СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЧЕРНОЙ МАТРИЦЫ Российский патент 2002 года по МПК H01J9/227 H01J29/30 

Изобретение относится к системам отображения на экранах цветных электроннолучевых трубок (ЦЭЛТ), а также на флюоресцентных, плазменных, жидкокристаллических панелях дисплеев.

На матричных экранах ЦЭЛТ и иных типов дисплеев промежутки между отдельными люминофорными элементами заполнены светопоглощающим черным покрытием в виде черной матрицы (ЧМ), поглощающей внешний свет и рассеянное излучение от соседних элементов. (Менее употребительный термин - светопоглощающая матрица). Устранение этого светового фона делает цветное изображение более четким и контрастным.

В жидкокристаллических дисплеях ЧМ представляет собой полосчатую структуру, черные линии которой обрамляют пиксели и увеличивают их цветной тон. В результате этого ЧМ обеспечивает четкие тона цветного изображения в целом.

Черная матрица используется также в дисплеях портативных компьютеров - ноутбуков. Она имеет низкое отражение, что значительно уменьшает блики от внешнего освещения на экране и повышает контрастность изображения.

В серийном производстве матричных ЦЭЛТ для получения черной матрицы используют, главным образом, графитовые покрытия, которые наносят на центрифуге из раствора коллоидно-графитового препарата и структурируют методом взрывной (обратной) фотолитографии. Также известны тонкопленочные структуры на основе черных покрытий (ЧП), которые наносятся методами вакуумного напыления. Например, известен способ изготовления ЧМ (заявка 3539572 А1 ФРГ, МПК⁴ Н 01 J 9/20, 29/30, публ. 1987 г.), согласно которому на поверхность экрана в вакууме наносят светопоглощающее покрытие в виде двух слоев: оксида металла (МеО) и слоя металла (Me), где Me - это Cr, Ni, и дальше структурируют его методом прямой фотолитографии.

Известен способ изготовления ЧМ (Пат. 5976639, США, класс: 428/1,1; 428/209; 428/212; публ. 1999 г.), согласно которому на внутреннюю поверхность панели жидко-кристаллического дисплея методом реактивного напыления наносят ЧП в виде двух слоев, каждый из которых включает по крайней мере два составляющих элемента. Один из слоев является переходным, в котором содержание одного из составных элементов увеличивается вдоль направления падающего света. Первый элемент выбирается из ряда металлов: Cr, W, Та, Ti, Ni, Fe, а второй элемент переходного слоя из ряда: О, N, С.

В качестве прототипа выбран способ изготовления ЧМ на экране ЦЭЛТ (Пат. Рос. Федерации 2052864, МПК⁵ Н 01 J 9/227, публ. 1996 г.), согласно которому на внутреннюю поверхность экрана черное покрытие наносят в виде пространственно-неоднородного слоя SiO<SiO/Cr>Cr с переменным по толщине составом методом термического испарения в вакууме смеси (SiO)_xCr_100-x, где 10≤х≤30 (мас. %), и формируют в нем отверстия для люминофоров методом взрывной (обратной) фотолитографии с помощью неорганического фоторезиста.

По сравнению с базовым способом изготовления ЧМ на основе графитового покрытия описанный выше прототип имеет ряд преимуществ. Во-первых, получение ЧП методом вакуумного напыления улучшает технологичность процесса получения ЧМ, поскольку позволяет обеспечить контроль за параметрами нанесения технологических слоев, благодаря чему повышается воспроизводимость процесса формирования ЧМ. Во-вторых, металлодиэлектрические покрытия по своим физико-химическим свойствам в значительной мере превосходят графитовые покрытия и позволяют получить ЧМ с лучшими эксплуатационными характеристиками (низким коэффициентом диффузного отражения, более четкими краями отверстий, отсутствием газовыделений и т.д.), что выражается в повышении контрастности цветного изображения. Наконец, создание ЧМ на плоских панелях дисплеев различных типов на основе металлодиэлектрических покрытий является более перспективным, поскольку графитовые материалы как базовые, а также как присадки к металлодиэлектрическим покрытиям (на основе, например, оксида хрома) с течением времени коагулируют, что приводит к увеличению брака при изготовлении ЧМ.

