[0001] La présente invention se rapporte d'une manière générale aux systèmes cathodiques
émissifs utilisant l'émission électronique par effet de champ tels que par exemple
ceux des écrans plats matriciels utilisés pour l'affichage d'images ; elle se rapporte
de façon plus précise, à un procédé permettant d'améliorer les caractéristiques des
cathodes à micropointes et leur uniformité sur de grandes surfaces.
[0002] Un tel système émissif à micropointes et son procédé de fabrication sont décrits
en détail par exemple dans le document FR-A-2 593 953 du 24/01/1986. On commencera
d'abord par rappeler la technique connue de fabrication de telles micropointes dans
une structure de ce genre, telle qu'elle ressort du document précité en se référant
aux figures 1, 2 et 3 ci-jointes.
[0003] La figure 1 montre une structure déjà élaborée, comprenant sur un substrat 6 surmonté
d'un isolant 7, un système de conducteurs cathodiques 8 et de grilles 10a superposées
sous forme croisée avec un isolant intermédiaire 12 et une couche par exemple de nickel
23 déposée en surface pour servir de masque lors des opérations de réalisation des
micropointes. Cette couche 23 de nickel, les grilles 10a et l'isolant 12 sont percés
de trous 16, dans le fond desquels il s'agit de venir déposer les futures micropointes
constituées d'un métal conducteur en liaison électrique avec l'électrode cathodique
8.
[0004] Pour la réalisation des micropointes, on s'y prend de la façon suivante, en se référant
à la figure 2. On commence d'abord par effectuer par exemple le dépôt d'une couche
en molybdène 18a sur l'ensemble de la structure. Cette couche 18a présente une épaisseur
environ de 1,8 µm. Elle est déposée sous incidence normale par rapport à la surface
de la structure ; cette technique de dépôt permet d'obtenir des cônes 18 en molybdène
logés dans les trous 16 ayant une hauteur de 1,2 à 1,5 µm. On réalise ensuite la dissolution
sélective de la couche de nickel 23 par un procédé électrochimique de façon à dégager,
comme représenté sur la figure 3, les grilles par exemple en niobium 10a perforées
et à faire apparaître les micropointes 18 émettrices d'électrons.
[0005] A quelques variantes technologiques près, la méthode connue ainsi décrite en se référant
aux figures 1, 2 et 3 est toujours celle que l'on applique jusqu'à ce jour pour réaliser
les micropointes des systèmes à cathode émissive.
[0006] Malheureusement, les micropointes ainsi obtenues présentent certains défauts. ces
défauts proviennent d'abord du fait que la méthode précédente permet difficilement
l'obtention de micropointes dont la forme soit reproductible d'une pointe à l'autre
et/ou d'une cathode à l'autre, surtout sur de grandes surfaces lors d'une production
en série. Ils proviennent également du fait que, d'autre part, les micropointes obtenues
sont loin d'avoir toujours la forme conique parfaite que l'on a représentée sous la
référence 18 sur les figures 2 et 3. Le plus souvent en effet, elles ont des inégalités
de forme et une majorité a un rayon de courbure beaucoup trop élevé, ce qui leur donne
un profil en dôme tel qu'on peut le voir sur la figure 4. Ce profil en dôme diminue
notamment leur émissivité d'une façon considérable, c'est-à-dire la densité de courant
émise pour une tension grille micropointe déterminée.
[0007] D'autre part, la réalisation de la cathode nécessite au moins une étape de photolithographie
intervenant après la réalisation des pointes notamment pour la définition des bandes
conductrices formant les grilles. Cette étape crée des risques de pollution importants
sur les pointes (résidus organiques, traces de nettoyage,...).
[0008] Or, l'émissivité d'une pointe varie de façon exponentielle avec la forme de la pointe
et son état de surface.
[0009] Dans ces conditions, seule une faible proportion des micropointes assure le courant
électronique du système ; de ce fait, l'effet de moyenne joue mal et l'émission n'est
pas uniforme sur l'ensemble de la cathode.
[0010] Selon la demande de brevet EP -434330, il est connu de faire une attaque des pointes
après leur fabrication de façon à affiner leur rayon de courbure. Mais ce procédé
marche mal pour des cathodes de grandes surfaces.
