EP0689222B1 - Method of manufacturing micropoint electron source - Google Patents
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- EP0689222B1 EP0689222B1 EP95400910A EP95400910A EP0689222B1 EP 0689222 B1 EP0689222 B1 EP 0689222B1 EP 95400910 A EP95400910 A EP 95400910A EP 95400910 A EP95400910 A EP 95400910A EP 0689222 B1 EP0689222 B1 EP 0689222B1
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- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J9/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture, installation, removal, maintenance of electric discharge tubes, discharge lamps, or parts thereof; Recovery of material from discharge tubes or lamps
- H01J9/02—Manufacture of electrodes or electrode systems
- H01J9/022—Manufacture of electrodes or electrode systems of cold cathodes
- H01J9/025—Manufacture of electrodes or electrode systems of cold cathodes of field emission cathodes
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- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J1/00—Details of electrodes, of magnetic control means, of screens, or of the mounting or spacing thereof, common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
- H01J1/02—Main electrodes
- H01J1/30—Cold cathodes, e.g. field-emissive cathode
- H01J1/304—Field-emissive cathodes
- H01J1/3042—Field-emissive cathodes microengineered, e.g. Spindt-type
Definitions
- the present invention relates in a way general to cathodic emissive systems using electronic emission by field effect such as by example those of the matrix flat screens used for display of images; it relates more precise, to a process making it possible to improve the characteristics of microtip cathodes and their uniformity over large areas.
- microtip emissive system and its manufacturing process are described in detail by example in document FR-A-2 593 953 of 24/01/1986. We will begin by recalling the known technique for manufacturing such microtips in a structure of this kind, as it emerges from aforementioned document with reference to Figures 1, 2 and 3 attached.
- Figure 1 shows an already developed structure, comprising on a substrate 6 surmounted by an insulator 7, a system of cathode conductors 8 and grids 10a superimposed in cross form with insulation intermediate 12 and a layer for example of nickel 23 deposited on the surface to serve as a mask during microtip production operations.
- This layer 23 of nickel, the grids 10a and the insulator 12 are drilled with holes 16, at the bottom of which is to come and deposit the future microtips made of an electrically conductive metal with the cathode electrode 8.
- microtips as well obtained have certain defects. These faults first come from the fact that the previous method makes it difficult to obtain microtips, the shape is reproducible from one point to another and / or from one cathode to another, especially on large surfaces during mass production. They also come from the fact that, on the other hand, microtips obtained are far from always having the perfect conical shape which we have represented under the reference 18 in FIGS. 2 and 3. Most often in indeed, they have shape inequalities and a majority has a much too large radius of curvature, this which gives them a domed profile as we can see in Figure 4. This domed profile notably decreases their emissivity in a considerable way, that is to say the current density emitted for a grid voltage determined microtip.
- the realization of the cathode requires at least one photolithography step intervening after the realization of the points in particular for the definition of the conductive strips forming the grids. This step creates pollution risks important on the tips (organic residues, traces of cleaning,).
- the emissivity of a point varies so exponential with the shape of the tip and its state of area.
- the object of the present invention is precisely a process for producing electron sources using microtips which allows both to standardize the state of surface and to refine the geometry of the microtips.
- This process thus makes it possible by greatly reducing the dispersions of characteristics from point to point the other and from one source to another to compensate for previous disadvantages and make it easier the production of microtip cathodes with uniform and reproducible characteristics, as well than a high emission level.
- the invention proposes carry out, as a first step, a cleaning which makes it possible to standardize the surface condition and, secondly, a refining step which consists of an additional engraving to give microtips a profile as close as possible to the ideal desired, i.e. with a radius of curvature as small as possible (less than a few tens of nanometers).
- this optimization consists of search, for microtips, of a profile as close as possible to a tapered cone tapered, in other words in search of an effect of tips increased to guarantee a large amplitude of the electric field.
- the step is followed refining of a second cleaning step, consisting of wet chemical cleaning.
