EP0856868B1 - Field emission electron source and display device with such a source - Google Patents

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EP0856868B1
EP0856868B1 EP98201095A EP98201095A EP0856868B1 EP 0856868 B1 EP0856868 B1 EP 0856868B1 EP 98201095 A EP98201095 A EP 98201095A EP 98201095 A EP98201095 A EP 98201095A EP 0856868 B1 EP0856868 B1 EP 0856868B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
microtips
electron source
source according
etching
grids
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP98201095A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP0856868A2 (en
EP0856868A3 (en
Inventor
Robert Meyer
Pierre Vaudaine
Philippe Rambaud
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.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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
Priority claimed from FR9404948A external-priority patent/FR2719155B1/en
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP0856868A2 publication Critical patent/EP0856868A2/en
Publication of EP0856868A3 publication Critical patent/EP0856868A3/en
Application granted granted Critical
Publication of EP0856868B1 publication Critical patent/EP0856868B1/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • 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
    • H01J1/3042—Field-emissive cathodes microengineered, e.g. Spindt-type

Definitions

  • the present invention relates in a manner general to emitting cathodic systems using electronic emission by field effect such as by example of the matrix flat screens used for the display of images; it relates more of a way to a process for improving the characteristics of microtip cathodes and their uniformity over large areas.
  • Figure 1 shows an already elaborate structure, comprising on a substrate 6 surmounted by an insulator 7, a system of cathode conductors 8 and grids 10a superposed in crossed form with an insulator intermediate 12 and a layer of nickel for example 23 deposited on the surface to serve as a mask during operations of making microtips.
  • This layer 23 of nickel, the grids 10a and the insulator 12 are pierced with holes 16, in the bottom of which it's a question of coming to deposit the future microtips made of a conductive metal in electrical connection with the cathode electrode 8.
  • microtips as well obtained have certain defects. These defects come first from the fact that the previous method makes it difficult to obtain micropoints with the shape is reproducible from one point to another and / or from one cathode to another, especially on large surfaces during mass production. They come from the fact that, on the other hand, obtained micropoints are far from always having the perfect conical shape that has been represented under the reference 18 in Figures 2 and 3. Usually Indeed, they have inequalities of form and majority has a radius of curvature much too high, this which gives them a domed profile as we can see in Figure 4. This dome profile decreases especially their emissivity in a considerable way, that is to say the current density emitted for a grid voltage determined micropoint.
  • the realization of the cathode requires at least one photolithography step intervening after the realization of the spikes in particular for the definition of the conductor strips forming the grids. This step creates pollution risks on the tips (organic residues, traces of cleaning,).
  • the emissivity of a point varies so exponential with the shape of the tip and its state of area.
  • a method of making electron sources at micropoints according to the invention allows both to standardize the surface condition and refine the microtip geometry.
  • This process thus makes it possible to reduce the dispersions of features from a tip to the other and from one source to another to disadvantages and make it easier to production of microtip cathodes having uniform and reproducible characteristics, than a high level of emission.
  • the process proposes to carry out, as a first step, a first cleaning step that allows to standardize the state of surface and, in a second step, a step refining which consists of a complementary engraving to give the microtips a profile as close as possible of the desired ideal, that is to say with a radius of curvature as low as possible (lower a few tens of nanometers).
  • this optimization consists of search, for microtips, of a profile as close as possible to a pointed cone tapered, in other words in search of an effect of spikes increased to ensure a large amplitude of the electric field.
  • the step is followed refining a second cleaning step, consisting of wet chemical cleaning.
  • the first cleaning step comprises a first wet chemical cleaning sub-step and a second plasma cleaning sub-step, for example by O 2 plasma.
  • the ripening stage by surface etching can be carried out by one any of the known methods that are particularly controlled chemical or electrochemical attack, reactive ion etching attack and attack by ion bombardment.
  • the superficial attack microtips is performed on a thickness of a few tens to a few thousand Angstroms.
  • One of the advantages of the process is that it applies to the treatment very large emitting surfaces, such as meet precisely in flat screens display.
  • the method thus makes it possible to correct very simply the approximate shape of the microtips obtained to date and, by removing the dispersions of emission characteristics of a peak to the other, to allow a level of emission electronics very high and significantly increased compared to those of the prior art, and therefore to allow the reduction of the supply voltage required between grids and cathode conductors for extract the electrons.
  • the principle of the process consists in choosing a method of realizing micropoints which gives for them a shape approximate (easier to achieve on large surfaces and less expensive) then to clean the micropoints and finally to improve and homogenize their radius of curvature using, in particular, a reactive ion etching or other methods of chemical or electrochemical engravings.
  • the first part (base) is of height such that its summit is about the same level as the lower plane of the grid.
  • the ripening time must be controlled: if it is too much important, the top of the tip can quickly become find below the bottom plane of the grid, this which is very unfavorable to the electronic broadcast. If it is too weak, the radius of curvature is not optimum and the effect sought by refining is not achieved.
  • the ripening time must be sufficient to obtain the optimum radius of curvature of the tip, but if it is longer, the top of the tip always stays above from the bottom plane of the grid since it rests on the material not attacked or little attacked.
  • the first part is in niobium (Nb)
  • the second part is in molybdenum, or chromium, or silicon, or iron, or in nickel.
  • the height H is such that the top of the first part is substantially at level of the lower plane of the grids.
  • the invention thus applies to sources in which microtips are not deposited directly on the cathodic conductors but by example on a resistive layer interposed between microtips and cathode conductors.
  • This last operation which lasts about ten minutes is made for example with a power of 250 Watts, a plasma pressure of 100 millitorrs and a flow rate of 100 cm 3 / min.
  • the cleaning step is followed by a step of refining or etching the tips, for example for molybdenum tips by reactive ion etching in a SF 6 plasma (same equipment as mentioned above).
  • This step allows the removal of a layer of molybdenum oxide that may have formed at the time of O 2 plasma cleaning. It also allows etching of the microtips to modify their shape and in particular to reduce their radius of curvature.
  • the conditions of action of the sulfur hexafluoride plasma are for example as follows: the operation takes about 20 seconds with a power of 400 W, a flow rate of 40 cm 3 / min under a plasma pressure of 30 millitorr. At the end of this treatment, a large proportion of microtips have the same profile which is close to the ideal cone profile of FIG. 5 and a very uniform surface state.
  • Figure 6a is a curve showing the emissivity of the microtips before the treatment ripening (dotted curve) and after treatment ripening (curve in solid line).
  • the current density in microamperes per millimeter square is plotted on the ordinate and the grid-microtip voltage in volts is plotted on the abscissa.
  • the increase in emissivity following the treatment immediately appears to be considerable. We so actually gets some microtips, for which the radius of curvature of the end is less than a few tens of nanometers.
  • Figure 6b shows the emissivity (same units that in Figure 6a) microtips after refining, but before (dashed curve) and after the second cleaning step (curve in solid line). We see that this second cleaning step still allows to improve the emissivity of an important factor.
  • refining tips can be used alternatively to that described above, for example by etching (or electrochemical) controlled or by ion bombardment.
  • the duration during which the stage is carried out ripening, must be checked in the event that the microtips are made of a single metal, sensitive for refining, for example molybdenum.
  • the grid 10a is geometrically understood between or delimited by two planes, a lower plane (I) and an upper plane (S) (see Figure 7a, on which, as in Figures 7b, 7c, 8a-c, references 6, 8, 10a, 12 have the same meaning as in Figures 1 to 5).
  • the ripening time is as we will see, much less critical.
  • a method for obtaining microtips having this structure is derived from the process already described in introduction to make microtips made of a single material.
  • a layer 18a for example in niobium on the nickel layer 23, by evaporation under vacuum at normal incidence, as in the figure 2.
  • the set then has the overall shape substantially conic of Figure 8a.
  • the height H of the base 20 must be sufficient for the vertex A of the cone obtained to be above the lower plane of the grid 10a.
  • A will lie, after the filing operations just described, above the plane upper gate 10a; for this purpose, the height H will be substantially equal to the thickness of the insulator 12, that is to say in this embodiment, at the distance separating the cathode conductor 8 from the plane bottom of the grid 10a.
  • a cathode with microtips be associated with a structure comprising at least one anode and a cathodoluminescent material to achieve a viewing device as described in US Pat. Nos. 4,857,161 (FR-2,593,953), US 4,940,916, US 5,225,820 (FR-2,633,763) or US 5,194,780 (FR-A-2,663,462).