Exposé de l'invention
[0011] La présente invention a précisément pour objet un procédé de réalisation de sources
d'électrons à micropointes qui permet à la fois d'uniformiser l'état de surface et
d'affiner la géométrie des micropointes.
[0012] Ce procédé permet ainsi en réduisant fortement les dispersions de caractéristiques
d'une pointe à l'autre et d'une source à l'autre de pallier aux inconvénients précédents
et de rendre plus facile la production de cathodes à micropointes ayant des caractéristiques
uniformes et reproductibles, ainsi qu'un haut niveau d'émission.
[0013] De façon plus précise, la présente invention a pour objet un procédé de réalisation
d'une source d'électrons à micropointes comportant un système de conducteurs cathodiques,
de grilles superposées avec un isolant intermédiaire, et de micropointes, les grilles
étant géométriquement comprises entre un plan inférieur et un plan supérieur, caractérisé
en ce que l'on soumet les micropointes à :
- une première étape de nettoyage,
puis à :
- une étape d'affinage par gravure superficielle
[0014] En d'autres termes, après la fabrication des micropointes, telle qu'elle est expliquée
par exemple dans le document FR-A-2 593 953, l'invention propose de réaliser, dans
un premier temps une première étape de nettoyage qui permet d'uniformiser l'état de
surface et, dans un deuxième temps, une étape d'affinage qui consiste en une gravure
complémentaire pour donner aux micropointes un profil aussi proche que possible de
l'idéal souhaité, c'est-à-dire avec un rayon de courbure aussi faible que possible
(inférieur à quelques dizaines de nanomètres).
[0015] En pratique, cette optimisation consiste en la recherche, pour les micropointes,
d'un profil se rapprochant le plus possible d'un cône à pointe effilée, autrement
dit en la recherche d'un effet de pointes augmenté pour garantir une amplitude importante
du champ électrique.
[0016] Avantageusement, on fait suivre l'étape d'affinage d'une deuxième étape de nettoyage,
consistant en un nettoyage chimique humide.
[0017] De préférence, la première étape de nettoyage comporte une première sous-étape de
nettoyage chimique humide et une deuxième sous-étape de nettoyage par un plasma, par
exemple par plasma O
2.
[0018] Conformément à l'invention, l'étape d'affinage par gravure superficielle peut être
réalisée par l'une quelconque des méthodes connues qui sont en particulier l'attaque
chimique ou électrochimique contrôlée, l'attaque par gravure ionique réactive et l'attaque
par bombardement ionique.
[0019] Selon une caractéristique de mise en oeuvre du procédé objet de l'invention, l'attaque
superficielle des micropointes est effectuée sur une épaisseur de quelques dizaines
à quelques milliers d'Angströms.
[0020] L'un des avantages du procédé objet de la présente invention, est qu'il s'applique
au traitement de très grandes surfaces émissives, telles qu'on en rencontre précisément
dans les écrans plats d'affichage. Le procédé permet ainsi de corriger très simplement
la forme approximative des micropointes obtenues jusqu'à ce jour et, en supprimant
les dispersions de caractéristiques d'émission d'une pointe à l'autre, de permettre
un niveau d'émission électronique très élevé et nettement accru par rapport à ceux
de l'art antérieur, et donc de permettre la réduction de la tension d'alimentation
nécessaire entre les grilles et les conducteurs cathodiques pour extraire les électrons.
[0021] En somme, le principe de l'invention consiste à choisir une méthode de réalisation
des micropointes qui donne pour celles-ci une forme approximative (plus facile à réaliser
sur de grandes surfaces et moins coûteuse) puis à nettoyer les micropointes et enfin
à améliorer et homogénéiser leur rayon de courbure à l'aide, en particulier, d'une
gravure ionique réactive ou d'autres méthodes de gravures chimiques ou électrochimiques.
[0022] L'invention est de mise en oeuvre particulièrement intéressante lorsque les micropointes
sont réalisées respectivement en au moins deux parties :
- une première partie servant de base, de forme sensiblement tronconique, et étant constituée
d'un premier matériau conducteur, choisi de telle façon qu'il ne soit pas ou très
peu attaqué par l'étape d'affinage,
- une deuxième partie constituant la pointe proprement dite et étant déposée sur la
première partie, cette deuxième partie étant constituée d'un second matériau conducteur
choisi de telle façon à ce qu'il soit attaqué par l'étape d'affinage.
