FR2735900A1 - Source d'electrons du type a emission de champ et procede pour la fabriquer - Google Patents

Abstract

Cette source d'électrons comprend une cathode (11) comprenant des émetteurs coniques (15), un premier film isolant (17) entourant les émetteurs, une électrode (12) d'extraction d'électrons située sur le film isolant, un second film isolant (16) situé sur l'électrode d'extraction, une électrode de focalisation (13) située sur le second film isolant pour focaliser les électrons extraits de l'émetteur, les premier et second films (17, 16) et les électrodes (12, 13) étant évidés pour former des puits (10) entourant les émetteurs, et des moyens pour réduire la perturbation liée à un champ électrique autour du sommet de l'émetteur (15). Application notamment aux sources d'électrons utilisées dans un dispositif d'affichage à tube cathodique ou à tube à vide.

Description

La présente invention concerne une source d'élec-

trons et plus particulièrement une source d'électrons du type à émission de champ électrique pour un dispositif

d'affichage à tube cathodique, un tube à vide, un disposi-

tif de fabrication de semiconducteurs, etc., et un procédé

pour fabriquer la source d'électrons.

En tant qu'arrière-plan technologique, on utili-

sait une source d'électrons, qui fonctionne selon le prin-

cipe de l'émission thermo-ionique à partir d'un filament thermique, principalement dans le domaine de dispositifs d'affichage d'images utilisant un tube cathodique ou un

tube à vide.

Cependant on a développé récemment une source d'électrons, qui fonctionne selon le principe de l'émission de champ et pour laquelle on met en oeuvre des techniques d'usinage précis dans une zone semiconductrice, étant donné que les dispositifs d'affichage d'images deviennent de plus

en plus minces et de plus en plus légers.

La figure 17, annexée à la présente demande, est une vue en coupe qui illustre une partie d'une source d'électrons de base du type à émission de champ, décrite par exemple dans le brevet US 5 070 282. Sur la figure 17, un émetteur 104, à partir duquel des électrons sont émis, est réalisé sous une forme conique en étant intégré à un

substrat 101 qui constitue une électrode formant cathode.

Sur le substrat 101, on dépose successivement un film isolant 105, une électrode d'extraction 102, un film isolant 106, une électrode de focalisation 103, un film isolant 107 et une électrode accélératrice 108, les

électrodes et les films entourant l'émetteur.

Lorsqu'on applique une tension provenant d'une source de tension 109 entre l'électrode d'extraction 102 et le substrat 101, des électrons sont extraits à partir de la

pointe de l'émetteur 104, puis sont focalisés par la ten-

sion de la source de tension 110 qui est appliquée à l'électrode de focalisation 103. Les électrons sont en outre accélérés par la tension de la source de tension 111, appliquée à l'électrode accélératrice 108 avant d'être finalement émis sous la forme d'un faisceau d'électrons 100. Dans cette forme de réalisation on utilise une structure à trois couches constituée par l'électrode d'extraction 102, l'électrode de focalisation 103 et l'électrode accélératrice 108, qui sont toutes placées à des potentiels différents. Cependant, pour réaliser l'émission d'électrons, seule l'électrode d'extraction 102

est nécessaire.

On va maintenant décrire le fonctionnement de la source d'électrons. L'application d'une tension positive de V par exemple par la source d'alimentation 109 à l'électrode d'extraction 102, par rapport à l'électrode formant cathode (substrat) 101 produit un champ électrique

d'environ 107 V/cm sur la pointe de l'émetteur 104 et pro-

voque l'émission d'électrons à partir de l'émetteur 104, par effet tunnel. L'intensité du courant produit par les électrons émis est comprise entre 25 et 100 pA pour chaque émetteur. Naturellement, lorsque la densité des émetteurs 104 augmente, la densité de courant augmente, mais la consommation en énergie est extrêmement faible étant donné

que des courants circulent difficilement à travers l'élec-

trode d'extraction 102.

Dans la source d'électrons du type à émission de

champ électrique décrite précédemment, le faisceau d'élec-

trons 100 émis tend à diverger sur la base des influences de la distribution du champ électrique, qui reproduit la forme de la pointe de l'émetteur 104. Pour cette raison, une tension, qui est approximativement identique à celle appliquée à l'électrode formant cathode 101, est appliquée

à l'électrode de focalisation 103 par la source d'alimen-

tation 110, de manière à décélérer des électrons émis, ce

qui permet de focaliser le faisceau d'électrons 100.

Le faisceau d'électrons 100 est ensuite accéléré par l'électrode accélératrice 108, à laquelle une tension positive est appliquée par la source d'alimentation 111,

avant que le faisceau d'électrons soit projeté. Il est éga-

lement possible d'accélérer le faisceau d'électrons 100 en

utilisant une anode externe à la place de l'électrode accé-

lératrice 108.

On peut fabriquer des réseaux contenant

approximativement un million d'émetteurs, avec une sépara-

tion de quelques microns à quelques dizaines de microns

moyennant l'utilisation d'une technique de gravure photo-

chimique et des films en couches minces, ce qui permet la réalisation d'une source d'électrons possédant un courant maximum de 100 A. La source d'électrons ainsi obtenue ne présente aucune perte de puissance hormis une consommation de puissance due au courant traversant l'électrode formant cathode 101, et par conséquent se caractérise par une

faible émittance et l'absence d'un faisceau divergent.

Le procédé pour fabriquer une telle source clas-

sique d'électrons du type à émission de champ électrique est décrit par exemple aux pages 25 à 28 de l'ensemble d'articles présentés à la conférence "7th International Vacuum Microelectronics Conference", Juillet 1994. Les figures 18(a) à 18(f), qui sont annexées à la présente demande, sont des vues en coupe transversale illustrant les étapes de fabrication de la source d'électrons du type à émission de champ électrique, décrite aux pages 25 à 28 de

l'ensemble d'articles présentés à la conférence "7th Inter-

national Vacuum Microelectronics Conference", Juillet 1994.