Description

La présente invention se rapporte d'une manière générale aux systèmes cathodiques émissifs utilisant l'émission électronique par effet de champ tels que par exemple ceux des écrans plats matriciels utilisés pour l'affichage d'images ; elle se rapporte de façon plus précise, à un procédé permettant d'améliorer les caractéristiques des cathodes à micropointes et leur uniformité sur de grandes surfaces.The present invention relates in a manner general to emitting cathodic systems using electronic emission by field effect such as by example of the matrix flat screens used for the display of images; it relates more of a way to a process for improving the characteristics of microtip cathodes and their uniformity over large areas.

Un tel système émissif à micropointes et son procédé de fabrication sont décrits en détail par exemple dans le document FR-A-2 593 953 du 24/01/1986. On commencera d'abord par rappeler la technique connue de fabrication de telles micropointes dans une structure de ce genre, telle qu'elle ressort du document précité en se référant aux figures 1, 2 et 3 ci-jointes.Such an emissive system with microtips and its manufacturing process are described in detail by example in the document FR-A-2 593 953 of 24/01/1986. We will begin by recalling the known technique of making such microtips in a structure of this kind, as aforementioned document with reference to FIGS. 1, 2 and 3 attached.

La figure 1 montre une structure déjà élaborée, comprenant sur un substrat 6 surmonté d'un isolant 7, un système de conducteurs cathodiques 8 et de grilles 10a superposées sous forme croisée avec un isolant intermédiaire 12 et une couche par exemple de nickel 23 déposée en surface pour servir de masque lors des opérations de réalisation des micropointes. Cette couche 23 de nickel, les grilles 10a et l'isolant 12 sont percés de trous 16, dans le fond desquels il s'agit de venir déposer les futures micropointes constituées d'un métal conducteur en liaison électrique avec l'électrode cathodique 8.Figure 1 shows an already elaborate structure, comprising on a substrate 6 surmounted by an insulator 7, a system of cathode conductors 8 and grids 10a superposed in crossed form with an insulator intermediate 12 and a layer of nickel for example 23 deposited on the surface to serve as a mask during operations of making microtips. This layer 23 of nickel, the grids 10a and the insulator 12 are pierced with holes 16, in the bottom of which it's a question of coming to deposit the future microtips made of a conductive metal in electrical connection with the cathode electrode 8.

Pour la réalisation des micropointes, on s'y prend de la façon suivante, en se référant à la figure 2. On commence d'abord par effectuer par exemple le dépôt d'une couche en molybdène 18a sur l'ensemble de la structure. Cette couche 18a présente une épaisseur environ de 1,8 µm. Elle est déposée sous incidence normale par rapport à la surface de la structure ; cette technique de dépôt permet d'obtenir des cônes 18 en molybdène logés dans les trous 16 ayant une hauteur de 1,2 à 1,5 µm. On réalise ensuite la dissolution sélective de la couche de nickel 23 par un procédé électrochimique de façon à dégager, comme représenté sur la figure 3, les grilles par exemple en niobium 10a perforées et à faire apparaítre les micropointes 18 émettrices d'électrons.For the realization of the microtips, one gets there takes the following way, referring to the figure 2. We first start by performing for example the deposit of a molybdenum layer 18a on the set of the structure. This layer 18a has a thickness about 1.8 μm. It is filed under impact normal to the surface of the structure; this deposition technique makes it possible to obtain cones 18 in molybdenum housed in holes 16 having a height from 1.2 to 1.5 μm. The dissolution is then carried out selective of the nickel layer 23 by a method electrochemical so as to clear, as shown in FIG. 3, the grids for example of niobium 10a perforated and to make appear the microtips 18 electron emitting.

