FR2629264A1 - Method of manufacturing emitters with field emission tips, and its application to the production of emitter arrays - Google Patents
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Abstract
Description
Procédé de fabrication d'émetteurs à pointes
â émission de champ, et son appLication à
la réallsation de réseaux d'émetteurs
L'lnvention se rapporte aux réseaux denses d'émetteurs à émission de champ, et plus particuliérement à un procédé de fabrication d'émetteurs å pointes utilisables dans de tels réseaux, et est applicable notamment aux systèmes triodes ou aux écrans de visualisation.Method of manufacturing spike emitters
field emission, and its application to
the réallsation of networks of emitters
The invention relates to dense networks of field emission transmitters, and more particularly to a method of manufacturing point emitters usable in such networks, and is applicable in particular to triode systems or display screens.
Pour la réalisation de réseaux bidimensionnels d'émetteurs å émission de champ, la source d'électrons est générale- ment constituée d'un cône métallique émetteur déposé sur un substrat, entouré d'une cavité isolante formée dans une couche mince diélectrique, cette couche comportant a sa partie supé rleure une couche mince métallique formant l'électrode d'extraction. Ce micro-émetteur est réalisé de façon répétitive sur le substrat avec une densité de l'ordre de 106 émetteurs par cm2. For the realization of two-dimensional networks of field emission transmitters, the electron source is generally composed of an emitter metal cone deposited on a substrate, surrounded by an insulating cavity formed in a dielectric thin layer, this layer having at its upper portion a thin metal layer forming the extraction electrode. This micro-emitter is made repetitively on the substrate with a density of the order of 106 emitters per cm 2.
Les micro-émetteurs sont groupés en cellules élémentaires, par exemple de l'ordre de 103 émetteurs ou plus par cellule, chaque cellule constituant une aire d'émission située au noeud d'un réseau matriciel de lignes de cathodes (pointes) et de colonnes d'anodes (électrodes d'extraction).The micro-transmitters are grouped into elementary cells, for example of the order of 103 transmitters or more per cell, each cell constituting a transmission area located at the node of a matrix network of cathode lines (points) and columns. of anodes (extraction electrodes).
On connaît des procédés de fabrication de tels émetteurs à émission de champ. Dans une première famille de procédés de fabrication du type décrit par C. A SPINDT et al - par exemple dans "Journal of applied Physics, vol. 47, nO 12, p.5248, Décembre 1976" -, après avoir gravé la couche métallique déposée sur une couche de diélectrique reposant elle-même sur un substrat en silicium, la couche de diélectrique est gravée par gravure ionique ou chimique puis une couche mince est déposée sur le substrat, dans les trous ainsi formés dans la couche de diélectrique, l'échantillon tournant autour de l'axe du trou de façon à réaliser un dépôt sous forme de cône. Du fait de la rotation, il n'est pas possible de traiter simultanément un grand nombre d'échantillons. Processes for manufacturing such field emitters are known. In a first family of manufacturing processes of the type described by C. A SPINDT et al - for example in "Journal of Applied Physics, Vol 47, No. 12, p.5248, December 1976" - after having etched the metal layer deposited on a dielectric layer itself resting on a silicon substrate, the dielectric layer is etched by ion etching or chemical etching then a thin layer is deposited on the substrate, in the holes thus formed in the dielectric layer, the sample rotating around the axis of the hole so as to make a deposit in the form of a cone. Due to the rotation, it is not possible to simultaneously process a large number of samples.
Un autre de procédé pour realiser des pointes a été décrit dans l'art antérieur : il met en oeuvre une gravure chimique par attaque d'un substrat monocristallin le long de plans préférentiels. Cette technique nécessite un contrôle très rigoureux de l'attaque chimique si l'on veut minimiser la formation de "pointes parasites" due à des inhomogénéités de gravure. Another method for producing tips has been described in the prior art: it implements chemical etching by etching a single-crystal substrate along preferential planes. This technique requires a very rigorous control of the chemical attack if one wants to minimize the formation of "parasitic peaks" due to inhomogeneities of etching.
