FR2571878A1 - Dispositif de visualisation d'images - Google Patents

Abstract

L'INVENTION A POUR OBJET UN DISPOSITIF1 DE VISUALISATION D'IMAGES REPRESENTEES PAR UN SIGNAL VIDEO. CE DISPOSITIF COMPORTE UNE COUCHE2 DE MATERIAU THERMO-INSCRIPTIBLE, DES RESEAUX6, 4 D'ELECTRODES CHAUFFANTES ET D'ELECTRODES DE DISTRIBUTION DE POTENTIEL POUR EXCITER MATRICIELLEMENT CHAQUE POINT DE LA COUCHE DE MATERIAU EN FONCTION D'UN SIGNAL VIDEO A TRADUIRE. CE QUI CARACTERISE L'INVENTION C'EST QUE LE RECEPTABLE QUI CONTIENT LE MATERIAU THERMO-INSCRIPTIBLE EST OBTENU EN CREUSANT UN SUBSTRAT SEMICONDUCTEUR CRISTALLIN16 DANS LEQUEL SONT REALISES ULTERIEUREMENT PAR AILLEURS LES CIRCUITS9, 14 DE COMMANDE DES DIFFERENTES ELECTRODES ET LES ELECTRODES3, 5 ELLES-MEMES. CETTE CAVITE CREUSEE EST FERMEE ULTERIEUREMENT PAR UNE PLAQUE TRANSPARENTE8 DE MANIERE A REALISER UN RECEPTABLE ETANCHE POUR LE MATERIAU THERMO-INSCRIPTIBLE.

Description

DISPOSITIF DE VISUALISATION DAMAGES
La présente invention concerne un dispositif de visualisation d'images. Ce dispositif peut s'appliquer aussi bien å une visualisation directe qu'à une visualisation par projection sur un écran. Le dispositif de l'invention est du type de celui décrit dans le brevet français de la demanderesse n 2 389 955.

Dans ce brevet il est décrit un dispositif comportant une couche de matériau inscriptible par effet thermo-électronique et dont l'inscription est révélée par réflexion ou diffusion d'une lumière éclairante. Ce matériau thermo-inscriptible est par exemple un cristal liquide. Cette couche peut être regardée par un observateur: cest la vision directe. Les rayonnements réfléchis ou diffusés peuvent par ailleurs être projetés sur un écran: ctest la vision indirecte par projection. Dans ce deuxième cas une optique dite de
Schlieren peut être utilisée pour éliminer le plus possible les rayons réfléchis par le dispositif et ne laisser passer que les rayons diffusés par celui-ci.Un objectif de projection de large ouverture recueille la partie du rayonnement diffusé et forme sur un écran de projection une image agrandie de l'image formée sur le dispositif.

L'inscription des informations dans la couche de matériau thermo-inscriptible est obtenue au moyen d'un réseau de lignes chauffantes sous-jacent à un réseau orthogonal de colonnes de distribution de potentiel. Un signal vidéo représentatif d'une image, pour chaque ligne à afficher, est échantillonné en un nombre d'échantillons égal au nombre des électrodes colonnes du dispositif.

Des tensions électriques proportionnelles aux valeurs des différents échantillons sont appliquées aux électrodes colonne respectives.

L'électrode ligne, correspondant à la ligne à afficher, subit alors un cycle échauffement-refroidissement provoqué par un courant qui la traverse momentanément. Ce cycle est propice à l'inscription dans le matériau des informations échantillonnées relatives à chaque colonne. Les inscriptions sont localisées à l'intersection de l'électrode ligne avec chacune des colonnes.

Chaque électrode ligne est reliée, à une extrémité, à un circuit de commande en puissance qui l'alimente à son tour, le moment venu, en courant de chauffage. A leur autre extrémité les lignes sont reliées à une borne commune: la masse. Les électrodes colonne sont reliées, à une de leurs extrémités, chacune à un circuit d'élaboration de potentiel différent. Leurs autres extrémités sont laissées en l'air. Les champs électriques qui orientent les molécules du matériau thermo-inscriptible sont imposés entre chaque électrode colonne et une électrode générale transparente qui recouvre la couche de matériau. Cette électrode générale est maintenue à un potentiel constant. Elle est par exemple aussi reliée à la masse.