Основной недостаток прототипа состоит в том, что в состав исходной смеси для напыления ЧП в качестве основного металлического компонента входит хром, который, как известно, является токсичным веществом (Вредные химические неорганические соединения V-VIII групп: Спр. изд. / Под ред. В.А. Филова. - Л.: Химия, 1989, -592 с.). Кроме того, напыленное из смеси, содержащей хром, черное покрытие по структуре является неоднородным, вследствие чего оно нестабильно и со временем отслаивается. Чтобы избавиться от этого недостатка и получить ненапряженное стабильное покрытие на основе SiO<SiO/Cr>Cr необходимо изменять температуру заготовки экрана на различных стадиях его нанесения. Очевидно, что такой процесс нанесения покрытия не может быть осуществлен на стандартном вакуумном оборудовании, используемом в производстве ЦЭЛТ, поскольку при этом невозможно вообще провести термический отжиг заготовки экрана. Таким образом, изготовление ЧМ согласно прототипу в условиях серийного производства матричных экранов из-за указанных недостатков является проблематичным.

Задача изобретения - улучшение экологичности и технологичности способа изготовления черной матрицы из металлодиэлектрического материала и максимальное приближение его к условиям серийного производства путем замены хромовой компоненты в смеси для напыления на нетоксичные компоненты, которые позволяют получать прочные, ненапряженные черные покрытия.

Эта задача решается путем напыления черного покрытия в виде ненапряженного слоя, который получается термическим испарением в вакууме смеси (SiO)_xMe_100-x, где в качества металла (Me) берется по крайней мере один из ряда: Fe, Ni, Co, V, W, Mo, Ti, Та или же их смесь, а х изменяется в интервале 20≤х≤50 (мас. %). Смеси нового состава при их термическом испарении в вакууме дают возможность получать на заготовке экрана, находящейся при комнатной температуре, прочное ненапряженное ЧП, в котором можно формировать отверстия для люминофоров фототравлением с использованием стандартных органических позитивных или негативных фоторезистов.

Использование вместо хрома по крайней мере одного из металлов ряда: Fe, Ni, Со, V, W, Mo, Ti, Та или же их смеси в качества основного металлического компонента ЧП позволяет также, как и в случае прототипа, получать ахроматическое черное покрытие с очень низким значением коэффициента диффузного отражения R_d (R_d=0,05-0,08%), от величины которого зависит контрастность изображения на экране ЦЭЛТ. Но в отличие от прототипа черное бесхромовое металлодиэлектрическое покрытие является по своей структуре слоем, в котором отсутствуют механические напряжения и которое имеет хорошую адгезию к подложке сразу после завершения напыления. Это значительно упрощает технологический процесс изготовления ЧМ, поскольку операция термического отжига становится ненужной. Появляется возможность наносить такое покрытие на стандартных вакуумных постах для алюминирования экранов, которые являются составными звеньями конвейерной линии производства ЦЭЛТ.

Таким образом, исключение из состава смеси для напыления хрома и использование вместо него одного из металлов ряда: Fe, Ni, Со, V, W, Mo, Ti, Та или же их смеси позволяет сделать переход к экологически чистому производству изготовления дисплеев с металлодиэлектрической матрицей без существенных изменений технологического оборудования при полном сохранении преимуществ металлодиэлектрических ЧМ перед графитовыми ЧМ, о чем сказано выше.

