FR2863102A1 - Dispositifs a emission de champ. - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un dispositif à émission de champs, comportant :- une cathode (22, 30),- une couche isolante poreuse (26, 36), dont les pores contiennent des émetteurs (29) d'électrons,- une couche (28, 38, 48) conductrice, dite couche de grille.

Description

DISPOSITIFS A EMISSION DE CHAMP
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTERIEUR
L'invention concerne la réalisation de dispositifs de type microtriodes , mais aussi la réalisation de sources d'électrons à émissions de champ.
Les sources d'électrons plates ont de nombreuses applications, telles que les écrans ou les sources d'électrons pour la photolithographie. Les structures utilisées pour extraire les électrons sont de deux types. Ce sont: - soit des structures collectives, c'est-à- dire qu'un ensemble 3 d'émetteurs est commandé par une électrode commune. Cette électrode est soit la grille 8 de commande d'une structure triode 6 (figure 1, sur laquelle les références 5 et 7 désignent respectivement une cathode et une anode), soit l'anode 10 d'un système diode 12 (figure 2, la référence 13 désignant une cathode), - soit des structures triodes individuelles, où chaque émetteur 14 est commandé par une grille individuelle 16 (figure 3, avec cathode 15 et anode 17).
Dans le premier type, les émetteurs sont couplés. La densité maximum d'émetteurs pouvant fonctionner est de l'ordre de 1/h2 ou h est la hauteur du nano-tube. On ne peut donc obtenir une densité arbitrairement grande d'émetteurs fonctionnant sur la surface que si h est très petit, ce qui conduit à des 2 2863102 seuils d'émission électronique prohibitifs (le seuil est proportionnel au rapport hauteur sur rayon du nanotube).
Dans le deuxième cas, chaque émetteur est isolé dans une cavité . La densité des émetteurs est donc fixée par la taille du dispositif élémentaire que l'on sait réaliser. La limite est fournie par les dispositifs de photolithographie utilisés. Plus la résolution est grande, plus la surface du dispositif réalisable est petite et plus le dispositif est coûteux.
Pour des applications comme la photolithographie à haute résolution il serait intéressant de disposer de sources d'électrons à forte 15 densité d'émetteurs, pour réaliser un masque émetteur d'électrons tel que décrit dans le brevet de Wong Bong Choi (US2002-0182542). Cette demande de brevet divulgue l'utilisation d'émetteurs en carbone dans une structure de type diode. De ce fait, les émetteurs sont tous 20 couplés, avec les inconvénients déjà décrits. Par ailleurs, il n'y a aucun système permettant le contrôle de l'émission des émetteurs individuels. Aussi, une bonne uniformité de l'émission est difficile avec un tel dispositif.
Le but de l'invention est de proposer un nouveau type de source d'électrons à émission de champ.
Il se pose également le problème de trouver une nouvelle structure de dispositif d'émission à effet de champ, permettant une densité élevée d'émetteurs.
Un autre problème est de trouver une structure permettant un contrôle des émetteurs 30 individuels, notamment lorsque la densité d'émetteurs est élevée.
EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention concerne une matrice ou un réseau d'émetteurs, réalisable sans utiliser de photolithographie a haute résolution, et donc compatible avec une fabrication en grande surface et un coût raisonnable.
L'invention concerne un dispositif à émission de champs, ou un dispositif émetteur d'électrons, comportant: - une cathode, - une couche isolante poreuse, dont les 15 pores contiennent des émetteurs d'électrons, par exemple des nanotubes, - une couche conductrice, dite couche de grille.
L'invention concerne également un procédé de réalisation d'un dispositif émetteur d'électrons ou à émission de champ, comportant: - La formation d'une cathode, par exemple en nitrure de titane, ou en molybdène, ou en chrome, ou en nitrure de tantale, - La formation d'une couche isolante poreuse, - La formation d'une couche conductrice, dite couche de grille, La formation d'émetteurs d'électrons dans les pores de la couche isolante.
Une couche résistive, par exemple en silicium amorphe, peut être disposée entre la cathode et la couche isolante poreuse, afin d'uniformiser le courant émis.
Les émetteurs d'électrons peuvent être en carbone, la couche isolante poreuse pouvant être en alumine.
Selon un mode de réalisation, les pores sont réalisés par anodisation de la couche d'aluminium.
Un catalyseur, par exemple en nickel, ou en fer, ou en cobalt, ou en oxyde de ces matériaux peut être réalisé sous forme de couche, entre la cathode et la couche isolante, ou bien au fond des pores après formation de ceux-ci.
Avantageusement, la couche de grille comporte un bicouche métallique, par exemple Palladium-chrome ou Palladium-molybdène.
BREVE DESCRITPION DES FIGURES
- Les figures 1 à 3 représentent des dispositifs connus de l'art antérieur, - La figure 4 représente une illustration d'un dispositif selon l'invention, - Les figures 5A-5C et 6A-6C représentent 25 des étapes de procédés de réalisation de dispositifs selon l'invention.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION DE L'INVENTION Un dispositif selon l'invention est représenté en coupe sur la figure 4. 10 15
Un tel dispositif comprend d'abord, en partant d'un substrat 20, une première couche conductrice 22, dite aussi conducteur cathodique.
