FR3103311A1 - Source d’electrons basee sur l’emission par effet de champ et son procede de fabrication - Google Patents

Source d’electrons basee sur l’emission par effet de champ et son procede de fabrication Download PDF

Info

Publication number
FR3103311A1
FR3103311A1 FR1912909A FR1912909A FR3103311A1 FR 3103311 A1 FR3103311 A1 FR 3103311A1 FR 1912909 A FR1912909 A FR 1912909A FR 1912909 A FR1912909 A FR 1912909A FR 3103311 A1 FR3103311 A1 FR 3103311A1
Authority
FR
France
Prior art keywords
substrate
crystal
electron source
conductor
nanopipette
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
FR1912909A
Other languages
English (en)
Other versions
FR3103311B1 (fr
Inventor
Alain Degiovanni
Evelyne SALANCON
Laurent LAPENA
Roger Morin
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Aix Marseille Universite
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Original Assignee
Aix Marseille Universite
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Aix Marseille Universite, Centre National de la Recherche Scientifique CNRS filed Critical Aix Marseille Universite
Priority to FR1912909A priority Critical patent/FR3103311B1/fr
Priority to PCT/FR2020/052087 priority patent/WO2021099723A1/fr
Priority to US17/756,248 priority patent/US20230005695A1/en
Priority to EP20824299.0A priority patent/EP4049299A1/fr
Publication of FR3103311A1 publication Critical patent/FR3103311A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of FR3103311B1 publication Critical patent/FR3103311B1/fr
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J9/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture, installation, removal, maintenance of electric discharge tubes, discharge lamps, or parts thereof; Recovery of material from discharge tubes or lamps
    • H01J9/02—Manufacture of electrodes or electrode systems
    • H01J9/022—Manufacture of electrodes or electrode systems of cold cathodes
    • H01J9/025—Manufacture of electrodes or electrode systems of cold cathodes of field emission cathodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J1/00—Details of electrodes, of magnetic control means, of screens, or of the mounting or spacing thereof, common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
    • H01J1/02—Main electrodes
    • H01J1/30—Cold cathodes, e.g. field-emissive cathode
    • H01J1/304—Field-emissive cathodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J29/00—Details of cathode-ray tubes or of electron-beam tubes of the types covered by group H01J31/00
    • H01J29/46—Arrangements of electrodes and associated parts for generating or controlling the ray or beam, e.g. electron-optical arrangement
    • H01J29/48—Electron guns
    • H01J29/481—Electron guns using field-emission, photo-emission, or secondary-emission electron source
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J29/00—Details of cathode-ray tubes or of electron-beam tubes of the types covered by group H01J31/00
    • H01J29/46—Arrangements of electrodes and associated parts for generating or controlling the ray or beam, e.g. electron-optical arrangement
    • H01J29/48—Electron guns
    • H01J29/485—Construction of the gun or of parts thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/02—Details
    • H01J37/04—Arrangements of electrodes and associated parts for generating or controlling the discharge, e.g. electron-optical arrangement or ion-optical arrangement
    • H01J37/06—Electron sources; Electron guns
    • H01J37/065—Construction of guns or parts thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/02—Details
    • H01J37/04—Arrangements of electrodes and associated parts for generating or controlling the discharge, e.g. electron-optical arrangement or ion-optical arrangement
    • H01J37/06—Electron sources; Electron guns
    • H01J37/073—Electron guns using field emission, photo emission, or secondary emission electron sources
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2209/00—Apparatus and processes for manufacture of discharge tubes
    • H01J2209/01—Generalised techniques
    • H01J2209/012—Coating
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/06—Sources
    • H01J2237/063—Electron sources
    • H01J2237/06325—Cold-cathode sources
    • H01J2237/06341—Field emission
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/26—Electron or ion microscopes
    • H01J2237/262—Non-scanning techniques
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/26—Electron or ion microscopes
    • H01J2237/28—Scanning microscopes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/26—Electron or ion microscopes
    • H01J2237/28—Scanning microscopes
    • H01J2237/2802—Transmission microscopes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2329/00—Electron emission display panels, e.g. field emission display panels
    • H01J2329/02—Electrodes other than control electrodes
    • H01J2329/04—Cathode electrodes
    • H01J2329/0407—Field emission cathodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/26—Electron or ion microscopes; Electron or ion diffraction tubes
    • H01J37/28—Electron or ion microscopes; Electron or ion diffraction tubes with scanning beams

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Cold Cathode And The Manufacture (AREA)

