EP0668604A1 - Procédé de fabrication de cathode d'écran fluorescent à micropointes et produit obtenu - Google Patents

Procédé de fabrication de cathode d'écran fluorescent à micropointes et produit obtenu Download PDF

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EP0668604A1 EP95410012A EP95410012A EP0668604A1 EP 0668604 A1 EP0668604 A1 EP 0668604A1 EP 95410012 A EP95410012 A EP 95410012A EP 95410012 A EP95410012 A EP 95410012A EP 0668604 A1 EP0668604 A1 EP 0668604A1
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    • H01J31/12—Image or pattern display tubes, i.e. having electrical input and optical output; Flying-spot tubes for scanning purposes with luminescent screen
    • H01J31/123—Flat display tubes
    • H01J31/125—Flat display tubes provided with control means permitting the electron beam to reach selected parts of the screen, e.g. digital selection
    • H01J31/127—Flat display tubes provided with control means permitting the electron beam to reach selected parts of the screen, e.g. digital selection using large area or array sources, i.e. essentially a source for each pixel group
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    • H01J2201/30—Cold cathodes
    • H01J2201/319—Circuit elements associated with the emitters by direct integration

Definitions

  • the subject of the present invention is a process for manufacturing a fluorescent microdot screen cathode, as well as the product obtained by this process.
  • It relates to the industrial sector of flat display screens with row-column matrix addressing, and more particularly of display screens using microtip technology, that is to say made up of a vacuum tube formed by two plates of thin glass, the back plate, or cathode plate, comprising a matrix array of field effect emitters deposited by thin film techniques, and the front plate, or anode plate, covered on its internal face with a transparent conductive layer carrying phosphors.
  • each light point (pixel) of the anode is associated with an emissive surface located opposite and made up of a large number of microtips.
  • This emissive surface is defined by the intersection of a line (grid) and a column (cathode conductor) of the matrix.
  • the cathode of a conventional microtip screen consists essentially of four layers deposited successively on a glass or silicon substrate, then etched, namely: a conductive layer playing the role of "column conductors" of cathode, a resistive layer generally made of silicon intended to limit the value of the emission current, an insulating layer and finally a second conductive layer constituting the "line conductors" of the grid. After depositing these layers, holes are formed in the grid and the insulating layer in which the microtips are then deposited.
  • the production of the constituent layers of the cathode requires at least four, and preferably five, photolithographic masking and etching operations, namely an etching of the cathode columns, an etching of the holes, an etching grid lines, etching of cathode contacts, and preferably a partial etching of the resistive layer between the cathode columns to avoid leaks and couplings between columns.
  • the images formed by a microtip screen are observed through the anode plate and it is the side of the phosphors opposite to that which receives the electrons which is seen, that is to say the least bright.
  • An object of the present invention is to simplify the manufacture of the cathode of microtip fluorescent screens by reducing the number of masking levels to three instead of five.
  • Another object of the present invention is to make said cathode transparent to obtain an improvement in light efficiency by allowing observation of the luminescent material from the side where the electrons strike it, through the cathode.
  • intersection of a row and a column defines an image point 7 or pixel ( Figure 1).
  • a column conductor 2 consists of an openwork or mesh strip.
  • Each grid line is made of meshes consisting of square conductive elements 6 linked together by fine conductive bridges 8 (for the sake of simplification in FIG. 2, only the longitudinal bridges have been represented; it is clear that there are also two transverse bridges for each square as shown in Figure 8).
  • the microtips 4 are located in the grid squares and not in the conductive bridges.
  • Each image point 7 is made up of several squares (four in FIG. 1 but much more in practice). Each square carries several microtips (four in the figure but often 16 in a real device).
  • the respective dimensions of the meshes of the column conductors 2 and of the squares constituting the grid 6 are determined so as to provide empty areas 9 between said squares and each column conductor. We can thus observe the anode phosphors through the cathode plate 1.
  • the access resistance to the microtips is therefore essentially controlled by the geometry of the bars as well as by the resistivity of the resistive layer.
  • This access resistance must be high enough to standardize and limit the emission current of the tips while introducing only a few volts of voltage drop.
  • a screen was produced according to the invention.
  • the resistive layer was made of amorphous silicon offering a resistance of 100 megohms per square, four bars allowed access to each square mesh of 25 micrometers per side; the bars had a length to width ratio of 2.
  • the emission measured was 500 mA per dm2. Results of the same order of magnitude can be obtained with neighboring values.
  • Figure 2 also shows that the electrical continuity along a grid line, from mesh to mesh is ensured by four conductive bridges 8 covering four insulating bars and four resistive bars 10. Since the mask which was used to engrave them is unique , the conductive bars ensuring the continuity of the grid lines and the resistive bars ensuring the access of the cathode current to the microtips have the same width and length.
  • the same shape of the bars must allow the passage of a large current in the grid lines and only allow the passage of a negligible leakage current from one column to another.
  • This leakage current is inversely proportional to the resistance of the resistive layer 3 while the current of polarization of the grids is inversely proportional to the resistance of the upper conductive layer.
  • a resistance per square of 100 megohms is sufficient to guarantee the emission rate required for a screen.
  • the resistance of the gate metal in comparison is very low: 1 ohm per square in the case of the device produced, thanks to a niobium grid 6 400 nm thick. The resistance ratio in the device was therefore 108.

