Procédé de fabrication d'un dispositif de visualisation par cathodoluminescence excitée par émission de champ

Abstract

 Procédé de fabrication d'un dispositif de visualisation par cathodoluminescence, excité par émission de champ.
Ce procédé consiste à former des cathodes parallèles (8) sur un substrat en verre (6), déposer une couche en silice (12) sur les cathodes, puis une couche conductrice, réaliser une matrice de trous (16) dans la couche conductrice et la couche de silice, déposer sur la couche conductrice percée une quatrième couche (23) ne recouvrant pas les trous, puis déposer sur l'ensemble de la structure une couche en matériau émetteur d'électrons, éliminer la quatrième couche afin de mettre à nu les microémetteurs (18), former dans la couche conductrice des grilles (10) croisant les cathodes et disposer au-dessus des grilles une anode (20) recouverte d'une couche (22) cathodolumi­nescente.

Description

[0001] La présente invention a pour objet un procédé de fabrication d'un dispositif de visualisation par cathodoluminescence excitée par émission de champ ou émission foide. Elle s'applique notamment à la réali­sation d'afficheurs matriciels simples, permettant la visualisation d'images fixes, et à la réalisation d'écrans complexes multiplexés, permettant la visua­lisation d'images animées, du type images de télévision.

[0002] Un dispositif de visualisation par cathodo­luminescence excitée par émission de champ a été décrit dans la demande de brevet n° 84 11986 du 27 Juillet 1984, déposée au nom du demandeur. Sur la figure 1, on a représenté une vue en perspective éclatée du dispositif de visualisation décrit dans ce document.

[0003] Ce dispositif de visualisation comprend une cellule d'affichage 2, étanche et mise sous vide, com­portant deux parois en verre 4 et 6, situées en regard l'une de l'autre. La paroi inférieure 6 de la cellule 2 est équipée d'une première série de bandes conductrices 8, parallèles entre elles, jouant le rôle de cathodes et d'une seconde série de bandes conductrices 10, paral­lèles entre elles, jouant le rôle de grilles. Les bandes conductrices 10 sont orientées perpendiculairement aux bandes conductrices 8 et isolées des bandes conductrices 8 par une couche 12 isolante et continue, notamment en silice.

[0004] Les régions extrêmes 9 des cathodes 8 , non recouvertes d'isolant et n'interceptant pas les grilles 10, permettent la prise de contact électrique sur les cathodes.

[0005] Les bandes conductrices 8 et 10 représentent respectivement des colonnes et des lignes. A chaque croisement d'une ligne et d'une colonne correspond un point élémentaire d'affichage 14.

[0006] Les bandes conductrices ou grilles 10 et la couche d'isolant 12 sont percées d'un grand nombre de trous 16 dans lesquels sont logés des microémetteurs ou microcanons à électrons. A chaque point élémentaire d'affichage 14 correspond une multitude de micro­émetteurs.

[0007] Ces microémetteurs, comme représentés sur la figure 2, sont constitués chacun d'un cône métallique 18 émettant des électrons lorsqu'on leur applique un champ électrique convenable. Ces cônes métalliques 18 reposent par leur base directement sur les cathodes 8 et le sommet de ces cônes est sensiblement au niveau des bandes conductrices 10. Le diamètre de base des cônes et leur hauteur sont par exemple de l'ordre de 1 µm.

[0008] La paroi supérieure 4 de la cellule 2, comme représentée sur la figure 1, est pourvue d'une couche conductrice continue 20 jouant le rôle d'anode. Cette anode 20 est recouverte d'une couche 22 réalisée en un matériau émettant de la lumière lorsqu'il est soumis à un bombardement électronique provenant des microémetteurs 18.

[0009] L'émission d'électrons par un microémetteur 18 peut être réalisée en polarisant simultanément la cathode 8 et les grilles 10 situées en regard, ainsi que l'anode 20. L'anode 20 peut notamment être portée à la masse, les grilles 10 sont, soit portées au potentiel de l'anode, soit polarisées négativement par rapport à celle-ci à l'aide d'une source de tension 24. Les cathodes 8 sont polarisées négativement par rapport à la grille à l'aide d'une source de tension 26. Les cathodes 8 et les grilles 10 peuvent être polarisées séquentiellement afin de faire apparaître une image point par point sur la cellule d'affichage 2. L'image est observée du côté de la paroi supérieure 4 de la cellule.