Abstract

SOURCE D’ELECTRONS BASEE SUR L’EMISSION PAR EFFET DE CHAMP ET SON PROCEDE DE FABRICATION L’invention concerne une source d’électrons comprenant un substrat (11) conducteur, un conducteur disposé en regard du substrat, la source d’électrons émettant un faisceau d’électrons lorsque le conducteur est polarisé positivement par rapport au substrat, et un cristal (20) électriquement isolant agencé sur le substrat, en regard du conducteur, le substrat délimitant avec le cristal un espace vide (14) comportant au moins une aspérité (12) située à distance du cristal, le cristal présentant, dans un plan parallèle au substrat, des dimensions inférieures à 100 nm et une épaisseur inférieure à 50 nm. Figure pour l’abrégé : Fig. 2

Description

SOURCE D’ELECTRONS BASEE SUR L’EMISSION PAR EFFET DE CHAMP ET SON PROCEDE DE FABRICATION
La présente invention concerne une source d’électrons à émission de champ. Les sources d’électrons sont généralement utilisées dans les microscopes électroniques à balayage, ainsi que dans les écrans plats à base de cathode froide et les applications de la microélectronique sous vide.
Les sources d’électrons actuellement utilisées dans les microscopes électroniques ou les écrans plats sont basées sur l’émission de champ, ou sur l’émission thermoïonique.
Un matériau (généralement un métal ou un semi-conducteur) ne peut émettre spontanément des électrons que s’il reçoit et absorbe une énergie supérieure au travail de sortie du matériau. L'énergie peut être fournie par de nombreux moyens, tels que par exemple sous la forme de chaleur, par un champ électrique, ou une irradiation lumineuse. Il existe ainsi plusieurs types d'émissions d'électrons, en fonction de la source d’énergie employée.
En émission thermoionique, l'énergie est fournie par l'incidence de radiations, notamment de lumière ou par chauffage du substrat. L’émission thermoïonique produit des faisceaux intenses dans un vide peu poussé (supérieur à 10-2Pa), la source équivalente étant de relativement grande taille (supérieure à 10µm). La brillance d’une telle source est relativement faible (109A/m2.sr), sachant qu’elle conditionne la résolution accessible avec ce type de source dans un microscope.
En émission de champ (ou émission à froid), le matériau est soumis à un champ électrique de l’ordre de 1V/nm. Sous l’effet d’un tel champ, des électrons traversent par effet tunnel une barrière de potentiel depuis le niveau de Fermi, à température ambiante. En émission thermoionique, le chauffage du matériau permet d’abaisser le niveau de Fermi au niveau du vide, ce qui libère des électrons. L’émission de champ à l’aide d’une pointe métallique, produit un faisceau ayant une faible dispersion énergétique (ΔE=0,3eV). Une source reposant sur ce principe peut atteindre une taille inférieure à 10nm. La brillance d’une telle source peut atteindre des valeurs de l’ordre de 1013A/m2.sr. Cependant, l’émission de champ nécessite un vide poussé (inférieur à 10-6Pa) pour une durée de vie supérieure à 1000 heures. A des pressions plus élevées, l’état de la pointe s’altère rapidement et n’émet plus.
L'émission Schottky repose sur l’effet de champ et sur l'émission thermoionique, par application d’un champ électrique à une pointe, combiné au chauffage du substrat. L'émission Schottky permet de produire des faisceaux intenses dans un vide peu poussé d’environ 10-4Pa, la taille équivalente de la source étant d’environ 15nm. La brillance d’un tel faisceau est donc également relativement faible, de l’ordre de 5.1010A/m2.sr.
La forme du matériau émetteur de champ affecte les caractéristiques d'émission. En effet, l’émission de champ s’obtient très facilement à partir d’aiguilles ou de pointes très effilées, dont l’extrémité a été polie pour obtenir une forme sensiblement hémisphérique dont le rayon peut être inférieur à 100 nm. Lorsqu'une polarisation est appliquée, les lignes de champ électrique divergent radialement à partir de la pointe et les trajectoires des électrons émis suivent initialement ces lignes de champ.
Lorsque le flux d’électrons émis est suffisamment intense, l’objet soumis au flux d’électrons peut émettre des photons. Ce phénomène appelé "cathodo-luminescence" est exploité notamment dans certains écrans plats.
La publication "A low-energy electron point-source projection microscope not using a sharp metal tip performs well in long-range imaging", E. Salançon, A. Degiovanni, L. Lapena, M. Lagaize, R. Morin, Ultramicroscopy Vol. 200 (2019), pp 125–131, décrit une source d’électrons formée à l’extrémité d’un fil de carbone de 10µm de diamètre et d’un cristal de céladonite de 0.5 x 1µm et de 50nm d’épaisseur, déposé à l’extrémité du fil dans une goutte d’eau désionisée à l’aide d’une micropipette. Cette source d’électrons nécessite un champ électrique de quelques V/µm et peut travailler à des pressions supérieures à 1Pa, la zone émissive étant protégée par le cristal. Cependant, cette source présente des instabilités importantes et exhibe parfois plusieurs points d’émission, ce qui la rend difficilement utilisable en microscopie électronique à balayage conventionnelle.
Ainsi, il est souhaitable de réaliser une source d’électrons, qui soit suffisamment stable et brillante, notamment pour pouvoir offrir une grande résolution lorsqu’elle est utilisée dans un microscope électronique à balayage, sans nécessiter un apport important d’énergie. Il est également souhaitable que cette source soit robuste et présente une grande durée de vie, tout en pouvant être utilisée à des pressions relativement élevées, par comparaison avec les sources de l’art antérieur qui nécessitent généralement un vide poussé.
