EP0856868B1 - Source d'électrons à micropointes et dispositif de visualisation avec telle source - Google Patents
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- EP0856868B1 EP0856868B1 EP98201095A EP98201095A EP0856868B1 EP 0856868 B1 EP0856868 B1 EP 0856868B1 EP 98201095 A EP98201095 A EP 98201095A EP 98201095 A EP98201095 A EP 98201095A EP 0856868 B1 EP0856868 B1 EP 0856868B1
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- source according
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- H—ELECTRICITY
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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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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- 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 manner general to emitting cathodic systems using electronic emission by field effect such as by example of the matrix flat screens used for the display of images; it relates more of a way to a process for improving the characteristics of microtip cathodes and their uniformity over large areas.
- Figure 1 shows an already elaborate structure, comprising on a substrate 6 surmounted by an insulator 7, a system of cathode conductors 8 and grids 10a superposed in crossed form with an insulator intermediate 12 and a layer of nickel for example 23 deposited on the surface to serve as a mask during operations of making microtips.
- This layer 23 of nickel, the grids 10a and the insulator 12 are pierced with holes 16, in the bottom of which it's a question of coming to deposit the future microtips made of a conductive metal in electrical connection with the cathode electrode 8.
- microtips as well obtained have certain defects. These defects come first from the fact that the previous method makes it difficult to obtain micropoints with the shape is reproducible from one point to another and / or from one cathode to another, especially on large surfaces during mass production. They come from the fact that, on the other hand, obtained micropoints are far from always having the perfect conical shape that has been represented under the reference 18 in Figures 2 and 3. Usually Indeed, they have inequalities of form and majority has a radius of curvature much too high, this which gives them a domed profile as we can see in Figure 4. This dome profile decreases especially their emissivity in a considerable way, that is to say the current density emitted for a grid voltage determined micropoint.
- the realization of the cathode requires at least one photolithography step intervening after the realization of the spikes in particular for the definition of the conductor strips forming the grids. This step creates pollution risks 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.
- a method of making electron sources at micropoints according to the invention allows both to standardize the surface condition and refine the microtip geometry.
- This process thus makes it possible to reduce the dispersions of features from a tip to the other and from one source to another to disadvantages and make it easier to production of microtip cathodes having uniform and reproducible characteristics, than a high level of emission.
- the process proposes to carry out, as a first step, a first cleaning step that allows to standardize the state of surface and, in a second step, a step refining which consists of a complementary engraving to give the microtips a profile as close as possible of the desired ideal, that is to say with a radius of curvature as low as possible (lower a few tens of nanometers).
- this optimization consists of search, for microtips, of a profile as close as possible to a pointed cone tapered, in other words in search of an effect of spikes increased to ensure a large amplitude of the electric field.
- the step is followed refining a second cleaning step, consisting of wet chemical cleaning.
- the first cleaning step comprises a first wet chemical cleaning sub-step and a second plasma cleaning sub-step, for example by O 2 plasma.
- the ripening stage by surface etching can be carried out by one any of the known methods that are particularly controlled chemical or electrochemical attack, reactive ion etching attack and attack by ion bombardment.
- the superficial attack microtips is performed on a thickness of a few tens to a few thousand Angstroms.
- One of the advantages of the process is that it applies to the treatment very large emitting surfaces, such as meet precisely in flat screens display.
- the method thus makes it possible to correct very simply the approximate shape of the microtips obtained to date and, by removing the dispersions of emission characteristics of a peak to the other, to allow a level of emission electronics very high and significantly increased compared to those of the prior art, and therefore to allow the reduction of the supply voltage required between grids and cathode conductors for extract the electrons.
- the principle of the process consists in choosing a method of realizing micropoints which gives for them a shape approximate (easier to achieve on large surfaces and less expensive) then to clean the micropoints and finally to improve and homogenize their radius of curvature using, in particular, a reactive ion etching or other methods of chemical or electrochemical engravings.
- the first part (base) is of height such that its summit is about the same level as the lower plane of the grid.
- the ripening time must be controlled: if it is too much important, the top of the tip can quickly become find below the bottom plane of the grid, this which is very unfavorable to the electronic broadcast. If it is too weak, the radius of curvature is not optimum and the effect sought by 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 from the bottom plane of the grid since it rests on the material not attacked or little attacked.
- the first part is in niobium (Nb)
- the second part is in molybdenum, or chromium, or silicon, or iron, or in nickel.
- the height H is such that the top of the first part is substantially at level of the lower plane of the grids.
- the invention thus applies to sources in which microtips are not deposited directly on the cathodic conductors but by example on a resistive layer interposed between microtips and cathode conductors.
- This last operation which lasts about ten minutes is made 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 a SF 6 plasma (same equipment as mentioned above).
- This step allows the removal of a layer of molybdenum oxide that may have formed at the time of O 2 plasma cleaning. It also allows etching of the microtips 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 as follows: the operation takes about 20 seconds with a power of 400 W, a flow rate of 40 cm 3 / min under a plasma pressure of 30 millitorr. At the end of this treatment, a large proportion of microtips have the same profile which is close to the ideal cone profile of FIG. 5 and a very uniform surface state.