En référence à la figure 18(a), on forme un film

circulaire 112 de SiO2 sur un substrat 101 formé d'un semi-

conducteur, tel que du Si, ou d'un conducteur, tel que du

Al, en mettant en oeuvre un processus de corrosion utili-

sant un film de résine photosensible 113a. Après élimina-

tion du film de résine photosensible 113a, on corrode de façon isotrope le substrat 101 en Si en utilisant comme

masque le film circulaire 112 de SiO2, puis on oxyde ther-

miquement la surface du substrat 101. Ceci conduit à la formation d'un film d'oxyde 101a sur toute la surface du substrat 101, comme représenté sur la figure 18(b). Lors de l'étape suivante, on dépose successivement, sur le film d'oxyde 101a, un film isolant 105 en SiO2 et une électrode 102 formée de niobium Nb, comme représenté sur la figure 18(c). On dépose une autre résine photosensible 113b sur l'électrode 102 de manière à former une borne de connexion

comme représenté sur la figure 18(d), et on dépose succes-

sivement un film 106 de SiO2 et une électrode 103 sur la résine photosensible 113b et sur l'électrode 102 comme

représenté sur la figure 18(e).

Enfin, on élimine la résine photosensible 113b et

on élimine également le film circulaire 112 de SiO2 en uti-

lisant de l'acide fluorhydrique. Il en résulte qu'une par-

tie du film d'oxyde 101a est éliminée en grande partie du substrat 101, ce qui conduit à la formation d'un émetteur de forme conique 104 possédant un sommet pointu, dans une ouverture 120 comme cela est représenté sur la figure 18(f). A titre d'exemple de dimensions, le diamètre de l'ouverture 120, dans lequel l'émetteur 104 est situé, est compris entre 2 et 3 pm, la hauteur de l'émetteur conique 104 est égale à 1 pm et le diamètre du sommet de l'émetteur 104 est égal à 0,06 pm. Il n'est pas nécessaire d'augmenter l'épaisseur des électrodes 102 et 103 tant qu'elles sont suffisamment épaisses pour résister à la tension qui leur est appliquée, et par conséquent l'épaisseur des électrodes

est comprise de façon typique entre 0,1 et 0,3 pm.

On règle habituellement l'épaisseur du film iso-

lant 105 de manière qu'elle soit presque équivalente à la hauteur de l'émetteur pour garantir une émission efficace d'électrons à partir du sommet de l'émetteur 104. En outre l'épaisseur de la couche isolante 106 est également réglé

sur la même valeur, à savoir 1 pm, que celle du film iso-

lant 105 de manière à fournir une rigidité diélectrique

adéquate entre l'électrode 102 et l'électrode 103.

Un canon à électrons de tube cathodique est l'un

des exemples, auxquels la source d'électrons indiquée pré-

cédemment est appliquée. La figure 19, annexée à la pré-

sente demande, représente la configuration d'un tel canon à électrons. Sur la figure 19, un faisceau d'électrons émis

par une source d'électrons (une source d'électrons consti-

tuée par un émetteur de champ) 121 traverse une première

électrode formant anode 122 et une seconde électrode for-

mant anode 123 pour être accéléré, et un point de croise-

ment 127 défini par des lentilles électroniques 124, 125.

Ensuite le faisceau d'électrons est focalisé par une élec-

trode de convergence 126 et les trajectoires des électrons sont commandés par un aimant déviateur 128 avant que le

faisceau d'électrons traverse un masque 129 pour être foca-

lisé sur une plaque fluorescente 131 comportant un revête-

ment arrière 130 en aluminium.

La source classique d'électrons du type à émis-

sion de champ, qui est agencée comme décrit précédemment, requiert qu'une tension nécessaire pour l'obtention d'une excellente caractéristique de focalisation soit appliquée à l'électrode de focalisation 103. Dans le cas o une tension supérieure à celle de l'électrode d'extraction est appliquée, une tension élevée telle que quelques kilovolts est requise, ce qui pose un problème en ce qu'il est nécessaire d'augmenter l'épaisseur du film isolant entre l'électrode d'extraction et l'électrode de focalisation de manière à obtenir une caractéristique adéquate de tenue de tension, qui conduit au fait que la consommation d'énergie est accrue de façon correspondante. Pour cette raison, une tension inférieure à celle de l'électrode d'extraction est habituellement appliquée à l'électrode de focalisation, et

par exemple un potentiel de 0 volt est appliqué à l'élec-

trode de focalisation et un potentiel de 100 volts est

appliqué à l'électrode d'extraction.

Cependant l'application, à l'électrode de foca- lisation, d'une tension inférieure à celle appliquée à l'électrode d'extraction pose un problème consistant en ce que le champ électrique au sommet de l'émetteur est réduit

en raison de l'influence de la tension appliquée à l'élec-

trode de focalisation et que la quantité d'électrons émis

par effet tunnel est fortement réduite.

La figure 20, annexée à la présente demande, représente les résultats d'expériences exécutées pour déterminer les variations du courant d'anode et l'angle de divergence du faisceau d'électrons par rapport à la tension appliquée à l'électrode de focalisation. Sur la figure 20,

la tension appliquée à l'électrode d'extraction est norma-

lisée à la valeur de 100 V. On comprendra, en considérant

le diagramme de la figure 20, que lorsque la tension appli-

quée à l'électrode de focalisation augmente, le courant

d'anode augmente ce qui permet d'obtenir une intensité suf-

fisante du rayonnement électronique, tandis que les fais-

ceaux d'électrons divergent. D'autre part, si la tension

appliquée à l'électrode de focalisation diminue, les fais-

ceaux d'électrons sont focalisés, mais ceci entraîne une

réduction importante de l'intensité du courant. Cela signi-

fie que la tension appliquée à l'électrode de focalisation est suffisamment basse pour que le champ électrique autour

du sommet de l'émetteur soit perturbé.

C'est pourquoi, la présente invention a été mise

au point pour éliminer les problèmes de la source d'élec-

trons de base décrite précédemment.

C'est pourquoi, un but de la présente invention est de fournir une nouvelle source d'électrons, qui se caractérise par une densité de courant élevée et une bonne

performance de focalisation.

Un autre but de la présente invention est de fournir une nouvelle source d'électrons, dans laquelle un courant d'anode ne diminue pas même lorsqu'une tension inférieure à celle de l'électrode d'extraction est appli-

quée à l'électrode de focalisation.