[0023] On englobe également, dans le terme "matériau conducteur", les matériaux semi-conducteurs.
[0024] De préférence, la première partie (base) est de hauteur telle que son sommet est
à peu près au même niveau que le plan inférieur de la grille.
[0025] L'intérêt de mettre en oeuvre l'invention dans ce cas particulier est le suivant.
[0026] Lorsque les micropointes sont constituées d'un matériau unique, sensible à l'étape
d'affinage, le temps d'affinage doit être contrôlé : s'il est trop important, le sommet
de la pointe peut rapidement se trouver en-dessous du plan inférieur de la grille,
ce qui est très défavorable à l'émission électronique. S'il est trop faible, le rayon
de courbure n'est pas optimum et l'effet recherché par l'affinage n'est pas atteint.
[0027] Au contraire, lorsque les micropointes sont constituées de deux parties, comme décrit
ci-dessus, le temps d'affinage doit être suffisant pour obtenir le rayon de courbure
optimum de la pointe, mais s'il est plus long, le sommet de la pointe reste toujours
au-dessus du plan inférieur de la grille puisqu'il repose sur le matériau non attaqué
ou peu attaqué.
[0028] Selon un exemple de réalisation, la première partie est en niobium (Nb), la deuxième
partie est en molybdène, ou en chrome, ou en silicium, ou en fer, ou en nickel.
[0029] L'invention a également pour objet une source d'électrons à micropointes comportant
un système de conducteurs cathodiques, de grilles superposées avec un isolant intermédiaire
et de micropointes déposées dans des trous pratiqués dans les grilles et l'isolant,
les grilles étant géométriquement comprises entre un plan inférieur et un plan supérieur,
caractérisée en ce que les micropointes comportent respectivement au moins deux parties
:
- une première partie de forme tronconique, de hauteur H, et constituée d'un premier
matériau conducteur,
- une deuxième partie, constituant une pointe conique déposée sur la première partie
et étant constituée d'un second matériau conducteur, le premier et le second matériaux
étant choisis de façon à ce que le second matériau soit apte à être affiné par une
gravure sélective par rapport au premier matériau, cette gravure étant du type attaque
chimique ou électrochimique contrôlé, gravure ionique réactive ou bombardement ionique.
[0030] De préférence, la hauteur H est telle que le sommet de la première partie soit sensiblement
au niveau du plan inférieur des grilles.
[0031] L'invention s'applique ainsi à des sources dans lesquelles les micropointes ne sont
pas déposées directement sur les conducteurs cathodiques mais par exemple sur une
couche résistive intercalée entre les micropointes et les conducteurs cathodiques.
Brève description des figures
[0032] De toute façon, les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux
à la lumière de la description qui va suivre. Cette description porte sur les exemples
de réalisation, donnés à titre explicatif et non limitatif, en se référant à des dessins
annexés sur lesquels :
- les figures 1 à 3 illustrent différentes étapes de formation de micropointes, selon
un procédé connu de l'art antérieur,
- la figure 4 représente schématiquement la forme des micropointes obtenues par un procédé
connu,
- la figure 5 représente schématiquement le profil en cône idéal souhaité,
- les figures 6a et 6b illustrent l'émissivité des micropointes d'une part avant et
après traitement d'affinage et d'autre part avant et après la seconde étape de nettoyage,
- les figures 7a, 7b et 7c montrent schématiquement les formes obtenues pour une micropointe
en un seul métal, dans le cas d'un affinage respectivement trop poussé, insuffisant
et optimal,
- les figures 8a à 8c illustrent le procédé d'affinage pour une micropointe en deux
parties.
Exemple détaillé de modes de réalisation
[0033] Les étapes du procédé selon l'invention complètent les procédés connus de formation
de cathodes à micropointes émettrices d'électrons. Un tel procédé est décrit par exemple
dans le document FR-A-2 593 953 (Brevet américain correspondant : US-A-4 857 161).
