包含抗遷移介電材料的陰極封層的製作方法

2023-05-26 17:31:26

專利名稱：包含抗遷移介電材料的陰極封層的製作方法
技術領域：
本發明背景本發明涉及環形雷射迴旋塊中離子遷移的減少。具體地，涉及通過增加在迴旋塊與一或多個迴旋部件之間抗離子遷移的介電阻擋材料層來減少從環形雷射迴旋塊到迴旋部件或部件封層的鋰離子遷移。
環形雷射迴旋器是由在廣溫度範圍上抗膨脹的固體材料塊構成的。諸如稱作商標「Zerodur」的材料等若干種專利材料在廣溫度範圍上呈現極佳的尺寸穩定性。發現這種穩定性與材料中存在氧化鋰有關。例如，上面提到的Zerodur包含大約3.7％的氧化鋰。不幸的是，在存在電場時，離子形式的鋰可以是高度移動的。防止這一電場導致的鋰遷移是關鍵的，因為這種遷移會導致有害的富鋰層的形成，後者減弱部件封層並縮短迴旋器壽命。
產生電場的機制如下。通過在連接到或嵌入在迴旋塊中的間隔開的陽極與陰極之間接入電壓而激勵迴旋塊中的導管內的雷射氣體。陽極是在與陰極不同的電位上並作為在迴旋器工作期間與陰極一起產生電場的初級裝置工作。連接在迴旋塊上或作為其一部分的其它金屬或導電部件也可在與陰極不同的電位上。這些部件在工作期間可能成為在迴旋塊中產生電場的次級裝置，從而也導致離子遷移。
在Zerodur的情況中，工作期間在迴旋塊中產生的電場在鋰離子上作用力，吸引它們向陰極。另一方面，氧化物離子向具有與陰極不同電荷的陽極或其它部件遷移。從而在迴旋塊的工作壽命上，可觀的鋰離子量通過迴旋塊向陰極遷移。到達陰極的鋰離子被那裡的電子中和；從而鋰聚積在陰極封層表面上。這一聚積危及陰極迴旋塊封層的完整性，因為富鋰結構機械強度不高，並且這一材料在封層上的濃度越高封層破壞的機會越大。封層區中不理想的鋰濃度使問題複雜化，它導致可能使封層區處於受力狀態的熱膨脹係數(CTE)的變化。
已作為環形雷射迴旋場中的可能問題認識鋰遷移與/或摻雜，並已提出若干解決方法。在頒給vonBieren的美國專利號5，098，189中，採用氣隙來中斷陰極與陽極或其它帶不同電荷的部件之間的直接線中的電流。這一解決方法只是稍為減少鋰遷移，因為通過迴旋塊的電場依然存在而只是稍為延長鋰遷移路徑而已。至多它導致氣隙表面上的空間電荷而減弱塊中的電場。在頒給Canfield等人的美國專利5，432，604中，採用介電材料來封鎖到迴旋塊中的雷射通道的鋰遷移，因為雷射束趨向於攜帶鋰並將其沉積在迴旋器鏡面上。這兩個專利均未認識到通過實質性減弱出現在迴旋器塊中的電場能實現鋰遷移的明顯減少。
本發明概述本發明提供用於減少對陰極封層的迴旋塊中的移動離子遷移的結構與方法。具體地，本發明描述採用介入迴旋塊與陰極或其它部件之間的抗遷移介電阻擋材料層。這一層導致陰極與陽極或其它部件之間的大部分電壓在該介電阻擋材料層中而不是在迴旋塊中降低。抗遷移介電阻擋材料層的使用還防止在陰極封層區中改變氧化鋰濃度時會導致的封層降級，因為介電質還作為阻擋防止離子到達陰極。
附圖的簡要說明

圖1為展示封裝在環形雷射迴旋塊上各種部件的位置的環形雷射迴旋塊的平面圖。
圖2示出一旦將電壓作用在現有技術環形雷射迴旋器的陰極上時激活的所選機構。
圖3示出一旦將電壓作用在包含陰極與迴旋塊之間的介電阻擋材料層的環形雷射迴旋器的陰極上時激活的所選機構。