- Figure 6a is a curve showing the emissivity of the microtips before the treatment ripening (dotted curve) and after treatment ripening (curve in solid line).
- the current density in microamperes 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 the treatment immediately appears to be considerable. We so actually gets some microtips, for which the radius of curvature of the end is less than a few tens of nanometers.
- Figure 6b shows the emissivity (same units that in Figure 6a) microtips after refining, but before (dashed curve) and after the second cleaning step (curve in solid line). We see that this second cleaning step still allows to improve the emissivity of an important factor.
- refining tips can be used alternatively to that described above, for example by etching (or electrochemical) controlled or by ion bombardment.
- the duration during which the stage is carried out ripening, must be checked in the event that the microtips are made of a single metal, sensitive for 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 Figures 7b, 7c, 8a-c, references 6, 8, 10a, 12 have the same meaning as in Figures 1 to 5).
- the ripening time is as we will see, much less critical.
- a method for obtaining microtips having this structure is derived from the process already described in introduction to make microtips made of a single material.
- a layer 18a for example in niobium on the nickel layer 23, by evaporation under vacuum at normal incidence, as in the figure 2.
- the set then has the overall shape substantially conic of Figure 8a.
- the height H of the base 20 must be sufficient for the vertex A of the cone obtained to be above the lower plane of the grid 10a.
- A will lie, after the filing operations just described, above the plane upper gate 10a; for this purpose, the height H will be substantially equal to the thickness of the insulator 12, that is to say in this embodiment, at the distance separating the cathode conductor 8 from the plane bottom of the grid 10a.
- a cathode with microtips be associated with a structure comprising at least one anode and a cathodoluminescent material to achieve a viewing device as described in US Pat. Nos. 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).
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Cold Cathode And The Manufacture (AREA)
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- Chemical Or Physical Treatment Of Fibers (AREA)
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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,...).
Or, l'émissivité d'une pointe varie de façon
exponentielle avec la forme de la pointe et son état de
surface.
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.
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.
Un procédé de réalisation de sources d'électrons à
micropointes selon l'invention permet à la fois
d'uniformiser l'état de surface et d'affiner la
géométrie des micropointes.
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.
De façon plus précise,
un procédé de réalisation d'une source
d'électrons à micropointes selon l'invention 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,
soumet les micropointes à :
- une première étape de nettoyage,
puis à :
- une étape d'affinage par gravure superficielle
En d'autres termes, après la fabrication des
micropointes, telle qu'elle est expliquée par exemple
dans le document FR-A-2 593 953, le procédé
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).
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.
Avantageusement, on fait suivre l'étape
d'affinage d'une deuxième étape de nettoyage,
consistant en un nettoyage chimique humide.
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.
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.
Selon une caractéristique de mise en oeuvre du
procédé , l'attaque superficielle
des micropointes est effectuée sur une épaisseur de
quelques dizaines à quelques milliers d'Angströms.
L'un des avantages du procédé
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.
En somme, le principe du procédé
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.
Le procédé 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 ou semi-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 ou semi-conducteur choisi de telle façon à ce qu'il soit attaqué par l'étape d'affinage.
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.
L'intérêt de mettre en oeuvre ce
procédé dans ce cas particulier est le suivant.
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.
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.
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.
L'invention a pour objet une source
d'électrons à micropointes comportant un système de
conducteurs cathodiques, de grilles superposées avec un
isolant intermédiaire et de micropointes déposées dans
des trous pratiqués dans les grilles et l'isolant, les
grilles étant géométriquement comprises entre un plan
inférieur et un plan supérieur, caractérisée en ce que
les micropointes comportent respectivement au moins
deux parties :
- une première partie de forme tronconique, de hauteur H, et constituée d'un premier matériau conducteur ou semi-conducteur,
- une deuxième partie, constituant une pointe conique déposée sur la première partie et étant constituée d'un second matériau conducteur ou semi-conducteur,
De préférence, la hauteur H est telle que le
sommet de la première partie soit sensiblement au
niveau du plan inférieur des grilles.
L'invention s'applique ainsi à des sources dans
lesquelles les micropointes ne sont pas déposées
directement sur les conducteurs cathodiques mais par
exemple sur une couche résistive intercalée entre les
micropointes et les conducteurs cathodiques.
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.