Abstract

La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une cathode d'écran fluorescent à micropointes, comprenant une plaque support (1) revêtue de conducteurs de cathode en colonnes maillées (2), d'une couche résistive (3) portant des micropointes (4), d'une couche isolante (5) et d'une couche conductrice de grille en lignes (6). Les trois couches supérieures de grille (6), isolante (5) et résistive (3), sont gravées ensemble selon un motif unique ajouré définissant à la fois les lignes de grille et les résistances d'accès aux micropointes (4) par ladite couche résistive. <IMAGE>

Description

  • La présente invention a pour objet un procédé de fabrication de cathode d'écran fluorescent à micropointes, ainsi que le produit obtenu par ce procédé.
  • Elle concerne le secteur industriel des écrans d'affichage plats à adressage matriciel lignes-colonnes, et plus particulièrement des écrans de visualisation utilisant la technologie des micropointes, c'est-à-dire constitués d'un tube à vide formé de deux plaques de verre mince, la plaque arrière, ou plaque cathode, comportant un réseau matriciel d'émetteurs à effet de champ déposés par les techniques de couches minces, et la plaque avant, ou plaque anode, recouverte sur sa face interne d'une couche conductrice transparente portant des luminophores.
  • Dans ce type d'écrans, à chaque point lumineux (pixel) de l'anode, est associé une surface émissive située vis-à-vis et constituée d'un grand nombre de micropointes. Cette surface émissive est définie par l'intersection d'une ligne (grille) et d'une colonne (conducteur cathodique) de la matrice.
  • La cathode d'un écran à micropointes classique est constituée pour l'essentiel de quatre couches déposées successivement sur un substrat de verre ou de silicium, puis gravées, à savoir : une couche conductrice jouant le rôle de "conducteurs colonnes" de cathode, une couche résistive généralement en silicium destinée à limiter la valeur du courant d'émission, une couche isolante et enfin une seconde couche conductrice constituant les "conducteurs lignes" de grille. Après dépôt de ces couches, on forme dans la grille et la couche isolante des trous dans lesquels sont ensuite déposées les micropointes.
  • Dans les procédés connus à ce jour, la réalisation des couches constitutives de la cathode nécessite au minimum quatre, et de préférence cinq, opérations de masquage et de gravure photolithographique, à savoir une gravure des colonnes de cathode, une gravure des trous, une gravure des lignes de grille, une gravure de contacts de cathode, et de préférence une gravure partielle de la couche résistive entre les colonnes de cathode pour éviter des fuites et des couplages entre colonne.
  • Par ailleurs, les images formées par un écran à micropointes sont observées au travers de la plaque anode et c'est la face des luminophores opposée à celle qui reçoit les électrons qui est vue, c'est-à-dire la moins brillante.
  • Un objet de la présente invention est de simplifier la fabrication de la cathode des écrans fluorescents à micropointes en ramenant à trois au lieu de cinq le nombre de niveaux de masquage.
  • Un autre objet de la présente invention est de rendre transparente ladite cathode pour obtenir une amélioration de l'efficacité lumineuse en permettant l'observation du matériau luminescent du côté où les électrons le frappent, à travers la cathode.
  • Ces objets sont atteints en gravant ensemble les trois couches supérieures de la cathode (la grille, l'isolant de grille et la couche résistive), selon un motif unique ajouré qui définit à la fois les lignes de grille et les résistances d'accès aux micropointes par la couche résistive, les conducteurs colonnes étant constitués de mailles métalliques fines.
  • Sur les dessins annexés, donnés à titre d'exemple non limitatif d'une des formes de réalisation de l'objet de la présente invention :
    • la figure 1 représente, vu de dessus et de façon schématique, un point image (pixel) défini comme le croisement d'une ligne et d'une colonne du réseau matriciel,
    • la figure 2 est une vue en perspective cavalière illustrant schématiquement une structure de cathode selon la présente invention, et
    • les figures 3 à 8 illustrent des étapes successives de fabrication de cathode selon l'invention.
  • Les figures 1 et 2 représentent une structure de cathode d'écran à micropointes selon la présente invention. Cette stucture comporte sucoessivement sur un substrat 1 constitué d'une plaque de verre :
    • des "conducteurs colonnes" 2 constitués de bandes ajourées (ou maillées) d'une couche de niobium, d'aluminium ou autre conducteur,
    • une couche résistive 3 sur laquelle seront formées les micropointes 4,
    • une couche isolante 5 (SiO₂ par exemple) qui constitue l'isolant de la grille,