Des modes de réalisation concernent un procédé de fabrication d’une source d’électrons, comprenant des étapes consistant à: former un substrat conducteur, et agencer un conducteur en regard du substrat. Selon un mode de réalisation, le procédé comprend des étapes consistant à: disposer un cristal électriquement isolant sur le substrat en regard du conducteur, le substrat délimitant avec le cristal un espace vide comportant au moins une aspérité située à distance du cristal, le cristal présentant, dans un plan parallèle au substrat, des dimensions inférieures à 100 nm, et dans une direction perpendiculaire au plan, une épaisseur inférieure à 50 nm.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend une étape de dépôt du cristal sur le substrat, le substrat présentant une rugosité naturelle formant l’espace vide entre le substrat et le cristal.
Selon un mode de réalisation, le dépôt du cristal sur le substrat est effectué en déposant sur le substrat une goutte contenant des cristaux en suspension dans de l’eau désionisée, la goutte étant produite à un orifice de sortie à l’extrémité effilée d’une nanopipette en exerçant une pression sur un orifice d’entrée de la nanopipette.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend des étapes de: remplissage partiel de la nanopipette avec de l’eau désionisée, chauffage local de la nanopipette pour vaporiser l’eau, l’eau sous forme vapeur étant condensée au voisinage de l’extrémité effilée de la micropipette, et remplissage de la nanopipette avec de l’eau désionisée contenant des cristaux en suspension.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend des étapes d’usinage de l’extrémité d’un fil conducteur pour former une pointe et, au sommet de la pointe, un plateau constituant le substrat conducteur.
Selon un mode de réalisation, l’étendue du plateau et l’inclinaison de la pointe sont ajustées en fonction d’une divergence souhaitée d’un faisceau d’électrons produit par la source d’électrons.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend des étapes consistant à: former une nanopointe dans le substrat, déposer une couche isolante sur le substrat,
former un puits dans la couche isolante pour dégager la nanopointe, remplir le puits d’une couche sacrificielle, déposer sur la couche isolante et la couche sacrificielle une couche monocristalline, graver la couche monocristalline pour former une plaque monocristalline présentant un bord à l’aplomb d’un sommet de la nanopointe, et retirer la couche sacrificielle pour former l’espace vide entre le substrat et la plaque monocristalline.
Des modes de réalisation peuvent également concerner une source d’électrons comprenant un substrat conducteur et un conducteur disposé en regard du substrat, la source d’électrons émettant un faisceau d’électrons lorsque le conducteur est polarisé positivement par rapport au substrat. Selon un mode de réalisation, la source d’électrons comprend un cristal électriquement isolant agencé sur le substrat, en regard du conducteur, le substrat délimitant avec le cristal un espace vide comportant au moins une aspérité située à distance du cristal, le cristal présentant, dans un plan parallèle au substrat, des dimensions inférieures à 100 nm et une épaisseur inférieure à 50 nm.
Selon un mode de réalisation, le cristal est posé sur le substrat, le substrat présentant une rugosité naturelle formant l’espace vide entre le cristal le substrat, le cristal étant supporté par des aspérités à la surface du substrat.
Selon un mode de réalisation, le substrat est formé par un plateau au sommet d’une pointe à une extrémité d’un fil.
Selon un mode de réalisation, l’étendue du plateau et l’inclinaison de la pointe sont ajustées en fonction d’une divergence souhaitée du faisceau d’électrons.
Selon un mode de réalisation, le plateau présente une largeur comprise entre 5 et 50 µm.
Selon un mode de réalisation, le substrat présente une nanopointe située à distance du substrat, dans l’espace vide sous le cristal ou au voisinage d’un bord du cristal, l’espace vide étant formé par un puits formé autour et au-dessus de la nanopointe dans une couche électriquement isolante supportant le cristal.
Selon un mode de réalisation, le substrat est en tungstène ou en carbone, et le cristal est en diamant ou en talc.
Selon un mode de réalisation, le cristal présente une largeur de 50 nm et une épaisseur de 10 nm, ces dimensions étant définies à + ou – 10% près.
Des exemples de réalisation de l’invention seront décrits dans ce qui suit, à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles:
la figure 1 est une vue schématique, d’une source d’électrons, selon un mode de réalisation,
la figure 2 est une vue schématique agrandie de la source d’électrons,
la figure 3 représente schématiquement une tête de microscope électronique intégrant la source d’électrons de la figure 1,
la figure 4 représente schématiquement en coupe un substrat comportant plusieurs sources d’électrons, selon un autre mode de réalisation.
Les figures 1 et 2 représentent une source d’électrons, selon un mode de réalisation. Cette source d’électrons peut être utilisée notamment dans un microscope à balayage. La source d’électrons comprend un fil conducteur 1 dont une extrémité est taillée en pointe 10, et la pointe est usinée pour former un plateau 11. Un cristal 20 en un matériau isolant est déposé sur le plateau 11.