Lorsqu'une résolution d'image élevée est requise, par exemple 500X500, le nombre des électrodes ligne et des électrodes colonne est élevé. Compte tenu des dimensions du dispositif le nombre des connexions de oes électrodes à l'électronique de commande devient alors critique. En effet les mille connexions sont à réaliser avec une densité qui est inversement proportionnelle aux dimensions des réseaux. Pour des raisons d'homogénéité de fabrication des réseaux par des méthodes d'intégration électronique, les dimensions en question sont petites.

Par ailleurs, dans le dispositif ayant fait l'objet du brevet cité, le maintien du matériau thermo-inscriptible entre les substrats supportant les différentes électrodes était assuré par des cales étanches qui reliaient ces substrats mécaniquement entre eux. Cette réalisation est peu favorable à une fabrication en série. En effet, pour que les informations soient inscrites dans la couche thermoinscriptible sans qu'il en coûte une trop grande dépense d'énergie, il convient de réduire le plus possible l'épaisseur de cette couche. Dans des conditions normales d'utilisation la couche thermo-inscriptible révèle déjà son information quand son épaisseur est de l'ordre de 5 microns. La réalisation et la mise en place de cales de cette épaisseur est effectivement délicate.A défaut de réaliser de telles cales de faible épaisseur, l'énergie à mettre en oeuvre pour exciter le cristal liquide devient trop forte pour pouvoir être ultérieurement évacuée sans échauffement général du dispositif.

L'invention a pour objet de remédier aux inconvénients cités en proposant un dispositif dans lequel les circuits électroniques de commande et les réseaux d'électrodes sont intégrés sur un même substrat. Par ailleurs ce substrat est lui-même creusé pour servir de réceptacle au cristal liquide de manière à supprimer l'existence des cales.

L'invention concerne un dispositif de visualisation d'images représentées par un signal vidéo, comportant: une couche de matériau inscriptible par effet thermo-électronique, des électrodes ligne chauffantes sous-jacentes a cette couche, des électrodes colonne de distribution de potentiel également sous-jacentes à cette couche et orthogonales aux lignes, et des ensembles de circuits intégrés pour commander d'une part le chauffage des lignes et d'autre part la mise sous tension des colonnes en fonction du signal vidéo à traduire, caractérisé en ce qu'il comporte un substrat semiconducteur cristallin unique dans lequel sont intégrés les ensembles de circuits et les électrodes, et en ce que ce substrat est creusé en dehors dune zone réservée aux circuits et à l'aplomb de la zone réservée aux électrodes, pour former une cavité et servir ainsi de réceptacle à la couche de matériau thermo-inscriptible.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Cette description n'est donnée qu'à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. Sur les figures les mêmes repères désignent les mêmes éléments. Ces figures représentent:
- figure 1, une vue en perspective du dispositif de l'invention
- figure 2 et figure 3, des vues de dessus et en coupe du dispositif précédent.

La figure 1 représente un dispositif 1 de visualisation d'images conforme à l'invention. Ce dispositif apparaît également vu de dessus sur la figure 2, et en coupe sur la figure 3. 11 comporte une couche 2 de matériau inscriptible par effet thermo-électronique.

Dans un exemple la couche 2 est un cristal liquide de type smectique: du cyano-octyl-biphényl. Ce cristal est connu pour passer à l'état isotrope vers 400 centigrades, et pour revenir à l'état smectique vers 300. L'échauffement de la couche 2 est obtenu au moyen de lignes chauffantes telles que 3 qui permettent de sélectionner dans toute la couche une tranche verticale s'élevant dessus de cette ligne. Dans cette tranche on applique, à la fin de l'échauffement et au cours du refroidissement, un champ électrique imposé par un réseau 4 d'électrodes colonne telles que 5. Les électrodes colonne, ou colonnes, sont superposées au réseau 6 des électrodes ligne, ou lignes. Les réseaux sont séparés l'un de l'autre par une couche isolante 7.Le champ électrique est obtenu entre les colonnes et une électrode transparente 13 qui recouvre le matériau 2. L'électrode 13 est plaquée sous une plaque transparente 8. Dans un exemple la plaque 8 est en verre.