    • une couche conductrice, en niobium ou autre, qui constitue la grille 6 formant les conducteurs lignes.
  • Le croisement d'une ligne et d'une colonne définit un point image 7 ou pixel (figure 1).
  • Un conducteur de colonne 2 est constitué d'une bande ajourée ou maillée. Chaque ligne de grille est faite de mailles consistant en éléments carrés conducteurs 6 reliés entre eux par des ponts conducteurs fins 8 (par souçi de simplification de la figure 2, seuls les ponts longitudinaux ont été représentés ; il est clair qu'il existe aussi deux ponts transversaux pour chaque carré comme le montre la figure 8). Les micropointes 4 sont situées dans les carrés de grille et non dans les ponts conducteurs. Chaque point image 7 est constitué de plusieurs carrés (quatre sur la figure 1 mais beaucoup plus en pratique). Chaque carré porte plusieurs micropointes (quatre sur la figure mais souvent 16 dans un dispositif réel).
  • Les dimensions respectives des mailles des conducteurs colonnes 2 et des carrés constituant la grille 6 sont déterminées de manière à ménager des zones vides 9 entre lesdits carrés et chaque conducteur de colonne. On peut ainsi observer les luminophores d'anode à travers la plaque de cathode 1.
  • La liaison électrique entre la base de chaque micropointe et les quatre côtés d'une maille de cathode est assurée par le passage de courant dans l'épaisseur de chacun des quatre barreaux résistifs 10 et dans l'épaisseur du carré résistif 3.
  • La résistance d'accès aux micropointes est donc contrôlée essentiellement par la géométrie des barreaux ainsi que par la résistivité de la couche résistive.
  • Cette résistance d'accès doit être assez élevée pour uniformiser et limiter le courant d'émission des pointes tout en n'introduisant que quelques volts de chute de tension.
  • Un écran a été réalisé selon l'invention. A titre indicatif, la couche résistive a été réalisée en silicium amorphe offrant une résistance de 100 mégohms par carré, quatre barreaux permettaient l'accès à chaque maille carrée de 25 micromètres de côté ; les barreaux avaient un rapport longueur sur largeur de 2. Sous 80 volts de polarisation grille/cathode, l'émission mesurée était de 500 mA par dm². Des résultats du même ordre de grandeur pourront être obtenus avec des valeurs voisines.
  • La figure 2 montre également que la continuité électrique le long d'une ligne de grille, de maille à maille est assurée par quatre ponts conducteurs 8 recouvrant quatre barreaux isolants et quatre barreaux résistifs 10. Puisque le masque qui a servi à les graver est unique, les barreaux conducteurs assurant la continuité des lignes de grille et les barreaux résistifs assurant l'accès du courant cathodique jusqu'aux micropointes ont les mêmes largeur et longueur.
  • La même forme des barreaux doit permettre le passage d'un courant important dans les lignes de grille et ne permettre le passage que d'un courant de fuite négligeable d'une colonne à une autre. Ce courant de fuite est inversement proportionnel à la résistance de la couche résistive 3 alors que le courant de polarisation des grilles est inversement proportionnel à la résistance de la couche conductrice supérieure. Or, comme il a été déjà mentionné, une résistanoe par carré de 100 mégohms suffit à garantir le taux d'émission requis pour un écran. Par ailleurs, la résistance du métal de grille, en comparaison est très faible : 1 ohm par carré dans le cas du dispositif réalisé, grace à une grille 6 en niobium de 400 nm d'épaisseur. Le rapport des résistances dans le dispositif était donc de 10⁸. Il a alors été expérimentalement démontré que, pour un taux de multiplexage de plusieurs centaines de lignes, un rafraîchissement d'image à 60 Hz, un nombre de niveaux de gris supérieur à 256 par couleur, l'image obtenue est exempte de défauts visuels du type couplage de colonne à colonne ou de ligne à ligne. Il est par ailleurs envisageable de remplaoer le niobium par un métal plus conducteur (l'aluminium est 10 fois plus conducteur).
  • Les figures 3 à 8 illustrent des étapes successives d'un procédé de fabrication selon l'invention :
    • dépôt d'une couche métallique 11 de cathode (figure 3),
    • gravure des colonnes maillées de conducteurs de cathode 2 au moyen d'un premier masque (figure 4),
    • dépôt des couches résistive 3, isolante 5, et de grille 6 (figure 5),
    • gravure des trous 12 des micropointes 4 grâce à un deuxième masque (figure 6),
    • dépôt des micropointes (figure 7),
    • gravure simultanée des grilles 6 et des couches isolante 5 et résistive 3 en lignes ajourées (figure 8) au moyen d'un troisième et dernier masque qui sert également à définir les zones de contact de lignes et de colonnes.
  • Ainsi, avec trois étapes de gravure seulement, on obtient un résultat aussi bon qu'avec cinq étapes de gravure dans l'art antérieur. On obtient de plus un écran observable à partir de la cathode.