Un autre but de la présente invention est de fournir une nouvelle source d'électrons, qui empêche qu'une

influence d'une tension appliquée à l'électrode de focali-

sation n'affecte l'émetteur.

Un autre but de la présente invention est de

réduire la perturbation que la tension appliquée à l'élec-

trode de focalisation provoque dans le champ électrique

autour du sommet de l'émetteur.

Pour atteindre de tels objectifs, selon une caractéristique, la source d'électrons selon la présente invention comprend une électrode formant cathode comprenant

au moins un émetteur de forme conique; un premier film iso-

lant entourant l'émetteur ou la pluralité d'émetteurs; une première électrode d'extraction disposée sur ledit film isolant et extrayant des électrons de l'émetteur ou de la pluralité d'émetteurs; un second film isolant disposé sur

ladite électrode d'extraction; une électrode de focalisa-

tion disposée sur ledit second film isolant pour focaliser

les électrons extraits dudit émetteur ou de ladite plura-

lité d'émetteurs; lesdits premier et second films isolants

et ladite première électrode d'extraction et ladite élec-

trode de focalisation étant évidées de manière à constituer un puits entourant ledit émetteur ou ladite pluralité

d'émetteurs, et des tensions prédéterminées étant appli-

quées à ladite première électrode d'extraction et à ladite électrode de focalisation pour commander respectivement l'émission des électrons à partir dudit émetteur ou de ladite pluralité d'émetteurs; et des moyens pour réduire une perturbation consistant en ce que la tension appliquée à ladite électrode de focalisation fait apparaître un champ électrique autour d'un sommet dudit émetteur ou de ladite

pluralité d'émetteurs.

En outre, la source d'électrons selon la présente invention peut être fabriquée au moyen d'un procédé consis- tant à déterminer l'épaisseur d'un matériau de masquage de telle sorte que, lors de la formation de l'émetteur conique, une zone occupée par les films déposés sur le matériau de masquage dans le puits est inférieure à celle du puits lorsque toutes les couches ont été formées; former l'émetteur de forme conique dans l'électrode formant

cathode en utilisant le masque possédant l'épaisseur déter-

minée lors de la première étape; former successivement, sur ledit substrat, le premier film isolant, l'électrode d'extraction, le second film isolant et l'électrode de focalisation; éliminer successivement ledit masque et les

films déposés sur ledit masque.

D'autres caractéristiques et avantages de la pré-

sente invention ressortiront de la description donnée ci-

après prise en référence aux dessins annexés, sur les-

quels: - la figure 1 représente une coupe montrant une configuration d'une partie d'une source d'électrons selon une première forme de réalisation de la présente invention; - la figure 2(a) est une vue en plan montrant une configuration réelle de la source d'électrons selon la présente invention;

- la figure 2(b) est une vue en coupe transver-

sale prise suivant la ligne B-B sur la figure 2(a);

- la figure 3 est un graphique montrant un résul-

tat d'analyse du champ électrique, qui indique une relation

entre une épaisseur d'une électrode d'extraction et un cou-

rant d'émission;

- la figure 4 est un graphique mntrant un résul-

tat d'analyse du champ électrique, qui indique une relation

entre une épaisseur d'une électrode d'extraction et un cou-

rant total d'émission;

- la figure 5 est un graphique montrant une rela-

tion entre la tension appliquée à l'électrode de focalisa-

tion et le courant d'anode observé lorsqu'on modifie l'épaisseur de l'électrode d'extraction; - la figure 6 est une vue en coupe transversale montrant une configuration d'une partie d'une source d'électrons selon une seconde forme de réalisation de la présente invention; - la figure 7 est un graphique illustrant un résultat d'analyse du champ électrique, qui indique une relation entre l'épaisseur d'une seconde couche isolante et un courant émis; - la figure 8 est un graphique illustrant le résultat d'analyse du champ électrique, qui indique une relation entre l'épaisseur d'une seconde couche isolante et un courant total émis; - la figure 9 est une vue en coupe transversale montrant une configuration d'une partie d'une source d'électrons selon une troisième forme de réalisation de la présente invention; - la figure 10 est un graphique illustrant l'effet produit par une structure d'électrodes à trois étages, qui comporte une seconde électrode d'extraction; - la figure 11 est une vue en coupe transversale montrant une configuration d'une partie de la source d'électrons selon une quatrième forme de réalisation de la présente invention; - les figures 12(a)-12(e) sont des vues en coupe transversale illustrant un procédé pour fabriquer une source d'électrons; - les figures 13(a) et 13(b) sont des schémas montrant la différence entre les configurations d'une source d'électrons fabriquée en fonction d'une épaisseur d'un masque; - la figure 14 est un graphique illustrant la relation entre une hauteur par rapport à un substrat et un diamètre d'un dépôt sur un masque et un diamètre intérieur d'un puits ou d'une ouverture, qui est utilisé pour déter- miner l'épaisseur d'un masque; - la figure 15 est une vue en coupe transversale montrant une configuration d'un tube cathodique incorporant la source d'électrons selon l'une quelconque des quatre premières formes de réalisation de la présente invention; - la figure 16 est une vue en coupe transversale montrant une configuration d'un tube cathodique incorporant une pluralité de sources d'électrons selon l'une quelconque des quatre premières formes de réalisation de la présente invention; - la figure 17, dont il a déjà été fait mention,

est une vue en coupe transversale représentant une configu-

ration d'une source d'électrons de base; - les figures 18(a) à 18(f), dont il a déjà été

fait mention, sont des vues en coupe transversale illus-

trant un procédé de fabrication de la source d'électrons de base; - la figure 19, dont il a déjà été fait mention,

est une vue en coupe transversale illustrant une configura-

tion d'un tube cathodique de base; et - la figure 20, dont il a déjà été fait mention,

représente un graphique montrant la relation entre la ten-

sion appliquée à une électrode de focalisation et un cou-

rant d'anode et un angle de divergence d'un faisceau

d'électrons dans la source d'électrons de base.

En se référant maintenant aux dessins, sur les-

quels des éléments de type identique ou qui se correspon-

dent sur les différentes vues sont désignés par les mêmes chiffres de référence, on va décrire une première forme de réalisation de la présente invention en se référant aux l1

figures 1 et 2.