Le fil conducteur 1 peut présenter un diamètre D de 100µm ou plus et une longueur de quelques mm. Le plateau 11 peut présenter un diamètre d compris entre 5 à 50µm, par exemple d’une centaine de µm. Le cristal 20 peut présenter une largeur (ou longueur) L inférieure à 100nm, de préférence comprise entre 10 et 100nm, par exemple de 50nm (à + ou – 10% près), et une épaisseur E inférieure à 50nm, de préférence comprise entre 1 et 50nm, par exemple de 10nm (à+ ou – 10% près).
Sur la figure 2, le plateau 11 présente une rugosité naturelle, comparable à l’épaisseur E du cristal 20, par exemple égal à l’épaisseur E à + ou – 50% près. Ici, la rugosité de la surface d’un matériau correspond à la hauteur maximum des creux et des aspérités apparaissant dans cette surface, définie en valeur absolue par rapport à la hauteur moyenne de cette surface, à l’échelle des dimensions du cristal.
Ainsi, la forme et les dimensions de ces aspérités étant aléatoires, certaines des aspérités du plateau 11, dans l’espace délimité entre le plateau 11 et le cristal 20, se trouvent à une distance inférieure à l’épaisseur du cristal 20 sans que cette distance soit nulle, les faces du cristal étant sensiblement planes (la rugosité du cristal peut être inférieure à 0,5nm). Le simple dépôt du cristal 20 sur le plateau 11, combiné à la rugosité de ce dernier permet de former un assemblage conducteur / vide / isolant, dans lequel le vide est formé par les espaces 14 entre les aspérités du plateau 11 et le cristal 20. Compte tenu des très petites dimensions du cristal 20, celui-ci est maintenu fermement sur le plateau 11 par les forces de van der Walls.
L’angle α formé entre la direction du fil et une génératrice de la pointe conique 10 peut être ajusté en fonction de la divergence souhaitée du faisceau d’électrons généré à la pointe 10, sachant que plus l’angle α est petit plus le faisceau d’électrons produit est divergent. Le diamètre d du plateau présente également une influence sur la divergence du faisceau d’électrons produit, sachant que plus le diamètre d du plateau 11 est grand moins l’angle α de la partie conique influence la divergence du faisceau.
Selon divers modes de réalisation, le fil 1 est réalisé en matériau conducteur tel que le carbone ou le tungstène. Le tungstène présente l’avantage d’être facile à usiner. Le cristal 20 peut être en diamant ou en talc. La source d’électrons précédemment décrite présente une relativement longue durée de vie, même lorsqu’elle est utilisée sous des pressions relativement élevées, de l’ordre de 10-4Pa ou supérieures.
Selon un mode de réalisation, la pointe 10 à l’extrémité du fil, peut être réalisée par exemple par attaque électrochimique. Le plateau 11 peut être réalisé par érosion. Le cristal 20 peut être déposé sur le plateau 11 soit à l’aide d’un nanomanipulateur (par exemple de type piézoélectrique), soit à l’aide d’une micropipette dans laquelle on a introduit de l’eau désionisée dans laquelle plusieurs cristaux sont en suspension. La micropipette permet de produire une microgoutte de ce mélange à l’orifice de sortie de la micropipette. La goutte est ensuite captée par capillarité, par simple contact de la goute avec la pointe 10. La goutte sur la pointe 10 sèche rapidement et dépose le cristal présent dans la goutte. Les cristaux peuvent être désagrégés dans l’eau au moyen d’ultrasons. La concentration de l’eau en cristaux est ajustée de manière à ce que le nombre de cristaux par goutte soit voisin de un, compte tenu du volume d’une goutte. L’orifice de sortie de la micropipette peut être inférieur à 10µm de diamètre pour produire des gouttes ayant sensiblement cette dimension, en appliquant une pression inférieure à 10kPa, par exemple 1.5kPa, à l’orifice d’entrée de la micropipette. La micropipette peut être fabriquée classiquement en étirant un tube capillaire à l’aide d’une étireuse telle que l’étireuse P2000 commercialisée par la société SUTTER INSTRUMENT®.
Selon un mode de réalisation, on utilise une nanopipette, dont l’orifice de sortie est inférieur à 500nm, et remplie partiellement en eau désionisée, par exemple à l’aide du procédé décrit dans la demande de brevet WO2013/079874 pour que l’eau atteigne la partie effilée au voisinage de l’orifice de sortie de la nanopipette. Le mélange d’eau désionisée et cristaux est ensuite introduit par l’orifice d’entrée de la nanopipette, et se mélange naturellement par diffusion avec l’eau déjà présente dans la nanopipette jusqu’à l’orifice de sortie. Une goutte peut être déposée sur un support à l’aide de la nanopipette, puis captée par capillarité par la pointe 10 en la mettant en contact avec la goutte. Les dimensions de la goutte déposée sur le support dépendent de la vitesse de déplacement de la nanopipette le long du support lors de l’éjection de la goutte et de la pression exercée à l’orifice d’entrée de la nanopipette. L’eau de la goutte sur le plateau 11 s’évapore très rapidement et seul subsiste un cristal 20.
La figure 3 représente une tête de microscope électronique 40, intégrant la source d’électrons placée en regard d’un écran, selon un mode de réalisation. Le microscope électronique peut être par exemple de type à balayage, à projection ou à transmission. Le fil 1 est fixé à un déplaceur piézoélectrique 42, la pointe 10 étant placée en regard d’un diaphragme 41. Le fil 1 et le diaphragme 41 sont reliés à une source de tension 43, de manière à polariser positivement le diaphragme 41 qui sert ainsi d’anode ou d’extracteur par rapport au fil 1 servant cathode. L’ensemble des éléments du microscope peut être placé dans une enceinte à vide (non représentée) dans laquelle la pression est abaissée à une valeur suffisamment faible, par exemple à une valeur comprise entre 10-3et 10-5Pa. L’actionneur 42 est agencé pour ajuster la distance entre le cristal 20 et le diaphragme 41.