Les procédés connus ne permettent donc pas de réaliser simplement un réseau d'émetteurs à pointes. The known methods therefore do not make it possible to simply produce a network of point emitters.
L'invention a pour objet un autre type de procédé de fabrication d'émetteur à émission de champ, qui ne présente pas les inconvénients des procédés sus-mentionnés. Pour cela, au lieu de procéder par dépôt sur un substrAt en rotation ou par gravure chimique du substrat silicium pour obtenir une pointe, on procède par épitaxie sélective du silicium. Another subject of the invention is a field emission transmitter manufacturing method which does not have the drawbacks of the aforementioned methods. For this, instead of proceeding by deposition on a substrAt in rotation or by chemical etching of the silicon substrate to obtain a tip, it proceeds by selective epitaxy of silicon.
Selon l'invention, un procédé de fabrication d'émetteurs à pointes à émission de champ, est caractérisé en ce que les pointes sont réalisées par croissance épitaxiale sélective de silicium sur des zones de surface carrée d'un substrat de silicium monocristallin d'orientation, les côtés des zones carrées étant orientés suivant les axes t100 > ou < 110 > du substrat de façon que la croissance épitaxie forme des pointes pyramidales. According to the invention, a method of manufacturing field emission spike emitters is characterized in that the spikes are made by selective silicon epitaxial growth on square surface areas of a monocrystalline silicon substrate of orientation. the sides of the square areas being oriented along the axes t100> or <110> of the substrate so that the epitaxial growth forms pyramidal peaks.
L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristi- ques apparaîtront à l'aide de la description qui suit en référence aux figures annexées. The invention will be better understood and other features will become apparent from the description which follows with reference to the accompanying figures.
- La figure 1 représente la structure générale d'un émetteur à pointe
- Les figures 2a à 2h représentent différentes étapes d'une première variante du procédé de fabrication d'émetteur à émission de champ selon l'invention;
- Les figures 3a à 3g représentent différentes étapes d'une- deuxième variante du procédé de fabrication d'émetteur à émission de champ selon l'invention;
- La figure 4 est une vue en perspective de la structure élémentaire obtenue selon l'invention.- Figure 1 shows the general structure of a peak transmitter
FIGS. 2a to 2h show different stages of a first variant of the field emission transmitter manufacturing method according to the invention;
FIGS. 3a to 3g show different stages of a second variant of the field emission transmitter manufacturing method according to the invention;
FIG. 4 is a perspective view of the elementary structure obtained according to the invention.
La structure d'un émetteur élémentaire est représentée sur la figure 1 : un substrat 1 porte une couche isolante 2 recouverte d'une couche mince conductrice 3 ; un trou ménagé dans les couches isolante et métallique permet de réaliser une pointe conductrice 4 reposant sur le substrat pour l'émission d'électrons lors de l'application d'un potentiel entre la pointe 4 (cathode) et la couche supérieure conductrice 3 (anode). The structure of an elementary emitter is shown in FIG. 1: a substrate 1 carries an insulating layer 2 covered with a conductive thin layer 3; a hole formed in the insulating and metallic layers makes it possible to produce a conductive tip 4 resting on the substrate for the emission of electrons during the application of a potential between the tip 4 (cathode) and the conductive upper layer 3 ( anode).
Le procédé de fabrication selon l'invention procède par épitaxie sélective sur un substrat de silicium, au lieu de procéder par dépôt de métal ou par gravure chimique du silicium, comme représenté sur les figures 2a à 2h et sur les figures 3a à 3g où les mêmes éléments que sur la figure 1 ont été désignés par les mêmes repères. The manufacturing method according to the invention proceeds by selective epitaxy on a silicon substrate, instead of proceeding by metal deposition or by chemical etching of the silicon, as represented in FIGS. 2a to 2h and in FIGS. 3a to 3g where the same elements as in Figure 1 have been designated by the same references.
Pour cela, le substrat de départ 1 est un substrat de silicium monocristallin d'orientation (100) dont les dimensions peuvent être de 4 à 6 pouces au plus, et dont la résistivité est de quelques ohms cm. Ce substrat est représenté sur les figures 2a et 3a. For this, the starting substrate 1 is a monocrystalline silicon substrate orientation (100) whose dimensions can be from 4 to 6 inches at most, and whose resistivity is a few ohms cm. This substrate is shown in Figures 2a and 3a.
