Brevet FR2672734A1 — publié le 19920814

Elément d'émission de champ L'invention concerne un élément d'émission de champ et, plus particulièrement, un élément d'émission de champ qui peut etre utilisé titre de source d'électrons pour différents types de dispositifs, tels qu un dispositif d'affichage, une source lumineuse, un élément d'amplification, un élément de commutation haute-vitesse, un capteur et analogue La fabrication et la structure d'un élément d'émission de champ classique (FEC) vont etre décrites en faisant référence un élément d'émission de champ du type Spindt (type vertical), représenté sur les figures 4a à 4e. Lors de la fabrication de l'élément d'émission de champ classique du type Spindt, comme représenté sur la figure 4a, une électrode de cathode 101, une couche d'isolation 102 et une couche d'électrode de porte ou grille 103 sont déposés dans cet ordre, de façon stratifiée, sur un substrat d'isolation 100. Ensuite, un résist est déposé sur la couche d'électrode de porte 103 et l'on effectue l'exposition d'un motif de porte, présentant un diamètre de 1 m, de façon successive, au moyen de faisceaux lumineux ou de faisceaux d'électrons Ensuite, une partie du résist qui a été soumise à l'exposition est retirée et la couche d'électrode de porte 103 et la couche d'isolation 102 sont soumises à l'attaque chimique, de façon à former une porte 104 et un trou 105, comme représenté sur la figure 4b. Puis, le résist est retiré et, ensuite, une couche de AI 106 est déposée de façon oblique, vers le bas, sur une surface du substrat d'isolation 100, tandis que le substrat d'isolation 100 est tourne dans le même plan, ce qui provoque la a contraction d'une ouverture de la porte 104 et la formation d'une couche superficielle, comme représenté sur la figure 4c. Ensuite, comme représenté sur la figure 4d, le dépôt d'un matériau d'émetteur 107 sur la couche d'Al 106 est effectuée verticalement, vers le bas, en direction du substrat 100, pour former un émetteur 108 de forme conique dans le trou 105. Puis, comme représenté sur la figure 4e, la couche de Al 106 déposée de façon oblique et le matériau d'émetteur 107 non-nécessaire sont retirés, ce qui donne l'élément d'émission de champ. Dans l'élément d'émission de champ classique forme comme décrit ci-dessus, on utilise un métal ayant un point de fusion élevé, qui présente une fonction de travail réduite, tel que le Mo ou analogue, à titre de matériau pour l'émetteur et la porte. Malheureusement, on utilise ce métal sans tenir compte de la réaction du Mo ou analogue avec les atomes ou des molécules d'oxygène d'un composé contenant de l'oxygène, durant le fonctionnement de l'élément d'émission de champ dans une atmosphère de vide, et d'une combinaison optimale de matériaux pour l'émetteur et la porte. La présente invention a été réalisée aux vues de l'inconvénient précédent de l'art antérieur, tout en prenant note du fait que la réaction entre le Mo et l'oxygène est assez forte pour provoquer facilement la formation d'une couche isolante en oxyde sur le Mo, de sorte que le fonctionnement d'un élément d'émission de champ sous une pression de vide aussi faible que de 130.10-4 à 130.10-6 Pa provoque la réaction du Mo de l'émetteur avec des gaz résiduels ou émis, pour former un compose, ce qui produit une augmentation du fonctionnement de travail d'une partie de l'émetteur, conduisant à une diminution du courant d'émission et à une instabilité du fonctionnement, ainsi qu'une augmentation de la production de bruît et le dysfonctionnement de l'émetteur dans l'émission de champ. En conséquence, un but de la présente invention est de proposer un élément d'émission de champ qui soit susceptible de présenter, de façon stable, des caractéristiques d'émission satisfaisantes, pour une longue période de temps. Un autre but de la présente invention est de proposer un élément d'émission de champ qui soit susceptible de