Нанесения покрытий на схемы электрофоретическим способов

ЭЛЕКТРОФОРЕТИЧЕСКИЙ СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ПОКРЫТИЙ     

          Изобретение относится к области электрохимии, в частности к коллоидной химии, электрохимии дисперсий и гелей, и может быть использовано в электронной промышленности для формирования элементов топологии электронных компонент: люминесцентных слоев на активных и пассивных матрицах, оксидных слоев, смешанных оксидных слоев и керамики, нанесения и отверждения смол, связующих компонентов, биндеров, красителей, полимерных материалов, защитных и пассивирующих слоев, тонких пленок, светофильтров на экранных стеклах дисплеев, в создании цветных устройств индикации, телевизионной и дисплейной техники, а также экранных узлов к ним с матричной топологией элементов. Техническим результатом изобретения является создание простейшей низковольтной экспрессной прецизионной электрофоретической технологии осаждения порошковых и/или органических материалов на электропроводящие поверхности, в частности на матрицы проводящих элементов большого формата. Сущность: способ включает воздействие электрическим полем на частицы вязкой или гелеобразной среды, заполняющей зазор между электродами электрохимической ячейки и содержащей осаждаемые компоненты, несущие электрический заряд, и локальный нагрев среды освещением в области формирования покрытия до ее легкоподвижного состояния. При этом напряжение электрического поля выбирают в интервале от 5 В до 60 В, а величину зазора между электродами ячейки - от 20 мкм до 3 мм, при этом освещение осуществляют со стороны масочного электрода. 2 з.п. ф-лы, 5 ил. 

Изобретение относится к  области электрохимии, в частности  к коллоидной химии, электрохимии дисперсий  и гелей, и может быть использовано в электронной промышленности для  формирования элементов топологии  электронных компонент: люминесцентных слоев на активных и пассивных  матрицах, оксидных слоев, смешанных  оксидных слоев и керамики, нанесения  и отверждения смол, связующих  компонентов, биндеров, красителей, полимерных материалов, защитных и пассивирующих слоев, тонких пленок, светофильтров на экранных стеклах дисплеев, в создании много- и полноцветных устройств индикации, телевизионной и дисплейной техники, а также экранных узлов к ним с матричной топологией элементов.

      Известен комбинированный способ формирования RGB-люминесцентных покрытий - на электродах стеклянной анодной платы дисплейного устройства, описанного в сборнике SMDL Annual '99 School of Electrical Engineering, Seoul National University в статье Seung Но Kwon /Screening of R.G.B. Phosphors by Electrophoretic Deposition for Full-Color Field Emission Display Application/. Способ заключается в предварительном нанесении люминофора электрофорезом и последующей защитой сформированного слоя фоторезистом.

      Недостатком данного способа является то, что применяется сложная схема формирования RGB-RGB...-последовательности чередования полосковых фрагментов анодных электродов и покрытия их люминофорами, комбинирующая катафоретические, фотолитографические методы, химическое травление и традиционные методы фотопечати, что ухудшает их качество и электрофизические свойства. Технология многоцикловая, в ней используются различные химические травители, фоторезисты, растворители, суспензии, используется фотошаблонная техника, каждая процедура является очень ответственной и дорогой.

      Известен способ осаждения люминофора на плоский дисплей с использованием электрофореза и фотолитографии (Патент США №6627060 от 30.09.2003 г.). Способ заключается в нанесении люминофора электрофорезом и последующем закреплении слоя освещением ультрафиолетовым светом. Данный способ предназначен для формирования люминесцентных слоев на экранных стеклах приборов с полевой эмиссией, покрытых прозрачным проводящим слоем. Метод позволяет отказаться от промежуточных высокотемпературных отжигов и повысить адгезионную прочность готовых слоев.

      Недостатком данного способа является то, что данная технология узкоспециальная, предназначена только для нанесения неорганических люминофоров. Кроме того, особенностью способа является очень высокое напряжение осаждения до 600 В, поэтому технология не может быть использована для покрытия более сложных носителей и подложек, таких как микросхемы. Несмотря на то что авторы отмечают большую адгезионную прочность покрытий, полученных по заявленной авторами технологии, в технологии снижено число высокотемпературных отжигов. В конце всех циклов осаждения органику из слоя удаляют выжиганием, то есть весь рабочий объект нагревается до 425 градусов, в результате чего рабочий объект (покрываемое устройство) повреждается. Из-за высокого напряжения осаждения и необходимости высокотемпературного отжига сильно сужается применимость метода к таким объектам, как электронные компоненты, OLED матрицы, другие электронные компоненты с органическими элементами. Для закрепления/защиты сформированного слоя/элемента его подвергают экспозиции (освещению) ультрафиолетовым светом через фотошаблон или трафарет, что вызывает полимеризацию нанесенного биндера. Наличие полимерных связок в осажденном слое может быть вредным для многих электронных устройств.