La première étape du procédé dans les deux variantes consiste à oxyder la surface du substrat par oxydation thermique du silicium pour obtenir une épaisseur de silice SiO2 correcte, généralement inférieure à 1 ,um. Le substrat monocristallin 1 muni de sa couche isolante de silice, 2, est représenté sur les figures 2b et 3b. The first step of the process in both variants is to oxidize the surface of the substrate by thermal oxidation of silicon to obtain a correct SiO2 silica thickness, generally less than 1 μm. The monocrystalline substrate 1 provided with its insulating silica layer 2 is shown in FIGS. 2b and 3b.
La deuxième étape du procédé consiste à graver cette couche de silice dans les zones où devront être formées les pointes. Pour cela, on dépose dans un premier temps une couche uniforme de résine, sensible à la lumière, aux rayons X, aux électrons, ou aux ions, d'épaisseur fonction de la méthode d'insolation utilisée. Cette couche uniforme de résine est ensuite exposée à travers un masque pour une couche sensible à la lumière ou aux rayons X, ou insolée par écriture directe à l'aide d'un faisceau d'électrons ou un faisceau d'ions pour obtenir le réseau de figures élémentaires souhaité. Chaque figure élémentaire est un carré dont les côtés sont parallèles. aux directions < 100 > ou < 110 > du substrat, de longueur comprise entre une fraction et quelques microns ; le pas du réseau de figures élémentaires est compris entre quelques micromètres et quelques dizaines de micromètres.LA résine est alors développée et la couche de silice 2 attaquée dans les ouvertures ainsi formées dans la couche de résine. Ces ouvertures étant réalisées, le reste de la résine est enlevé. La structure correspondante est représentée sur les figures 2c et 3c. The second step of the process involves etching this layer of silica in the areas where the tips will be formed. For this, we first deposited a uniform layer of resin, sensitive to light, X-rays, electrons, or ions, of thickness depending on the insolation method used. This uniform layer of resin is then exposed through a mask for a light or X-ray sensitive layer, or irradiated by direct electron beam or ion beam writing to obtain the grating. desired elementary figures. Each elementary figure is a square whose sides are parallel. at directions <100> or <110> of the substrate, of length between a fraction and a few microns; the pitch of the network of elementary figures is between a few micrometers and a few tens of micrometers. The resin is then developed and the silica layer 2 etched in the openings thus formed in the resin layer. These openings being made, the rest of the resin is removed. The corresponding structure is shown in Figures 2c and 3c.
La phase suivante est la phase dans laquelle les pointes, 4, de silicium sont réalisées. Pour cela, dans les fenêtres ouvertes dans le couche de silice, on réalise par épitaxie sélective de silicium, des pyramides constituant les pointes. Cette épitaxie est dite sélective, car il n'y a pas de dépôt de silicium sur la surface de la silice 2, mais uniquement sur le fond de la fenêtre d'ouverture constituée de silicium monocristallin d'orientation < 100 > . D'autre part les conditions opératoires de croissance sont choisies pour que se développe un facetage optimum ; ces facettes sont orientées à 450 de la surface du substrat, et sont des facettes à vitesse de croissance lente, le plan du substrat étant ]e plan de croissance à vitesse rapide.Alnsi, par épitaxie à partir d'une zone élémentaire carrée gravée dans la surface de silice, on obtient des pointes pyramidales, 4, représentées sur les figures 2d et 3d. The next phase is the phase in which the spikes, 4, of silicon are made. For this, in the open windows in the silica layer, pyramids constituting the tips are produced by selective silicon epitaxy. This epitaxy is said to be selective because there is no deposit of silicon on the surface of the silica 2, but only on the bottom of the opening window made of monocrystalline silicon of <100> orientation. On the other hand the operating conditions of growth are chosen so that an optimum faceting develops; these facets are oriented at 450 of the surface of the substrate, and are facets with a slow growth rate, the plane of the substrate being the fast-growing plane of growth. Then, by epitaxy from a square elementary zone etched in the silica surface, we obtain pyramidal peaks, 4, shown in Figures 2d and 3d.