minimiser la production de bruit. Ces buts, ainsi que d'autres, sont atteints grâce à la présente inventions par le fait de procurer un élément d'émission de champ nouveau et amélioré comprenant un émetteur, une porte et une anode, dans lequel la porte présente une surface réalisée en un matériau ayant une résistance de liaison oxygène qui est supérieure à celle d'un matériau destiné à une surface du sommet de l'émetteur. De même, selon un autre mode de réalisation de la présente invention, l'élément d'émission de champ comprend un émetteur et une porte, dans lequel au moins une surface du sommet de l'émetteur est réalisée en un matériau ayant une résistance de liaison oxygène qui est inférieure à celle d'un matériau destine à la partie restante de l'émetteur. Dans l'élément d'émission de champ de la présente invention, construit comme ci-dessus, la surface de la porte est réalisée en un matériau ayant une résistance de liaison oxygène supérieure à celle du matériau respectivement utilise pour la surface de chaque émetteur et anode, de sorte que des atomes d'oxygène pénétrant dans la porte peuvent être capturés efficacement par la porte, pour empêcher la formation d'une couche quelconque d'oxyde sur l'émetteur. Lorsqu'une partie de l'émetteur, autre que la surface du sommet, est constituée d'un matériau ayant une résistance de liaison oxygène qui est supérieure à celle d'un matériau destiné à la surface du sommet, la formation d'une couche quelconque d'oxyde sur la surface du sommet de l'émetteur est minimisée. Une appréciation plus complète de l'invention et beaucoup de ses avantages annexes vont être facilement obtenus, étant donné que cette invention va être mieux comprise à la lecture de la a description détaillée qui suit, faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une vue de coté schématique, représentant un mode de réalisation d'un élément d'émission de champ selon la présente invention; la figure 2 est une vue en coupe transversale, partielle, à plus grande échelle, représentant une partie essentielle d'un autre mode de réalisation d'un élément d'émission de champ selon la présente invention; la figure 3 est une vue en coupe transversale, partielle, représentant une partie essentielle d'un mode de réalisation supplémentaire d'un élément d'émission de champ selon la présente invention; et les figures 4a à 4e sont des vues schématiques représentant des étapes d'un procédé pour la fabrication d'un élément d'émission de champ classique. A présent, on va décrire ci-dessous un élément d'émission de champ selon la présente inventions en faisant référence aux dessins annexes. Suite à la recherche d'une combinaison optimale de matériaux destinés à une porte et un émetteur, les inventeurs ont considérés que, lorsqu'une porte est réalisée en un matériau qui se combine à l'oxygène à une résistance de liaison relativement élevées ou présente une résistance de liaison oxygène relativement élevée, et qu'un émetteur et une anode sont chacun réalisés en un matériau qui se combine à l'oxygène à une résistance de liaison relativement faible, ou présentant une résistance de liaison oxygène relativement faible, l'oxygène est maintenu sur la porte par adsorption, pour empêcher la formation d'une couche d'oxyde sur l'émetteur et l'anode.Ensuite, la stabilité et l'énergie de liaison des différents matériaux ont été évaluées en fonction de l'enthalpie libre de chacun des matériaux, de sorte qu'un matériau qui satisfait la considération ci-dessus a été sélectionné pour chacune des électrodes. Plus spécifiquement, il a été trouvé que si Ti et Cr sont sélectionnés à titre de matériau adéquat pour la porte, qui se combine à l'oxygène avec une résistance de liaison élevée, tandis que W, Mn, Ta, Nb, TiN, TiC et Mo sont sélectionnés à titre de matériau pour chaque émetteur et anode, qui se combine à l'oxygène avec une résistance de liaison relativement faible, la combinaison