A quelques variantes technologiques près, la méthode connue ainsi décrite en se référant aux figures 1, 2 et 3 est toujours celle que l'on applique jusqu'à ce jour pour réaliser les micropointes des systèmes à cathode émissive.A few technological variants, the known method thus described with reference to the figures 1, 2 and 3 is always the one we apply until this day to make the microtips systems to emitting cathode.

Malheureusement, les micropointes ainsi obtenues présentent certains défauts. ces défauts proviennent d'abord du fait que la méthode précédente permet difficilement l'obtention de micropointes dont la forme soit reproductible d'une pointe à l'autre et/ou d'une cathode à l'autre, surtout sur de grandes surfaces lors d'une production en série. Ils proviennent également du fait que, d'autre part, les micropointes obtenues sont loin d'avoir toujours la forme conique parfaite que l'on a représentée sous la référence 18 sur les figures 2 et 3. Le plus souvent en effet, elles ont des inégalités de forme et une majorité a un rayon de courbure beaucoup trop élevé, ce qui leur donne un profil en dôme tel qu'on peut le voir sur la figure 4. Ce profil en dôme diminue notamment leur émissivité d'une façon considérable, c'est-à-dire la densité de courant émise pour une tension grille micropointe déterminée.Unfortunately, the microtips as well obtained have certain defects. these defects come first from the fact that the previous method makes it difficult to obtain micropoints with the shape is reproducible from one point to another and / or from one cathode to another, especially on large surfaces during mass production. They come from the fact that, on the other hand, obtained micropoints are far from always having the perfect conical shape that has been represented under the reference 18 in Figures 2 and 3. Mostly Indeed, they have inequalities of form and majority has a radius of curvature much too high, this which gives them a domed profile as we can see in Figure 4. This dome profile decreases especially their emissivity in a considerable way, that is to say the current density emitted for a grid voltage determined micropoint.

D'autre part, la réalisation de la cathode nécessite au moins une étape de photolithographie intervenant après la réalisation des pointes notamment pour la définition des bandes conductrices formant les grilles. Cette étape crée des risques de pollution importants sur les pointes (résidus organiques, traces de nettoyage,...).On the other hand, the realization of the cathode requires at least one photolithography step intervening after the realization of the spikes in particular for the definition of the conductor strips forming the grids. This step creates pollution risks on the tips (organic residues, traces of cleaning,...).

Or, l'émissivité d'une pointe varie de façon exponentielle avec la forme de la pointe et son état de surface.However, the emissivity of a point varies so exponential with the shape of the tip and its state of area.

Dans ces conditions, seule une faible proportion des micropointes assure le courant électronique du système ; de ce fait, l'effet de moyenne joue mal et l'émission n'est pas uniforme sur l'ensemble de la cathode.In these circumstances, only a weak Proportion of microtips ensures current electronic system; therefore, the effect of average plays badly and the show is not uniform on the whole cathode.

Selon la demande de brevet EP -434330, il est connu de faire une attaque des pointes après leur fabrication de façon à affiner leur rayon de courbure. Mais ce procédé marche mal pour des cathodes de grandes surfaces.According to the patent application EP -434330, it is known to make a spikes attack after their manufacture so as to refine their radius of curvature. But this process works poorly for large cathodes surfaces.

Exposé de l'inventionPresentation of the invention

Un procédé de réalisation de sources d'électrons à micropointes selon l'invention permet à la fois d'uniformiser l'état de surface et d'affiner la géométrie des micropointes.A method of making electron sources at micropoints according to the invention allows both to standardize the surface condition and refine the microtip geometry.

Ce procédé permet ainsi en réduisant fortement les dispersions de caractéristiques d'une pointe à l'autre et d'une source à l'autre de pallier aux inconvénients précédents et de rendre plus facile la production de cathodes à micropointes ayant des caractéristiques uniformes et reproductibles, ainsi qu'un haut niveau d'émission.This process thus makes it possible to reduce the dispersions of features from a tip to the other and from one source to another to disadvantages and make it easier to production of microtip cathodes having uniform and reproducible characteristics, than a high level of emission.

De façon plus précise, un procédé de réalisation d'une source d'électrons à micropointes selon l'invention comportant un système de conducteurs cathodiques, de grilles superposées avec un isolant intermédiaire, et de micropointes, les grilles étant géométriquement comprises entre un plan inférieur et un plan supérieur, soumet les micropointes à :

  • une première étape de nettoyage, puis à :
    • une étape d'affinage par gravure superficielle
More specifically, a method for producing a micropoint electron source according to the invention comprising a system of cathode conductors, grids superimposed with an intermediate insulator, and microtips, the grids being geometrically contained between a lower plane and a top plan, submits the microtips to:
  • a first cleaning step, then to:
    • a refining step by superficial etching

En d'autres termes, après la fabrication des micropointes, telle qu'elle est expliquée par exemple dans le document FR-A-2 593 953, le procédé propose de réaliser, dans un premier temps une première étape de nettoyage qui permet d'uniformiser l'état de surface et, dans un deuxième temps, une étape d'affinage qui consiste en une gravure complémentaire pour donner aux micropointes un profil aussi proche que possible de l'idéal souhaité, c'est-à-dire avec un rayon de courbure aussi faible que possible (inférieur à quelques dizaines de nanomètres).In other words, after the manufacture of micropoints, as explained for example in the document FR-A-2 593 953, the process proposes to carry out, as a first step, a first cleaning step that allows to standardize the state of surface and, in a second step, a step refining which consists of a complementary engraving to give the microtips a profile as close as possible of the desired ideal, that is to say with a radius of curvature as low as possible (lower a few tens of nanometers).

En pratique, cette optimisation consiste en la recherche, pour les micropointes, d'un profil se rapprochant le plus possible d'un cône à pointe effilée, autrement dit en la recherche d'un effet de pointes augmenté pour garantir une amplitude importante du champ électrique.In practice, this optimization consists of search, for microtips, of a profile as close as possible to a pointed cone tapered, in other words in search of an effect of spikes increased to ensure a large amplitude of the electric field.