Eventuellement, une couche résistive 24 assure la constance du courant émis pour chaque émetteur ou une certaine uniformisation des courants entre émetteurs voisins.
Une couche isolante 26 présente une certaine porosité. Des émetteurs 29 sont localisés dans les pores de cette couche isolante. Ces émetteurs peuvent être des nanotubes ou des nanofibres, réalisés en un matériau émissif, par exemple en carbone ou en métal (molybdène, ou paladium, par exemple) ou en matériau semi-conducteur (silicium par exemple).
Enfin, une deuxième couche 28 conductrice constitue la grille de commande des émetteurs.
Cet ensemble émetteur ou source d'électrons constitue, avec une anode 17, comme illustré sur la figure 3, une structure de type triode. Il est ainsi constitué un ensemble de nanotriodes.
Ce dispositif élémentaire est réalisable de façon collective sur un substrat de grande dimension par rapport à la taille caractéristique de chaque triode.
Un premier exemple détaillé de réalisation d'une structure selon l'invention va être donné en liaison avec les figures 5A à 5C.
Une couche 30 de conducteur cathodique est réalisée en TiN ou en un autre matériau conducteur, par exemple en molybdène (Mo), ou en chrome (Cr), ou en nitrure de tantale (TaN). L'épaisseur de la couche 30 est comprise entre 10nm et 100nm, elle est par exemple de l'ordre de 60nm.
On dépose, sur cette couche 30, une couche 32 résistive, d'épaisseur par exemple comprise entre 500 nm et 1 dam. Cette couche 32 est par exemple une couche de silicium amorphe, qui peut être déposée par pulvérisation cathodique ou par CVD. Cette couche permet de limiter le courant émis par les émetteurs individuels afin de rendre l'émission uniforme.
Sur cette couche 32 est déposée, par évaporation, une couche 34 de catalyseur, par exemple du Nickel ou du Fer ou du Cobalt ou une couche d'oxyde de ces matériaux. L'épaisseur de cette couche 34 est typiquement comprise entre 1nm et 10nm.
Il est ensuite procédé à un dépôt d'aluminium 36, par exemple par évaporation. Son épaisseur est typiquement de l'ordre de 100nm à 700nm.
Cette couche d'aluminium est anodisée: une couche isolante est donc réalisée, par anodisation de la couche d'aluminium, en utilisant par exemple un procédé en deux temps comme décrit dans la publication de H. Masuda (Jpn. J. Appl. Phys. Vol 35 (1996, pp L126-129).
A la fin du procédé d'anodisation, on obtient des pores 40 (figure 5B), de diamètre de l'ordre de quelques nanomètres, par exemple compris entre 5nm et 25 nm.
Ces pores ne sont pas connectés à la couche conductrice 32. Pour faire cette connexion (figure 5C), et contrôler le diamètre des pores, l'alumine 36 est gravée, par exemple avec de l'acide phosphorique, diluée à 5%.
Il est ensuite procédé au dépôt, sous incidence oblique, du métal 38 de grille (figure 5C).
Pour éviter le rebouchage des pores l'épaisseur déposée e est de préférence du même ordre de grandeur que le diamètre d des pores. Pour éviter ce rebouchage on peut aussi employer un bicouche métallique composé de Palladium (qui a un angle de fermeture très faible) et d'un deuxième métal, tel que le chrome ou le molybdène, qui ne catalyse pas la réaction de croissance des nanotubes.
On procède ensuite à une mise en goutte du catalyseur, par recuit. Le catalyseur au fond des trous est en fait ainsi réduit. Cette réduction se fait soit en présence d'une pression partielle d'hydrogène (typiquement quelques 100mTorr), soit est assistée par un plasma RF d'hydrogène.
Il est ensuite procédé à la formation des émetteurs, en l'espèce une croissance de nano-tubes ou de nanofibres, par exemple en carbone. On peut utiliser, pour réaliser les nanotubes, soit une méthode de croissance catalytique pure (par exemple le dépôt se fait à 600 C en présence d'acétylène à une pression de quelques 100mTorr), soit une méthode de croissance catalytique avec plasma RF. La température de dépôt est alors typiquement de 500 C, la puissance RF de 300 W, le gaz réactif étant un mélange H2+C2H2 avec 5% d'acétylène, le tout sous une pression totale de 100mTorr.
Si la croissance est réalisée par CVD, on ajoute, pour obtenir des tubes de longueur uniforme, un bain d'ultrasons après dépôt, pour couper les tubes au niveau de la grille.
Un deuxième exemple est illustré sur les figures 6A-6C.
Il est procédé sensiblement de la même manière que dans l'exemple 1, mais sans dépôt préalable de couche de catalyseur: on obtient donc d'abord la structure de la figure 6A, avec une couche 30 de conducteur cathodique, une couche 32 résistive, et une couche 36 d'aluminium, puis d'alumine avec des pores 40.
