Brevet FR2629264A1 — publié le 19890929

Procédé de fabrication d'émetteurs à pointes â émission de champ, et son appLication à la réallsation de réseaux d'émetteurs L'lnvention se rapporte aux réseaux denses d'émetteurs à émission de champ, et plus particuliérement à un procédé de fabrication d'émetteurs å pointes utilisables dans de tels réseaux, et est applicable notamment aux systèmes triodes ou aux écrans de visualisation. Pour la réalisation de réseaux bidimensionnels d'émetteurs å émission de champ, la source d'électrons est générale- ment constituée d'un cône métallique émetteur déposé sur un substrat, entouré d'une cavité isolante formée dans une couche mince diélectrique, cette couche comportant a sa partie supé rleure une couche mince métallique formant l'électrode d'extraction. Ce micro-émetteur est réalisé de façon répétitive sur le substrat avec une densité de l'ordre de 106 émetteurs par cm2. Les micro-émetteurs sont groupés en cellules élémentaires, par exemple de l'ordre de 103 émetteurs ou plus par cellule, chaque cellule constituant une aire d'émission située au noeud d'un réseau matriciel de lignes de cathodes (pointes) et de colonnes d'anodes (électrodes d'extraction). On connaît des procédés de fabrication de tels émetteurs à émission de champ. Dans une première famille de procédés de fabrication du type décrit par C. A SPINDT et al - par exemple dans "Journal of applied Physics, vol. 47, nO 12, p.5248, Décembre 1976" -, après avoir gravé la couche métallique déposée sur une couche de diélectrique reposant elle-même sur un substrat en silicium, la couche de diélectrique est gravée par gravure ionique ou chimique puis une couche mince est déposée sur le substrat, dans les trous ainsi formés dans la couche de diélectrique, l'échantillon tournant autour de l'axe du trou de façon à réaliser un dépôt sous forme de cône. Du fait de la rotation, il n'est pas possible de traiter simultanément un grand nombre d'échantillons. Un autre de procédé pour realiser des pointes a été décrit dans l'art antérieur : il met en oeuvre une gravure chimique par attaque d'un substrat monocristallin le long de plans préférentiels. Cette technique nécessite un contrôle très rigoureux de l'attaque chimique si l'on veut minimiser la formation de "pointes parasites" due à des inhomogénéités de gravure. Les procédés connus ne permettent donc pas de réaliser simplement un réseau d'émetteurs à pointes. L'invention a pour objet un autre type de procédé de fabrication d'émetteur à émission de champ, qui ne présente pas les inconvénients des procédés sus-mentionnés. Pour cela, au lieu de procéder par dépôt sur un substrAt en rotation ou par gravure chimique du substrat silicium pour obtenir une pointe, on procède par épitaxie sélective du silicium. Selon l'invention, un procédé de fabrication d'émetteurs à pointes à émission de champ, est caractérisé en ce que les pointes sont réalisées par croissance épitaxiale sélective de silicium sur des zones de surface carrée d'un substrat de silicium monocristallin d'orientation, les côtés des zones carrées étant orientés suivant les axes t100 > ou du substrat de façon que la croissance épitaxie forme des pointes pyramidales. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristi- ques apparaîtront à l'aide de la description qui suit en référence aux figures annexées. - La figure 1 représente la structure générale d'un émetteur à pointe - Les figures 2a à 2h représentent différentes étapes d'une première variante du procédé de fabrication d'émetteur à émission de champ selon l'invention; - Les figures 3a à 3g représentent différentes étapes d'une- deuxième variante du procédé de fabrication d'émetteur à émission de champ selon l'invention; - La figure 4 est une vue en perspective de la structure élémentaire obtenue selon l'invention. La structure d'un émetteur élémentaire est représentée sur la figure 1 : un substrat 1 porte une couche isolante 2 recouverte d'une couche mince conductrice 3 ; un trou ménagé dans les couches isolante et métallique permet de réaliser une