De façon résumée il comporte les étapes suivantes :
- dépôt par pulvérisation cathodique sur le substrat 6, d'une couche d'oxyde de silicium
7 (voir figure 1), d'environ 100 nm,
- dépôt par pulvérisation cathodique, sur la couche 7, d'une première couche conductrice
en oxyde d'indium dans laquelle seront réalisées les conducteurs cathodiques 8 (épaisseur
environ 160 nm),
- gravure de la première couche conductrice pour former des premières bandes conductrices
parallèles ou conducteurs cathodiques 8,
- dépôt chimique en phase vapeur (à partir des gaz de silane, phosphine, oxygène) d'une
seconde couche isolante d'oxyde de silicium d'épaisseur environ 1 µm (12),
- dépôt, par évaporation sous vide, sur la couche d'oxyde de silicium, d'une troisième
couche, conductrice, dans laquelle seront formées les grilles 10a (niobium, épaisseur
environ 0,4 µm),
- ouverture de trous 16 (diamètre environ 1,3 µm) dans la troisième couche conductrice,
par gravure ionique réactive (GIR) en utilisant un plasma de SF6, et dans la seconde couche 12 par gravure ionique réactive dans un plasma de CHF3 ou par attaque chimique dans une solution d'acide fluorhydrique et de fluorure d'ammonium.
- dépôt d'une couche de nickel 23 (figure 2) par évaporation sous vide, sous incidence
rasante par rapport à la surface de la structure. L'angle α formé entre l'axe d'évaporation
et la surface de la couche 10a est voisin de 15°. La couche de nickel présente une
épaisseur d'environ 150 nm,
- formation des micropointes par un procédé décrit dans l'introduction de la présente
demande, en liaison avec les figures 2 et 3,
- gravure de la troisième couche pour former des deuxièmes bandes conductrices parallèles
aux grilles.
[0034] Selon l'invention, ces étapes sont suivies d'abord par une étape de nettoyage qui
a pour fonction d'uniformiser l'état de surface avant toute autre étape. Cette étape
de nettoyage peut comprendre deux sous-étapes :
- un nettoyage chimique humide dans un bain de lessive (TFD4 à 10% dans de l'eau), à
60°C, assisté par ultrasons, le tout pendant une durée de 5 minutes environ,
- un nettoyage par gravure ionique réactive dans un plasma d'oxygène, par exemple à
l'aide d'un équipement vendu dans le commerce sous l'appellation NEXTRAL 550.
[0035] Cette dernière opération qui dure une dizaine de minutes environ est faite par exemple
avec une puissance de 250 Watts, une pression du plasma de 100 millitorrs et un débit
de 100 cm
3/mn.
[0036] L'étape de nettoyage est suivie d'une étape d'affinage ou gravure des pointes, par
exemple pour des pointes en molybdène par gravure ionique réactive dans un plasma
SF
6 (même équipement que celui mentionné ci-dessus). Cette étape permet l'élimination
d'une couche d'oxyde de molybdène qui peut s'être formée au moment du nettoyage sous
plasma O
2. Elle permet également une gravure des micropointes permettant de modifier leur forme
et notamment de réduire leur rayon de courbure. Les conditions d'action du plasma
d'hexafluorure de soufre sont par exemple les suivantes : l'opération dure environ
20 secondes avec une puissance de 400 W, un débit de 40 cm
3/mn sous une pression du plasma de 30 millitorrs. A la sortie de ce traitement, une
forte proportion de micropointes ont le même profil qui se rapproche du profil en
cône idéal de la figure 5 et un état de surface très uniforme.
[0037] La figure 6a est une courbe montrant l'émissivité des micropointes avant le traitement
d'affinage (courbe en pointillé) et après le traitement d'affinage (courbe en trait
plein). Sur ce graphique, la densité de courant en microampères par millimètre carré
est portée en ordonnées et la tension grille-micropointes en volts est portée en abscisses.
L'augmentation d'émissivité consécutive au traitement apparaît immédiatement comme
étant considérable. On obtient donc effectivement des micropointes, pour lesquelles
le rayon de courbure de l'extrémité est inférieur à quelques dizaines de nanomètres.
[0038] La figure 6b montre l'émissivité (mêmes unités que sur la figure 6a) des micropointes
après affinage, mais avant (courbe en pointillé) et après la deuxième étape de nettoyage
(courbe en trait plein). On voit que cette deuxième étape de nettoyage permet encore
d'améliorer l'émissivité d'un facteur important.