- the first cleaning step comprises a first wet chemical cleaning sub-step and a second cleaning sub-step with a plasma, for example with O 2 plasma.
- the refining step by surface etching can be achieved by one any of the known methods which are in particular controlled chemical or electrochemical attack, the attack by reactive ion etching and the attack by ion bombardment.
- the surface attack microtips is performed over a thickness of a few tens to a few thousand Angstroms.
- One of the advantages of the process which is the subject of the present invention is that it applies to treatment very large emissive surfaces, such as meets precisely in flat screens display.
- the process thus makes it possible to correct very simply the approximate shape of the microtips obtained to date and, by removing the dispersal of peak emission characteristics to the other, to allow a level of emission very high and significantly increased electronics compared to those of the prior art, and therefore allow the reduction of the supply voltage required between the grids and cathode conductors for extract the electrons.
- the principle of the invention consists in choose a method for producing microtips which gives them an approximate form (more easy to carry out on large surfaces and less expensive) then cleaning the microtips and finally improve and homogenize their radius of curvature to using, in particular, reactive ion etching or other methods of chemical etching or electrochemical.
- the first part (base) is height such that its top is about the same level than the lower plane of the grid.
- the ripening time must be checked: if it is too important, the top of the tip can quickly find below the lower plane of the grid, this which is very unfavorable to electronic transmission. If it is too small, the radius of curvature is not optimum and the effect sought by the refining is not achieved.
- the ripening time must be sufficient to obtain the optimum radius of curvature of the tip, but if it is longer, the top of the tip always stays above of the lower plane of the grid since it rests on unattacked or slightly attacked material.
- the first part is niobium (Nb)
- the second part is molybdenum, or chromium, or silicon, or iron, or nickel.
- the invention applies to sources in which microdots are not deposited directly on the cathode conductors but by example on a resistive layer inserted between the microtips and cathode conductors.
- This last operation which lasts about ten minutes is done for example with a power of 250 Watts, a plasma pressure of 100 millitorrs and a flow rate of 100 cm 3 / min.
- the cleaning step is followed by a step of refining or etching the tips, for example for molybdenum tips by reactive ion etching in an SF 6 plasma (same equipment as that mentioned above).
- This step eliminates a layer of molybdenum oxide which may have formed during cleaning under O 2 plasma. It also allows microtip etching to modify their shape and in particular to reduce their radius of curvature.
- the conditions of action of the sulfur hexafluoride plasma are for example the following: the operation lasts approximately 20 seconds with a power of 400 W, a flow rate of 40 cm 3 / min under a plasma pressure of 30 millitorrs. At the end of this treatment, a high proportion of microtips have the same profile which approximates the ideal cone profile of FIG. 5 and a very uniform surface condition.
- Figure 6a is a curve showing emissivity of microtips before treatment ripening (dotted curve) and after treatment ripening (solid line curve).
- current density in microamps per millimeter square is plotted on the ordinate and the grid-microtip voltage in volts is plotted on the abscissa.
- the increase in emissivity following treatment immediately appears to be considerable. We therefore effectively obtains microtips, for which the radius of curvature of the end is less than a few tens of nanometers.
- Figure 6b shows emissivity (same units as in FIG. 6a) of the microtips after refining, but before (dotted curve) and after the second cleaning step (curve in solid line). We see that this second cleaning step still allows improve the emissivity of an important factor.
- tip refining processes can be used as an alternative to the one described above, for example by chemical attack (or electrochemical) controlled or by ion bombardment.
- the duration, during which the stage is carried out must be checked in the event that the microdots are made of a single sensitive metal refining, for example molybdenum.
- the grid 10a is geometrically understood between or delimited by two planes, a lower plane (I) and an upper plane (S) (see figure 7a, on which, as in FIGS. 7b, 7c, 8a-c, the references 6, 8, 10a, 12 have the same meaning as in Figures 1 to 5).
- the ripening time should be long enough to obtain the optimum radius of curvature, but despite everything not too long for the tip to remain above the lower plane I of the grid (FIG. 7c).