優選實施例的說明圖1示出適用於本申請人的發明的迴旋器結構的一種形式。迴旋塊1通常是三角形的。迴旋塊用具有低的熱膨脹係數(CTE)的玻璃或玻璃樣材料諸如Zerodur等構成。低CTE是由迴旋塊中的氧化鋰的濃度提供的。迴旋塊內的通道2連結迴旋塊中各角點上的開口。將迴旋塊的各角點截去以在各角點上提供反射鏡部件的嚙合面3、4與5。各角點上的開口(未示出)允許部件之間的光通信。迴旋塊1的側面提供另外三個嚙合面6、7與8。在所示的迴旋器中，嚙合面4與5具有與之嚙合的也由Zerodur材料構成的可調的反射鏡單元9與10。嚙合面3具有與之嚙合的也是Zerodur的讀出鏡11。在迴旋器的側面上，將陰極12與嚙合面7嚙合，並將陽極13與14分別與嚙合面6與8嚙合。陰極與陽極可用鋁或鈹型材料或任何其它適合於用作迴旋器電極的材料構成。子通道(未示出)連接在迴旋塊的角點之間的通道2上。並將陰極與陽極互相光連接，並連接到角上的部件上。可用多種方法將部件封裝到迴旋器上，其中包含環氧樹脂、焊接、玻璃熔接、光連接等。封裝方法應防止在迴旋器的壽命期間從迴旋塊的氣體通道中逸出任何可觀的量的產生雷射的氣體。
圖2示出相對於本申請人的發明的迴旋結構的關鍵部分的圖。總地標記為20的陰極封裝在迴旋塊22上。用數字24指示帶有與陰極不同電壓的陽極或其它部件。例如，反射鏡通常是通過安裝在反射鏡上方的連接的路徑長度校正機構接地的。當然，陽極是通過負載電阻接地的。迴旋器安裝框24也通常在或接近地電位。迴旋塊中的氣體通道具有從陰極電壓到陽極電壓的電位梯度，從而也起到在迴旋塊中產生電場的作用。如氣體通道所示，當陰極與部件簡單地在不同電位上時，便形成電場；形成電場不需要將該部件接地。假定本申請的其餘部分指稱陽極便是指稱具有不同於陰極的電位的任何部件。
當在陰極上作用電壓以產生迴旋塊內部的氣體放電(即雷射束)時，陰極與陽極之間的空間便遭受電場26。由於迴旋塊22位於陰極與陽極之間，它遭受這一電場，如圖2中所示。迴旋塊22中的氧化鋰離解成鋰離子28與氧化物離子(未示出)。只要電場存在，鋰離子便趨向於向陰極漂移或遷移。
存在電場時由鋰離子的移動性產生的離子電流可用迴旋塊材料的導電性描述。例如，對於由Zerodur製成的典型迴旋塊材料，在50℃電阻率ρ大約為2×1011Ω·cm，且在一些迴旋器工作範圍中可提高若干個數量級。50℃的使用仿真典型的迴旋器燒附條件，並且也是許多迴旋器的工作範圍的上端。在任何情況中，通過將電阻率乘以陰極與陽極之間的距離與塊中的電場的有效截面面積之比而將電阻率轉換成電阻。假定5cm2有效電場截面面積及陰極與陽極之間5cm的距離，給出的電阻RB為RB=2×1011Ω·cm*(5cm/5cm2)=2×1011Ω(1-1)通過假定在正常工作期間陰極與陽極之間的電壓V為400伏，電流II=V/RB=400伏/2×1011Ω=2×10-9安(1-2)沿陰極與陽極之間的路徑流經任何點。這也是在陰極表面上的電流，當離子被那裡的電子中和時便停留在那裡。假定鋰離子充有每個離子1.6×10-19庫侖的電荷，則在陰極封層上每秒沉積1.25×1010個鋰原子。粗略地，這在迴旋器的生命周期中的陰極表面上產生下述富鋰材料層(1.25×1010原子/秒)/(6.5×1014原子/釐米2)=1.9×10-15單層/秒；1.9×10-15單層/秒=6.92×10-2單層/小時；
(6.92×10-2單層/小時)*30，000小時=2077單層/生命周期；(2077單層/生命周期)*(4/單層)=8303/生命周期(1-3)假定30，000小時的迴旋器生命周期。計算假定各單層陰極表面上20％的鋰濃度以定義鋰離子的間隔。材料的實際成分可能改變，但用來與包含介電阻擋層的迴旋器進行比較，這些粗略的計算將提供數量級比較。
遷移在陰極表面上形成的富鋰材料層比陰極、迴旋塊、或大多數典型封裝材料可能明顯地更脆。事實上這一材料的性質可能類似於碳酸鈣(即粉筆)。這一材料導致的弱點是與這一封裝區中一旦存在該層時所關聯的CTE失配組合的。估計與迴旋塊中鋰的理想濃度3.7％相當的重度遷移下封層上的鋰濃度為大約20％。從而這一遷移的任何減少都會明顯地改進迴旋器壽命。