      Наиболее близким является электрофоретический метод осаждения люминофора в термоциклируемом геле, включающий нанесение расплавленного геля на пластину, охлаждение пластины, освещение (нагревание) геля лазером в определенных точках. (Yohan Choi and Jan B.Talbot. "Electrophoretic deposition of phosphor in thermo-reversible gels" // The Fourth International Conference on the Science and Technology of Display Phosphors. September 14-17, 1998. - Bend, Oregon).

      Недостатком данного способа является использование высоких напряжений осаждения, до 500 В, что делает невозможным применение способа для покрытия микросхем и светодиодов, длительное время осаждения, а также использование для локального нагрева лазера, который требует технически сложного управления им.

      Задачей заявляемого способа является создание простейшей низковольтной экспрессной прецизионной электрофоретической технологии осаждения порошковых и/или органических материалов на электропроводящие поверхности, в частности на матрицы проводящих элементов большого формата.

      Поставленная задача решается тем, что в электрофоретическом способе формирования покрытий на электропроводящей поверхности, включающем воздействие электрическим полем на вязкую или гелеобразную среду, содержащую осаждаемые компоненты, несущие электрический заряд, заполняющую зазор между электродами электрохимической ячейки, и нагрев среды электромагнитным излучением в области формирования покрытия до ее легкоподвижного состояния, согласно предлагаемому решению один из электродов выполнен масочным, напряжение на электрохимической ячейке при воздействии электрическим полем выбирают 5-60 В, расстояние между электродами ячейки от 20 мкм до 3 мм, при этом нагрев среды электромагнитным излучением осуществляют со стороны масочного электрода. Нагрев производят до температуры 25-60°С.

      Масочный электрод представляет собой фотошаблон, имеющий прозрачный проводящий слой.

      Зазор заполняется дисперсией или гелем, при комнатной температуре дисперсия или гель находятся в изоэлектрическом состоянии и теряют изоэлектрическое состояние при нагревании. Напряжение осаждения не превышает пробойных величин активных элементов матриц или микросхем. Обычно напряжение на ячейке выбирается в интервале 5-60 В. Но может быть и выше, если объект, на который производится осаждение (рабочий объект), не является микросхемой, например на простую матрицу проводящих элементов на стеклянной пластине может быть подано напряжение в сотни вольт.

Изобретение поясняется чертежами, где:  
на фиг.1 эскизно изображена блок-схема установки локального электрофоретического покрытия отдельного проводящего сегмента стеклянной или кремниевой платы из вязкой изоэлектрической дисперсии или геля; 
на фиг.2 эскизно изображена схема трафаретной фотопечати; 
на фиг.3 эскизно изображен масочный электрод со сплошным проводящим слоем; 
на фиг.4 эскизно изображен масочный электрод двухуровневой топологии с гребенчатым проводящим слоем, полученным травлением сплошного проводящего слоя; 
на фиг.5 эскизно изображен масочный электрод одноуровневой топологии с матричным или гребенчатым проводящим слоем.

Позициями на чертежах обозначены: 
1 - стеклянная плата; 
2 - прозрачный проводящий слой (In₂O₃:Sn); 
3 - темный (непрозрачный) диэлектрический элемент или краска; 
4 - вязкая дисперсия или гель; 
5 - электроды рабочего объекта (проводящий сегмент); 
6 - стеклянная или кремниевая плата (пластина) рабочего объекта; 
7 - блок питания; 
8 - спейсер.

      Один из электродов ячейки - масочный электрод состоит из стеклянной платы 1, прозрачного проводящего слоя 2 и темного элемента или краски 3. Электроды рабочего объекта 5, размещенные на пластине 6, представляют собой другой электрод электрофоретической ячейки.

      Заявляемый способ заключается в следующем. 
Основой заявляемого способа является процесс электрофореза (в частном случае - катафореза), а ключевой операцией, через которую производится управление осаждением, является локальный нагрев (расплавление геля) изоэлектрической дисперсии или ее активация в капиллярном межэлектродном зазоре электрохимической ячейки.