Un ampèremètre 47 peut être placé entre le diaphragme 41 et la masse pour détecter la présence du faisceau d’électrons 15 et mesurer l’intensité de ce dernier. Lorsqu’on augmente progressivement la tension fournie par la source de tension 43, on observe l’apparition d’un faisceau d’électrons, un courant non nul étant détecté par l’ampèremètre 47, à partir d’environ 400V, le diaphragme 41 se trouvant à une distance comprise entre 0,5 et 1,5mm du cristal 20 ou du plateau 11. Si l’on abaisse progressivement la tension fournie par la source de tension 43, le courant mesuré se stabilise à quelques centaines de nA. Selon un exemple de réalisation, le diaphragme 41 présente un diamètre de 1mm.
Ainsi, la structure conducteur / vide / isolant permet, grâce à un champ électrique de l’ordre de quelques V/µm, d’obtenir une source d’électrons présentant une intensité de l’ordre d’une centaine de nA. Il peut être observé que cette source d’électrons est très stable et suit un régime de type Fowler–Nordheim dans une bande d’intensité de courant de dix ordres de grandeur. Il peut également être observé un régime de saturation atteint à environ 10 µA pour une tension appliquée entre la source 1 et la grille 41 de 500V. Sachant que ce phénomène est généralement observé avec un champ électrique de l’ordre du V/nm, il peut être supposé qu’il se produit une exaltation du champ électrique dans le volume à l’interface entre le plateau conducteur 11 et le cristal isolant 20.
Il peut être observé qu’à une tension de polarisation de 500V, la pointe 10 associée au cristal 20 produit un faisceau ayant une faible dispersion énergétique ΔE comprise entre 0,2 et 0,4 eV, une taille équivalente de source comprise entre 0,5 et 1,5 nm, et une grande stabilité. La brillance de cette source peut atteindre des valeurs élevées de l’ordre de 1013à 1014A/m2.sr. Cette source présente une durée de vie acceptable supérieure à 1000 heures même lorsqu’elle est utilisée sous une pression relativement élevée (inférieure à 10-3Pa).
La structure conducteur / vide / isolant n’est pas nécessairement obtenue en exploitant la rugosité de la surface du conducteur supportant l’isolant. En effet, cette structure peut être entièrement fabriquée à l’aide des techniques classiques de la microélectronique. Ainsi, la figure 4 représente une structure multicouches, selon un mode de réalisation. Cette structure comprend un substrat 50 sur lequel est déposée une couche conductrice 51 qui a été gravée pour former des nanopointes 31 de quelques nanomètres de hauteur. Une couche isolante 52 a ensuite été déposée sur la couche conductrice 51. L’épaisseur de la couche conductrice 51 est légèrement supérieure à la hauteur des nanopointes 31, de sorte que la hauteur entre le sommet 32 des nanopointes 31 et la face supérieure de la couche isolante 52 est de quelques nanomètres. Des puits sont ensuite creusés dans la couche isolante 52 pour dégager les nanopointes 31 et la couche 51 autour de celles-ci. Les puits sont ensuite remplis d’une couche sacrificielle, de manière à obtenir une surface plane incluant la face supérieure de la couche isolante 52. Une couche monocristalline 53 est formée par exemple par dépôt chimique en phase vapeur (CVD – "Chemical Vapor Deposition") en utilisant un gaz brut contenant des hydrocarbones et de l'hydrogène. L’épaisseur de la couche 53 peut être comprise entre 5 et 50nm, par exemple 10nm. La couche 53 est ensuite gravée pour former une plaque monocristalline 21 par nanopointe 31, le sommet 32 de chaque nanopointe se trouvant sous une des plaques 21 ou à l’aplomb d’un bord d’une de celles-ci.
Les anodes sont ensuite réalisées. A cet effet, une couche 54 électriquement isolante est déposée sur les plaques 21 et la couche sacrificielle, puis gravée pour former des puits sensiblement à l’aplomb des puits autour des nanopointes 31. Les puits sont remplis du matériau de la couche sacrificielle, et l’ensemble de la couche isolante 54 et de la couche sacrificielle est recouvert d’une couche conductrice 55 qui est ensuite gravée pour former les anodes 56. La totalité du matériau sacrificiel est ensuite retiré des puits pour dégager les nanopointes, et ainsi obtenir l’agencement représenté sur la figure 4.
Les nanopointes 31 peuvent être agencées en lignes et en colonne de manière à former une matrice de nanopointes utilisable pour réaliser un écran plat fonctionnant par cathodo-luminescence, pour afficher des images animées. Les nanopointes peuvent être connectées entre elles ligne par ligne et commandées par des bandes conductrices formant des anodes 56 agencées en colonnes, afin de pouvoir exciter une seule nanopointe se trouvant sur la ligne et la colonne soumis à une tension.
Il va de soi que d’autres techniques utilisées pour la fabrication de composants microélectroniques peuvent utilisées pour fabriquer la structure représentée sur la figure 4. En outre, certains aspects de cette structure peuvent varier selon les applications visées.
Il apparaîtra clairement à l'homme de l'art que la présente invention est susceptible de diverses variantes de réalisation et diverses applications. En particulier, l’invention n’est pas limitée aux matériaux précédemment décrits pour le matériau conducteur et le cristal isolant, ni à la forme du substrat formé au sommet d’une pointe. En effet, la surface du substrat recouverte par le cristal peut être plane, la rugosité naturelle du substrat étant exploitée pour former l’espace vide sous le cristal.