- a method for obtaining microtips having this structure is derived from the process already described in introduction to making microtips made of a single material.
- the whole then has the overall shape substantially conical of Figure 8a.
- the height H of the base 20 must be sufficient for the vertex A of the cone obtained to be located above the lower plane of the grid 10a.
- A will be located, after the deposit operations which have just been described, above the plan upper of the grid 10a; for this purpose, the height H will be substantially equal to the thickness of the insulation 12, that is to say in this embodiment, at the distance separating the cathode conductor 8 from the plane lower of the grid 10a.
- a microtip cathode obtained by the method described in the present invention can be associated with a structure comprising at least one anode and a cathodoluminescent material to achieve a display device as described in US Patents 4,857,161 (FR-2,593,953), US 4,940,916, US.5 225 820 (FR-2 633 763) or US.5 194 780 (FR-A-2 663 462).
Description
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.The present invention relates in a way general to cathodic emissive systems using electronic emission by field effect such as by example those of the matrix flat screens used for display of images; it relates more precise, to a process making it possible to improve the characteristics of microtip cathodes and their uniformity over large areas.
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.Such a microtip emissive system and its manufacturing process are described in detail by example in document FR-A-2 593 953 of 24/01/1986. We will begin by recalling the known technique for manufacturing such microtips in a structure of this kind, as it emerges from aforementioned document with reference to Figures 1, 2 and 3 attached.
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.Figure 1 shows an already developed structure,
comprising on a
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 apparaítre les micropointes 18
émettrices d'électrons.For the realization of microtips, we
takes in the following way, referring to the figure
2. We start first by performing for example the
deposition of a
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.With a few technological variants, the known method thus described with reference to the figures 1, 2 and 3 is always the one that we apply until today to realize the microtips of the systems to emissive cathode.
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.Unfortunately, microtips as well
obtained have certain defects. these faults
first come from the fact that the previous method
makes it difficult to obtain microtips,
the shape is reproducible from one point to another
and / or from one cathode to another, especially on large
surfaces during mass production. They
also come from the fact that, on the other hand,
microtips obtained are far from always having the
perfect conical shape which we have represented under the
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,...).On the other hand, the realization of the cathode requires at least one photolithography step intervening after the realization of the points in particular for the definition of the conductive strips forming the grids. This step creates pollution risks important on the tips (organic residues, traces of cleaning,...).
Or, l'émissivité d'une pointe varie de façon exponentielle avec la forme de la pointe et son état de surface.However, the emissivity of a point varies so exponential with the shape of the tip and its state of area.
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.Under these conditions, only a small proportion of microtips ensures current system electronics; therefore the effect of average plays badly and the broadcast is not uniform on the whole cathode.
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.According to patent application EP -434330, it is known to make a spike attack after their manufacturing in order to refine their radius of curvature. But this process does not work well for large cathodes surfaces.
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.The object of the present invention is precisely a process for producing electron sources using microtips which allows both to standardize the state of surface and to refine the geometry of the microtips.
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. This process thus makes it possible by greatly reducing the dispersions of characteristics from point to point the other and from one source to another to compensate for previous disadvantages and make it easier the production of microtip cathodes with uniform and reproducible characteristics, as well than a high emission level.
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,
- une étape d'affinage par gravure superficielle
- a first cleaning step,
- a refining step by surface etching
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).In other words, after the manufacturing of microtips, as explained for example in document FR-A-2,593,953, the invention proposes carry out, as a first step, a cleaning which makes it possible to standardize the surface condition and, secondly, a refining step which consists of an additional engraving to give microtips a profile as close as possible to the ideal desired, i.e. with a radius of curvature as small as possible (less than a few tens of nanometers).
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.In practice, this optimization consists of search, for microtips, of a profile as close as possible to a tapered cone tapered, in other words in search of an effect of tips increased to guarantee a large amplitude of the electric field.
Avantageusement, on fait suivre l'étape d'affinage d'une deuxième étape de nettoyage, consistant en un nettoyage chimique humide.Advantageously, the step is followed refining of a second cleaning step, consisting of wet chemical cleaning.