Avantageusement, on fait suivre l'étape d'affinage d'une deuxième étape de nettoyage, consistant en un nettoyage chimique humide.Advantageously, the step is followed refining a second cleaning step, consisting of wet chemical cleaning.

De préférence, la première étape de nettoyage comporte une première sous-étape de nettoyage chimique humide et une deuxième sous-étape de nettoyage par un plasma, par exemple par plasma O2.Preferably, the first cleaning step comprises a first wet chemical cleaning sub-step and a second plasma cleaning sub-step, for example by O 2 plasma.

L'étape d'affinage par gravure superficielle peut être réalisée par l'une quelconque des méthodes connues qui sont en particulier l'attaque chimique ou électrochimique contrôlée, l'attaque par gravure ionique réactive et l'attaque par bombardement ionique.The ripening stage by surface etching can be carried out by one any of the known methods that are particularly controlled chemical or electrochemical attack, reactive ion etching attack and attack by ion bombardment.

Selon une caractéristique de mise en oeuvre du procédé , l'attaque superficielle des micropointes est effectuée sur une épaisseur de quelques dizaines à quelques milliers d'Angströms.According to an implementation characteristic of the process, the superficial attack microtips is performed on a thickness of a few tens to a few thousand Angstroms.

L'un des avantages du procédé est qu'il s'applique au traitement de très grandes surfaces émissives, telles qu'on en rencontre précisément dans les écrans plats d'affichage. Le procédé permet ainsi de corriger très simplement la forme approximative des micropointes obtenues jusqu'à ce jour et, en supprimant les dispersions de caractéristiques d'émission d'une pointe à l'autre, de permettre un niveau d'émission électronique très élevé et nettement accru par rapport à ceux de l'art antérieur, et donc de permettre la réduction de la tension d'alimentation nécessaire entre les grilles et les conducteurs cathodiques pour extraire les électrons.One of the advantages of the process is that it applies to the treatment very large emitting surfaces, such as meet precisely in flat screens display. The method thus makes it possible to correct very simply the approximate shape of the microtips obtained to date and, by removing the dispersions of emission characteristics of a peak to the other, to allow a level of emission electronics very high and significantly increased compared to those of the prior art, and therefore to allow the reduction of the supply voltage required between grids and cathode conductors for extract the electrons.

En somme, le principe du procédé consiste à choisir une méthode de réalisation des micropointes qui donne pour celles-ci une forme approximative (plus facile à réaliser sur de grandes surfaces et moins coûteuse) puis à nettoyer les micropointes et enfin à améliorer et homogénéiser leur rayon de courbure à l'aide, en particulier, d'une gravure ionique réactive ou d'autres méthodes de gravures chimiques ou électrochimiques. In short, the principle of the process consists in choosing a method of realizing micropoints which gives for them a shape approximate (easier to achieve on large surfaces and less expensive) then to clean the micropoints and finally to improve and homogenize their radius of curvature using, in particular, a reactive ion etching or other methods of chemical or electrochemical engravings.

Le procédé est de mise en oeuvre particulièrement intéressante lorsque les micropointes sont réalisées respectivement en au moins deux parties :

  • une première partie servant de base, de forme sensiblement tronconique, et étant constituée d'un premier matériau conducteur ou semi-conducteur, choisi de telle façon qu'il ne soit pas ou très peu attaqué par l'étape d'affinage,
  • une deuxième partie constituant la pointe proprement dite et étant déposée sur la première partie, cette deuxième partie étant constituée d'un second matériau conducteur ou semi-conducteur choisi de telle façon à ce qu'il soit attaqué par l'étape d'affinage.
The method is particularly advantageous when the microtips are made respectively in at least two parts:
  • a first portion serving as a base, of substantially frustoconical shape, and consisting of a first conductive or semi-conductive material, selected in such a way that it is not or very little attacked by the refining step,
  • a second part constituting the actual tip and being deposited on the first part, this second part consisting of a second conductive material or semi-conductor chosen so that it is attacked by the refining step.

De préférence, la première partie (base) est de hauteur telle que son sommet est à peu près au même niveau que le plan inférieur de la grille.Preferably, the first part (base) is of height such that its summit is about the same level as the lower plane of the grid.

L'intérêt de mettre en oeuvre ce procédé dans ce cas particulier est le suivant.The interest of implementing this The process in this particular case is as follows.

Lorsque les micropointes sont constituées d'un matériau unique, sensible à l'étape d'affinage, le temps d'affinage doit être contrôlé : s'il est trop important, le sommet de la pointe peut rapidement se trouver en-dessous du plan inférieur de la grille, ce qui est très défavorable à l'émission électronique. S'il est trop faible, le rayon de courbure n'est pas optimum et l'effet recherché par l'affinage n'est pas atteint.When the microtips consist of a unique material, sensitive to the refining stage, the ripening time must be controlled: if it is too much important, the top of the tip can quickly become find below the bottom plane of the grid, this which is very unfavorable to the electronic broadcast. If it is too weak, the radius of curvature is not optimum and the effect sought by refining is not achieved.

Au contraire, lorsque les micropointes sont constituées de deux parties, comme décrit ci-dessus, le temps d'affinage doit être suffisant pour obtenir le rayon de courbure optimum de la pointe, mais s'il est plus long, le sommet de la pointe reste toujours au-dessus du plan inférieur de la grille puisqu'il repose sur le matériau non attaqué ou peu attaqué.On the contrary, when the microtips are consisting of two parts, as described above, the ripening time must be sufficient to obtain the optimum radius of curvature of the tip, but if it is longer, the top of the tip always stays above from the bottom plane of the grid since it rests on the material not attacked or little attacked.

Selon un exemple de réalisation, la première partie est en niobium (Nb), la deuxième partie est en molybdène, ou en chrome, ou en silicium, ou en fer, ou en nickel.According to an exemplary embodiment, the first part is in niobium (Nb), the second part is in molybdenum, or chromium, or silicon, or iron, or in nickel.