[0010] Le nombre de microémetteurs 18 par point d'affichage 14, c'est-à-dire par croisement d'une cathode et d'une grille, est généralement élevé, ce qui permet d'avoir une caractéristique d'émission plus uniforme d'un point d'affichage à l'autre (effet de moyenne) ; ceci donne une certaine redondance des micro­émetteurs permettant de tolérer une certaine proportion de microémetteurs ne fonctionnant pas.

[0011] En pratique, le nombre de microémetteurs est compris entre 10⁴ et 10⁵ émetteurs par mm². En consé­quence, une fabrication traditionnelle, nécessitant un positionnement précis des microémetteurs en regard des cathodes et des grilles, serait complexe et augmen­terait le coût du dispositif de visualisation.

[0012] La présente invention a justement pour objet un procédé relativement simple et peu onéreux permettant de fabriquer un dispositif de visualisation fonctionnant par cathodoluminescence excitée par effet de champ tel que décrit précédemment.

[0013] De façon plus précise, l'invention a pour objet un procédé de fabrication d'un dispositif de visualisation par cathodoluminescence se caractérisant en ce qu'il comprend les étapes successives suivantes :
    - dépôt d'une première couche conductrice sur un substrat isolant,
    - gravure de la première couche pour former des premières bandes conductrices parallèles jouant le rôle de cathodes,
    - dépôt d'une seconde couche isolante sur la structure obtenue,
    - dépôt d'une troisième couche conductrice sur la seconde couche,
    - ouvertures de trous débouchant dans les troisième et seconde couches, ces trous étant répartis sur l'en­semble de la surface des troisième et seconde couches.
    - dépôt sur la troisième couche gravée d'une quatrième couche ne recouvrant pas les trous,
    - dépôt sur l'ensemble de la structure obtenu d'une cinquième couche d'un matériau émetteur d'électrons,
    - élimination de la quatrième couche entraînant l'élimination du matériau émetteur d'électrons sur­montant ladite quatrième couche et le maintien dudit matériau émetteur dans les trous,
    - gravure des troisième et seconde couches pour mettre à nu au moins une des extrémités des premières bandes conductrices,
    - gravure de la troisième couche pour former des secondes bandes conductrices parallèles jouant le rôle de grilles, les première et seconde bandes étant croisées, et
    - réalisation d'une anode et d'un matériau cathodoluminescent en regard des secondes bandes conductrices.

[0014] Par "trous répartis sur l'ensemble de la surfa­ce", il faut comprendre des trous réalisés en regard des cathodes ainsi qu'en regard des espaces intercathodes.

[0015] Ce procédé présente l'avantage d'une mise en oeuvre simple. En particulier, il permet la réalisation de microémetteurs d'électrons dans les trous formés dans les seconde et troisième couches, répartis sur l'ensemble du dispositif de visualisation, sans nécessiter un positionne­ment précis vis-à-vis des cathodes et des grilles. Seuls les microémetteurs situés à une intersection d'une cathode et d'une grille sont effectivement actifs.

[0016] Afin d'améliorer l'adhérence des conducteurs cathodiques sur le substrat isolant, on intercale avantageusement entre le substrat et la première couche conductrice, dans laquelle sont réalisées les cathodes, une couche intermédiaire isolante.

[0017] Afin de minimiser les résistances d'accès aux microémetteurs, la première couche conductrice doit être réalisée en un matériau bon conducteur de l'électricité. Par ailleurs, cette première couche conductrice doit présenter une bonne compatibilité avec la seconde couche isolante et en particulier une bonne adhérence et doit être inerte vis-à-vis de la méthode de gravure de cette seconde couche isolante. De façon avantageuse, la première couche conductrice est réalisée en un matériau choisi parmi l'oxyde d'indium, l'oxyde d'étain et l'aluminium.

[0018] L'oxyde d'indium et l'oxyde d'étain sont de préférence utilisés pour la réalisation d'écrans de petites dimensions et de faible complexité tels que les écrans servant à la visualisation d'images fixes. En revanche, l'aluminium est utilisé de préférence lors de la réalisation d'écrans complexes multiplexés et de grandes dimensions servant notamment à la visua­lisation d'images animées du type images de télévision.

[0019] Afin de minimiser les capacités entre les cathodes et les grilles, et donc de minimiser le temps de réponse des microémetteurs, la seconde couche isolante doit présenter une constante diélectrique aussi faible que possible. A cet effet, cette seconde couche isolante est réalisée de préférence en oxyde de silicium (SiO₂) ou silice.