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 O2. Preferably, the first cleaning step comprises a first wet chemical cleaning sub-step and a second cleaning sub-step with a plasma, for example with O 2 plasma.
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.According to the invention, the refining step by surface etching can be achieved by one any of the known methods which are in particular controlled chemical or electrochemical attack, the attack by reactive ion etching and the attack by ion bombardment.
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.According to an implementation characteristic of the process which is the subject of the invention, the surface attack microtips is performed over a thickness of a few tens to a few thousand Angstroms.
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.One of the advantages of the process which is the subject of the present invention, is that it applies to treatment very large emissive surfaces, such as meets precisely in flat screens display. The process thus makes it possible to correct very simply the approximate shape of the microtips obtained to date and, by removing the dispersal of peak emission characteristics to the other, to allow a level of emission very high and significantly increased electronics compared to those of the prior art, and therefore allow the reduction of the supply voltage required between the grids and cathode conductors for extract the electrons.
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. In short, the principle of the invention consists in choose a method for producing microtips which gives them an approximate form (more easy to carry out on large surfaces and less expensive) then cleaning the microtips and finally improve and homogenize their radius of curvature to using, in particular, reactive ion etching or other methods of chemical etching or electrochemical.
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.
- a first part serving as a base, of substantially frustoconical shape, and consisting of a first conductive material, chosen so that it is not or very little attacked by the refining step,
- a second part constituting the point proper and being deposited on the first part, this second part consisting of a second conductive material chosen so that it is attacked by the refining step.
On englobe également, dans le terme "matériau conducteur", les matériaux semi-conducteurs.Also included in the term "material conductive ", semiconductor materials.
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.Preferably, the first part (base) is height such that its top is about the same level than the lower plane of the grid.
L'intérêt de mettre en oeuvre l'invention dans ce cas particulier est le suivant.The advantage of implementing the invention in this particular case is as follows.
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.When the microtips consist of a unique material, sensitive to the refining stage, the ripening time must be checked: if it is too important, the top of the tip can quickly find below the lower plane of the grid, this which is very unfavorable to electronic transmission. If it is too small, the radius of curvature is not optimum and the effect sought by the refining is not achieved.
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.On the contrary, when the microtips are consist of two parts, as described above, the ripening time must be sufficient to obtain the optimum radius of curvature of the tip, but if it is longer, the top of the tip always stays above of the lower plane of the grid since it rests on unattacked or slightly attacked material.
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.According to an exemplary embodiment, the first part is niobium (Nb), the second part is molybdenum, or chromium, or silicon, or iron, or nickel.
L'invention s'applique 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. The invention applies to sources in which microdots are not deposited directly on the cathode conductors but by example on a resistive layer inserted between the microtips and cathode conductors.
De toute façon, les caractéristiques et avantages de l'invention apparaítront 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.
- FIGS. 1 to 3 illustrate different stages of microtip formation, according to a method known from the prior art,
- FIG. 4 schematically represents the shape of the microtips obtained by a known method,
- FIG. 5 schematically represents the desired ideal cone profile,
- FIGS. 6a and 6b illustrate the emissivity of the microtips on the one hand before and after refining treatment and on the other hand before and after the second cleaning step,
- FIGS. 7a, 7b and 7c schematically show the shapes obtained for a microtip made of a single metal, in the case of refining respectively too much, insufficient and optimal,
- Figures 8a to 8c illustrate the refining process for a two-part microtip.
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
0,4 µm),environ - 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.