entre les deux matériaux est optimale pour la porte et l'émetteur. La préparation des électrodes décrites cidessus, à partir de ces matériaux, peut être effectuée en utilisant tout procédé adéquat connu dans l'art, tel que la déposition sous vide, la pulvérisation cathodique ou analogue. Lorsqu'un élément d'émission de champ selon la présente invention comprend un émetteur et une porte, et qu'au moins une surface du sommet est réalisée en un matériau présentant une résistance de liaison oxygène relativement faible, par rapport à un matériau destine à la partie restante de l'émetteur, le TiN et le TiC sont utilisés de façon avantageuse pour la surface du sommet de l'émetteur.Ceci est du au fait qu'il est en général possible de former initialement l'émetteur en Ti et ensuite de convertir uniquement une couche de surface de l'émetteur en TiN ou TiC, gracie â une implantation d'ions d'azote ou d'oxygène, une nitruration thermique, une carburation ou analogue. Ceci facilite relativement la a formation d'un émetteur en une structure à deux couches, dans laquelle on utilise du Ti pour une base d'émetteur et une couche de TiN ou TiC est formée sur la base d'émetteur. En faisant maintenant référence aux dessins, des numéros de référence analogues désignent des parties identiques ou correspondantes parmi les différentes vues, et plus particulièrement, à la figure 1 de ces dessins. Bien sur, de nombreuses modifications et variations (supplémentaires) de la présente invention sont possibles, à la lumière des enseignements cidessus. Par conséquent, il est évident que, tout en restant dans le champ de l'invention, on peut la mettre en oeuvre d'une manière différente de ce qui est décrit ici. On va décrire un premier mode de réalisation d'un élément d'émission de champ selon la présente invention. Sur la figure 1, un élément d'émission de champ selon le mode de réalisation représenté, généralement désigné par le numéro de référence 1, comprend un substrat 2 réalisé en verre, silicium ou analogue. L'élément d'émission de champ 1 comprend également une électrode de cathode 3, formée en un modèle de bande et ménagée sur le substrat 2. L'électrode de cathode 3 est réalisée en oxyde d'étain dope à l'indium, en une épaisseur de 0,2#m, par photolithographie. Sur l'électrode de cathode 3, une couche d'isolation 4 est déposée, qui est formée en SiOz, en une épaisseur de 1,olim, grâce à des techniques de déposition en phase gazeuse par procédé chimique. De même, une porte 5 est ménagée sur la couche d'isolation 4 et est formée en Ti ou Cr, en une épaisseur de 0,4m, par déposition sous vide. La porte 5 comporte des ouvertures 6 de îijm de diamètre, qui sont ménagées à des intervalles de lOgm. En conséquence, la couche d'isolation 4 comporte des trous 7. Les ouvertures 6 et les trous 7 sont formes par morsure chimique.Un émetteur 8 présentant une forme conique est formé dans chacun des trous 7 et est réalisé en un matériau sélectionné dans le groupe composé de W, Mn, Ta, TiN, TiC et Mo. Le numéro de référence 9 désigne une anode réalisée en un matériau métallique ou un film métallique. Dans le cas d'un élément d'affichage, l'anode 9 est constituée d'un phosphore, d'un ITO (oxyde d'étain dopé à l'indium), d'un substrat en verre ou analogue. Les électrodes correspondantes décrites ci-dessus sont logées dans une enveloppe sous vide (non représentée). De même, un potentiel positif d'un niveau prédéterminé est appliqué à chaque porte 5 et anode 9, par rapport l'émetteur 8.La partie restante du procédé de fabrication de l'élément d'émission de champ 1 qui n'a pas été décrite ci-dessus peut être mise en oeuvre pratiquement de la même manière que pour l'art antérieur. Lorsque l'élément d'émission de champ 1 selon le mode de réalisation représenté, construit comme cidessus, est mis en fonction dans une atmosphère de faible vide, des électrons émis par l'émetteur 8 traversent les ouvertures 