Согласно предложенному техническому решению для напыления ЧП берется смесь порошков (SiO)_xMe_100-x, где Me является одним из металлов ряда: Fe, Ni, Co, V, W, Мо, Ti, Та или смесь этих металлов, а х изменяется в интервале значений 20≤х≤50 (мас. %). Интервал значений х выбирается из следующих соображений. Для значений х, которые меньше нижней границы указанного интервала, невозможно получить ЧП с минимальным отражением. Верхняя граница значений х (х≤50) определяется тем, что при увеличении х ЧП имеет оптическую плотность, которая не соответствует техническим требованиям.

При использовании метода прямой фотолитографии на стадии формирования ЧМ позитивный органический фоторезист наносят сверху на напыленное ЧП, экспонируют через теневую маску, проявляют, задубливают неэкспонированные участки и проводят селективное травление черного покрытия в окнах защитной маски фоторезиста и удаление последней.

При использовании метода взрывной (обратной) фотолитографии на внутреннюю поверхность заготовки экрана сначала наносится слой негативного фоторезиста, который экспонируют через теневую маску, проявляют и на сформированную таким образом рельефную мозаику напыляют ЧП указанного выше состава и в соответствии с методом взрывной фотолитографии подрывают участки этого покрытия в местах расположения элементов мозаики.

Предложенный способ иллюстрируется конкретными примерами его осуществления.

Пример 1
В испаритель засыпается смесь порошков SiO и Fe с массовым соотношением компонентов 40 и 60 мас.% соответственно. Для расстояния между экраном и испарителем h=17 см величина навески смеси составляет 150 мг, что обеспечивает толщину ЧП около 400 нм. Заготовка экрана устанавливается на вакуумный пост и откачивается до давления 2•10^-3 Па. Дальше производится нагрев испарителя до температуры, при которой начинают испаряться обе компоненты. После испарения всей навески на поверхности экрана получается черное ненапряженное покрытие. Данные по тестированию полученного ЧП приведены в таблице.

После напыления ЧП на него с помощью центрифуги наносят слой позитивного органического фоторезиста, который экспонируют через теневую маску излучением УФ диапазона, проявляют и задубливают его неэкспонированные участки. После этого проводят селективное травление покрытия SiO<Fe> в окнах защитной маски фоторезиста.

После удаления защитной маски из фоторезиста проводится промывка экрана деионизованной водой и высушивание в потоке сжатого воздуха.

Ячейки полученной матрицы имеют ровные края, а их размер и форма соответствуют размерам и форме отверстий теневой маски, которая использовалась при экспонировании фоторезиста.

Пример 2
Формирование ЧМ на экране ЦЭЛТ согласно заявленному способу проводят так, как описано в примере 1. Отличие состоит в том, что для получения ЧМ берется смесь порошков SiO и Fe при массовом соотношении исходных компонентов 5 и 95 мас.% соответственно. После испарения всей навески на экране получается черное покрытие с большим значением коэффициента отражения света со стороны подложки (R_m>30%), которое превышает значения этого коэффициента для графитового ЧП (см. таблицу). Поэтому создание ЧМ на основе такого покрытия не имеет смысла.

Пример 3
Формирование ЧМ на экране ЦЭЛТ согласно заявленному способу проводят так, как описано в примере 1. Отличие состоит в том, что для получения ЧМ берется смесь порошков SiO и Fe при массовом соотношении компонентов 70 и 30 мас. % соответственно. Напыленное покрытие имеет хорошие механические свойства, однако его поверхностное сопротивление слишком высоко (r>1•МОм/□), что не соответствует техническим требованиям для материала ЧП. Кроме того, напыленное покрытие из-за малого содержания металлического компонента (Fe) является довольно прозрачным, оптическая плотность которого не превышает 2 (см. таблицу), что также не отвечает техническим требованиям для материала ЧП.