Claims (14)

  1. Procédé de fabrication d’une source d’électrons, comprenant des étapes consistant à:
    former un substrat conducteur (1, 11, 51, 31), et
    agencer un conducteur (41, 55) en regard du substrat,
    caractérisé en ce qu’il comprend des étapes consistant à:
    disposer un cristal (20, 21) électriquement isolant sur le substrat en regard du conducteur (41, 55), le substrat délimitant avec le cristal un espace vide (14, 34) comportant au moins une aspérité (12, 31) située à distance du cristal, le cristal présentant, dans un plan parallèle au substrat, des dimensions inférieures à 100nm, et dans une direction perpendiculaire au plan, une épaisseur inférieure à 50nm.
  2. Procédé selon la revendication 1, comprenant une étape de dépôt du cristal (20) sur le substrat (1, 11), le substrat présentant une rugosité naturelle formant l’espace vide (14) entre le substrat et le cristal.
  3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel le dépôt du cristal (20) sur le substrat (1, 11) est effectué en déposant sur le substrat une goutte contenant des cristaux en suspension dans de l’eau désionisée, la goutte étant produite à un orifice de sortie à l’extrémité effilée d’une nanopipette en exerçant une pression sur un orifice d’entrée de la nanopipette.
  4. Procédé selon la revendication 3, comprenant des étapes de:
    remplissage partiel de la nanopipette avec de l’eau désionisée,
    chauffage local de la nanopipette pour vaporiser l’eau, l’eau sous forme vapeur étant condensée au voisinage de l’extrémité effilée de la micropipette, et
    remplissage de la nanopipette avec de l’eau désionisée contenant des cristaux en suspension.
  5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, comprenant des étapes d’usinage de l’extrémité d’un fil conducteur (1) pour former une pointe (10) et, au sommet de la pointe, un plateau (11) constituant le substrat conducteur.
  6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel l’étendue du plateau (11) et l’inclinaison de la pointe (10) sont ajustées en fonction d’une divergence souhaitée d’un faisceau d’électrons (15) produit par la source d’électrons.
  7. Procédé selon la revendication 1, comprenant des étapes consistant à:
    former une nanopointe (32) dans le substrat (51),
    déposer une couche isolante (52) sur le substrat,
    former un puits dans la couche isolante pour dégager la nanopointe,
    remplir le puits d’une couche sacrificielle,
    déposer sur la couche isolante et la couche sacrificielle une couche monocristalline (53),
    graver la couche monocristalline pour former une plaque monocristalline (21) présentant un bord à l’aplomb d’un sommet de la nanopointe, et
    retirer la couche sacrificielle pour former l’espace vide (34) entre le substrat et la plaque monocristalline.
  8. Source d’électrons comprenant un substrat (1, 11, 51, 31) conducteur et un conducteur (41, 55) disposé en regard du substrat, la source d’électrons émettant un faisceau d’électrons (15) lorsque le conducteur est polarisé positivement par rapport au substrat,
    caractérisée en ce qu’elle comprend un cristal (20, 21) électriquement isolant agencé sur le substrat (1, 11, 51, 31), en regard du conducteur (41), le substrat délimitant avec le cristal un espace vide (14, 34) comportant au moins une aspérité (12, 31) située à distance du cristal, le cristal présentant, dans un plan parallèle au substrat, des dimensions inférieures à 100nm et une épaisseur inférieure à 50nm.
  9. Source d’électrons selon la revendication 8, dans laquelle le cristal (20) est posé sur le substrat (11), le substrat présentant une rugosité naturelle formant l’espace vide (14) entre le cristal le substrat, le cristal étant supporté par des aspérités (12) à la surface du substrat.
  10. Source d’électrons selon la revendication 8 ou 9, dans laquelle le substrat (1, 11) est formé par un plateau (11) au sommet d’une pointe (10) à une extrémité d’un fil (1).
  11. Source d’électrons selon la revendication 10, dans laquelle le plateau présente une largeur comprise entre 5 et 50µm.
  12. Source d’électrons selon la revendication 8, dans laquelle le substrat (51) présente une nanopointe (32) située à distance du substrat, dans l’espace vide (34) sous le cristal (21) ou au voisinage d’un bord du cristal, l’espace vide (34) étant formé par un puits (14) formé autour et au-dessus de la nanopointe dans une couche électriquement isolante (52) supportant le cristal.
  13. Source d’électrons selon l'une des revendications 8 à 12, dans laquelle le substrat (11, 51) est en tungstène ou en carbone, et le cristal (20, 21) est en diamant ou en talc.
  14. Source d’électrons selon l'une des revendications 8 à 13, dans laquelle le cristal (20, 21) présente une largeur de 50nm et une épaisseur de 10nm, ces dimensions étant définies à + ou – 10% près.
FR1912909A 2019-11-19 2019-11-19 Source d’electrons basee sur l’emission par effet de champ et son procede de fabrication Active FR3103311B1 (fr)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1912909A FR3103311B1 (fr) 2019-11-19 2019-11-19 Source d’electrons basee sur l’emission par effet de champ et son procede de fabrication
PCT/FR2020/052087 WO2021099723A1 (fr) 2019-11-19 2020-11-16 Source d'electrons basee sur l'emission par effet de champ et son procede de fabrication
US17/756,248 US20230005695A1 (en) 2019-11-19 2020-11-16 Electron source based on field emission and production process for same
EP20824299.0A EP4049299A1 (fr) 2019-11-19 2020-11-16 Source d'electrons basee sur l'emission par effet de champ et son procede de fabrication