L'invention a pour objet une source d'électrons à micropointes comportant un système de conducteurs cathodiques, de grilles superposées avec un isolant intermédiaire et de micropointes déposées dans des trous pratiqués dans les grilles et l'isolant, les grilles étant géométriquement comprises entre un plan inférieur et un plan supérieur, caractérisée en ce que les micropointes comportent respectivement au moins deux parties :

  • une première partie de forme tronconique, de hauteur H, et constituée d'un premier matériau conducteur ou semi-conducteur,
  • une deuxième partie, constituant une pointe conique déposée sur la première partie et étant constituée d'un second matériau conducteur ou semi-conducteur,
le premier et le second matériaux étant choisis de façon à ce que le second matériau soit apte à être affiné par une gravure sélective par rapport au premier matériau, cette gravure étant du type attaque chimique ou électrochimique contrôlé, gravure ionique réactive ou bombardement ionique.The subject of the invention is a microtip electron source comprising a system of cathode conductors, grids superimposed with an intermediate insulator and microtips deposited in holes formed in the grids and the insulator, the grids being geometrically between a lower plane and a top plane, characterized in that the microtips respectively comprise at least two parts:
  • a first portion of frustoconical shape, of height H, and constituted by a first conductive or semiconductor material,
  • a second part constituting a conical tip deposited on the first part and consisting of a second conductive or semiconductor material,
the first and second materials being chosen so that the second material is capable of being refined by selective etching with respect to the first material, this etching being of the controlled chemical or electrochemical etching type, reactive ion etching or ion bombardment.

De préférence, la hauteur H est telle que le sommet de la première partie soit sensiblement au niveau du plan inférieur des grilles.Preferably, the height H is such that the top of the first part is substantially at level of the lower plane of the grids.

L'invention s'applique ainsi à des sources dans lesquelles les micropointes ne sont pas déposées directement sur les conducteurs cathodiques mais par exemple sur une couche résistive intercalée entre les micropointes et les conducteurs cathodiques.The invention thus applies to sources in which microtips are not deposited directly on the cathodic conductors but by example on a resistive layer interposed between microtips and cathode conductors.

Brève description des figuresBrief description of the figures

De toute façon, les caractéristiques et avantages de l'invention apparaítront mieux à la lumière de la description qui va suivre. Cette description porte sur les exemples de réalisation, donnés à titre explicatif et non limitatif, en se référant à des dessins annexés sur lesquels :

  • les figures 1 à 3 illustrent différentes étapes de formation de micropointes, selon un procédé connu de l'art antérieur,
  • la figure 4 représente schématiquement la forme des micropointes obtenues par un procédé connu,
  • la figure 5 représente schématiquement le profil en cône idéal souhaité,
  • les figures 6a et 6b illustrent l'émissivité des micropointes d'une part avant et après traitement d'affinage et d'autre part avant et après la seconde étape de nettoyage,
  • les figures 7a, 7b et 7c montrent schématiquement les formes obtenues pour une micropointe en un seul métal, dans le cas d'un affinage respectivement trop poussé, insuffisant et optimal,
  • les figures 8a à 8c illustrent le procédé d'affinage pour une micropointe en deux parties.
In any case, the features and advantages of the invention will appear better in the light of the description which follows. This description relates to the exemplary embodiments, given for explanatory and nonlimiting purposes, with reference to the appended drawings in which:
  • FIGS. 1 to 3 illustrate different microtip formation steps, according to a method known from the prior art,
  • FIG. 4 schematically represents the shape of the microtips obtained by a known method;
  • FIG. 5 schematically represents the desired ideal cone profile,
  • FIGS. 6a and 6b illustrate the emissivity of the microtips on the one hand before and after refining treatment and on the other hand before and after the second cleaning step,
  • FIGS. 7a, 7b and 7c show schematically the shapes obtained for a microtip made of a single metal, in the case of a refinement which is respectively too excessive, insufficient and optimal,
  • Figures 8a to 8c illustrate the refining process for a two-part microtip.

Exemple détaillé de modes de réalisationDetailed example of embodiments

Les étapes du procédé de fabrication d'une source d'électrons selon l'invention complètent les procédés connus de formation de cathodes à micropointes émettrices d'électrons. Un tel procédé est décrit par exemple dans le document FR-A-2 593 953 (Brevet américain correspondant : US-A-4 857 161). De façon résumée il comporte les étapes suivantes :

  • dépôt par pulvérisation cathodique sur le substrat 6, d'une couche d'oxyde de silicium 7 (voir figure 1), d'environ 100 nm,
  • dépôt par pulvérisation cathodique, sur la couche 7, d'une première couche conductrice en oxyde d'indium dans laquelle seront réalisées les conducteurs cathodiques 8 (épaisseur environ 160 nm),
  • gravure de la première couche conductrice pour former des premières bandes conductrices parallèles ou conducteurs cathodiques 8,
  • dépôt chimique en phase vapeur (à partir des gaz de silane, phosphine, oxygène) d'une seconde couche isolante d'oxyde de silicium d'épaisseur environ 1 µm (12),
  • dépôt, par évaporation sous vide, sur la couche d'oxyde de silicium, d'une troisième couche, conductrice, dans laquelle seront formées les grilles 10a (niobium, épaisseur environ 0,4 µm),
  • ouverture de trous 16 (diamètre environ 1,3 µm) dans la troisième couche conductrice, par gravure ionique réactive (GIR) en utilisant un plasma de SF6, et dans la seconde couche 12 par gravure ionique réactive dans un plasma de CHF3 ou par attaque chimique dans une solution d'acide fluorhydrique et de fluorure d'ammonium.
  • dépôt d'une couche de nickel 23 (figure 2) par évaporation sous vide, sous incidence rasante par rapport à la surface de la structure. L'angle α formé entre l'axe d'évaporation et la surface de la couche 10a est voisin de 15°. La couche de nickel présente une épaisseur d'environ 150 nm,
  • formation des micropointes par un procédé décrit dans l'introduction de la présente demande, en liaison avec les figures 2 et 3,
  • gravure de la troisième couche pour former des deuxièmes bandes conductrices parallèles aux grilles.
The steps of the method for manufacturing an electron source according to the invention complete the known methods for forming electron-emitting microtip cathodes. Such a process is described, for example, in document FR-A-2 593 953 (corresponding US Pat. No. 4,857,161). In summary, it comprises the following steps:
  • sputter deposition on the substrate 6, of a silicon oxide layer 7 (see FIG. 1), of approximately 100 nm,
  • cathodic sputtering, on the layer 7, of a first conductive indium oxide layer in which the cathode conductors 8 (thickness about 160 nm) will be produced,
  • etching the first conductive layer to form first parallel conductive strips or cathode conductors 8,
  • chemical vapor deposition (from the silane, phosphine, oxygen gas) of a second insulating layer of silicon oxide approximately 1 μm thick (12),
  • depositing, by vacuum evaporation, on the silicon oxide layer, a third conductive layer, in which will be formed the grids 10a (niobium, thickness about 0.4 microns),
  • opening of holes 16 (diameter about 1.3 μm) in the third conductive layer, by reactive ion etching (GIR) using a SF 6 plasma, and in the second layer 12 by reactive ion etching in a plasma of CHF 3 or by etching in a solution of hydrofluoric acid and ammonium fluoride.
  • deposition of a nickel layer 23 (FIG. 2) by vacuum evaporation under grazing incidence relative to the surface of the structure. The angle α formed between the evaporation axis and the surface of the layer 10a is close to 15 °. The nickel layer has a thickness of about 150 nm,
  • forming the microtips by a method described in the introduction of the present application, in conjunction with FIGS. 2 and 3,
  • etching the third layer to form second conductive strips parallel to the grids.