Пример 4
Формирование ЧМ на экране ЦЭЛТ проводят так, как описано в примере 1. Отличие состоит в том, что вместо Fe в исходную смесь вводят V. Значение х остается таким, как и в примере 1. После испарения всей навески на экране получается однородное черное ненапряженное покрытие, поверхностное сопротивление которого составляет 7540 Ом/□, а коэффициенты зеркального отражения света с лицевой стороны экрана R_m и диффузного отражения R_d составляют 1,2 и 0,09% соответственно (см. таблицу). В этом покрытии формируют отверстия для люминофоров, как описано в примере 1.

Пример 5
Формирование ЧМ на экране ЦЭЛТ проводят так, как описано в примере 1. Отличие состоит в том, что вместо Fe в исходную смесь вводят Ti. Значение х остается таким же, как и в примере 1. После напыления получается очень прочное черное покрытие с поверхностным сопротивлением 6200 Ом/□, коэффициенты R_m и R_d которого составляют 1,15 и 0,096% соответственно (см. таблицу). В этом покрытии формируют отверстия для люминофоров, как описано в примере 1.

Пример 6
Формирование ЧМ на экране ЦЭЛТ проводят так, как описано в примере 1. Отличие состоит в том, что в испаритель засыпается смесь порошков SiO, Fe, Ti с массовым соотношением компонентов 40; 30; 30 мас.% соответственно. Электрические и оптические свойства полученного ЧП приведены в таблице. Дальше, как в примере 1.

Пример 7
Формирование ЧМ на экране ЦЭЛТ проводят так, как описано в примере 1. Отличие состоит в том, что в испаритель засыпается смесь порошков SiO и ковара (сплав Fe-Ni-Со) с массовым соотношением компонентов 40 и 60 мас.% соответственно. Электрические и оптические свойства полученного ЧП приведены в таблице. Дальше, как в примере 1.

Из данных по тестированию черных покрытий, приведенных в таблице, видно, что согласно заявленному способу методом термического испарения в вакууме получаются черные покрытия с коэффициентами зеркального отражения света с лицевой стороны экрана меньше 1% и диффузного отражения света около меньше 0,1%. Черные покрытия имеют хорошую адгезию с подложкой экрана, их поверхностное сопротивление находится в пределах 1-10 КОм/□, что соответствует техническим требованиям. Для получения ЧМ на основе таких покрытий необходимо использовать при напылении смесь (SiO)_xMe_100-x, где в качестве Me выбирается по крайней мере один из металлов ряда: Fe, Ni, Co, V, W, Ti, Mo, Та или их смесь, а значение х, которое показывает массовое соотношение между компонентами смеси, изменяется в интервале 20≤х≤50 (мас.%).

Изобретение относится к системам отображения на экранах цветных электронно-лучевых трубок, а также цветных дисплеев различных типов. Техническим результатом является повышение контрастности изображения на экранах дисплеев. Изобретение касается изготовления черной матрицы на основе металлодиэлектрического покрытия, которое получается термическим напылением в вакууме смеси, содержащей SiO и по крайней мере один из металлов ряда: Fe, Ni, Co, V, W, Ti, Mo, Ta или смесь нескольких из них. Металлодиэлектрические черные покрытия характеризуются хорошими механическими свойствами, а их поверхностное сопротивление можно изменять количественным соотношением между компонентами исходной смеси. Напыление металлодиэлектрического черного покрытия может осуществляться на стандартном вакуумном оборудовании, а отверстия для люминофорных элементов (пикселей) формируются фотолитографическими методами с использованием стандартных органических фоторезистов. 1 табл.

Способ изготовления черной матрицы на экране цветной электронно-лучевой трубки, при котором черное покрытие наносят в виде пространственно-неоднородного слоя путем термического напыления в вакууме металлодиэлектрической смеси, формируют в нем отверстия для люминофоров методом прямой фотолитографии, отличающийся тем, что для получения черного покрытия берется металлодиэлектрическая смесь состава (SiO)_хМе_100-х, где Ме - по крайней мере один металл из ряда Fe, Co, Ni, V, W, Ti, Mo, Ta или их смесь, а х меняется в интервале 20≤x≤50 мас. %.