pointe conductrice 4 reposant sur le substrat pour l'émission d'électrons lors de l'application d'un potentiel entre la pointe 4 (cathode) et la couche supérieure conductrice 3 (anode). Le procédé de fabrication selon l'invention procède par épitaxie sélective sur un substrat de silicium, au lieu de procéder par dépôt de métal ou par gravure chimique du silicium, comme représenté sur les figures 2a à 2h et sur les figures 3a à 3g où les mêmes éléments que sur la figure 1 ont été désignés par les mêmes repères. Pour cela, le substrat de départ 1 est un substrat de silicium monocristallin d'orientation (100) dont les dimensions peuvent être de 4 à 6 pouces au plus, et dont la résistivité est de quelques ohms cm. Ce substrat est représenté sur les figures 2a et 3a. La première étape du procédé dans les deux variantes consiste à oxyder la surface du substrat par oxydation thermique du silicium pour obtenir une épaisseur de silice SiO2 correcte, généralement inférieure à 1 ,um. Le substrat monocristallin 1 muni de sa couche isolante de silice, 2, est représenté sur les figures 2b et 3b. La deuxième étape du procédé consiste à graver cette couche de silice dans les zones où devront être formées les pointes. Pour cela, on dépose dans un premier temps une couche uniforme de résine, sensible à la lumière, aux rayons X, aux électrons, ou aux ions, d'épaisseur fonction de la méthode d'insolation utilisée. Cette couche uniforme de résine est ensuite exposée à travers un masque pour une couche sensible à la lumière ou aux rayons X, ou insolée par écriture directe à l'aide d'un faisceau d'électrons ou un faisceau d'ions pour obtenir le réseau de figures élémentaires souhaité. Chaque figure élémentaire est un carré dont les côtés sont parallèles. aux directions ou du substrat, de longueur comprise entre une fraction et quelques microns ; le pas du réseau de figures élémentaires est compris entre quelques micromètres et quelques dizaines de micromètres.LA résine est alors développée et la couche de silice 2 attaquée dans les ouvertures ainsi formées dans la couche de résine. Ces ouvertures étant réalisées, le reste de la résine est enlevé. La structure correspondante est représentée sur les figures 2c et 3c. La phase suivante est la phase dans laquelle les pointes, 4, de silicium sont réalisées. Pour cela, dans les fenêtres ouvertes dans le couche de silice, on réalise par épitaxie sélective de silicium, des pyramides constituant les pointes. Cette épitaxie est dite sélective, car il n'y a pas de dépôt de silicium sur la surface de la silice 2, mais uniquement sur le fond de la fenêtre d'ouverture constituée de silicium monocristallin d'orientation . D'autre part les conditions opératoires de croissance sont choisies pour que se développe un facetage optimum ; ces facettes sont orientées à 450 de la surface du substrat, et sont des facettes à vitesse de croissance lente, le plan du substrat étant ]e plan de croissance à vitesse rapide.Alnsi, par épitaxie à partir d'une zone élémentaire carrée gravée dans la surface de silice, on obtient des pointes pyramidales, 4, représentées sur les figures 2d et 3d. L'épitaxie sélective de silicium peut être faite soit à la pres sion atmosphérique, soit à une pression réduite. A la pression atmosphérique le mélange gazeux optimal et un mélange de silane SiH4, d'hydrogène, H2, et d'acide chlorhydrique HC1, à une température comprise entre 10000 et 11000C. A une pression réduite, le mélange gazeux optimal peut être constitué de dichlorosilane, SIH2C12, d'hydroger.2 H2 et d'acide chlorhydrique HCl, à une température comprise entre 850 et 9500 C. A partir de cette phase d'épitaxie, deux variantes sont possibles. Dans la variante représentée sur les figures 2e à 2f la phase suivante est une phase de dépôt métallique à la surface de la silice et des pointes de silicium. Cette couche mince métallique uniforme 5 d'épaisseur inférieure A 1,um est déposée par évaporation, par pulvérisation ou par épitaxie en phase vapeur elle peut être avantageusement consistîtuée de tungstène, bon émetteur