6 de la porte 5, pour aller vers l'anode 9. A ce moment, la porte 5 fonctionne, de façon positive, à titre de fixateur de gaz, pour capturer sur lui des atomes d'oxygène et des atomes d'oxygènes physiquement et/ou chimiquement adsorbés. Ceci permet de réduire la pression partielle de l'oxygène, et analogue, dans l'élément d'émission de champ, ce qui empêche la formation d'une couche d'isolation en oxyde sur une surface du sommet de l'émetteur, à partir duquel des électrons sont émis. De même, en plus de la a construction précitée qui permet à la porte 5 de capturer de l'oxygène, et analogue, pénétrant naturellement dans la porte, on peut continuer la a construction du mode de réalisation représenté, de façon qu'une tension d'un niveau adéquat soit appliquée entre la porte 5 et l'anode 9, afin d'ioniser des atomes et/ou des molécules d'oxygène, et analogue, dans une zone sous vide située entre la porte 5 et l'anode 9, qui est destinée à présenter une probabilité d'ionisation relativement élevée et, ensuite, les atomes et molécules ionises sont pousses à pénétrer dans la porte 5, à l'aide d'une énergie élevée, de façon à être captures par la porte. A présent, on va décrire un autre, ou second mode de réalisation d'un élément d'émission de champ selon la présente invention, en faisant référence a la figure 2. Un élément d'émission de champ selon le mode de réalisation représenté est construit pratiquement de la même manière, excepte qu'un émetteur 18 est construit en une structure à deux couches. Plus particulièrement, l'émetteur 18 comprend une base d'émetteur 19 formée en Ti ou Cr et présentant une forme conique, et une couche de recouvrement 20, ménagée sur la base d'émetteur 19 et formée en un matériau sélectionné dans le groupe composé du W, Mn, Ta, Nb, TiN, TiC et Mo, en une épaisseur d'à peu près O,1m, gracie à une métallisation sous vide. Ainsi, l'émetteur 18 selon le second mode de réalisation est construit de façon qu'un matériau ayant une résistance de liaison élevée, lorsqu'il se combine à des atomes et/ou molécules d'oxygène et analogue, soit utilisé pour une partie de base de l'émetteur, et qu'un matériau ayant une faible résistance de liaison par rapport aux atomes etfou molécules d'oxygène, soit utilisé pour la formation d'une partie de surface de l'émetteur. Cette construction permet aux atomes et/ou molécules qui pénètrent dans la surface de l'émetteur 18 d'être adsorbés lors du pompage qui fonctionne seulement pour produire la pénétration de la porte 5 de la base d'émetteur 19, sans former aucune couche d'oxyde sur la surface de l'émetteur 18.Ceci indique que la couche de recouvrement 20 formant la partie de surface de l'émetteur 18 est constamment maintenue dans des conditions réductrices. La figure 3 représente un autre ou troisième mode de réalisation d'un élément d'émission de champ selon la présente invention, qui est construit pratiquement de la même manière que le mode de réalisation représenté sur la figure 1, excepté qu'un émetteur 28 est forme en une structure à deux étages. Plus particulièrement, l'émetteur 28 comprend une base d'émetteur 29 réalisée en Ti ou Cr et présentant une forme tronconique, et un sommet d'émetteur 30, réalisé en un matériau sélectionné dans le groupe composé du W, Mn, Ta, Nb, TiN, TiC et Mo, en une forme conique et ménagé sur la base d'émetteur. Ainsi, la base d'émetteur 29, qui consiste en une grande partie de l'émetteur 28, est réalisée en un matériau qui se combine à des atomes et/ou molécules d'oxygène, et analogue, à une résistance de liaison élevée, et le sommet 30 de l'émetteur 28 est réalisé en un matériau ayant une faible résistance de liaison oxygene, par rapport au matériau destiné à la base d'émetteur 29, de sorte que les atomes etfou molécules pénétrant dans le sommet 30 sont adsorbés sur le matériau destine à la base d'émetteur 29, sans former aucune couche d'oxyde. En variante, les