圖3中所示的本申請人提出的系統的一個實施例增加了夾在陰極層42與迴旋塊44之間的具有比迴旋塊的電阻高得多的介電阻擋材料層40。得出的結構在迴旋塊與介電材料層之間定義第一嚙合面41及在部件與介電材料層之間定義第二嚙合面43。包含了介質阻擋材料層40，在迴旋塊44中仍存在電場。然而大部分電場出現在介電層中不是在迴旋塊中，因為介電層具有大得多的電阻。迴旋塊中減弱的電場減少了鋰從迴旋塊到陰極封層的總體遷移。這一層還產生對離子的阻擋，防止它們從迴旋塊移出到陰極中；而是它們在介電錶面上在迴旋塊中構成空間電荷。
電阻的實際增加量，並從而迴旋塊中離子遷移的減少取決於所選擇的介電阻擋材料。氮化矽是用作介電阻擋材料的一種較佳材料。可根據應用阻擋材料的成本與離子電流的希望的降低之間的折衷來選擇阻擋材料的厚度。假定首先是容易汽相沉積的厚度2×10-4cm、1cm2的阻擋材料截面面積及電阻率ρ，對於1×1017Ω·cm的介電材料，介電電阻RD為RD=1×1017Ω·cm*(2×10-4cm/1cm2=2×1013Ω(1-5)與式1-1比較揭示RB＜＜RD，並從而通過迴旋器的電流I為I=V/(RD)=400伏/2×1011Ω=2×10-11安(1-6)這一電流得出每秒1.25×108個原子沉積在表面上，這在迴旋塊的整個壽命上產生(1.25×108原子/秒)/(6.5×1014原子/cm2)=1.92×10-7單層/秒；1.92×10-7單層/秒=6.92×10-4單層/小時；(6.92×10-4單層/小時)*30，000小時=21單層/生命周期；(21單層/生命周期)*(4/單層)=[83/生命周期](1-7)再一次假定30，000小時迴旋器生命周期。這樣薄的一層與現有技術系統的8308層相比結構弱點或熱膨脹問題明顯地較小。
雖然已計算出建議的介電層厚度，但根據設計制約或對離子遷移的不同影響程序，也可採用更厚或更薄的介電層。
雖然採用鋰作為示例離子材料，也考慮了其它材料的遷移。甚至設想過可能存在與鋰相反的電荷的離子材料。在這一情況中，離子積累將出現在陽極上而不是陰極上。然而，使用本申請人的發明不會充電。
在陰極與迴旋塊之間放置介電材料可用若干方法完成。如果該層是較薄的，則可用諸如汽相沉積或其它半導體處理器技術等作為沉積層構成，如果該層太厚不能沉積，則可以是焊接、銅焊、軟焊或密封在陰極或/與迴旋塊上的材料片。最好是材料沉積，因為使用分開的材料層需要將材料密封在陰極與迴旋塊上。沉積層消除密封步驟之一併降低了低劣封層的危險性，因為封層的總數較少。
用作介電質的材料可以是具有比迴旋塊高得多的電阻及提供比迴旋塊對移動離子更好的阻擋的任何物質。例如，1-4微米的氮化矽層具有比迴旋塊大100倍的電阻並能合理地汽相沉積。氮化矽也已知是對包含鋰離子遷移在內的離子遷移的優秀阻擋物。一旦事先用汽相沉積將氮化矽沉積在陰極或迴旋塊上，便能使用標準半導體方法將陰極封裝在迴旋塊上。其它設想的材料包含氧化矽、氮氧化矽、碳氧化矽、氧化鋁、石英玻璃、鋁氧粉、氧化釔及金剛石。例如，在600℃上將含鹼玻璃的表面暴露在矽烷與烴混合氣體中產生一層具有非常低的離子傳導性及保護玻璃表面不受離子擴散的碳氧化矽。這一技術描述在美國專利號5，165，972(頒給Porter)中，通過引用將其結合在此。也可能通過將一層以上介電材料用作介電層來提高離子阻擋層的效用。
到此為止，申請人已描述了阻擋層材料在陰極上的設置。事實上可將阻擋層材料附加在引起電場的陽極或其它部件上。但由於許多部件具有與陰極不同電荷，這一方法會需要實質上更多的介電層加在迴旋器上。具體地，對於每一個具有與陰極不同的電位的部件需要一個介電層。
因為存在較大的介電錶面面積並從而較小的總體電阻，介電層必須較厚。例如，如果只將陽極構成為帶有加上介電層的，這一層必須具有隻加在陰極上的介電層兩倍的厚度才能將電場減弱相同的數量。