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1912909 2019-11-19
FR1912909A FR3103311B1 (fr) 2019-11-19 2019-11-19 Source d’electrons basee sur l’emission par effet de champ et son procede de fabrication

Publications (2)

Publication Number Publication Date
FR3103311A1 true FR3103311A1 (fr) 2021-05-21
FR3103311B1 FR3103311B1 (fr) 2021-10-15

Family

ID=70154487

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
FR1912909A Active FR3103311B1 (fr) 2019-11-19 2019-11-19 Source d’electrons basee sur l’emission par effet de champ et son procede de fabrication

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20230005695A1 (fr)
EP (1) EP4049299A1 (fr)
FR (1) FR3103311B1 (fr)
WO (1) WO2021099723A1 (fr)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013079874A1 (fr) 2011-11-30 2013-06-06 Centre National De La Recherche Scientifique - Cnrs - Procede et dispositif de remplissage de nanopipettes par microdistillation dynamique

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016140177A1 (fr) * 2015-03-02 2016-09-09 国立研究開発法人物質・材料研究機構 Émetteur, canon à électrons l'utilisant, dispositif électronique l'utilisant et procédé de production

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013079874A1 (fr) 2011-11-30 2013-06-06 Centre National De La Recherche Scientifique - Cnrs - Procede et dispositif de remplissage de nanopipettes par microdistillation dynamique