[0039] D'autres procédés d'affinage des pointes peuvent être utilisés alternativement à
celui décrit ci-dessus, par exemple par attaque chimique (ou électrochimique) contrôlée
ou par bombardement ionique.
[0040] Avantageusement, on peut réaliser en outre la deuxième étape de nettoyage chimique
humide dans le bain de lessive mentionné ci-dessus, pendant une durée d'environ 30
minutes.
[0041] La durée, pendant laquelle on réalise l'étape d'affinage, doit être contrôlée dans
le cas où les micropointes sont constituées d'un seul métal, sensible à l'affinage,
par exemple le molybdène.
[0042] La grille 10a est géométriquement comprise entre ou délimitée par deux plans, un
plan inférieur (I) et un plan supérieur (S) (voir figure 7a, sur laquelle, tout comme
sur les figures 7b, 7c, 8a-c, les références 6, 8, 10a, 12 ont la même signification
que sur les figures 1 à 5).
[0043] Si la durée d'affinage est trop importante, le sommet de la pointe 18 peut rapidement
se trouver, comme illustré sur la figure 7a, en-dessous du plan inférieur I de la
grille 10a, ce qui est très défavorable à l'émission.
[0044] Si la durée d'affinage est trop faible, le rayon de courbure n'est pas optimum (voir
figure 7b) et l'effet recherché n'est pas atteint.
[0045] En fait, avec la structure à un seul métal, le temps d'affinage doit être suffisamment
important pour obtenir le rayon de courbure optimum, mais malgré tout pas trop long
pour que la pointe reste au-dessus du plan inférieur I de la grille (figure 7c).
[0046] Au contraire, quand la pointe est constituée d'au moins deux métaux superposés, le
temps d'affinage est comme nous allons le voir, beaucoup moins critique.
[0047] La structure de la pointe avant affinage est illustrée sur la figure 8a, et comporte
:
- une première partie ou base 20 qui a une forme tronconique, de hauteur H. Elle est
constituée d'un premier matériau choisi de telle façon qu'il ne soit pas ou très peu
attaqué par l'étape d'affinage décrite ci-dessus. Ce matériau peut être par exemple
du niobium,
- une deuxième partie 22 qui constitue la pointe proprement dite. Elle est déposée directement
sur la première partie. Elle est constituée d'un deuxième matériau sensible à l'étape
d'affinage, par exemple du molybdène, ou du chrome (Cr), ou du silicium (Si), ou du
fer (Fe), ou du nickel (Ni).
[0048] Un procédé pour obtenir des micropointes ayant cette structure est dérivé du procédé
déjà décrit en introduction pour fabriquer des micropointes constituées d'un seul
matériau. On commence par réaliser le dépôt d'une couche 18a par exemple en niobium
sur la couche de nickel 23, par évaporation sous vide sous incidence normale, comme
sur la figure 2. Il y a un rapport direct entre la hauteur de matériau déposé dans
le trou 16 et la durée d'évaporation sous vide. On peut donc interrompre cette évaporation
lorsque la hauteur H désirée du tronc de cône formant la base 20 est atteinte, et
poursuivre ensuite l'évaporation avec le second matériau tel que du molybdène de façon
à obtenir la deuxième partie 22. L'ensemble a alors la forme globale sensiblement
conique de la figure 8a.
[0049] En fait, la hauteur H de la base 20 doit être suffisante pour que le sommet A du
cône obtenu se situe au-dessus du plan inférieur de la grille 10a. De préférence,
A se situera, après les opérations de dépôt qui viennent d'être décrites, au-dessus
du plan supérieur de la grille 10a ; à cet effet, la hauteur H sera sensiblement égale
à l'épaisseur de l'isolant 12, c'est-à-dire dans cet exemple de réalisation, à la
distance séparant le conducteur cathodique 8 du plan inférieur de la grille 10a.
[0050] Si une couche résistive est intercalée entre les micropointes et les conducteurs
cathodiques il faudra évidemment tenir compte de l'épaisseur de cette couche résistive.