- sputtering on the
substrate 6, a layer of silicon oxide 7 (see FIG. 1), of about 100 nm, - sputtering deposition, on
layer 7, of a first conductive layer of indium oxide in which thecathode conductors 8 will be produced (thickness about 160 nm), - etching of the first conductive layer to form first parallel conductive strips or
cathode conductors 8, - chemical vapor deposition (from silane gases, phosphine, oxygen) of a second insulating layer of silicon oxide with a thickness of approximately 1 μm (12),
- deposition, by vacuum evaporation, on the silicon oxide layer, of a third conductive layer, in which the
grids 10a (niobium, thickness approximately 0.4 μm) will be formed, - opening of holes 16 (diameter approximately 1.3 μm) in the third conductive layer, by reactive ion etching (GIR) using a plasma of SF 6 , and in the
second layer 12 by reactive ion etching in a plasma of CHF 3 or by chemical attack in a solution of hydrofluoric acid and ammonium fluoride. - deposition of a layer of nickel 23 (FIG. 2) by evaporation under vacuum, under grazing incidence relative to the surface of the structure. The angle α formed between the evaporation axis and the surface of the
layer 10a is close to 15 °. The nickel layer has a thickness of approximately 150 nm, - formation of the microtips by a process described in the introduction to the present application, in conjunction with FIGS. 2 and 3,
- etching the third layer to form second conductive strips parallel to the grids.
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.
- wet chemical cleaning in a detergent bath (TFD4 at 10% in water), at 60 ° C, assisted by ultrasound, all for a period of approximately 5 minutes,
- cleaning by reactive ion etching in an oxygen plasma, for example using equipment sold commercially under the name NEXTRAL 550.
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 cm3/mn.This last operation which lasts about ten minutes is done for example with a power of 250 Watts, a plasma pressure of 100 millitorrs and a flow rate of 100 cm 3 / min.
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 SF6 (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 O2. 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 cm3/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.The cleaning step is followed by a step of refining or etching the tips, for example for molybdenum tips by reactive ion etching in an SF 6 plasma (same equipment as that mentioned above). This step eliminates a layer of molybdenum oxide which may have formed during cleaning under O 2 plasma. It also allows microtip etching to modify their shape and in particular to reduce their radius of curvature. The conditions of action of the sulfur hexafluoride plasma are for example the following: the operation lasts approximately 20 seconds with a power of 400 W, a flow rate of 40 cm 3 / min under a plasma pressure of 30 millitorrs. At the end of this treatment, a high proportion of microtips have the same profile which approximates the ideal cone profile of FIG. 5 and a very uniform surface condition.
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 apparaít 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.Figure 6a is a curve showing emissivity of microtips before treatment ripening (dotted curve) and after treatment ripening (solid line curve). On this graph, current density in microamps per millimeter square is plotted on the ordinate and the grid-microtip voltage in volts is plotted on the abscissa. The increase in emissivity following treatment immediately appears to be considerable. We therefore effectively obtains microtips, for which the radius of curvature of the end is less than a few tens of nanometers.
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.Figure 6b shows emissivity (same units as in FIG. 6a) of the microtips after refining, but before (dotted curve) and after the second cleaning step (curve in solid line). We see that this second cleaning step still allows improve the emissivity of an important factor.
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.Other tip refining processes can be used as an alternative to the one described above, for example by chemical attack (or electrochemical) controlled or by ion bombardment.
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.Advantageously, it is also possible to carry out the second stage of wet chemical cleaning in the laundry bath mentioned above, for a period about 30 minutes.
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.The duration, during which the stage is carried out must be checked in the event that the microdots are made of a single sensitive metal refining, for example molybdenum.
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).The
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.If the ripening time is too long, the
top of
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.If the ripening time is too short, the radius of curvature is not optimum (see Figure 7b) and the desired effect is not achieved.
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).In fact, with the single metal structure, the ripening time should be long enough to obtain the optimum radius of curvature, but despite everything not too long for the tip to remain above the lower plane I of the grid (FIG. 7c).
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.On the contrary, when the point is made up at least two superimposed metals, the ripening time is as we will see, much less critical.
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).
- a first part or
base 20 which has a frustoconical shape, height H. It consists of a first material chosen so that it is not or very little attacked by the refining step described above. This material can for example be niobium, - a
second part 22 which constitutes the point proper. It is placed directly on the first part. It consists of a second material sensitive to the refining step, for example molybdenum, or chromium (Cr), or silicon (Si), or iron (Fe), or nickel (Ni).