La figure 1 est une vue en coupe transversale d'une partie d'une source d'électrons selon la présente invention. En se référant maintenant à la figure 1, un substrat en silicium constituant une électrode formant cathode 11 est fixé sur un substrat 14 qui est réalisé par

exemple en verre. On traite la surface de l'électrode for-

mant cathode 11 pour obtenir un émetteur de champ 15 de forme conique. La source d'électrons est constituée par une électrode d'extraction 12 servant à extraire des électrons

en direction de l'émetteur 15, une électrode de focalisa-

tion 13 pour commander les trajectoires des électrons émis, un premier film isolant 17 déposé entre l'électrode 12 et le substrat 14, et un second film isolant 16 déposé entre

les électrodes 13 et 12 sur le substrat 14.

Des puits ou ouvertures 10, formés par des évidements dans les films 16, 17 et les électrodes 12, 13, et les émetteurs de champ 15 sont disposés par exemple en étant répartis avec un pas de 7,5 pm dans une zone d'un diamètre de 200 pm, comme cela est représenté par des lignes formées de tirets sur la figure 1, et au moins 600 d'entre eux peuvent être incorporés dans cette zone, bien que la figure 1 représente seulement une partie de ces puits ou ouvertures. Les pointes des émetteurs de champ 15 sont situées à un niveau presque aussi élevé que la surface

inférieure de l'électrode d'extraction 12.

La figure 2(a) est une vue en plan montrant la

configuration réelle d'une source d'électrons selon la pré-

sente invention. La figure 2(b) est une vue en coupe trans-

versale prise suivant la ligne A-B sur la figure 2(a).

Sur la figure 2(a), l'électrode de focalisation 13 possède une zone circulaire d'un diamètre d'environ 300 pm, qui comporte une pluralité d'ouvertures 10 dans sa

partie centrale, c'est-à-dire la zone d'émission d'élec-

trons, et possède un câblage linéaire 21 qui s'étend sur le côté gauche de la figure 2 pour être raccordé à une borne de liaison 22 située sur l'autre partie de la couche isolante 16. De façon analogue, l'électrode d'extraction 12 s'étend vers le côté droit de la figure 2 au moyen d'un câblage linéaire 23 de manière à être connectée à une borne de liaison 24 exposée. L'électrode formant cathode 11 s'étend également extérieurement au moyen d'un câblage linéaire 25 pour être raccordée à une borne de liaison 26

exposée. Les conducteurs 27, 28, 29 sont connectés respec-

tivement aux bornes de liaison 22, 24 et 26 de manière que

des tensions puissent leur être appliquées.

On va maintenant décrire le fonctionnement de la

source d'électrons représentée de la première forme de réa-

lisation en référence aux figures 3 à 5. On applique une tension de + 60 à +110 V à l'électrode d'extraction 12 par rapport à la tension appliquée à l'électrode formant cathode 11, et une tension de 0 à +20 V à l'électrode de focalisation 13 par rapport à la tension appliquée à l'électrode formant cathode 11. L'électrode d'extraction 12 est suffisamment épaisse pour réduire la perturbation que

la tension appliquée à l'électrode de focalisation 13 pro-

duit dans le champ électrique entourant la pointe des émet-

teurs 15; c'est pourquoi il est possible de réduire l'influence du champ électrique produit autour de la pointe des émetteurs 15, à partir de l'électrode de focalisation 13. La figure 3 représente un résultat d'analyse du champ électrique, basé sur le calcul des différences finies et servant à illustrer la relation entre le rapport de l'épaisseur de l'électrode d'extraction 12 à la hauteur des émetteurs 15, et les courants émis par les sommets des émetteurs 15. L'axe des abscisses indique le rapport de l'épaisseur de l'électrode d'extraction 12 à la hauteur des émetteurs 15, et l'axe des ordonnées indique les valeurs du courant, qui est émis par les pointes des émetteurs 15, indiquant ici en tant que valeur 100 % la valeur du courant obtenu lorsque l'électrode de focalisation 13 n'est pas utilisée. Le point A sur la figure 3 indique le pourcentage du courant d'émission lorsque l'électrode de focalisation 13 est utilisée pour une épaisseur classique de film, c'est-à-dire que la hauteur des émetteurs 15 est de 1 pm et que l'épaisseur de l'électrode d'extraction 12 est de 0,3 pm, ce qui montre que le courant émis par les sommets

des émetteurs 15 augmente lorsque l'épaisseur de l'élec-

trode d'extraction 12 augmente. Sur la figure 3, les auteurs à la base de la présente invention à la base de la présente invention ont trouvé que 80 % en plus du courant d'émission peut être bloqué lorsque le rapport de l'épaisseur de l'électrode d'extraction 12 et la hauteur des émetteurs 15 est égal à 2 ou plus et que le courant d'émission peut être bloqué à 100 % lorsque le rapport de l'épaisseur de l'électrode d'extraction 12 à la hauteur des

émetteurs 15 est égal à 4.

Par conséquent, on peut obtenir un faisceau d'électrons, qui possède une densité de courant élevée et une excellente propriété de focalisation, en augmentant

l'épaisseur de l'électrode d'extraction 12.

D'autre part, lorsqu'on augmente l'épaisseur de

l'électrode d'extraction 12, le pas p de séparation d'émet-

teurs adjacents 15 sur la figure 1 augmente pour des rai-

sons indiquées plus loin, et par conséquent le nombre des émetteurs 15 par surface unité diminue. Pour cette raison, lorsqu'une pluralité d'émetteurs 15 sont formés de manière

à fournir une source d'électrons, la valeur totale des cou-

rants émis par tous les émetteurs 15 diminue étant donné qu'elle dépend de la valeur du courant émis par un émetteur

et du nombre des émetteurs. La figure 4 représente la rela-

tion entre le rapport de l'épaisseur de l'électrode

d'extraction 12 à la hauteur des émetteurs 15 et aux cou-

rants totaux d'émission lorsque la valeur totale des cou-

rants émis par un groupe d'émetteurs, qui exécutent une opération de focalisation et qui n'introduisent aucune réduction dans les courants d'émission, est prise comme

étant la valeur 100 %.