Le dispositif comporte encore deux ensembles de circuits intégrés pour commander les lignes et les colonnes. Un premier ensemble 9 de circuits intégrés comporte essentiellement des transistors en technologie bipolaire, tels que 10, pour alimenter en puissance les lignes chauffantes. A cet effet, les lignes chauffantes sont reliées à une première extrémité chacune à un circuit différent et à leur autre extrémité à une borne commune 11 reliée à la masse 12 pour assurer le passage du courant. La technologie bipolaire convient bien pour l'alimentation en courant des lignes puisse dans un exemple le courant qui parcourt ces lignes est de l'ordre de 500 milliampères. En normes télévision le courant dans chaque ligne ne dure que quelques dizaines de microsecondes toutes les 40 millisecondes. Le deuxième ensemble 14 de circuit intégré comporte essentiellement des circuits 15 en technologie CMOS. Par contre le courant qui circule dans les colonnes est quasiment nul puisqu'il n'est question que de créer un champ entre l'électrode 13 et chacune des colonnes 5. Les tensions appliquées aux colonnes 5 résultent de l'échantillonnage du signal vidéo dans les circuits 15. L'application des signaux sur les différentes électrodes est effectuée en fonction du signal vidéo à traduire. Une description détaillée en a été donnée en exemple dans le brevet cité.

Ce qui caractérise l'invention c'est que, ces circuits étant connus (ainsi que leur technologie respective), on intègre sur un même substrat semiconducteur 16 l'ensemble 9 et l'ensemble 14 de ces circuits ainsi que les réseaux 4 et 6 des électrodes. Ce qui caractérise encore l'invention c'est que le substrat 16 a été creusé pour former une cavité de hauteur h pour recevoir la couche de matériau 2. L'étanchéité du réceptacle contenant la couche 2 est obtenue simplement en superposant la plaque de verre 8 à cette cavité et en la scellant au dessus du dispositif par un ruban périphérique de scellement 17. Le ruban 17 assure le scellement et l'étanchéité.On constate que cette solution résout les problèmes évoqués: il n'y a plus de cales à mettre en place, et les raccordements des différentes électrodes aux circuits électroniques étant obtenus par intégration, ne présentent plus de difficulté.

Typiquement l'épaisseur h est de l'ordre de 10 microns. Mais cette valeur peut être changée pour s'adapter aux conditions de fonctionnement par exemple entre 5 et 15 microns. Or, les masques utilisés en photolithographie pour fabriquer des circuits intégrés doivent être mis au point sur l'objet à impressionner avec une tolérance de profondeur de champ qui est bien inférieure à cette épaisseur: en général un micron. Pour résoudre le problème de gravure des électrodes dans des plans plus profonds, dans l'invention, on utilise une double couche de résine photosensible. On répand une première couche de résine d'un type donné (par exemple négatif).

Cette première couche aplanit la surface du cristal semiconducteur après creusement. Puis on réalise une deuxième couche de résine (d'un type différent). On dépouille la deuxième couche par un premier bain d'attaque puis la première couche par un deuxième bain. Ces bains n'agissent sélectivement à chaque fois que sur une des couches. Puis on grave un premier réseau d'électrodes et on recommence la même suite d'opérations pour graver le deuxième réseau d'électrodes. Une autre difficulté réside dans la réalisation des connexions des électrodes. En effet, ces connexions doivent franchir la dénivellation qui les mène du sommet du dispositif au fond de la cavité. Si cette dénivellation est abrupte les métallisations pour réaliser ces connexions sont impossibles à obtenir. Pour résoudre ce problème on réalise des talus inclinés sur les bords de la cavité.Pour ce faire on choisit d'une part un cristal semiconducteur dont les surfaces principales du substrat, orientées selon le plan 100 d'un substrat en silicium monocristallin, sont parallèles au fond de la cavité à réaliser. On effectue le creusement d'autre part par une attaque anisotropique au moyen d'un agent chimique adéquat: par exemple, de la soude caustique. Ceci signifie que l'on attaque le cristal semiconducteur suivant une direction privilégiée: la direction normale au plan du fond de la cavité. Dans ces conditions les bords de la cavité se taillent selon les plans 111 du cristal semiconducteur. Ces bords sont inclinés d'environ 540 par rapport au fond de la cavité.