Ces étapes sont suivies d'abord par une étape de nettoyage qui a pour fonction d'uniformiser l'état de surface avant toute autre étape. Cette étape de nettoyage peut comprendre deux sous-étapes :

  • un nettoyage chimique humide dans un bain de lessive (TFD4 à 10% dans de l'eau), à 60°C, assisté par ultrasons, le tout pendant une durée de 5 minutes environ,
  • un nettoyage par gravure ionique réactive dans un plasma d'oxygène, par exemple à l'aide d'un équipement vendu dans le commerce sous l'appellation NEXTRAL 550.
These steps are followed first by a cleaning step whose function is to standardize the surface condition before any other step. This cleaning step can include two sub-steps:
  • wet chemical cleaning in a detergent bath (10% TFD4 in water), at 60 ° C, ultrasonically assisted, all for a period of about 5 minutes,
  • reactive ion etching cleaning in an oxygen plasma, for example using equipment sold commercially as NEXTRAL 550.

Cette dernière opération qui dure une dizaine de minutes environ est faite par exemple avec une puissance de 250 Watts, une pression du plasma de 100 millitorrs et un débit de 100 cm3/mn.This last operation which lasts about ten minutes is made for example with a power of 250 Watts, a plasma pressure of 100 millitorrs and a flow rate of 100 cm 3 / min.

L'étape de nettoyage est suivie d'une étape d'affinage ou gravure des pointes, par exemple pour des pointes en molybdène par gravure ionique réactive dans un plasma SF6 (même équipement que celui mentionné ci-dessus). Cette étape permet l'élimination d'une couche d'oxyde de molybdène qui peut s'être formée au moment du nettoyage sous plasma O2. Elle permet également une gravure des micropointes permettant de modifier leur forme et notamment de réduire leur rayon de courbure. Les conditions d'action du plasma d'hexafluorure de soufre sont par exemple les suivantes : l'opération dure environ 20 secondes avec une puissance de 400 W, un débit de 40 cm3/mn sous une pression du plasma de 30 millitorrs. A la sortie de ce traitement, une forte proportion de micropointes ont le même profil qui se rapproche du profil en cône idéal de la figure 5 et un état de surface très uniforme.The cleaning step is followed by a step of refining or etching the tips, for example for molybdenum tips by reactive ion etching in a SF 6 plasma (same equipment as mentioned above). This step allows the removal of a layer of molybdenum oxide that may have formed at the time of O 2 plasma cleaning. It also allows etching of the microtips to modify their shape and in particular to reduce their radius of curvature. The conditions of action of the sulfur hexafluoride plasma are for example as follows: the operation takes about 20 seconds with a power of 400 W, a flow rate of 40 cm 3 / min under a plasma pressure of 30 millitorr. At the end of this treatment, a large proportion of microtips have the same profile which is close to the ideal cone profile of FIG. 5 and a very uniform surface state.

La figure 6a est une courbe montrant l'émissivité des micropointes avant le traitement d'affinage (courbe en pointillé) et après le traitement d'affinage (courbe en trait plein). Sur ce graphique, la densité de courant en microampères par millimètre carré est portée en ordonnées et la tension grille-micropointes en volts est portée en abscisses. L'augmentation d'émissivité consécutive au traitement apparaít immédiatement comme étant considérable. On obtient donc effectivement des micropointes, pour lesquelles le rayon de courbure de l'extrémité est inférieur à quelques dizaines de nanomètres.Figure 6a is a curve showing the emissivity of the microtips before the treatment ripening (dotted curve) and after treatment ripening (curve in solid line). On this graph, the current density in microamperes per millimeter square is plotted on the ordinate and the grid-microtip voltage in volts is plotted on the abscissa. The increase in emissivity following the treatment immediately appears to be considerable. We so actually gets some microtips, for which the radius of curvature of the end is less than a few tens of nanometers.

La figure 6b montre l'émissivité (mêmes unités que sur la figure 6a) des micropointes après affinage, mais avant (courbe en pointillé) et après la deuxième étape de nettoyage (courbe en trait plein). On voit que cette deuxième étape de nettoyage permet encore d'améliorer l'émissivité d'un facteur important.Figure 6b shows the emissivity (same units that in Figure 6a) microtips after refining, but before (dashed curve) and after the second cleaning step (curve in solid line). We see that this second cleaning step still allows to improve the emissivity of an important factor.