Comme représenté sur la figure 4, les auteurs à la base de la présente invention ont trouvé que l'on peut obtenir un courant total d'émission approximativement égal ou supérieur à celui de la source d'électrons de base,

lorsque le rapport de l'épaisseur de l'électrode d'extrac-

tion 12 à la hauteur des émetteurs 15 est compris entre 1 et 4. Un autre procédé pour accroître le courant total d'émission consiste à optimiser le matériau utilisé pour les électrodes, et la tension devant être appliquée. Par exemple un document, qui fait partie de l'ensemble d'articles présentés à la conférence "7th International Vacuum Microelectronics Conference" (Juillet 1994), pages 405 à 407, rapporte un accroissement du courant total

d'émission obtenu en réalisant des émetteurs avec le trai-

tement de formation d'anodes.

De façon plus spécifique, la réduction du courant total d'émission moyennant l'accroissement de l'épaisseur de l'électrode d'extraction 12 peut être compensée au moyen de l'optimisation d'autres paramètres tels que le matériau utilisé pour les électrodes et la tension devant être appliquée. Comme cela est représenté sur la figure 4, si le pourcentage de courant total d'émission est au moins de %, il est possible que le courant total d'émission soit compensé à 100 % (2,5 fois). Cela signifie que l'on peut obtenir un courant total d'émission approximativement égal ou supérieur au niveau de base, lorsque le rapport de l'épaisseur de l'électrode d'extraction 12 à la hauteur des

émetteurs 15 est supérieur à 0,5.

La figure 5 représente une comparaison de la variation du courant d'électrode lorsqu'on augmente l'épaisseur du film de l'électrode d'extraction 12 à partir de l'épaisseur de base, à savoir de 0,3 pm à 3 pm par exemple, c'est-à-dire qu'on l'augmente de dix fois (ici la hauteur del'émetteur est de 1 pm). Comme cela ressort à l'évidence de la figure 5, en augmentant l'épaisseur de l'électrode d'extraction 12, il est possible, avec la forme

de réalisation préférée de la présente invention, de com-

mander la chute élevée du courant d'anode même lorsque la tension appliquée à l'électrode de focalisation 13 est

réduite, ce qui permet de fixer une densité de courant suf-

fisante pour la source d'électrons.

En d'autres termes, la présente invention permet de réaliser une source d'électrons, qui possède une densité de courant élevée, par focalisation du faisceau d'électrons même lorsqu'une basse tension est appliquée à l'électrode

de focalisation 13.

Les électrons émis par les sommets des émetteurs

de champ 15 sont décélérés et focalisés par le champ élec-

trique produit par l'électrode de focalisation 13 avant

qu'ils soient émis en direction de l'anode, qui est dispo-

sée à l'extérieur de la source d'électrons.

On va décrire une autre forme de réalisation de la présente invention en référence aux figures 6 à 8. La figure 6 représente une vue en coupe transversale montrant une partie d'une source d'électrons conformément à la seconde forme de réalisation. La source d'électrons de la figure 6 diffère de la source d'électrons de base en ce que

le second film isolant 16, qui est disposé entre l'élec-

trode d'extraction 12 et l'électrode de focalisation 13, est réalisé avec une épaisseur suffisante. On va maintenant décrire le fonctionnement de la source d'électrons ainsi agencée. Une tension appliquée à l'électrode d'extraction 12 est comprise entre +60 et +110 V par rapport à une tension appliquée à l'électrode formant cathode 11, et une

tension appliquée à l'électrode de focalisation 13 est com-

prise entre 0 et +20 V par rapport à la tension appliquée à

l'électrode formant cathode 11.

La figure 7 représente un résultat d'analyse du champ électrique, qui utilise le calcul des différences finies, pour montrer la relation entre le rapport de l'épaisseur du second film isolant 16 à la hauteur des émetteurs 15, et les courants émis par les sommets des émetteurs 15. L'axe des abscisses indique le rapport de l'épaisseur du second film isolant 16 à la hauteur des émetteurs 15, l'axe des ordonnées indique les valeurs du courant, qui est émis par les pointes des émetteurs 15, en prenant ici pour 100 % la valeur du courant au moment o l'électrode de focalisation 13 n'est pas utilisée. Le point B sur la figure 7 indique le pourcentage du courant émis lorsque l'électrode de focalisation 13 est utilisée pour

une épaisseur de base du film, c'est-à-dire lorsque la hau-

teur des émetteurs 15 est de 1 pm et que l'épaisseur du

second film isolant 16 est de 1 pm.

Comme cela ressort de la figure 7, les auteurs à la base de la présente invention ont trouvé que le courant émis par les sommets des émetteurs 15 augmente lorsque

l'épaisseur du second film isolant 16 augmente. En particu-

lier, 30 % ou plus du courant d'émission peuvent être blo-

qués lorsque le rapport du second film isolant 16 à la hauteur des émetteurs 15 est égal à 3 ou plus, ce qui est à comparer à moins de 10 % dans le cas du dispositif de l'art antérieur. C'est pourquoi, la seconde forme de réalisation, dans laquelle on a accru l'épaisseur du second film isolant 16 et non l'électrode d'extraction 12 dans la première forme de réalisation, permet de fournir également une

source d'électrons qui possède une densité de courant éle-

vée, par focalisation du faisceau d'électrons même lors-

qu'une basse tension est appliquée à l'électrode de

focalisation 13.

La figure 8 représente la relation entre le rap-

port de l'épaisseur du second film isolant 16 à la hauteur des émetteurs 15 et les courants totaux d'émission lorsque la valeur globale des courants d'émission émis par un

* groupe d'émetteurs qui réalisent une opération de focalisa-

tion et n'introduisent aucune baisse dans les courants d'émission, est prise égale à 100 %. Comme représenté sur la figure 8, le courant total du groupe d'émetteurs atteint un point de saturation d'environ 40 %, lorsque le rapport de l'épaisseur du second film isolant 16 à la hauteur des émetteurs 15 est égal à 2,5 ou plus. Comme cela a été décrit dans la première forme de réalisation, lorsque le courant total du groupe d'émetteurs est égal à environ 40 %, le courant total peut être compensé à 100 % moyennant l'optimisation d'autres paramètres. C'est pourquoi, lorsque la hauteur des émetteurs 15 est de 1 pm, l'épaisseur du

second film isolant 16 peut être de 2,5 pm. La limite supé-

rieure de l'épaisseur doit être égale à environ 10 pm, c'est-à-dire dix fois supérieure, lorsque l'on considère la

technique des couches épaisses.