La planéité du fond ainsi que son parallélisme à l'électrode plaque 13 doivent être aussi parfaits que possible. En effet ils conditionnent- l'homogénéité de l'échauffement de tous les points de la tranche du cristal liquide au-dessus d'une même ligne ainsi que la normalisation des champs électriques créés entre les diverses colonnes et cette plaque 13. De ce point de vue le choix d'un substrat de type 100 est essentiel. De manière à concilier les exigences de la technologie bipolaire et de la technologie CMOS le substrat 16 sera d'un type P. D'une manière préférée le creusement de la cavité est effectué après formation d'une couche épitaxiée de type N sur toute la surface du substrat. L'épitaxie est entreprise après avoir réalisé une couche enterrée 18 dopée N à l'endroit de l'ensemble 9 des circuits bipolaires ainsi qu'à l'aplomb de la base de la cavité.Cette couche enterrée N procure l'avantage de limiter l'éblouissement des ensembles 9 et 14 de circuits lors de l'utilisation du dispositif de l'invention en projection. En effet, dans une utilisation en projection, une lumière intense est dirigée sur le dispositif. Cette lumière intense provoque des créations de paires électron-trou dans le cristal semiconducteur. On a découvert que la réalisation d'une couche enterrée dopée N était de nature à bien neutraliser cet effet résultant de l'éblouissement.

La durée d'un cycle échauffement-refroidissement est liée essentiellement à l'épaisseur d'une couche oxydée 19 (en SiO2) déposée au fond de la cavité dessus de la couche enterrée 18 et en dessous du réseau 6 des lignes 3. En effet, en plus de l'isolation électrique que la couche 19 présente entre les lignes 3 et le substrat 16 cette couche 19 sert d'isolant thermique. Si l'épaisseur de cette couche d'isolation est faible la vitesse de refroidissement des lignes, par dissipation de leur chaleur dans le substrat, est grande.

Pour obtenir alors les bonnes conditions d'échauffement de la tranche il convient d'augmenter la puissance électrique dissipée dans la ligne. En effet si l'épaisseur de la couche 19 est faible, pendant la phase de chauffage une partie de l'énergie est déjà dissipée dans le substrat. L'épaisseur de la couche isolante 19 est donc un compromis entre ces deux contraintes: vitesse de refroidissement - puissance de chauffage. Elle est épaisse par exemple de l'ordre de 5 microns.

La croissance d'une telle couche isolante à la surface d'un substrat est inhabituelle: en général les isolants dans les circuits intégrés ont une épaisseur bien inférieure. Cette couche isolante est obtenue par oxydation de la cavité une fois que celle-ci a été creusée. La cavité, quand elle est creusée, a à peu près le profil marqué par la courbe en tirets 20 sur la figure 3. La couche d'oxyde, trop épaisse pour permettre la réalisation des autres composants actifs, sur le cristal semiconducteur n'est réalisée qu'à l'endroit de la cavité. Elle y est localisée par une couche de nitrure. L'oxydation localisée du silicium sur une épaisseur aussi grande est faite sous haute pression.

Le soulèvement 21 du masque de nitrure de silicium, à l'endroit de la pénétration latérale de l'oxydation sous ce masque, est une conséquence directe de l'épaisseur désirée pour la couche d'isolation 19 ainsi que des conditions dans lesquelles est effectuée l'oxydation.

Alors qu'au sommet de la cavité, au moment de l'oxydation, se produit le soulèvement 21, à la base de la cavité se produit une crevasse 22. Pour remédier à ce défaut de structure on procède au dépôt d'une couche mince d'oxyde de silicium que l'on fait fluer de sorte qu'elle vient remplir la crevasse 22.

Dans un exemple les dimensions du dispositif 1 sont de 20 millimètres par 20 millimètres. La surface active comportant l'ensemble des circuits 9 à technologie bipolaire est de l'ordre de 50 millimètres carrés. La surface active supportant l'ensemble des circuits 14 de technologie CMOS est de l'ordre de 10 millimètres carrés. Les réseaux d'électrodes ligne et colonne développent au fond de la cavité une matrice de 15 millimètres par 15 millimètres.

Cette matrice comporte 250.000 points: il y a 500 lignes et 500 colonnes. La largeur 1 de chacune des électrodes est de l'ordre de 25 microns. L'espace e qui sépare deux électrodes adjacentes vaut environ 5 microns.