Les étapes du procédé de fabrication d'une
source d'électrons selon l'invention complètent les
procédés connus de formation de cathodes à micropointes
émettrices d'électrons. Un tel procédé est décrit par
exemple dans le document FR-A-2 593 953 (Brevet
américain correspondant : US-A-4 857 161). De façon
résumée il comporte les étapes suivantes :
- dépôt par pulvérisation cathodique sur le substrat 6, d'une couche d'oxyde de silicium 7 (voir figure 1), d'environ 100 nm,
- dépôt par pulvérisation cathodique, sur la couche 7, d'une première couche conductrice en oxyde d'indium dans laquelle seront réalisées les conducteurs cathodiques 8 (épaisseur environ 160 nm),
- gravure de la première couche conductrice pour former des premières bandes conductrices parallèles ou conducteurs cathodiques 8,
- dépôt chimique en phase vapeur (à partir des gaz de silane, phosphine, oxygène) d'une seconde couche isolante d'oxyde de silicium d'épaisseur environ 1 µm (12),
- dépôt, par évaporation sous vide, sur la couche d'oxyde de silicium, d'une troisième couche, conductrice, dans laquelle seront formées les grilles 10a (niobium, épaisseur environ 0,4 µm),
- ouverture de trous 16 (diamètre environ 1,3 µm) dans la troisième couche conductrice, par gravure ionique réactive (GIR) en utilisant un plasma de SF6, et dans la seconde couche 12 par gravure ionique réactive dans un plasma de CHF3 ou par attaque chimique dans une solution d'acide fluorhydrique et de fluorure d'ammonium.
- dépôt d'une couche de nickel 23 (figure 2) par évaporation sous vide, sous incidence rasante par rapport à la surface de la structure. L'angle α formé entre l'axe d'évaporation et la surface de la couche 10a est voisin de 15°. La couche de nickel présente une épaisseur d'environ 150 nm,
- formation des micropointes par un procédé décrit dans l'introduction de la présente demande, en liaison avec les figures 2 et 3,
- gravure de la troisième couche pour former des deuxièmes bandes conductrices parallèles aux grilles.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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).
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.
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.
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).
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.
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).
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.
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.
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.
On peut ensuite procéder aux opérations de
nettoyage et d'affinage qui ont été précédemment
décrites. Du fait du choix initial des matériaux dont
sont constitués les parties 20 et 22, la seule partie
attaquée par l'affinage est la partie 22. La structure
obtenue par le procédé (figures 8b ou 8c) a la forme
suivante :
- une première partie, sensiblement tronconique, de hauteur H, H est de préférence sensiblement égale à la distance séparant le conducteur cathodique 8 du plan inférieur I de la grille 10a, c'est-à-dire sensiblement égale à l'épaisseur e de l'isolant 12 ; par exemple H sera comprise entre 0,8e et 1,1e, (là encore, il faut tenir compte de la présence éventuelle d'une couche résistive entre les micropointes et les conducteurs cathodiques),
- une deuxième partie conique, dont la base est de diamètre d inférieur au diamètre D de la section supérieure du tronc de cône 20.
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.
Selon un exemple de réalisation non limitatif :
- l'isolant est en silice d'une épaisseur proche de 1 µm,
- la grille est en niobium (Nb) d'une épaisseur d'environ 0,4 µm ; les trous dans la grille ont un diamètre de l'ordre de 1,4 µm,
- le métal constituant la base 20 de la pointe est en Nb d'une épaisseur comprise entre 0,8 et 1,1 µm,
- la partie 22 est en molybdène d'une épaisseur suffisante pour constituer la pointe, par exemple 1 µm avant affinage, l'affinage de cette partie pouvant se faire de la même façon que décrit précédemment dans l'exemple de réalisation où les micropointes sont entièrement en molybdène.
Enfin, une cathode à micropointes
selon 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).
Claims (8)
- Source d'électrons à micropointes comportant un système de conducteurs cathodiques (8), de grilles (10a) superposées avec un isolant intermédiaire (23) et de micropointes (18) déposées dans des trous (16) pratiqués dans les grilles et l'isolant, les grilles étant géométriquement comprises entre un plan inférieur (I) et un plan supérieur (S), les micropointes comportant respectivement au moins deux parties :le premier et le second matériau étant choisis de façon à ce que le second matériau soit apte à être affiné par une gravure sélective par rapport au premier matériau.une première partie (20) de forme tronconique, de hauteur H, et constituée d'un premier matériau conducteur ou semi-conducteur,une deuxième partie (22), constituant une pointe conique déposée sur la première partie et étant constituée d'un second matériau conducteur ou semi-conducteur,
- Source d'électrons à micropointes selon la revendication 1, la gravure sélective étant du type attaque chimique ou électrochimique contrôlé, gravure ionique réactive ou bombardement ionique.
- Source d'électrons à micropointes selon l'une des revendications 1 ou 2, la hauteur H de la première partie étant telle que son sommet est sensiblement au même niveau que le plan inférieur (I) des grilles (10a).
- Source d'électrons à micropointes selon l'une des revendications 1 à 3, la première partie (20) étant en niobium (Nb).
- Source d'électrons à micropointes selon l'une des revendications 1 à 4, la deuxième partie (22) étant en molybdène (Mo), en silicium (Si), en chrome (Cr), en fer (Fe) ou en nickel (Ni).
- Source d'électrons à micropointes selon l'une des revendications 1 à 5, les micropointes ayant été soumises à une étape de nettoyage.
- Source d'électrons à micropointes selon l'une des revendications 1 à 6, la deuxième partie des micropointes ayant été soumise à une étape d'affinage par gravure superficielle.
- Dispositif de visualisation par cathodoluminescence, comprenant une source d'électrons à micropointes selon l'une des revendications 1 à 7.
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