On va décrire une autre forme de réalisation de la présente invention en référence aux figures 9 et 10. La figure 9 est une vue en coupe transversale qui représente une partie d'une source d'électrons conforme à la troisième forme de réalisation. Dans cette forme de réalisation, une

seconde électrode d'extraction 12a est prévue entre la pre-

mière électrode d'extraction 12 et l'électrode de focalisa-

tion 13 moyennant l'interposition d'un premier film isolant

17, du second film isolant 16 et d'un troisième film iso-

lant 36.

On va maintenant décrire le fonctionnement de la source d'électrons ainsi agencée. Une tension appliquée à la première électrode d'extraction 12 est comprise entre

+60 et +110 V par rapport à une tension appliquée à l'élec-

trode formant cathode 11, et une tension appliquée à l'électrode de focalisation 13 est comprise entre 0 et +20 V par rapport à une tension appliquée à l'électrode formant cathode 11. Un potentiel de +50 V par exemple, qui est supérieur à celui de l'électrode de focalisation 13 et inférieur à celui de la première électrode d'extraction 12, est appliqué à une seconde électrode d'extraction 12a. La seconde électrode d'extraction 12a sert à bloquer les influences de l'intensité du champ électrique au niveau de

l'électrode de focalisation 13 de sorte que l'on peut obte-

nir un champ électrique suffisant au voisinage des sommets des émetteurs 15. C'est pourquoi, comme dans les première et seconde formes de réalisation, il est possible, dans cette forme de réalisation, de réaliser une source d'électrons qui peut produire des faisceaux d'électrons avec une densité élevée de courant, même si la tension appliquée à l'électrode de focalisation 13 est réduite pour focaliser les faisceaux d'électrons. En outre, l'agencement à couches multiples de cette forme de réalisation supprime la nécessité de former les couches individuelles avec une épaisseur inhabituellement supérieure à celle présente dans les première et seconde formes de réalisation, ce qui réduit le risque d'apparition d'une contrainte interne des

couches individuelles.

Dans latroisième forme de réalisation décrite précédemment, le potentiel de tension appliqué à la seconde électrode d'extraction 12a est réglé à un niveau se situant entre le potentiel appliqué à la première électrode d'extraction 12 et le potentiel appliqué à l'électrode de focalisation 13; cependant, ce potentiel peut être réglé au même niveau que celui de la première électrode d'extraction

12 au moyen du raccordement électrique de la première élec-

trode d'extraction 12 et de la seconde électrode d'extrac-

tion 12a par un circuit externe. Ceci entraîne une réduc-

tion du nombre des sources d'alimentation, ce qui permet

d'obtenir une source d'électrons à hautes performances pos-

sédant une structure plus simple.

La figure 10 représente la relation entre le rap-

port de l'épaisseur du film de l'électrode d'extraction à la hauteur des émetteurs 15, et l'intensité du champ élec-

trique au niveau des sommets des émetteurs 15, pour réali-

ser une comparaison entre les effets obtenus dans la troi-

sième forme de réalisation et dans la première forme de réalisation. Sur la figure 10, X désigne l'intensité du champ électrique dans la troisième forme de réalisation, lorsque le rapport de l'épaisseur du film de l'électrode d'extraction à la hauteur des émetteurs 15 est égal à 2. Il a été confirmé que l'on obtient presque le même effet que celui obtenu dans la première forme de réalisation, avec la désignation Y. L'épaisseur de l'électrode d'extraction dans

la troisième forme de réalisation est la somme des épais-

seurs des première et seconde électrodes d'extraction 12, 12a, et de l'épaisseur du second film isolant 16, par conséquent, les couches respectives peuvent être agencées en étant plus minces que celles de la première forme de réalisation. En outre, en réglant le potentiel appliqué aux première et seconde électrodes 12, 12a, il est possible de supprimer la nécessité d'augmenter l'épaisseur des première

et seconde électrodes d'extraction 12, 12a.

On va décrire une autre forme de réalisation de la présente invention en référence à la figure 11, qui est une vue en coupe transversale montrant une partie d'une source d'électrons conformément à une quatrième forme de réalisation de la présente invention. Sur la figure 11, la

seconde électrode d'extraction 12a est prévue entre la pre-

mière électrode d'extraction 12 et l'électrode de focalisa-

tion 13 moyennant l'interposition des films isolants 16 et 36, et une électrode shunt 37 est prévue pour raccorder la première électrode d'extraction 12 et la seconde électrode

d'extraction 12a à travers la paroi intérieure du puits 10.

Cette quatrième forme de réalisation supprime la nécessité de raccorder extérieurement la première électrode d'extraction 12 à la seconde électrode d'extraction 12a, dans la troisième forme de réalisation. En outre, l'agencement à couches multiples de cette forme de réalisa- tion sur la figure 11 supprime la nécessité de réaliser les couches individuelles avec une épaisseur inhabituellement

plus élevée que dans les première et seconde formes de réa-

lisation, ce qui réduit le risque d'apparition d'une

contrainte interne dans les couches individuelles.

On va maintenant décrire ci-après un procédé de fabrication de la source d'électrons de la figure 1, en

référence aux figures 12(a) - 12(e).

Comme représenté sur la figure 12(a), sur un substrat 14 formé de verre, on dépose successivement selon n'importe quel procédé bien connu, un matériau d'émetteur

28 formé de Si par exemple et un matériau de masquage cir-

culaire 30. Ensuite, on traite le matériau de masquage cir-

culaire 30 pour former le masque circulaire 29 de manière à réaliser un émetteur 15 comme représenté sur la figure 12(b). Le masque 29 est constitué par du Si3N4 ou du SiO2 et agit en tant que masque pour la corrosion, formé d'une

résine photosensible. Ceci est suivi par une corrosion chi-

mique pour former l'émetteur 15 comme représenté sur la

figure 12(c).