[0020] Cette couche d'oxyde de silicium peut être déposée par la technique de dépôt chimique en phase vapeur (CVD), par pulvérisation cathodique ou par évaporation sous vide. Toutefois, on utilise de préférence la technique de dépôt chimique en phase vapeur, technique permettant d'obtenir une couche d'oxyde de qualité homogène et d'épaisseur constante.

[0021] L'ouverture des trous dans la couche isolante notamment en oxyde de silicium peut être réalisée par des techniques de gravure sèche ou humide bien connues de l'homme du métier.

[0022] La troisième couche conductrice dans laquelle sont formées les grilles doit être réalisée en un matériau présentant une bonne adhérence sur la seconde couche isolante, par exemple en oxyde de silicium, ainsi qu'une bonne résistance chimique aux différents produits utilisés pour réaliser les microémetteurs. A cet effet, la troisième couche conductrice est réalisée de préférence en un métal choisi parmi le niobium, le tantale et l'aluminium.

[0023] Afin d'obtenir de façon reproductible des trous dans cette troisième couche conductrice, d'une dimension voisine du micron, la formation de ces trous est réalisée avantageusement par une technique de gravure sèche anisotrope.

[0024] Afin d'assurer une bonne définition des microémetteurs, la quatrième couche jouant le rôle de masque pour le dépôt de la cinquième couche est réalisée en métal et en particulier en nickel. Le dépôt de cette quatrième couche de nickel est réalisé avantageusement par évaporation sous vide sous une incidence rasante afin de ne pas recouvrir les trous pratiqués dans les seconde et troisième couches. Par ailleurs, l'élimination de cette couche métallique est réalisée avantageusement par dissolution électro­chimique.

[0025] Le choix du matériau de la cinquième couche est essentiellement dicté par ces propriétés vis-à-vis de l'émission par effet de champ ou émission froide ainsi que par sa résistance chimique aux techniques de dépôt et d'élimination de la quatrième couche servant à la réalisation des microémetteurs. En particulier, le matériau émetteur d'électrons peut être le hafnium, le niobium, le molybdène, le zirconium, l'hexaborure de lanthane (LaB₆), le carbure de titane, le carbure de tantale, le carbure de hafnium, le carbure de zirconium, etc. On choisit par exemple le molybdène.

[0026] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre donnée à titre illustratif et non limitatif.

[0027] La description se réfère aux figures annexées dans lesquelles :

- la figure 1, déjà décrite, représente schématiquement, en perspective et vue éclatée, un dispositif de visualisation par cathodoluminescence,

- la figure 2 déjà décrite, représente une partie agrandie de la figure 1, montrant un micro­émetteur,

- les figures 3 à 12 illustrent les différentes étapes du procédé selon l'invention, les figures 3 à 6 et 10 à 12 sont des vues générales et les figures 7 à 9 des vues agrandies montrant un microémetteur.

[0028] En référence à la figure 3, on réalise tout d'abord le nettoyage du substrat inférieur 6 afin d'obtenir une bonne planéité et un bon état de surface pour permettre une réalisation optimisée des micro­émetteurs. Le substrat 6 peut être une plaque de verre ou de céramique. Sur le substrat 6, on dépose ensuite par pulvérisation cathodique une couche d'oxyde de silicium (SiO₂) 7 de 100 nm environ. On recouvre ensuite la couche isolante 7 d'une couche conductrice 8a en oxyde d'indium dans laquelle on va réaliser les cathodes 8. Cette couche d'oxyde d'indium présente une épaisseur de 160 nm et peut être déposée par pul­vérisation cathodique.

[0029] On forme ensuite par les procédés classiques de photolithographie (dépôt, irradiation, développement) un masque de résine positive 11 représentant l'image des cathodes à réaliser. A travers ce masque 11, on grave la couche d'oxyde d'indium 8a pour former, comme représenté sur la figure 4, des cathodes 8 de 0,7 mm de large au pas P de 1 mm. La gravure de la couche 8a est réalisée par attaque chimique avec de l'acide orthophosphorique porté à 110°C. La gravure de la couche d'oxyde d'indium 8a est réalisée sur toute l'épaisseur de la couche. On élimine ensuite le masque de résine par une dissolution chimique.