d'électrons. Puis dans une phase suivante une couche mince uniforme de diélectrique 2', est déposée sur la couche métallique ; cette couche peut être une couche de silice, comme la couche 2, ou une couche de nitrure. La phase suivante est alors le dépôt d'une seconde couche mince métallique uniforme 3 d'épaisseur inférieure à îpin, déposée par les mêmes techniques que précédemment c'est-à-dire par évaporation, ou par pulvérisation, ou par dépôt chimique en phase vapeur. Cette seconde couche de métal est destinée à former l'électrode extractrice, c'est-à-díre l'anode de l'émetteur. Il reste alors à enlever la deuxième couche de métal et la couche de diélectrique sur la pointe formant la cathode 4 de l'émetteur. Pour cela la phase suivante est une phase de dépôt uniforme de résine de masquage comme dans la phase où des ouvertures ont été formées dans la couche de silice, cette résine étant sensible à la lumière, aux rayons X, aux électrons ou aux ions. Une phase de masquage selon le même masque que celui utilisé pour la gravure de la couche de silice permet de réaliser dans la phase suivante après développement de la résine, l'attaque sélective de la deuxième couche mince métallique puis l'enlèvement de la couche diélectrique pour révéler la pointe 4, recouverte de la première couche mince métallique. Cette attaque peut être faite chimiquement. La structure finale après attaque de la couche de métal et de la couche de diélectrique est représentée sur la figure 2h. Le pas entre émetteurs élémentaires est tel qu'il est possible de réaliser le réseau nécessaire à la commande de ces émetteurs dans les intervalles entre émetteurs .élémentaires, par gravure des couches minces métalliques. Ces couches métalliques peuvent être constituées de tungstène particulièrement adapté à l'extraction d'électrons, et qui ne s'érode pas sous l'effet des électrons. Dans la deuxième variante du procédé de réalisation, après la phase de croissance par épitaxie sélective de silicium dans les zones où la couche de silice a été enlevée, comme représentée sur la figure 3d, on passe directement à une phase de dépôt d'une couche de diélectrique 2' sur l'ensemble formé de la couche de silice et des pointes de silicium, sans dépôt préalable de couche mince métallique. Cette couche de diélectrique 2' représentée sur la figure 3e, est constituée d'un matériau différent de la silice pour que, lors de la découpe ultérieure du diélectrique, cette découpe n'affecte pas la couche sous-jacente de silice 2. La phase suivante, permettant la découpe du diélectrique 2', consiste à effectuer un dépôt de résine, à l'insoler à travers un masque, et à le développer, puis à réaliser une attaque locallsée du diélectrique dans les zones où la résine a été enlevée. La structure à la fin de cette phase est représentée sur la figure 3f. La dernière phase du procédé consiste à déposer une couche mince métallique, qui du fait de la structure obtenue à la fin de la phase précédente va permettre de déposer le métal à la fois sur la surface plane pour former l'anode 3 du diélectrique, et sur les pointes 4 de silicium pour former la cathode émissive Dans cette variante du procédé, les cathodes des émetteurs à pointes ne sont pas reliées entre elles par une couche métallique plane et les connexions, ainsi que l'apport d'électrons à ces pointes d'émetteurs, doivent être effectuées par tailleurs. Dans ce cas, le substrat de départ est préférentiéllement un substrat fortement dopé N+ de façon à amener les électrons aux pointes métalliques en tungstène par exemple. La figure 4 est une vue en perspective montrant les facettes d'une pointe d'un émetteur réalise selon la première variante du procédé. La réalisation des connexions et des réseaux d'électrodes nécessaires pour constituer les cellules élémentaires puis le réseau matriciel de lignes de cathodes et de colonnes d'anodes, par exemple pour former un écran de visualisation, n'est pas décrite en détails car elle utilise les technologies classiques en micro-électronique.Mais il ressort de la description qui