Sur la figure 12(d), on dépose ensuite successi-

vement, sur le substrat 14, le premier film isolant 17 constitué de SiO, l'électrode d'extraction 12 formée d'un métal tel que Nb, Au et Pt, le second film isolant 16 constitué de SiO2 et l'électrode de focalisation 13, au moyen du procédé d'évaporation sous vide, sur une zone dans laquelle le masque circulaire 29 et l'émetteur 15 ne sont pas formés. Lors de cette étape, le masque circulaire 29 empêche que le matériau isolant ou le matériau formant les électrodes n'adhère à l'émetteur 15. Sur la figure 12(e), le masque circulaire 29 et un dépôt inutile 31 comprenant les films isolants 17, 16 et les électrodes 12, 13 sont éliminés par corrosion en utilisant une solution d'acide fluorhydrique. La figure 13 illustre de quelle manière des épaisseurs différentes du masque circulaire 29 conduisent à des sources d'électrons différentes. La figure 13(a) illustre une structure obtenue lorsque l'épaisseur du masque circulaire 29 n'est pas optimisée, tandis que la figure 13(b) illustre une structure obtenue lorsque l'épaisseur du masque circulaire 29 est bien optimisée. Sur les figures 13(a) et 13(b), "de" désigne la hauteur de

l'émetteur 15, "dm" désigne l'épaisseur du masque circu-

laire 29, "d" désigne l'épaisseur d'un film (d'un type quelconque) formé sur la figure 12(d), mesurée à partir de la surface du substrat 14, "ro" désigne le diamètre du

puits 10 au niveau de la hauteur de d, "ri" désigne le dia-

mètre du dépôt sur le masque circulaire 29 à la hauteur d,

et "r" désigne le diamètre du puits 10 mesuré sur le subs-

trat 14. Pendant le procédé de dépôt de films, on fait croître les films situés sur le substrat 14 de telle sorte que leur puits s'élargit vers le haut, et le diamètre des films sur le masque circulaire 29 augmente à partir du

diamètre du masque circulaire 29.

A cet instant, il faut réaliser le masque circu-

laire 29 avec une épaisseur suffisante étant donné que la

dilatation des films sur le masque circulaire 29 est supé-

rieure à la dilatation des films sur le substrat 14, autre-

ment dit que le puits 10 est fermé comme représenté sur la figure 13(a) avant que le dépôt des films soit achevé. Ceci rend difficile d'éliminer le dépôt inutile en empêchant la fabrication de la source d'électrons. Pour éviter ceci, il faut rendre le masque circulaire 29 suffisamment épais

comme représenté sur la figure 13(b).

On va maintenant décrire une technique spécifique

pour régler l'épaisseur du masque circulaire 29 en réfé-

rence à la figure 14. La figure 14 est un graphique mon-

trant la relation entre le diamètre "ro" du puits 10 et le diamètre "ri" du dépôt sur le masque circulaire 29 à la hauteur "d" mesurée à partir de la surface du substrat 14. Dans le dispositif du type antérieur, la hauteur "de" d'émetteur est de 1 pm, l'épaisseur "dm" du masque est habituellement de 0,3 pm et le diamètre "r" du puits 10 est de 1,8 pm. La hauteur "d" à partir du substrat au niveau de l'intersection de "ro" et de "ri" est égale à environ 3,2 pm pour un diamètre du puits de 1,8 pm. En outre, le premier film isolant 17 possède une épaisseur d'environ 1 pm, l'électrode d'extraction 12 possède une épaisseur de 0,3 pm, le second film isolant 16 possède une épaisseur d'environ 1 pm et l'électrode de focalisation 13 possède une épaisseur de 0,3 pm; c'est pourquoi, l'épaisseur totale des films est de 2,6 pm, ce qui permet de réaliser une source d'électrons sans fermer le puits. D'autre part, dans le cas o le film isolant est constitué comme dans la seconde forme de réalisation, par exemple, si l'épaisseur du second film isolant 16 est réglée à une valeur de 3 pm, alors l'épaisseur totale du film est de 4,6 pm, ce qui empêche qu'une source d'électrons soit formée sauf si le

masque circulaire est réalisé avec une épaisseur accrue.

Par conséquent, sur la base de la figure 14, "ri" est décalé par "ria" parallèlement le long de la flèche de sorte que l'intersection de "ro" et "ri" se situe à une hauteur "d" de 4,6 et plus, ce qui conduit au fait que l'épaisseur du masque circulaire 29, qui doit être prévue, est "dm2". On peut voir, dans cette forme de réalisation, que le réglage de l'épaisseur du masque circulaire 29 sur une valeur de 1 pm ou plus permet de fabriquer la source

d'électrons sans entraîner la fermeture du puits 10.

En outre, dans le cas o l'électrode d'extraction 12 de la première forme de réalisation est réglée à 3 pm, l'épaisseur totale des films est de 5,3 pm. C'est pourquoi, sur la base de la figure 14, "ri" est décalé par "rib" conformément à la flèche de sorte que l'intersection de "ro" et "ri" se situe à la hauteur "d" égale à 5,3 et plus, ce qui conduit au fait que l'épaisseur du masque circulaire 29 devant être choisie est "dm3". On peut voir dans cette forme de réalisation que le réglage de l'épaisseur du masque circulaire 29 sur 0,4 pm et plus permet de produire la source d'électrons sans provoquer la fermeture du puits 10. Les pentes sur le graphique varient légèrement en fonction du type d'équipement de dépôt en phase vapeur ou

analogue, qui est utilisé, mais si on utilise des équipe-

ments différents, la même procédure peut être appliquée pour obtenir une épaisseur optimale du masque circulaire 29 au moyen d'un détermination préalable de la relation entre

ro" et "ri".