[0051] On peut ensuite procéder aux opérations de nettoyage et d'affinage qui ont été précédemment
décrites. Du fait du choix initial des matériaux dont sont constitués les parties
20 et 22, la seule partie attaquée par l'affinage est la partie 22. La structure obtenue
par le procédé (figures 8b ou 8c) a la forme suivante :
- une première partie, sensiblement tronconique, de hauteur H, H est de préférence sensiblement
égale à la distance séparant le conducteur cathodique 8 du plan inférieur I de la
grille 10a, c'est-à-dire sensiblement égale à l'épaisseur e de l'isolant 12 ; par exemple H sera comprise entre 0,8e et 1, 1e, (là encore, il
faut tenir compte de la présence éventuelle d'une couche résistive entre les micropointes
et les conducteurs cathodiques),
- une deuxième partie conique, dont la base est de diamètre d inférieur au diamètre D de la section supérieure du tronc de cône 20.
[0052] La durée pendant laquelle on réalise l'affinage doit être suffisante pour obtenir
le rayon de courbure recherché (figure 8b), mais si cette durée est plus longue, le
sommet A' de la pointe reste toujours au-dessus du plan inférieur de la grille 10a,
puisque la partie 22, attaquée par l'affinage, repose sur la partie 20, non attaquée
par l'affinage. La pointe ne pourrait donc disparaître qu'après un temps d'attaque
nettement plus long.
[0053] Selon un exemple de réalisation non limitatif :
- l'isolant est en silice d'une épaisseur proche de 1 µm,
- la grille est en niobium (Nb) d'une épaisseur d'environ 0,4 µm ; les trous dans la
grille ont un diamètre de l'ordre de 1,4 µm,
- le métal constituant la base 20 de la pointe est en Nb d'une épaisseur comprise entre
0,8 et 1,1 µm,
- la partie 22 est en molybdène d'une épaisseur suffisante pour constituer la pointe,
par exemple 1 µm avant affinage, l'affinage de cette partie pouvant se faire de la
même façon que décrit précédemment dans l'exemple de réalisation où les micropointes
sont entièrement en molybdène.
[0054] Enfin, une cathode à micropointes obtenue par la méthode décrite dans la présente
invention peut être associée à une structure comportant au moins une anode et un matériau
cathodoluminescent pour réaliser un dispositif de visualisation tel que décrit dans
les brevets US.4 857 161 (FR-2 593 953), US.4 940 916, US.5 225 820 (FR-2 633 763)
ou US.5 194 780 (FR-A-2 663 462).
1. Source d'électrons à micropointes comportant un système de conducteurs cathodiques
(8), de grilles (10a) superposées avec un isolant intermédiaire (23) et de micropointes
(18) déposées dans des trous (16) pratiqués dans les grilles et l'isolant, les grilles
étant géométriquement comprises entre un plan inférieur (I) et un plan supérieur (S),
les micropointes comportant respectivement au moins deux parties :
- une première partie (20) de forme tronconique, de hauteur H, et constituée d'un
premier matériau conducteur,
- une deuxième partie (22), constituant une pointe conique déposée sur la première
partie et étant constituée d'un second matériau conducteur, le premier et le second
matériau étant choisis de façon à ce que le second matériau soit apte à être affiné
par une gravure sélective par rapport au premier matériau.
2. Source d'électrons à micropointes selon la revendication 1, la gravure sélective étant
du type attaque chimique ou électrochimique contrôlé, gravure ionique réactive ou
bombardement ionique.
3. Source d'électrons à micropointes selon l'une des revendications 1 ou 2, la hauteur
H de la première partie étant telle que son sommet est sensiblement au même niveau
que le plan inférieur (I) des grilles (10a).
4. Source d'électrons à micropointes selon l'une des revendications 1 à 3, la première
partie (20) étant en niobium (Nb).
5. Source d'électrons à micropointes selon l'une des revendications 1 à 4, la deuxième
partie (22) étant en molybdène (Mo), en silicium (Si), en chrome (Cr), en fer (Fe)
ou en nickel (Ni).
6. Source d'électrons à micropointes selon l'une des revendications 1 à 5, les micropointes
ayant été soumises à une étape de nettoyage.
7. Source d'électrons à micropointes selon l'une des revendications 1 à 6, la deuxième
partie des micropointes ayant été soumise à une étape d'affinage par gravure superficielle.
8. Dispositif de visualisation par cathodoluminescence, comprenant une source d'électrons
à micropointes selon l'une des revendications 1 à 7.