D'autres procédés d'affinage des pointes peuvent être utilisés alternativement à celui décrit ci-dessus, par exemple par attaque chimique (ou électrochimique) contrôlée ou par bombardement ionique.Other methods of refining tips can be used alternatively to that described above, for example by etching (or electrochemical) controlled or by ion bombardment.

Avantageusement, on peut réaliser en outre la deuxième étape de nettoyage chimique humide dans le bain de lessive mentionné ci-dessus, pendant une durée d'environ 30 minutes.Advantageously, it is also possible to carry out the second stage of wet chemical cleaning in the laundry bath mentioned above for a period about 30 minutes.

La durée, pendant laquelle on réalise l'étape d'affinage, doit être contrôlée dans le cas où les micropointes sont constituées d'un seul métal, sensible à l'affinage, par exemple le molybdène.The duration during which the stage is carried out ripening, must be checked in the event that the microtips are made of a single metal, sensitive for refining, for example molybdenum.

La grille 10a est géométriquement comprise entre ou délimitée par deux plans, un plan inférieur (I) et un plan supérieur (S) (voir figure 7a, sur laquelle, tout comme sur les figures 7b, 7c, 8a-c, les références 6, 8, 10a, 12 ont la même signification que sur les figures 1 à 5).The grid 10a is geometrically understood between or delimited by two planes, a lower plane (I) and an upper plane (S) (see Figure 7a, on which, as in Figures 7b, 7c, 8a-c, references 6, 8, 10a, 12 have the same meaning as in Figures 1 to 5).

Si la durée d'affinage est trop importante, le sommet de la pointe 18 peut rapidement se trouver, comme illustré sur la figure 7a, en-dessous du plan inférieur I de la grille 10a, ce qui est très défavorable à l'émission.If the ripening time is too long, the top of tip 18 can quickly be found, as shown in Figure 7a, below the plane lower I of grid 10a, which is very unfavorable to the issue.

Si la durée d'affinage est trop faible, le rayon de courbure n'est pas optimum (voir figure 7b) et l'effet recherché n'est pas atteint.If the ripening time is too low, the radius of curvature is not optimal (see Figure 7b) and the desired effect is not achieved.

En fait, avec la structure à un seul métal, le temps d'affinage doit être suffisamment important pour obtenir le rayon de courbure optimum, mais malgré tout pas trop long pour que la pointe reste au-dessus du plan inférieur I de la grille (figure 7c).In fact, with the single-metal structure, the ripening time must be large enough to get the optimum radius of curvature, but still not too long for the tip to stay above the lower plane I of the grid (Figure 7c).

Au contraire, quand la pointe est constituée d'au moins deux métaux superposés, le temps d'affinage est comme nous allons le voir, beaucoup moins critique.On the contrary, when the tip is constituted at least two superimposed metals, the ripening time is as we will see, much less critical.

La structure de la pointe avant affinage est illustrée sur la figure 8a, et comporte :

  • une première partie ou base 20 qui a une forme tronconique, de hauteur H. Elle est constituée d'un premier matériau choisi de telle façon qu'il ne soit pas ou très peu attaqué par l'étape d'affinage décrite ci-dessus. Ce matériau peut être par exemple du niobium,
  • une deuxième partie 22 qui constitue la pointe proprement dite. Elle est déposée directement sur la première partie. Elle est constituée d'un deuxième matériau sensible à l'étape d'affinage, par exemple du molybdène, ou du chrome (Cr), ou du silicium (Si), ou du fer (Fe), ou du nickel (Ni).
The structure of the tip before refining is illustrated in Figure 8a, and comprises:
  • a first part or base 20 which has a frustoconical shape, of height H. It consists of a first material chosen such that it is not or very little attacked by the refining step described above. This material may be, for example, niobium,
  • a second part 22 which constitutes the tip itself. It is deposited directly on the first part. It consists of a second material sensitive to the refining stage, for example molybdenum, or chromium (Cr), or silicon (Si), or iron (Fe), or nickel (Ni).

Un procédé pour obtenir des micropointes ayant cette structure est dérivé du procédé déjà décrit en introduction pour fabriquer des micropointes constituées d'un seul matériau. On commence par réaliser le dépôt d'une couche 18a par exemple en niobium sur la couche de nickel 23, par évaporation sous vide sous incidence normale, comme sur la figure 2. Il y a un rapport direct entre la hauteur de matériau déposé dans le trou 16 et la durée d'évaporation sous vide. On peut donc interrompre cette évaporation lorsque la hauteur H désirée du tronc de cône formant la base 20 est atteinte, et poursuivre ensuite l'évaporation avec le second matériau tel que du molybdène de façon à obtenir la deuxième partie 22. L'ensemble a alors la forme globale sensiblement conique de la figure 8a.A method for obtaining microtips having this structure is derived from the process already described in introduction to make microtips made of a single material. We start with depositing a layer 18a, for example in niobium on the nickel layer 23, by evaporation under vacuum at normal incidence, as in the figure 2. There is a direct relationship between the height of material deposited in hole 16 and the duration vacuum evaporation. We can interrupt this evaporation when the desired height H of the trunk of cone forming the base 20 is reached, and continue then evaporation with the second material such as molybdenum to obtain the second part 22. The set then has the overall shape substantially conic of Figure 8a.

En fait, la hauteur H de la base 20 doit être suffisante pour que le sommet A du cône obtenu se situe au-dessus du plan inférieur de la grille 10a. De préférence, A se situera, après les opérations de dépôt qui viennent d'être décrites, au-dessus du plan supérieur de la grille 10a ; à cet effet, la hauteur H sera sensiblement égale à l'épaisseur de l'isolant 12, c'est-à-dire dans cet exemple de réalisation, à la distance séparant le conducteur cathodique 8 du plan inférieur de la grille 10a.In fact, the height H of the base 20 must be sufficient for the vertex A of the cone obtained to be above the lower plane of the grid 10a. Of preferably, A will lie, after the filing operations just described, above the plane upper gate 10a; for this purpose, the height H will be substantially equal to the thickness of the insulator 12, that is to say in this embodiment, at the distance separating the cathode conductor 8 from the plane bottom of the grid 10a.