[0030] Sur la structure obtenue, c'est-à-dire sur les cathodes 8 et les régions mises à nu de la couche isolante 7 , on dépose ensuite, comme représenté sur la figure 5, la couche d'oxyde de silicium 12 par la technique de dépôt chimique en phase vapeur à partir des gaz de silane, de phosphine et d'oxygène. Cette couche d'oxyde 12 présente une épaisseur de 1 µm. La couche d'oxyde 12 est ensuite totalement recouverte d'une couche conductrice 10a dans laquelle seront réalisées ultérieurement les grilles. Cette couche 10a est déposée par évaporation sous vide. Elle présente une épaisseur de 0,4 µm et est réalisée en niobium.

[0031] On forme ensuite sur la couche conductrice 10a un masque de résine 13 par les procédés classiques de photolithographie (dépôt de résine, irradiation, déve­loppement). Ce masque de résine 13 représente l'image en positif des trous à réaliser dans la couche de grille 10a et la couche isolante 12.

[0032] Selon l'invention, aucun positionnement précis de ces trous n'est nécessaire compte tenu de leur nombre élevé. Aussi réalise-t-on un masque de résine 13 com­portant des ouvertures 15 réparties sur toute la surface du masque, et en particulier dans des régions 17 situées en dehors des zones 14 réservées à l'affichage (points élémentaires d'affichage définis au croisement des cathodes et des grilles).Ceci facilite la réalisation du photomasque 19 servant à l'insolation 21 de la résine 13 ainsi que son positionnement au-dessus de la structure.

[0033] On réalise ensuite, à travers le masque de résine 13 sur la figure 6, les trous 16 dans la couche de matériau de grille 10a et la couche d'isolant 12. Ces trous 16 traversent de part en part les couches 10a et 12. Les gravures des couches 10a et 12 sont réalisées successivement. La gravure de la couche 10a est réalisée par un procédé de gravure ionique réactive (GIR) en utilisant un plasma d'hexafluorure de soufre (SF₆). Les trous 16 pratiqués dans la couche conductrice 10a présentent un diamètre égal à 1,3µm à ± 0,1 µm. La réalisation des trous dans la couche de silice 12 est réalisée par exemple par attaque chimique en immergeant la structure dans une solution d'attaque d'acide fluo­rhydrique et de fluorure d'ammonium. Ensuite, on élimine chimiquement le masque de résine 13. Le profil des trous 16 ainsi réalisés est illustré sur la figure 7.

[0034] On va maintenant décrire le procédé de fabri­cation d'un microémetteur. Sur la couche 10a, percée des trous 16, on dépose tout d'abord une couche de nickel 23 par évaporation sous vide sous une 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 23 présente une épaisseur de 150 nm. Cette technique de dépôt permet de ne pas boucher les trous 16.

[0035] On réalise ensuite, comme représenté sur la figure 8, le dépôt d'une couche en molybdène 18a, sur l'ensemble de la structure. Cette couche 18a présente une épaisseur 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 9, la couche de niobium 10a perforée et à faire apparaître les micropointes 18 émettrices d'électrons.

[0036] On effectue ensuite comme représenté sur la figure 10 une gravure de la couche 10a et une gravure de la couche d'isolant 12 afin de dégager les extrémités 9 des cathodes 8 pour permettre ultérieurement la prise de contact électrique sur ces cathodes. Cette gravure est réalisée à travers un masque de résine (non repré­senté), obtenu selon les procédés classiques de photo­lithographie, la résine formant le masque doit présenter une viscosité suffisamment élevée afin de recouvrir tous les trous 16 formés dans la couche de niobium 10a et la couche d'oxyde de silicium 12. La gravure de la couche de niobium 10a est réalisée comme précédemment par un procédé de gravure ionique réactive et la gravure de la couche de silice 12 par attaque chimique.

[0037] On réalise ensuite un masque de résine 25 sur la structure obtenue représentant l'image des grilles 10 à réaliser dans la couche de niobium 10a. Ce masque de résine est réalisé selon les procédés classiques de photolithographie. On effectue ensuite, à travers le masque 25, une gravure sèche du type ionique réactive avec du SF₆ de façon à dégager les bandes conductrices 10 perpendiculaires aux bandes conductrices 8. On élimine ensuite le masque de résine 25 par attaque chimique. La structure obtenue après élimi­nation du masque 25 est celle représentée sur la figure 11.

[0038] D'autre part, on réalise sur un substrat en verre 4, comme illustré sur la figure 12, le dépôt d'une couche conductrice 20 en oxyde d'indium (In₂O₃) ou oxyde d'étain (SnO₂) par pulvérisation cathodique correspondant à l'anode de la cellule de visualisation 2. Cette couche 20 présente une épaisseur de l'ordre de 100 nm. On recouvre ensuite l'anode 20 d'une couche catho­doluminescente 22 par pulvérisation cathodique. Cette couche 22 est réalisée en oxyde de zinc et présente une épaisseur de 1 µm.