Claims (9)

  1. Procédé de fabrication d'une cathode d'écran fluorescent à micropointes, comprenant une plaque support (1) revêtue de conducteurs de cathode en colonnes maillées (2), d'une couche résistive (3) portant des micropointes (4), d'une couche isolante (5) et d'une couche conductrice de grille en lignes (6), caractérisé en ce que les trois couches supérieures de grille (6), isolante (5) et résistive (3), sont gravées ensemble selon un motif unique ajouré définissant à la fois les lignes de grille et les résistances d'accès aux micropointes (4) par ladite couche résistive.
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend seulement trois étapes de gravure.
  3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
    - dépôt d'une couche métallique (11) de cathode,
    - gravure de conducteurs de colonnes maillées (2) dans ladite couche métallique au moyen d'un premier masque,
    - dépôt d'une couche résistive (3) d'une couche isolante (5) et d'une couche conductrice de grille (6),
    - gravure de trous (12) de formation de micropointes (4) grâce à un deuxième masque,
    - dépôt des micropointes (4),
    - gravure simultanée des couches de grille (6), isolante (5) et résistive (3) en lignes ajourées au moyen d'un troisième et dernier masque assurant également le dégagement des prises de contact extérieures des colonnes et des lignes.
  4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le motif de la couche conductrice de la grille (6), de la couche isolante (5) et de la couche résistive (3) est constitué de carrés reliés entre eux par des ponts fins formant ainsi des mailles, chaque point image (7) ou pixel étant constitué de plusieurs mailles.
  5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le trajet du courant passant à travers la couche résistive (3), depuis le maillage fin constituant un conducteur de colonne (2) jusqu'à la base d'une micropointe (4), est défini par quatre barreaux résistifs (10) encadrant chaque maille et formés en même temps que les ponts conducteurs (8) de la grille (6).
  6. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que les dimensions respectives des mailles des conducteurs colonnes (2) et des carrés constituant la grille (6) sont déterminées de manière que, après la troisième gravure, des zones vides (9) subsistent entre lesdits carrés et ledit maillage permettant l'observation de luminophores formés sur une plaque d'anode au travers de la structure de la cathode.
  7. Ecran fluorescent à micropointes muni d'une plaque de cathode (1) comprenant une plaque support (1) revêtue de conducteurs de cathode en colonnes maillées (2), d'une couche résistive (3) portant des micropointes (4), d'une couche isolante (5) et d'une couche conductrice de grille en lignes (6), caractérisé en ce que les trois couches de grille (6), isolante (5) et résistive (3), sont gravées selon un motif unique formant des éléments déterminés de manière à ce que des zones vides (9) subsistent entre lesdits éléments et le maillage de colonnes permettant l'observation de luminophores d'une plaque d'anode au travers de la structure de cathode.
  8. Ecran fluorescent à micropointes selon la revendication 7, caractérisé en ce que les éléments constituant le motif de la grille (6) et des couches isolante (5) et résistive (3) consistent en des carrés recevant les micropointes (4), reliés entre eux par des ponts conducteurs (8) fins pour la grille (6) et des barreaux résistifs (10) ou isolants de manière à former des mailles, chaque point image (7) ou pixel étant constitué de plusieurs mailles, et chaque maille portant plusieurs micropointes (4).
  9. Ecran fluorescent à micropointes selon la revendication 8, caractérisé en ce que la grille (6) est en niobium ou en aluminium d'une épaisseur d'environ 400 nm, et que la couche résistive (3) est réalisée en silicium amorphe offrant une résistance de l'ordre de 100 mégohms par carré, quatre barreaux résistifs (10) ayant un rapport longueur sur largeur de 2 permettant l'accès à chaque maille carrée, celles-ci ayant des côtés d'environ 25 micromètres.
EP95410012A 1994-02-22 1995-02-20 Procédé de fabrication de cathode d'écran fluorescent à micropointes et produit obtenu Expired - Lifetime EP0668604B1 (fr)

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