此外，一些部件是難於與陰極隔離的。例如，氣體通道不能隔離。儘管有這些缺點，用戶也可找出將阻擋層放在其它部件上的一些好處。
雖然申請人已描述了能用於實行申請人的發明的各種較佳技術與材料，本申請人所設想的發明應認為只受下面的權利要求的限制。
權利要求
1．一種環形雷射迴旋器，包含其中具有移動離子的迴旋塊，並且還包含至少第一與第二部件，當被不同地充電時，它們在迴旋塊中引起電場，該迴旋器包括介電阻擋材料層，具有比迴旋塊大的電阻並將所述第一與第二部件中至少一個與迴旋塊隔離，該介電阻擋材料的特徵在於其對通過其體積的移動離子的遷移的阻力。
2．權利要求1的環形雷射迴旋器，其中該第一部件為陰極而所述介電阻擋材料層將陰極與迴旋塊隔離。
3．權利要求1的環形雷射迴旋器，其中該第一部件為陽極或接地的部件，所述介電阻擋材料層將陽極或接地部件與迴旋塊隔離。
4．權利要求2的環形雷射迴旋器，其中所述介電阻擋材料層選自由氮化矽、氮氧化矽、碳氧化矽、氧化矽、氧化釔、氧化鋁、鋁氧粉、金剛石與石英玻璃組成的組。
5．一種迴旋器結構，包括其中具有鋰離子並定義至少第一嚙合面的迴旋塊；位於第一嚙合面上並定義第二嚙合面的氮化矽層；位於所述氮化矽層上的所述第二嚙合面上的陰極，在所述陰極與所述迴旋塊之間形成所述氮化矽層的夾層，由此所述氮化矽層減少所述迴旋塊中的鋰離子遷移。
6．一種迴旋器結構，包括其中具有鋰離子並定義至少第一嚙合面的迴旋塊；位於該第一嚙合面上並定義第二嚙合面的氧化釔層；位於所述氧化釔層上的所述第二嚙合面上的陰極，在所述陰極與所述迴旋塊之間形成所述氧化釔層的夾層，由此所述氧化釔層減少所述迴旋塊中的鋰離子遷移。
7．一種構成環形雷射迴旋器的方法，該迴旋器包含定義第一嚙合面並在其中具有移動離子的迴旋塊，及定義第二嚙合面並封裝在迴旋塊上的至少一第一部件，當將電場作用在迴旋塊中時，迴旋塊中的移動離子容易遷移，該方法包括下述步驟在第一或第二嚙合面之一上放置一層介電阻擋材料，該介電阻擋材料具有比迴旋塊大的電阻，並且其特徵還在於其對移動離子的遷移的阻力；將介電阻擋材料層封裝在所述嚙合面的另一個上，從而該介電阻擋材料層在迴旋塊與至少第一部件之間構成對移動離子的阻擋層。
8．權利要求7的方法，其中該介電阻擋材料層是沉積的。
9．權利要求7的方法，其中該介電阻擋材料層是用汽相沉積來沉積的。
10．權利要求7的方法，其中該介電阻擋材料層是用銅焊、焊接或軟焊工藝設置在第一或第二嚙合面上的。
11．權利要求7的方法，其中該第一部件包括陰極。
12．權利要求7的方法，其中所述介電阻擋材料層選自由氮化矽、氧化矽、氧化釔、氧化鋁、鋁氧粉、金剛石及石英玻璃組成的組。
13．一種構成包含其中具有移動鋰離子的迴旋塊的迴旋器結構的方法，包括下述步驟在迴旋塊的第一嚙合面上汽相沉積一層氮化矽；在第二嚙合面上將陰極封裝到氮化矽層上，從而將氮化矽層夾在迴旋塊嚙合面與陰極之間而減少迴旋器中移動鋰離子的遷移。
14．一種構成包含其中具有移動鋰離子的迴旋塊的迴旋器結構的方法，包括下述步驟在迴旋塊上的第一嚙合面上汽相沉積一層氧化釔；在第二嚙合面上將陰極封裝到氧化釔層上，從而將氧化釔層夾在迴旋塊嚙合面與陰極之間而減少迴旋器中移動鋰離子的遷移。
全文摘要
一種用於防止移動離子在迴旋塊中的遷移的裝置與方法。在迴旋塊體與一個或多個迴旋塊部件之間放置一介電阻擋材料層。該介電阻擋材料層減小形成在迴旋塊中的電場,並從而減小其中的離子遷移。該材料阻止移動離子到達陰極封層。
文檔編號H01S3/038GK1281591SQ9881195
公開日2001年1月24日 申請日期1998年11月19日 優先權日1997年12月17日
發明者卡羅爾·M·福特, 丹尼爾·W·揚納, J·戴維·祖克 申請人:霍尼韋爾公司