Non-Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
DATABASE INSPEC [online] THE INSTITUTION OF ELECTRICAL ENGINEERS, STEVENAGE, GB; May 2015 (2015-05-01), SALANÇON E ET AL: "Single mineral particle makes an electron point source", XP002800013, Database accession no. 15067614 *
DATABASE INSPEC [online] THE INSTITUTION OF ELECTRICAL ENGINEERS, STEVENAGE, GB; November 2019 (2019-11-01), SALANCON E ET AL: "Preparing a celadonite electron source and estimating its brightness", XP002800014, Database accession no. 19276081 *
E. SALANÇONA. DEGIOVANNIL. LAPENAM. LAGAIZER. MORIN: "A low-energy electron point-source projection microscope not using a sharp metal tip performs well in long-range imaging", ULTRAMICROSCOPY, vol. 200, 2019, pages 125 - 131, XP085668860, DOI: 10.1016/j.ultramic.2019.02.022
JOURNAL OF VACUUM SCIENCE & TECHNOLOGY B (NANOTECHNOLOGY AND MICROELECTRONICS: MATERIALS, PROCESSING, MEASUREMENT, AND PHENOMENA) AIP - AMERICAN INSTITUTE OF PHYSICS USA, vol. 33, no. 3, 1 May 2015 (2015-05-01) - 1 June 2015 (2015-06-01), XP055726602, ISSN: 1071-1023, DOI: 10.1116/1.4916237 *
JOVE - JOURNAL OF VISUALIZED EXPERIMENTS MYJOVE CORPORATION USA, vol. 153, 1 November 2019 (2019-11-01), XP009522157, ISSN: 1940-087X, DOI: 10.3791/59513 *
RECH J ET AL: "Low-voltage electron emission from mineral films", JOURNAL OF VACUUM SCIENCE AND TECHNOLOGY: PART B, AVS / AIP, MELVILLE, NEW YORK, NY, US, vol. 20, no. 1, 1 January 2002 (2002-01-01), pages 5 - 9, XP012009241, ISSN: 1071-1023, DOI: 10.1116/1.1426366 *

Also Published As

Publication number Publication date
WO2021099723A1 (fr) 2021-05-27
US20230005695A1 (en) 2023-01-05
EP4049299A1 (fr) 2022-08-31
FR3103311B1 (fr) 2021-10-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
FR2925039A1 (fr) Procede de fabrication collective de nanofibres de carbone a la surface de micromotifs elabores a la surface d'un substrat et structure comprenant des nanofibres a la surface de micromotifs
US6777637B2 (en) Sharpening method of nanotubes
EP2521162B1 (fr) Procédé de réalisation de nanocristaux de semi-conducteur orientés selon une direction pré-définie
US9058954B2 (en) Carbon nanotube field emission devices and methods of making same
JP6860691B2 (ja) ルテニウム被覆を有する電子ビーム放出器
EP0712146B1 (fr) Source d'électrons à effet de champ et procédé de fabrication de cette source, application aux dispositifs de visualisation par cathodoluminescence
FR2734401A1 (fr) Cathode froide a emission de champ ayant une caracteristique d'isolement amelioree et procede pour la fabriquer
Wang et al. Field emission properties of carbon coated Si nanocone arrays on porous silicon
FR2900499A1 (fr) Dispositif a emission de champ
WO2020076528A1 (fr) Canon électronique et microscope électronique
FR3103311A1 (fr) Source d’electrons basee sur l’emission par effet de champ et son procede de fabrication
Yu et al. Patterned carbon nanotube field emitter using the regular array of an anodic aluminium oxide template
JP2021524650A (ja) 拡散障壁を有する電子エミッタ向けの金属保護層
FR2723255A1 (fr) Dispositif d'affichage a emission de champ et procede pour fabriquer de tels dispositifs
FR3070791A1 (fr) Generateur de faisceau ionique a nanofils
FR2733253A1 (fr) Dispositif pour deposer un materiau par evaporation sur des substrats de grande surface
Ahmed et al. Field assisted reactive gas etching of multiple tips observed using FIM
EP2617049B1 (fr) Canon à électrons émettant sous haute tension, destiné notamment à la microscopie électronique
FR2708619A1 (fr) Elément phosphorescent.
FR2777113A1 (fr) Canon a electrons de type "torche a electrons"
FR2759202A1 (fr) Dispositif emetteur d'electrons et dispositif d'affichage pourvu d'un tel dispositif
FR2857379A1 (fr) Croissance catalytique et directionnelle de nanotubes de carbone individuels, applications a des sources froides d'electrons
Kono et al. Mechanism of field emission from a highly phosphorous-doped chemical vapor deposition diamond (111) surface
US20230298847A1 (en) Electron gun and electron microscope
FR2962590A1 (fr) Cathode froide emettrice d'electrons a pointes renversees

Legal Events

Date Code Title Description
PLFP Fee payment

Year of fee payment: 2

PLSC Publication of the preliminary search report

Effective date: 20210521

PLFP Fee payment

Year of fee payment: 3

PLFP Fee payment

Year of fee payment: 4

PLFP Fee payment

Year of fee payment: 5