La figure 15 est une vue en coupe transversale

représentant une structure d'un tube cathodique, qui uti-

lise la source d'électrons décrite dans les quatre pre-

mières formes de réalisation de la présente invention. Sur la figure 15, un faisceau d'électrons 53, qui est émis par une source d'électrons 51 constitée par un seul émetteur ou une pluralité d'émetteurs, forme un point de croisement 59 dans un canon à électrons 52, qui est le moyen de focalisé des faisceaux d'électrons, puis le faisceau d'électrons 53 est dévié par un aimant déviateur 54 et est dirigé par l'intermédiaire d'un masque 55 sur une position désirée sur une plaque de substance luminescence 56 comportant un film d'aluminium 57. Les composants constituant le tube cathodique sont renfermés dans une enceinte à vide 58. Le tube cathodique contenant la source d'électrons 51 décrite précédemment permet d'obtenir une caractéristique de

focalisation suffisante étant donné que le faisceau d'élec-

trons 53 émis par la source d'électrons 51 est déjà focalisé. Cela conduit à une résolution améliorée du tube

cathodique, qui fournit une image de haute qualité.

Dans chacune des formes de réalisation spéci-

fiques de la présente invention décrite, l'émetteur 15 réa-

lisé en Si étant formé sur le substrat 14 réalisé en verre, mais il est possible d'intégrer l'émetteur et le substrat

dans un seul élément en Si.

La figure 16 représente une autre modification de

ce système selon la présente invention. De façon plus spé-

cifique, la figure 16 représente une configuration d'un tube cathodique incorporant une pluralité de sources d'électrons 51A, 51G et 51B. Un tel tube cathodique peut être utilisé pour former une image en couleurs obtenue à partir des faisceaux d'électrons individuels 51A, 51G et 51B. En outre, dans la forme de réalisation de la figure 16, la plaque 75, que rencontrent les faisceaux d'électrons 51A, 51G et 51B, est agencée de manière à pouvoir recevoir

une telle pluralité de faisceaux d'électrons.

A l'évidence, de nombreux changements et modifi-

cations supplémentaires de la présente invention sont pos-

sibles à la lumière des enseignements indiqués précédemment et on comprendra que la présente invention peut être mise

en oeuvre d'une autre manière que celle décrite spécifique-

ment dans ce qui précède, sans pour autant sortir du cadre

de l'invention.

Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Source d'électrons, caractérisée en ce qu'elle comporte: une électrode formant cathode (11) comprenant au moins un émetteur de forme conique (15); un premier film isolant entourant (17) l'émetteur ou la pluralité d'émetteurs; une première électrode d'extraction (12) disposée sur ledit film isolant et extrayant des électrons de l'émetteur ou de la pluralité d'émetteurs; un second film isolant (16) disposé sur ladite électrode d'extraction; une électrode de focalisation (13) disposée sur ledit second film isolant pour focaliser les électrons extraits dudit émetteur ou de ladite pluralité d'émetteurs; lesdits premier et second films isolants (17,16) et ladite première électrode d'extraction (12) et ladite électrode de focalisation (13) étant évidées de manière à constituer un puits (10) entourant ledit émetteur ou ladite pluralité d'émetteurs, et des tensions prédéterminées étant appliquées à ladite première électrode d'extraction et à ladite électrode de focalisation pour commander respectivement l'émission des électrons à partir dudit émetteur ou de ladite pluralité d'émetteurs; et

des moyens pour réduire une perturbation consis-

tant en ce que la tension appliquée à ladite électrode de focalisation fait apparaître un champ électrique autour d'un sommet dudit émetteur ou de ladite pluralité d'émetteurs.

2. Source d'électrons selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits moyens de réduction règlent le rapport de l'épaisseur de la première électrode d'extraction à une hauteur dudit émetteur ou de ladite

pluralité d'émetteurs à une valeur de 0,5 ou plus.

3. Source d'électrons selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits moyens de réduction règlent l'épaisseur de la première électrode d'extraction de

manière qu'elle soit supérieure à une hauteur dudit émet-

teur ou de ladite pluralité d'émetteurs.

4. Source d'électrons selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits moyens de réduction règlent le rapport de l'épaisseur de la première électrode

d'extraction à la hauteur dudit émetteur ou de ladite plu-

ralité d'émetteurs à une valeur comprise entre 2 et 10.

5. Source d'électrons selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits moyens de réduction règlent

le rapport de l'épaisseur du second film isolant à la hau-

teur dudit émetteur ou de ladite pluralité d'émetteurs à

une valeur égale à 2,5 ou plus.

6. Source d'électrons selon la revendication 1,

caractérisée en ce que lesdits moyens de réduction compren-

nent une seconde électrode d'extraction (12a) insérée entre ladite première électrode d'extraction (12) et ladite

électrode de focalisation (13).

7. Source d'électrons selon la revendication 6, caractérisée en ce que la même tension est appliquée auxdites première et seconde électrodes d'extraction (12, 12a).

8. Source d'électrons selon la revendication 6,

caractérisée en ce que lesdites première et seconde élec-

trodes d'extraction (12,12a) sont raccordées par un shunt

d'électrode à travers une paroi intérieure du puits.

9. Procédé pour fabriquer une électrode de source par dépôt d'un premier film isolant (17), d'une électrode d'extraction (12) pour extraire des électrons à partir d'un émetteur (15) d'une électrode formant cathode (11), d'un second film isolant (16) et d'une électrode de focalisation (13) pour focaliser les électrons, sur un substrat (14) de manière à former un puits pour disposer l'émetteur de forme conique, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes consistant à: déterminer l'épaisseur d'un matériau de masquage (30) de telle sorte que, lors de la formation de l'émetteur conique (15), une zone occupée par les films déposés sur le matériau de masquage dans le puits est inférieure à celle du puits lorsque toutes les couches ont été formées; former l'émetteur de forme conique (15) dans l'électrode formant cathode (11) en utilisant le masque (29) possédant l'épaisseur déterminée lors de la première étape; former successivement, sur ledit substrat (14), le premier film isolant (17), l'électrode d'extraction (12), le second film isolant (16) et l'électrode de focalisation (13); éliminer successivement ledit masque (29) et les

films déposés sur ce masque.

10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'on augmente l'épaisseur du masque (29) proportionnellement à l'épaisseur totale des films incluant le premier film isolant, l'électrode d'extraction, le

second film isolant et l'électrode de focalisation.