм; - після напилення плівку відпалюють в атмосфері аргону при Tвідп. = 200 - 300°C на протязі 1 - 2год; - на поверхні підкладки з тон-коплівковою суцільною структурою способом електронної літографії формується періодична коміркова матриця з розміром елемента 2 ´ 2мкм і відстанню між комірками 2мкм; - на сформовану таким чином модифіковану підкладку способом осадження в гравітаційному полі наносять шар із люмінофорних частинок малого розміру (середній діаметр частинок 1 - 2мкм) цієї ж природи, що й плівкова матриця. Отриманий таким способом екран має в 1,07 вищу роздільну здатність і на 2% меншу величину МНЯ, ніж екран, виготовлений способом-прототипом. Приклад 2. Послідовність операцій формування тонкоплівкової структурної матриці на поверхні склянної підкладки така ж, що і в прикладі 1. Відмінною є товщина d пл = 220нм. Отриманий таким способом екран має в 1,23 вищу роздільну здатність і на 3% меншу величину МНЯ, ніж екран виготовлений способом-прототипом. Приклад 3. Послідовність операцій формування тонкоплівкової структури матриці на поверхні склянної підкладки така ж, що і в прикладі 1. Відмінною є товщина d пл = 300нм. Отриманий таким способом екран має в 1,23 вищу роздільну здатність і на 4% меншу величину МНЯ, ніж екран виготовлений способом-прототипом. При формуванні люмінофорних шарів використовувались малі питомі ваги в межах 0,05 - 0,1мг/см 2 і люмінофорні частинки середнього діаметру 1мкм. Концентрація зародків (мікроостровків) вивчалася двома способами. Методом підрахунку кількості зародків по одній лінії безпосередньо в оптичному мікроскопі з визначенням середньої відстані між зародками (метод 1) та методом побудови гістограм розподілу острівків за розмірами з визначенням середнього розміру острівка і середньої відстані між острівками (метод 2). Для визначення степені впливу плівкового підшару (його стр уктурної і морфологічної упорядкованості) із ZnS : Ag, а також умов його формування на механізм зародження люмінофорного покриття зразки груповались в три групи в залежності від величини питомої ваги: 0,05; 0,06 і 0,10мг/см 2 відповідно. Результати досліджень представлені в табл.1. Як видно з табл.1 в кожній з груп зразків екранів (групи сформовані по величині питомої ваги) найбільша середня відстань між зародками - острівками спостерігається при використанні склянних підкладок з традиційною поверхневою обробкою. У випадку застосування модифікованих підкладок (покритих суцільною плівкою) спостерігається зниження середньої відстані між зародками-острівками. Також спостерігається видима тенденція до зменшення середньої відстані між ними у випадку модифікованих підкладок, де плівки отримані при більш високих Tп. У зв'язку з тим, що середня відстань (lсер.) між зародками-острівками характеризує поверхневу густину їх розподілу, можна зробити висновок, що наявність модифікованої підкладки приводить до зниження довжини поверхневої міграції люмінофорних частин, а також сприяє їх наступному "прилипанню". Авторами встановлена загальна ознака, яка характерна для випадку застосування підкладок з тонкоплівковим підшаром, а саме - застосування структури плівка-підкладка дозволяє керувати процесом зародження люмінофорного шару. Це проявляється у збільшенні густини островків-зародків на елементі площі екрана і зменшенні середньої відстані між ними. Ефект посилюється, якщо плівки отримують при більш високих Tп. Однак слід відмітити наступне. Використання гладкої полікристалічної плівки, отриманої при T < 300°C на скляній підкладці ВЧ-магнетронним розпиленням, проявляє свій вплив на процес зародження покриття тільки через фізико-хімічну відповідність матеріалу плівки і люмінофора. Процес зародження люмінофорного шару носить виключно статистичний характер, тобто концентрація центрів "прилипання" окремих частин на початковому моменті зародження екрана являється недостатньою для отримання моношару частин в першому шарі. Відкритим залишається питання про вплив структури підшару, його морфології на процес зародження екрана. Ефект, який отриманий від більш упорядкованої структури підшару (T = 200 - 300°C), вказаний в табл.1. Вдосконалення структури підшару (наближення її до епітаксійних шарів) повинно приводити і до більш рівномірного розподілу центрів зародження люмінофорного шару. Однак, отримання монокристалічної структури плівок на поверхні структурно-розпорядкованих складних підкладок відомими способами тонкоплівкової технології потребує використання дорогоцінних, операційноємнісних і високотемпературних способів синтезу. Тому більш зручним є формування періодичної тонкоплівкової структури на поверхні підкладки методом фотолітографії. При осадженні люмінофорних частин малого розміру на поверхню гладкої тонкоплівкової структури міграційна здатність частинок (середньостатистична довжина дифузного пробігу частинок) обмежується центрами фізикохімічної взаємодії з частинкою, при цьому центри розподілені на поверхні хаотично. В даному випадку розмірний фактор (морфологія плівки - виступи, впадини і т.п.) не обмежують вільну дифузію частинки по поверхні. Якщо застосування суцільної гладкої плівки дозволяє використовувати тільки одну ознаку, яка впливає на процес зародження люмінофорного шару, а саме, фізико-хімічний вплив, то використовування запропонованої тонкоплівкової періодичної матриці (сітка з комірками 2 ´ 2 ´ 0,15 - 0,3мкм) включає і іншу суттєву ознаку - розмірний фактор. Наявність тонкоплівкових комірок певного періодичного розміру вносить доповнюючий елемент в обмеження руху вільнодифузійних частинок на поверхні підкладки. Таким чином, частинки, які знаходяться під дією ознаки хімічної відповідності, будуть як правило, мати своє місцезнаходження на поверхні елементарних тонкоплівкових площадок, а інші частинки попадуть в "пастки" (впадини між комірками). В результаті перший шар екрана буде характеризуватися суттєвою структурною однороідністю по поверхні підкладки. Структура екрана в початковий момент зародження люмінофорного шару при використанні запропонованого підходу проілюстрована на фіг.б. Порівняльні світлотехнічні характеристики екранів приведені в табл.2. Як видно з таблиці 2 екрани з люмінофором ZnS : Ag, отримані пропонованим способом мають в 1,15 - 1,25 вищу роздільну здатність і на 2 - 4% меншу величину МНЯ, ніж екрани виготовлені способом-прототипом. Формування періодичної коміркової тонкоплівкової матриці на поверхні підкладки дозволяє отримати рівномірний і по всій площі структурнорднорідний шар екрану. Обгрунтування граничних параметрів: 1) Товщина плівки dпл = 150 - 300нм. При використанні d 300нм плівкові одиничні елементи більш явно стимулюють ріст острівків у вертикальному напрямку, що в кінцевому рахунку означає замітку неоднородність рельєфу сформованого екрану і являється небажаним. 2) Розмір елементарної площадки 2 ´ 2мкм. Він визначається можливостями методу фотолітографії та критерієм максимального наближення розміру площадки до розміру частин. Використання запропонованого способу одержання катодолюмінесцентного екрана дає можливість підвищити структурну і однорідність екрана, яка забезпечує високе значення роздільної здатності та малий рівень шумів, що підтверджує одержання технічного результату.