L'épitaxie sélective de silicium peut être faite soit à la pres sion atmosphérique, soit à une pression réduite. A la pression atmosphérique le mélange gazeux optimal et un mélange de silane SiH4, d'hydrogène, H2, et d'acide chlorhydrique HC1, à une température comprise entre 10000 et 11000C. A une pression réduite, le mélange gazeux optimal peut être constitué de dichlorosilane, SIH2C12, d'hydroger.2 H2 et d'acide chlorhydrique HCl, à une température comprise entre 850 et 9500 C. A partir de cette phase d'épitaxie, deux variantes sont possibles. Silicon selective epitaxy can be done either at atmospheric pressure or at a reduced pressure. At atmospheric pressure the optimum gas mixture and a mixture of silane SiH4, hydrogen, H2, and hydrochloric acid HC1, at a temperature between 10000 and 11000C. At a reduced pressure, the optimum gas mixture may consist of dichlorosilane, SiH 2 Cl 2, hydrogen 2 H 2 and hydrochloric acid HCl, at a temperature of between 850 and 9500 C. From this epitaxial phase, two variants are possible.
Dans la variante représentée sur les figures 2e à 2f la phase suivante est une phase de dépôt métallique à la surface de la silice et des pointes de silicium. Cette couche mince métallique uniforme 5 d'épaisseur inférieure A 1,um est déposée par évaporation, par pulvérisation ou par épitaxie en phase vapeur elle peut être avantageusement consistîtuée de tungstène, bon émetteur d'électrons. In the variant shown in Figures 2e to 2f the next phase is a metal deposition phase on the surface of the silica and silicon tips. This uniform metal thin film having a thickness of less than 1 μm is deposited by evaporation, sputtering or vapor phase epitaxy. It may advantageously consist of tungsten, a good electron emitter.
Puis dans une phase suivante une couche mince uniforme de diélectrique 2', est déposée sur la couche métallique ; cette couche peut être une couche de silice, comme la couche 2, ou une couche de nitrure. Then, in a subsequent phase, a uniform thin layer of dielectric 2 'is deposited on the metal layer; this layer may be a layer of silica, such as layer 2, or a nitride layer.
La phase suivante est alors le dépôt d'une seconde couche mince métallique uniforme 3 d'épaisseur inférieure à îpin, déposée par les mêmes techniques que précédemment c'est-à-dire par évaporation, ou par pulvérisation, ou par dépôt chimique en phase vapeur. Cette seconde couche de métal est destinée à former l'électrode extractrice, c'est-à-díre l'anode de l'émetteur. Il reste alors à enlever la deuxième couche de métal et la couche de diélectrique sur la pointe formant la cathode 4 de l'émetteur. The next phase is then the deposition of a second uniform metal thin layer 3 of thickness less than 1 μm, deposited by the same techniques as before, that is to say by evaporation, or by sputtering, or by chemical deposition in phase steam. This second metal layer is intended to form the extraction electrode, that is to say the anode of the transmitter. It then remains to remove the second layer of metal and the dielectric layer on the tip forming the cathode 4 of the transmitter.
Pour cela la phase suivante est une phase de dépôt uniforme de résine de masquage comme dans la phase où des ouvertures ont été formées dans la couche de silice, cette résine étant sensible à la lumière, aux rayons X, aux électrons ou aux ions. Une phase de masquage selon le même masque que celui utilisé pour la gravure de la couche de silice permet de réaliser dans la phase suivante après développement de la résine, l'attaque sélective de la deuxième couche mince métallique puis l'enlèvement de la couche diélectrique pour révéler la pointe 4, recouverte de la première couche mince métallique. Cette attaque peut être faite chimiquement. La structure finale après attaque de la couche de métal et de la couche de diélectrique est représentée sur la figure 2h. For this, the next phase is a phase of uniform deposition of masking resin as in the phase where openings have been formed in the silica layer, this resin being sensitive to light, X-rays, electrons or ions. A masking step according to the same mask as that used for the etching of the silica layer makes it possible to carry out, in the following phase after development of the resin, the selective etching of the second metallic thin layer and then the removal of the dielectric layer. to reveal tip 4, covered with the first thin metallic layer. This attack can be made chemically. The final structure after etching of the metal layer and the dielectric layer is shown in Figure 2h.