Un catalyseur 44 est déposé par électrodéposition, après l'étape de l'ouverture des pores 40 dans l'alumine (figure 6B). Il peut aussi être réalisé par dépôt d'agrégats, ou par évaporation. Ce catalyseur forme donc une couche 44 au fond des pores, mais aussi une couche 45 sur la partie supérieure de la couche d'alumine 36, à la périphérie des ouvertures des pores 40.
Un dépôt métallique sous incidence permet de réaliser la grille 48. Celle - ci recouvre la couche 45 de catalyseur.
Il est ensuite procédé à la formation des émetteurs, comme déjà indiqué ci-dessus dans le cadre du premier exemple.
Dans les deux exemples, on obtient une structure identique à celle de la figure 4. Dans une autre variante, on peut, après formation des pores, faire croître dans ces pores des fils de silicium selon des techniques connues. On peut également procéder à un dépôt, par exemple un dépôt électrochimique d'un métal émissif comme le molybdène, le palladium ou l'or pour former un émetteur métallique.
Une structure selon l'invention permet de former un dispositif d'émetteurs individuels, mais avec une grande densité puisque les pores formés ont un diamètre de l'ordre de quelques nanomètres.
Un dispositif émetteur selon l'invention pourra être muni de moyens pour porter la cathode 22, 30 la couche 28, 48 de grille et une anode, disposés comme sur la figure 1, aux potentiels souhaités.
Typiquement on peut obtenir des nanotubes répartis tous les 40 nm, ou même moins.

Claims (25)

REVENDICATIONS
1. Dispositif à émission de champs, comportant: - une cathode (22, 30), une couche isolante poreuse (26, 36), dont les pores contiennent des émetteurs (29) d'électrons, - une couche (28, 38, 48) conductrice, dite couche de grille.
2. Dispositif selon la revendication 1, une couche résistive (24, 32) étant disposée entre la cathode et la couche isolante poreuse.
3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, les émetteurs d'électrons étant constitués de nanotubes (29) ou de nanofibres.
4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, les émetteurs d'électrons étant en carbone.
5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, les émetteurs d'électrons étant en un matériau métallique.
6. Dispositif selon la revendication 5, les 30 émetteurs d'électrons étant en molybdène ou en palladium.
7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, les émetteurs d'électrons étant en matériau émissif semiconducteur.
8. Dispositif selon la revendication 7, les émetteurs d'électrons étant en silicium.
9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, la couche isolante poreuse étant en alumine.
10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, les pores ayant un diamètre 15 compris entre 5 nm et 25 nm.
11. Procédé de réalisation d'un dispositif à émission de champ, comportant: - La formation d'une cathode (22,30), 20 - La formation d'une couche isolante (26,36) poreuse, - La formation d'une couche (28,38,48) conductrice, dite couche de grille, - La formation d'émetteurs d'électrons (29) 25 dans les pores de la couche isolante.
12. Procédé selon la revendication 11, comportant en outre la formation d'une couche résistive (24,32), entre la cathode et la couche isolante.
B 14506.3 PM 12
13. Procédé selon la revendication 12, la couche résistive étant en silicium amorphe.
14. Procédé selon l'une des revendications 5 11 à 13, les émetteurs étant des nanotubes ou des nanofibres.
15. Procédé selon la revendication 14, les nanotubes étant obtenus par croissance catalytique pure 10 ou avec plasma RF..
16. Procédé selon l'une des revendications 14 ou 15, les émetteurs étant en carbone.
17. Procédé selon l'une des revendications 11 à 14, les émetteurs d'électrons étant obtenus par dépôt électrochimique d'un métal émissif.
18. Procédé selon l'une des revendications 20 11 à 17, la couche isolante étant réalisée à partir d'une couche en aluminium.
19. Procédé selon la revendication 18, les pores étant réalisés par anodisation de la couche 25 d'aluminium.
20. Procédé selon l'une des revendications
11 à 19, la cathode étant en nitrure de titane (TiN), ou en molybdène, ou en chrome, ou en nitrure de tantale 30 (TaN).
21. Procédé selon l'une des revendications 11 à 20, comportant en outre la formation d'une couche (34) de catalyseur entre la cathode et la couche isolante.
22. Procédé selon l'une des revendications 11 à 20, comportant en outre la formation d'une première couche (44) de catalyseur au fond des pores, avant formation de la couche de grille.
23. Procédé selon la revendication 22, une deuxième couche (45) de catalyseur étant formée dans les zones périphériques de l'ouverture des pores, la couche de grille (48) étant formée sur cette deuxième couche de catalyseur.
24. Procédé selon l'une des revendications 21 à 23, le catalyseur étant en Nickel, ou en fer, ou en cobalt, ou en un oxyde de ces matériaux.
25. Procédé selon l'une des revendications 11 à 24, la couche de grille comportant un bicouche métallique.
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