précède que le procédé de fabrication d'émetteur à pointe selon l'invention est particulièrement bien adapté à la réalisation de réseaux d'émetteurs puisqu'ils n'utilisent que des phases de fabrication dans lesquelles plusieurs échantillons sont traités simultanément dans la même chambre d'épitaxie sans qu'il soit nécessaire que chaque échantillon soit en rotation : les conditions necessaires pour que le procédé soit correctement appliqué étant que l'orientation du substrat monocristallin sur lequel on fait croître le silicium par épitaxie sélective soit orienté convenablement et que l'on obtienne bien une pyramide à facettes lors de la croissance, le mélange gazeux utilisé lors de l'épitaxie ayant la proportion d'acide chlorhydrique adaptée. L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation précisément décrits et représentés. En particulier les matériaux indiqués à titre d'exemple peuvent être remplacés par des matériaux dont les propriétés conviendraient à la réalisation de la structure. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'émetteurs à pointes à émis sion de champ, caractérisé en ce que les pointes sont réalisées par croissance épitaxiale sélective de silicium sur des zones de surface carrée d'un substrat de silicium monocristallin (1) d'orientation (100), les côtés des zones carrées étant orientés suivant les axes ou du substrat de façon que la croissance épitaxique forme des pointes pyramidales. 2. Procédé de fabrication d'émetteurs à pointes selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte les phases suivantes - formation d'une première couche isolante (2) à la surface du substrat silicium monocristallin - enlèvement de la couche isolante (2) sur des zones élémentaires carrées de côtés convenablement orientés par rapport au substrat - croissance épitaxiale de silicium dans les zones élémentaires du substrat ainsi apparentes pour former les pointes (4) - dépôt d'une couche mince métallique (5) puis d'une seconde couche isolante (2') et d'une seconde couche mince métallique (3) sur l'ensemble, - enlèvement de la seconde couche métallique et de la couche isolante sur les pointes pour faire apparaître les pointes recouvertes de la première couche métallique formant les cathodes, la seconde couche métallique permettant de former par gravure le réseau d'anodes associées. 3. Procédé de fabrication d'émetteurs à pointes selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte les phases suivantes - formation d'une première couche isolante (2) à la surface du substrat silicium monocristallin (1), fortement dopé N+ - enlèvement de la couche isolante (2) sur des zones élémentaires carrées de côtés convenablement orientés par rapport au substrat - croissance épitaxiale de silicium dans les zones élémentaires du substrat ainsi apparentes, pour former les pointes (4) - dépôt d'une seconde couche isolante (2') à la surface de l'ensemble - enlèvement de la seconde couche isolante sur les pointes - dépôt d'une couche mince métallique sur l'ensemble, qui, du fait de la géométrie de l'ensemble à la fin de la phase précédente, se dépose d'une part sur la couche isolante plane permetttant de former par gravure un réseau d'anodes (3), d'autre part sur les facettes des pointes pyramidales pour former les cathodes émettrices (4). 4. Procédé de fabrication selon les revendications 2 et 3, caractérisé en ce que la première couche isolante (2) est réalisée par oxydation thermique du substrat silicium (1), les couches métalliques étant constituées de tungstène, et la seconde couche isolante de nitrure. 5. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que l'enlèvement des couches dans les zones élémentaires est effectué par dépôt d'une résine de mas que, masquage, et enlèvement sélectif des zones non masquées. 6. Réseau d'émetteurs obtenus par le procédé de fabrlca- tion selon l'une quelconque des revendications 1à 5, caractérisé en ce qu'un réseau d'anodes a été gravé dans la couche mince métallique plane supérieure et en ce qu'un réseau de cathodes relie les pointes émettrices.