Le pas entre émetteurs élémentaires est tel qu'il est possible de réaliser le réseau nécessaire à la commande de ces
émetteurs dans les intervalles entre émetteurs .élémentaires, par
gravure des couches minces métalliques. Ces couches métalliques peuvent être constituées de tungstène particulièrement adapté à l'extraction d'électrons, et qui ne s'érode pas sous l'effet des électrons.The step between elementary emitters is such that it is possible to realize the network necessary for the control of these
transmitters in the intervals between the elementary transmitters,
etching thin metal layers. These metal layers may be made of tungsten particularly suitable for the extraction of electrons, and which does not erode under the effect of electrons.
Dans la deuxième variante du procédé de réalisation, après la phase de croissance par épitaxie sélective de silicium dans les zones où la couche de silice a été enlevée, comme représentée sur la figure 3d, on passe directement à une phase de dépôt d'une couche de diélectrique 2' sur l'ensemble formé de la couche de silice et des pointes de silicium, sans dépôt préalable de couche mince métallique. Cette couche de diélectrique 2' représentée sur la figure 3e, est constituée d'un matériau différent de la silice pour que, lors de la découpe ultérieure du diélectrique, cette découpe n'affecte pas la couche sous-jacente de silice 2. In the second variant of the production method, after the phase of growth by selective silicon epitaxy in the zones where the silica layer has been removed, as shown in FIG. 3d, one goes directly to a phase of deposition of a layer. dielectric 2 'on the assembly formed of the silica layer and silicon spikes, without prior deposition of metal thin layer. This dielectric layer 2 'shown in FIG. 3e is made of a material different from silica so that, during the subsequent cutting of the dielectric, this cutout does not affect the underlying layer of silica 2.
La phase suivante, permettant la découpe du diélectrique 2', consiste à effectuer un dépôt de résine, à l'insoler à travers un masque, et à le développer, puis à réaliser une attaque locallsée du diélectrique dans les zones où la résine a été enlevée. La structure à la fin de cette phase est représentée sur la figure 3f. The next phase, allowing the dielectric 2 'to be cut, consists in performing a resin deposition, in insoling it through a mask, and in developing it, then in making a localized attack of the dielectric in the zones where the resin has been removed. The structure at the end of this phase is shown in Figure 3f.
La dernière phase du procédé consiste à déposer une couche mince métallique, qui du fait de la structure obtenue à la fin de la phase précédente va permettre de déposer le métal à la fois sur la surface plane pour former l'anode 3 du diélectrique, et sur les pointes 4 de silicium pour former la cathode émissive
Dans cette variante du procédé, les cathodes des émetteurs à pointes ne sont pas reliées entre elles par une couche métallique plane et les connexions, ainsi que l'apport d'électrons à ces pointes d'émetteurs, doivent être effectuées par tailleurs. Dans ce cas, le substrat de départ est préférentiéllement un substrat fortement dopé N+ de façon à amener les électrons aux pointes métalliques en tungstène par exemple. The last phase of the process consists in depositing a thin metallic layer, which, because of the structure obtained at the end of the preceding phase, will make it possible to deposit the metal on both the plane surface to form the anode 3 of the dielectric, and on the silicon tips 4 to form the emitting cathode
In this variant of the method, the cathodes of the spike emitters are not interconnected by a flat metal layer and the connections, as well as the supply of electrons to these emitter tips, must be carried out by cutters. In this case, the starting substrate is preferably a heavily doped substrate N + so as to bring the electrons tungsten metal tips for example.
La figure 4 est une vue en perspective montrant les facettes d'une pointe d'un émetteur réalise selon la première variante du procédé. Figure 4 is a perspective view showing the facets of a tip of a transmitter made according to the first variant of the method.