[0039] Le substrat 4 recouvert de l'anode 20 et du matériau cathodoluminescent 22 est ensuite présenté au-dessus des grilles 10. Un espace de 30 à 50 µm est maintenu entre le matériau cathodoluminescent 22 et les grilles 10 au moyen d'espaceurs en verre 27 répartis au hasard. La périphérie de l'anode 20 est soudée hermétiquement sur la partie basse de la cellule, au moyen d'un verre fusible 29. L'ensemble obtenu est ensuite mis sous vide.

[0040] La description donnée précédemment n'a bien entendu été donnée qu'à titre indicatif, toute modi­fication, sans pour autant sortir du cadre de l'inven­tion, pouvant être envisagée. En particulier, l'épaisseur et la nature des couches peuvent être modifiées. Par ailleurs, certaines gravures et techniques de dépôt peuvent être changées.

[0041] Les différentes étapes du procédé de l'in­vention ont l'avantage d'être simples à mettre en oeuvre et sont bien maîtrisées par l'homme du métier, ce qui permet une bonne reproductibilité et homogénéité dans l'obtention des dispositifs de visualisation. Par ailleurs, le fait de réaliser les émetteurs sur l'en­semble de la cellule sans positionnement précis vis-à-vis des cathodes et des grilles, rend particulièrement aisée la fabrication du dispositif de visualisation.

Revendications

1. Procédé de fabrication d'un dispositif de visualisation par cathodoluminescence, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes successives suivantes :
    - dépôt d'une première couche conductrice (8a) sur un substrat isolant (6),
    - gravure de la première couche (8a) pour former des premières bandes conductrices parallèles (8) jouant le rôle de cathodes,
    - dépôt d'une seconde couche isolante (12) sur la structure obtenue,
    - dépôt d'une troisième couche conductrice (10a) sur la seconde couche (12),
    - ouvertures de trous (16) débouchant dans les troisième (10a) et seconde (12) couches, ces trous (16) étant répartis sur l'ensemble de la surface des troisième et seconde couches,
    - dépôt sur la troisième couche gravée (10a) d'une quatrième couche (23) ne recouvrant pas les trous,
    - dépôt sur l'ensemble de la structure obtenu d'une cinquième couche (18a) d'un matériau émetteur d'électrons,
    - élimination de la quatrième couche (23) entraînant l'élimination du matériau émetteur d'électrons surmontant ladite quatrième couche et le maintien dudit matériau émetteur dans les trous,
    - gravure des troisième (10a) et seconde couches (12) pour mettre à nu une au moins des extré­mités (9) des premières bandes conductrices (8),
    - gravure de la troisième couche (10a) pour former des secondes bandes conductrices parallèles jouant le rôle de grilles (10), les première et seconde bandes étant croisées, et
    - réalisation d'une anode (20) et d'un matériau cathodoluminescent (22) en regard des secondes bandes conductrices (10).

2. Procédé de fabrication selon la reven­dication 1, caractérisé en ce que l'on intercale entre le substrat (6) et la première couche (18a) une couche intermédiaire isolante (7).

3. Procédé de fabrication selon la reven­dication 1 ou 2, caractérisé en ce que la première couche (18a) est réalisée en un matériau choisi parmi l'oxyde d'indium, l'oxyde d'étain et l'aluminium.

4. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la seconde couche (12) est de l'oxyde de silicium (SiO₂).

5. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la seconde couche (12) est déposée par la technique de dépôt chimique en phase vapeur.

6. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la troisième couche (10a) est réalisée en un métal choisi parmi le niobium, le tantale et l'alu­minium.

7. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'on forme les trous (16) dans la troisième (10a) couche par une technique de gravure sèche anisotrope.

8. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la quatrième couche (23) est réalisée en nickel et en ce que l'élimination de cette quatrième couche (23) est réalisée par dissolution électro­chimique.

9. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la quatrième couche (23) est déposée par eva­poration sous vide sous une incidence (α) rasante par rapport à la surface de la structure.

10. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la cinquième couche (18a) est obtenue par éva­poration sous vide de molybdène.

11. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que l'anode (20) est formée d'une couche continue conductrice, recouverte d'une couche continue en matériau cathodoluminescent (22), l'anode (20) étant déposée sur un support transparent isolant (4).

Dessins