Les électrodes ligne sont réalisées d'une maníère préférée en deux couches : une première couche comprenant un alliage de titane et de tungstène (TiW) de 0,15 microns d'épaisseur et une deuxième couche en aluminium de 0,15 microns d'épaisseur également. La couche isolante 7 qui sépare les électrodes ligne des électrodes colonne est à base de silicium dopé à l'azote. Ce mélange a les mêmes propriétés isolantes que le nitrure de silicium (Si3N4) mais présente l'avantage de pouvoir être mis en place à basse température. L'épaisseur de cette couche 7 dans un exemple est de l'ordre de 0,4 microns. Les électrodes colonne 5, les connexions 23 des électrodes ligne à l'ensemble 9, et les connexions 24 des électrodes colonne à l'ensemble 14 sont réalisées en un alliage d'aluminium et de silicium et sont épaisses d'environ 2 microns.Dans cet alliage le silicium est présent pour 2%: il a pour objet d'empêcher la dissolution du silicium dans l'aluminium au-dessus du cristal semiconducteur. L'inclinaison à 54C des parois de la cavité est favorable à une bonne réalisation des connexions 23 et 24.

La réalisation du dispositif s'achève par le dépôt d'une couche de protection 25. La couche 25 est normalement appliquée partout.

Elle est éliminée à l'endroit du cristal liquide, c'est-à-dire à l'endroit de la base de la cavité, de façon à favoriser le couplage thermique entre les électrodes ligne et le cristal liquide. La couche 25 est adaptée à la soudure du ruban 17. En pratique la plaque transparente 8 et l'électrode 13 sont sellées par le ruban 17 sur le substrat 16 après toutes les intégrations mais avant que le cristal liquide ne soit introduit à l'intérieur de la cavité ainsi créée. D'une manière préférée ce cristal liquide y est injecté alors qu'il se trouve en une phase liquide à température suffisante. La mise en place du matériau thermo-inscriptible de ce point de vue est tout à fait comparable à celle qui était employée dans les dispositifs avec les cales. Il y est injecté sous vide.

Claims (11)

REVENDICATIONS

1. Dispositif (1) de visualisation d'images représentées par un signal vidéo, comportant: une couche (2) de matériau inscriptible par effet thermo-électronique, des électrodes ligne chauffantes (3) sousjacentes à -cette couche et des électrodes colonne (5) de distribution de potentiel également sous-jacentes à cette couche et orthogonales aux lignes, des ensembles (9,14) de circuits intégrés (10,lus) pour commander d'une part le chauffage des lignes et d'autre part la mise sous tension des colonnes en fonction du signal vidéo à traduire, caractérisé en ce qu'il comporte un substrat (16) semiconducteur cristallin unique dans lequel sont intégrés les ensembles de circuits et les électrodes et en ce que ce substrat est creusé (h) en dehors d'une zone réservée aux circuits et à l'aplomb de la zone réservée aux électrodes pour former une cavité et servir de réceptacle à la couche de matériau thermo-inscriptible.

2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le substrat est un substratde silicium d'orientation 100, de type P, et en oe que le creusement est obtenu par attaque anisotropique de manière à ce que les parois du réceptacle soient inclinées selon des plans 111 du cristal semiconducteur.

3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que le fond de la cavité est recouvert d'une couche enterrée (18) fortement dopée (N+) destinée à éviter l'éblouissement des circuits intégrés.

4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que les électrodes colonne sont séparées des électrodes ligne par une couche isolante (7) en SiN.

5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 a 4 caractérisé en ce que les électrodes ligne sont réalisée en deux couches une première couche comprenant un alliage'de titane et de tungstène sous-jacente à une deuxième couche en aluminium.

6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 a 5 caractérisé en ce que les électrodes colonne et les connexions des électrodes aux circuits intégrés de commande sont réalisées en un alliage d'aluminium dopé au silicium.

7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que les circuits (14) de commande des électrodes colonne sont réalisées en technologie CMOS.

8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que les circuits (9) de commande des électrodes ligne sont réalisées en technologie bipolaire.

9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que la profondeur de la cavité (h) creusée mesure entre 5 et 15 microns d'épaisseur.

10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 caractérisé en ce que la cavité est recouverte d'une plaque transpa rente (8) servant de support à une contre électrode transparente (13).

11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 10 caractérisé en ce que le substrat (16) surmonté de la couche enterrée (18) est séparé des électrodes par une couche isolante (19) en oxyde de silicium, d'une épaisseur d'environ 5 microns.