La réalisation des connexions et des réseaux d'électrodes nécessaires pour constituer les cellules élémentaires puis le réseau matriciel de lignes de cathodes et de colonnes d'anodes, par exemple pour former un écran de visualisation, n'est pas décrite en détails car elle utilise les technologies classiques en micro-électronique.Mais il ressort de la description qui précède que le procédé de fabrication d'émetteur à pointe selon l'invention est particulièrement bien adapté à la réalisation de réseaux d'émetteurs puisqu'ils n'utilisent que des phases de fabrication dans lesquelles plusieurs échantillons sont traités simultanément dans la même chambre d'épitaxie sans qu'il soit nécessaire que chaque échantillon soit en rotation : les conditions necessaires pour que le procédé soit correctement appliqué étant que l'orientation du substrat monocristallin sur lequel on fait croître le silicium par épitaxie sélective soit orienté convenablement et que l'on obtienne bien une pyramide à facettes lors de la croissance, le mélange gazeux utilisé lors de l'épitaxie ayant la proportion d'acide chlorhydrique adaptée. The realization of the connections and networks of electrodes necessary to constitute the elementary cells and then the matrix network of cathode lines and anode columns, for example to form a display screen, is not described in detail because it uses conventional microelectronics technologies.But from the foregoing description that the method of manufacturing emitter tip according to the invention is particularly well suited to the realization of networks of transmitters since they use only manufacturing phases in which several samples are processed simultaneously in the same epitaxial chamber without the need for each sample to be rotated: the conditions necessary for the process to be correctly applied being that the orientation of the monocrystalline substrate on which the silicon is grown by selective epitaxy is oriented properly and that the a pyramid with facets is obtained during growth, the gaseous mixture used during the epitaxy having the appropriate proportion of hydrochloric acid.
L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation précisément décrits et représentés. En particulier les matériaux indiqués à titre d'exemple peuvent être remplacés par des matériaux dont les propriétés conviendraient à la réalisation de la structure. The invention is not limited to the embodiments precisely described and shown. In particular the materials indicated by way of example may be replaced by materials whose properties would be suitable for producing the structure.
Claims (6)
Priority Applications (6)
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|---|---|---|---|
| FR8803949A FR2629264B1 (en) | 1988-03-25 | 1988-03-25 | METHOD FOR MANUFACTURING FIELD-EMITTING POINT TRANSMITTERS AND ITS APPLICATION TO THE PRODUCTION OF TRANSMITTER ARRAYS |
| JP1504138A JPH02503728A (en) | 1988-03-25 | 1989-03-24 | Method for manufacturing a field emission source and its application to manufacturing an emitter array |
| EP89904094A EP0365630B1 (en) | 1988-03-25 | 1989-03-24 | Process for manufacturing sources of field-emission type electrons, and application for producing emitter networks |
| US07/439,372 US5090932A (en) | 1988-03-25 | 1989-03-24 | Method for the fabrication of field emission type sources, and application thereof to the making of arrays of emitters |
| PCT/FR1989/000142 WO1989009479A1 (en) | 1988-03-25 | 1989-03-24 | Process for manufacturing sources of field-emission type electrons, and application for producing emitter networks |
| DE68913419T DE68913419T2 (en) | 1988-03-25 | 1989-03-24 | METHOD FOR PRODUCING FIELD EMISSION ELECTRON SOURCES AND APPLICATION FOR PRODUCING EMITTER MATRICES. |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR8803949A FR2629264B1 (en) | 1988-03-25 | 1988-03-25 | METHOD FOR MANUFACTURING FIELD-EMITTING POINT TRANSMITTERS AND ITS APPLICATION TO THE PRODUCTION OF TRANSMITTER ARRAYS |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
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| FR2629264A1 true FR2629264A1 (en) | 1989-09-29 |
| FR2629264B1 FR2629264B1 (en) | 1990-11-16 |
Family
ID=9364650
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| FR (1) | FR2629264B1 (en) |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| FR2629264B1 (en) | 1990-11-16 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| ST | Notification of lapse |