atomes etfou molécules pénétrant dans la base d'émetteur 29 sont, de façon analogue, adsorbes sur cette dernière, de façon à empêcher la formation de couche d'oxyde sur cette base, en raison de la diffusion des atomes et/ou molécules sur le sommet 30. Les modes de réalisation décrits ci-dessus concernent un élément d'émission de champ du type Spindt, cependant, la présente invention peut, de façon analogue, être appliquée à un élément d'émission de champ du type latéral (type plat). Les second et troisième modes de réalisation précités sont chacun construits pratiquement de la même manière que le premier mode de réalisation, excepte pour l'émetteur 18 ou 28. Cependant, les émetteurs 18 et 28, selon les second et troisième modes de réalisation respectivement, présentent chacun per se tous les avantages décrits ci-dessus. Comme on peut le voir à partir de ce qui a été décrit ci-dessus, l'élément d'émission de champ selon la présente invention permet à des atomes d'oxygènes, des molécules contenant de l'oxygène et analogue, qui pénètrent dans la surface du sommet de l'émetteur, d'être adsorbés sur la porte et la base d'émetteur, réalisée en un matériau ayant une résistance de liaison élevée, par rapport aux atomes et molécules. Par conséquent, la surface du sommet de l'émetteur, à partir duquel des électrons sont émis, est maintenue constamment propre, pour empêcher la formation de toute couche d'isolante en oxyde sur la surface du sommet. Ceci assure que les caractéristiques d'émission de l'élément d'émission de champ sont maintenues stables et satisfaisantes, pendant une longue période de temps, et que la production de tout bruit est minimisée. Bien que les modes de réalisation préférés de l'invention aient été décrits avec un certain degré de particularité, en faisant référence aux dessins, des modifications et variations sont bien sur possibles, à la lumière des enseignements ci-dessus. REVENDICATIONS 1. - élément d'émission de champ, comprenant: un émetteur présentant un sommet, une porte, et une anode, ladite porte présentant une surface réalisée en un matériau ayant une résistance de liaison oxygène qui est supérieure à celle de la surface d'un matériau constituant le sommet dudit émetteur. 2. - Element d'émission de champ selon la revendication 1, dans lequel ladite surface dudit sommet de l'émetteur est réalisée en un matériau sélectionné dans le groupe composé de W, Mn, Ta, Nb, TiN, TiC et Mo. 3. - Element d'émission de champ selon la revendication 1, dans lequel ladite porte présente une surface réalisée en Ti ou Cr. 4. - élément d'émission de champ comprenant: un émetteur présentant un sommet, et une porte, au moins une surface dudit sommet d'émetteur étant réalisée en un matériau présentant une résistance de liaison oxygène qui est inférieure à celle du matériau constituant la partie restante dudit émetteur 5. - Elément d'émission de champ selon la revendication 4, dans lequel ledit émetteur comprend une base d'émetteur réalisée en un matériau ayant une résistance de liaison oxygène élevée et une couche de recouvrement formant ledit sommet, réalisée en un matériau ayant une résistance de liaison oxygène inférieure à celle du matériau destiné à ladite base d'émetteur et disposée sur ladite base d'émetteur. 6. - élément d'émission de champ selon la revendication 4, dans lequel ledit émetteur comprend une base d'émetteur réalisée en un matériau ayant une résistance de liaison oxygène élevée et un sommet réalisé en un matériau ayant une résistance de liaison oxygene inférieure à celle du matériau destiné à ladite base d'émetteur et disposé à une extrémité distale de ladite base d'émetteur* 7. - Elément d'émission de champ selon la revendication 4, dans lequel ledit émetteur comporte au moins une surface de sommet, réalisée en un matériau sélectionné dans le groupe composé de W, Mn, Ta, Nb, TiN, TiC et Mo et la partie restante étant réalisée en Ti ou Cr.