Si une couche résistive est intercalée entre les micropointes et les conducteurs cathodiques il faudra évidemment tenir compte de l'épaisseur de cette couche résistive. If a resistive layer is interposed between microtips and cathodic conductors it will obviously have to take into account the thickness of this resistive layer.

On peut ensuite procéder aux opérations de nettoyage et d'affinage qui ont été précédemment décrites. Du fait du choix initial des matériaux dont sont constitués les parties 20 et 22, la seule partie attaquée par l'affinage est la partie 22. La structure obtenue par le procédé (figures 8b ou 8c) a la forme suivante :

  • une première partie, sensiblement tronconique, de hauteur H, H est de préférence sensiblement égale à la distance séparant le conducteur cathodique 8 du plan inférieur I de la grille 10a, c'est-à-dire sensiblement égale à l'épaisseur e de l'isolant 12 ; par exemple H sera comprise entre 0,8e et 1,1e, (là encore, il faut tenir compte de la présence éventuelle d'une couche résistive entre les micropointes et les conducteurs cathodiques),
  • une deuxième partie conique, dont la base est de diamètre d inférieur au diamètre D de la section supérieure du tronc de cône 20.
The cleaning and refining operations that have previously been described can then be carried out. Due to the initial choice of the materials of which the parts 20 and 22 are constituted, the only part attacked by the refining is the part 22. The structure obtained by the method (FIGS. 8b or 8c) has the following form:
  • a first portion, substantially frustoconical, of height H, H is preferably substantially equal to the distance between the cathode conductor 8 of the lower plane I of the gate 10a, that is to say substantially equal to the thickness e of the insulator 12; for example H will be between 0.8e and 1.1e, (again, we must take into account the possible presence of a resistive layer between the microtips and the cathode conductors),
  • a second conical portion, whose base is of diameter d less than the diameter D of the upper section of the truncated cone 20.

La durée pendant laquelle on réalise l'affinage doit être suffisante pour obtenir le rayon de courbure recherché (figure 8b), mais si cette durée est plus longue, le sommet A' de la pointe reste toujours au-dessus du plan inférieur de la grille 10a, puisque la partie 22, attaquée par l'affinage, repose sur la partie 20, non attaquée par l'affinage. La pointe ne pourrait donc disparaítre qu'après un temps d'attaque nettement plus long.The duration during which ripening is carried out must be sufficient to obtain the radius of curvature sought (Figure 8b), but if this duration is longer long, the peak A 'of the point remains always above of the lower plane of the grid 10a, since the Part 22, attacked by ripening, is based on the part 20, not attacked by ripening. The tip does could then vanish only after a time of attack significantly longer.

Selon un exemple de réalisation non limitatif :

  • l'isolant est en silice d'une épaisseur proche de 1 µm,
  • la grille est en niobium (Nb) d'une épaisseur d'environ 0,4 µm ; les trous dans la grille ont un diamètre de l'ordre de 1,4 µm,
  • le métal constituant la base 20 de la pointe est en Nb d'une épaisseur comprise entre 0,8 et 1,1 µm,
  • la partie 22 est en molybdène d'une épaisseur suffisante pour constituer la pointe, par exemple 1 µm avant affinage, l'affinage de cette partie pouvant se faire de la même façon que décrit précédemment dans l'exemple de réalisation où les micropointes sont entièrement en molybdène.
According to a non-limiting exemplary embodiment:
  • the insulator is in silica with a thickness close to 1 μm,
  • the grid is made of niobium (Nb) with a thickness of approximately 0.4 μm; the holes in the grid have a diameter of the order of 1.4 μm,
  • the metal constituting the base 20 of the tip is in Nb with a thickness between 0.8 and 1.1 μm,
  • the portion 22 is made of molybdenum of sufficient thickness to form the tip, for example 1 μm before refining, the refining of this part can be done in the same way as described above in the embodiment where the microtips are entirely in molybdenum.

Enfin, une cathode à micropointes selon la présente invention peut être associée à une structure comportant au moins une anode et un matériau cathodoluminescent pour réaliser un dispositif de visualisation tel que décrit dans les brevets US.4 857 161 (FR-2 593 953), US.4 940 916, US.5 225 820 (FR-2 633 763) ou US.5 194 780 (FR-A-2 663 462).Finally, a cathode with microtips according to the present invention be associated with a structure comprising at least one anode and a cathodoluminescent material to achieve a viewing device as described in US Pat. Nos. 4,857,161 (FR-2,593,953), US 4,940,916, US 5,225,820 (FR-2,633,763) or US 5,194,780 (FR-A-2,663,462).

Claims (8)

  1. Microtip electron source comprising a system of cathode conductors (8), grids (10a) superimposed with an intermediate insulator (23) and microtips (18) deposited in holes (16) made in the grids and the insulator, the grids being geometrically located between a lower plane (I) and an upper plane (S), the microtips respectively comprising at least two parts:
    a first, truncated cone-shaped part (20) of height (H) and made from a first conductor material,
    a second part (22), constituting a conical tip and deposited on the first part, being made from a second conductor material,
    the first and second materials being chosen in such a way that the second material can be finished by selective etching with respect to the first material.
  2. Microtip electron source according to claim 1, the selective etching being controlled chemical or electrochemical etching, reactive ionic etching or ionic bombardment.
  3. Microtip electron source according to either of the claims 1 and 2, the height (H) of the first part being such that its apex is substantially at the same level as the lower plane (I) of the girds (10a).
  4. Microtip electron source according to any one of the claims 1 to 3, the first part (20) being made from niobium (Nb).
  5. Microtip electron source according to any one -of the claims 1 to 4, the second part (22) being made from molybdenum (Mo), silicon (Si), chromium (Cr), iron (Fe) or nickel (Ni).
  6. Microtip electron source according to any one of the claims 1 to 5, the microtips having undergone a cleaning stage.
  7. Microtip electron source according to any one of the claims 1 to 6, the second part of the microtips having undergone a finishing stage by surface etching.
  8. Display means by cathodoluminescence, comprising a microtip electron source according to any one of the claims 1 to 7.
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