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.A method for obtaining microtips having
this structure is derived from the process already described in
introduction to making microtips
made of a single material. We start with
deposit a
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.In fact, the height H of the base 20 must be
sufficient for the vertex A of the cone obtained to be located
above the lower plane of the
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.If a resistive layer is interposed between microdots and cathode conductors there will obviously have to take into account the thickness of this resistive layer.
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 compriseentre 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.
- a first part, substantially frustoconical, of height H, H is preferably substantially equal to the distance separating the
cathode conductor 8 from the lower plane I of thegrid 10a, that is to say substantially equal to the thickness e of l 'insulator 12; for example H will be between 0.8e and 1.1e, (here again, account must be taken of the possible presence of a resistive layer between the microtips and the cathode conductors), - a second conical part, the base of which is of diameter d less than the diameter D of the upper section of the
truncated cone 20.
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 disparaítre qu'après un temps d'attaque
nettement plus long.The time during which the ripening is carried out
must be sufficient to obtain the radius of curvature
sought (Figure 8b), but if this duration is longer
long, the vertex A 'of the point always remains above
of the lower plane of the
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 0,8 et 1,1 µm,entre 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.
- the insulation is made of silica with a thickness close to 1 μm,
- the grid is made of niobium (Nb) with a thickness of approximately 0.4 μm; the holes in the grid have a diameter of the order of 1.4 μm,
- the metal constituting the
base 20 of the tip is made of Nb with a thickness of between 0.8 and 1.1 μm, - the
part 22 is made of molybdenum of sufficient thickness to constitute the tip, for example 1 μm before refining, the refining of this part can be done in the same way as described previously in the embodiment where the microtips are entirely in molybdenum.
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).Finally, a microtip cathode obtained by the method described in the present invention can be associated with a structure comprising at least one anode and a cathodoluminescent material to achieve a display device as described in US Patents 4,857,161 (FR-2,593,953), US 4,940,916, US.5 225 820 (FR-2 633 763) or US.5 194 780 (FR-A-2 663 462).
Claims (12)
- Process for the production of an electron source comprising a system of cathode conductors (8), grids (10a) superimposed with an intermediate insulator (23) and microtips (18), the grids being geometrically located between a lower plane (I) and an upper plane (S), characterized in that the microtips undergo a first cleaning stage and then to a finishing stage by surface etching.
- Process according to claim 1, the refining stage being followed by a second cleaning stage consisting of a wet chemical cleaning.
- Process according to either of the claims 1 and 2, the first cleaning stage comprising a first, wet chemical cleaning substage and/or a second plasma cleaning substage.
- Process according to either of the claims 2 and 3, the chemical cleaning being carried out in a basic lye bath.
- Process according to claim 1, the surface etching finishing stage being performed by any of the methods from among controlled chemical or electrochemical etching, reactive ionic etching and ionic bombardment.
- Process according to claim 5, the finishing stage being a reactive ionic etching stage based on a SF6 plasma.
- Process according to any one of the claims 1 to 6, the surface etching of the microtips being performed over a thickness of a few dozen to a few thousand Angstroms.
- Process according to any one of the claims 1 to 7, characterized in that, prior to the cleaning and finishing stages, the microtips are respectively produced in at least two parts:a first part (20) serving as a base and made from a first conductor material chosen in such a way that it is not or is only very slightly etched by the finishing stage,a second part (22) constituting the actual tip and deposited on the first part, said second part being made from a second conductor material chosen in such a way that it is etched by the finishing stage.
- Process according to claim 8, the base being of height (H) such that its apex is substantially at the same level as the lower plane (I) of the grids (10a).
- Process according to claim 8, the first part (20) being of niobium (Nb).
- Process according to claim 8, the second part (22) being of molybdenum (Mo), chromium (Cr), silicon (Si), iron (Fe) or nickel (Ni).
- Process for the production of a display means by cathodoluminescence, involving the production of an electron source by a process according to any one of the claims 1 to 11.
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