      Дисперсия или гель 4 локально подвергается нагреву в соответствии с топологией электродов 5 субстрата (рабочего объекта). При этом дисперсионная среда (или гель) нагревается до температуры из интервала 25-60°С и выше и становится легко подвижной (при этом гель расплавляется). Рабочий объект может иметь как простую (сплошную) проводящую поверхность, так и крупносегментную и тонкую (пиксельную) дисплейную топологию проводящих элементов, подлежащих покрытию порошковым слоем. Пластина 1 выполнена прозрачной, имеет прозрачное проводящее покрытие 2, со стороны которого имеет темную диэлектрическую маску 3 с прозрачными для света (ЭМИ) участками, выполненными в соответствии с топологией покрываемых элементов рабочего объекта.

      Активация (локальный нагрев) участков тонкого слоя дисперсии, заключенной между масочным электродом и рабочим объектом, осуществляется экспозицией электрохимической ячейки под осветителем, при этом порядок операций осаждения манипулятивно соответствует процессу фотопечати. Кроме того, если проводящие элементы рабочего объекта, подлежащие покрытию, и сам рабочий объект прозрачны (например, анодная плата дисплея полевой эмиссии - FED), то экспозиция ячейки (кратковременное освещение) может проводиться со стороны рабочего объекта, а первая пластина или электрод может быть и не прозрачной для света.

      Процесс осаждения люминофора в электрохимической ячейке с капиллярным зазором можно контролировать за счет четырех основных параметров процесса - напряжения на ячейке, величины зазора между электродами (объема ячейки) и концентрации дисперсной фазы в дисперсии и температуры (условий экспозиции под осветителем).

      Есть еще один параметр, влияющий на процесс - это время осаждения. Данный метод позволяет устранить зависимость толщины получаемого слоя от времени осаждения. Однако его следует выдерживать единообразно во избежание окисления при анодном осаждении или перевосстановления электродов при катодном осаждении соответственно кислородом и водородом, которые образуются при электролизе дисперсионной среды.

      Важной особенностью заявляемого способа осаждения является то, что при малых концентрациях суспензиии и малых величинах зазора время и полидисперсность осаждаемых порошков, как параметры осаждения, определяющие толщину осажденного слоя в технологии электрофоретического осаждения из ванны, перестают играть принципиальную роль, так как люминофор (порошок) полностью высаживается из объема, что делает процесс управляемым и воспроизводимым. Время полного высаживания люминофора не превышает нескольких секунд, после чего ток электролиза падает почти до нуля, и процесс прекращается.

      В зависимости от вязкости и компонентного состава дисперсий, температуры и величины прогреваемого микрообъема напряжение на ячейке может варьироваться от 5 В до 60 В и выше, если позволяет рабочий объект, высота ячейки от 20 мкм до 3 мм, концентрация дисперсной фазы до 6 г на 100 мл вязкой суспензии или более для гелей и устойчивых дисперсий, концентрацию соли (солей) зарядчика в катафоретических рецептах целесообразно подбирать экспериментально, дальнейшее сужение капиллярного зазора возможно, но нецелесообразно, так как осложнится процедура нанесения геля или суспензии (дисперсии), и содержание осаждаемого компонента (порошкового, органического, полимерного) в микрообъеме станет очень маленьким, а содержание компонента не всегда можно увеличить повышением концентрации этого компонента в дисперсии, всегда существует рецептурный или технологический оптимум, при отклонении от него качество снижается.

       Кроме того, в двуслойной топологии масочного электрода темные элементы маски могут и не быть диэлектриком, тогда проводящие прозрачные элементы должны быть электрически отделены от темных элементов маски (фиг.4), проводящие элементы могут иметь самостоятельные выводы и не объединяться в один электрод. В зависимости от способа изготовления масочного электрода топология прозрачных и темных элементов может быть как одного уровня (фиг.5), так и двух уровней (фиг.3, 4). Например, темный элемент имеет в качестве первого уровня оксид индия, легированный оловом (ITO), а второго - черную краску или темный диэлектрик.

      В частных случаях, когда топология рабочего объекта проста, маска может быть рамочной или отсутствовать вовсе, тогда в процедуре осаждения отсутствует самая ответственная, сложная и длительная операция совмещения пластин ячейки, точность осаждения при этом будет очень высокой.