Brevet FR2664094A1 — publié le 19920103

TUBE A VIDE MICROMINIATURE SUR UN SUBSTRAT SEMICONDUCTEUR ET PROCEDE DE FABRICATION La présente invention concerne un tube à vide microminiature ayant une cathode qui émet des électrons sous l'effet de l'excitation par un champ électrique, une grille qui commande les électrons et une anode qui reçoit les électrons, et dans lequel ces composants sontenfermés dans une enceinte à vide L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un tel tube.10 Le tube à vide microminiature utilise des élec- trons qui se déplacent dans le vide et, contrairement aux tubes à vide ordinaires, il est formé sur un substrat semi- conducteur Ce tube utilise donc une cathode du type à excitation par un champ électrique, qui émet des électrons15 sous l'effet d'une excitation par un champ électrique Pour renforcer l'effet d'émission d'électrons d'une telle catho- de, l'extrémité émettrice d'électrons doit avoir une forme aussi pointue que possible. On décrira un exemple du procédé de fabrication classique d'un tube à vide microminiature en se référant aux figures 3 (a)-3 (e). En premier lieu, comme le montre la figure 3 (a), on forme une matière de masque 2 sur la totalité de la sur- face d'un substrat monocristallin 1, et on enlève par pho-25 tolithographie la matière de masque 2 qui se trouve sur des parties autres qu'une partie qui deviendra une cathode. Ensuite, comme le montre la figure 3 (b), on grave le substrat 1 par une opération de gravure par voie sèche telle que la gravure ionique réactive (ou RIE), en utili- sant à titre de masque la matière de masque 2 En outre, on 5 grave le substrat 1 dans la direction latérale et en obli- que par une opération de gravure anisotrope par voie humi- de, en utilisant un agent de gravure tel que l'hydroxyde de potassium, et on forme une saillie qui présente une pointe vive 9 qui deviendra ultérieurement une cathode (figure10 3 (c)). Ensuite, une matière isolante 5 destinée à proté- ger la forme pointue de la cathode est formée sur la tota- lité de la surface du substrat, et une pellicule métallique 68 est formée sur la matière isolante, après quoi des motifs de matière de réserve 11 sont formés par photolitho- graphie sur la pellicule métallique (figure 3 (d)) La pel- licule métallique 68 et la matière isolante 5 sont gravées par gravure ionique réactive ou un procédé semblable, en utilisant à titre de masque le motif précité, et une grille20 6 et une anode 8 sont formées à la périphérie de la cathode qui est formée sur le substrat 1, pour achever ainsi un dispositif (figure 3 (e)). Lorsqu'on utilise ce dispositif, on fixe au niveau de la masse la tension de cathode Vc, en mettant à la masse le substrat 1, comme représenté sur la figure 4, et on applique à l'anode 8 une tension VA de 100 à 500 V, et des électrons qui sont émis dans le vide à partir de la cathode 9, sous l'effet de l'excitation par un champ élec- trique, sont collectés par l'anode 8 D'autre part, la30 quantité d'électrons qui circulent de la cathode 9 vers l'anode 8 est commandée par l'application d'une tension de quelques dizaines de volts à la grille 6, à titre de ten- sion de grille VG. Dans le tube à vide microminiature classique qui est fabriqué par le procédé décrit ci-dessus, on utilise 3 une opération de gravure en direction latérale pour former la cathode, ce qui fait qu'il est très difficile de définir l'instant de fin de la gravure de façon qu'il corresponde à l'instant auquel la forme pointue de la cathode prend un 5 angle aigu En particulier, la définition de cet instant est encore plus difficile dans la fabrication d'un ensemble de cathodes sur le substrat En réalité, comme le montre la figure 5, une cathode 12 b qui n'a pas été gravée complète- ment, une cathode 12 c qui a été gravée de façon excessive, 10 etc, sont formées en plus d'une cathode 12 a ayant une forme désirée Il apparaît ainsi des variations de la forme de la cathode. De plus, l'aire de la région dans laquelle il y a adhérence entre la partie qui deviendra la cathode sur la surface du substrat 1, et la matière de masque 2, devient de plus en plus faible au fur et à mesure de la progression de l'opération de gravure, et par conséquent la force d'adhérence entre les deux est affaiblie Ceci provoque un décollement de la matière de masque en un certain endroit,20 et la forme de cette partie après gravure varie Il est donc également difficile d'obtenir une forme de gravure uniforme, à cause de tels facteurs. En outre, la pointe de la cathode doit être pro- tégée pendant la formation de la grille et de l'anode, et dans l'exemple classique, ces électrodes sont protégées par une pellicule isolante, consistant par exemple en Si O 2. Cependant, la partie de pointe de la cathode est en réalité exposée à un gaz de gravure immédiatement avant la forma- tion de la grille 6 et de l'anode 8, et pour cette raison30 la partie de pointe de la cathode est endommagée, et il est difficile de maintenir la forme pointue à angle vif d'ori- gine. Comme décrit ci-dessus, dans le procédé de fabri- cation classique, la maîtrise et la reproductibilité du processus de gravure pour la formation de la cathode sont 4 mauvaises, et en outre la partie de pointe de la cathode est endommagée au cours de l'étape de formation de la grille et de l'anode, ce qui conduit à un défaut d'unifor- mité des caractéristiques du dispositif. 5 L'invention vise à résoudre les problèmes décrits ci-dessus, et elle a pour but de procurer un tube à vide microminiature qui permette d'obtenir une forme de cathode ayant une bonne uniformité et que l'on puisse intégrer aisément Un autre but de l'invention est de procurer un10 procédé de fabrication d'un tube à vide microminiature. Un procédé de fabrication d'un tube à vide micro- miniature conforme à l'invention comprend les étapes sui- vantes: (a) on forme une couche de masque sur un substrat monocris- tallin, et on enlève une partie de la couche de masque à l'endroit auquel on forme une cathode, par photolithogra- phie, (b) on grave le substrat monocristallin en utilisant à titre de masque la couche de masque qui a été formée, et en utilisant un fluide de gravure anisotrope, pour produire une cavité ayant une section transversale en V, et on forme dans la cavité une matière qui deviendra la cathode, (c) on forme une première matière isolante sur la surface du substrat monocristallin qui fait face à la cavité, on forme une matière qui deviendra une grille, on forme une seconde matière isolante sur sa surface supérieure, et on forme en outre sur sa surface supérieure une matière qui deviendra une anode, (d) on enlève la matière d'anode, la pellicule isolante et la matière de grille sur la partie qui fait face à la pointe de cathode, en procédant par photolithographie, et (e) on grave le substrat monocristallin en utilisant à titre de masque la matière de grille, jusqu'à ce que la pointe de la matière de cathode apparaisse.35 Le tube à vide microminiature conforme à l'inven- tion est caractérisé en ce que la partie de pointe de la matière de cathode qui est fabriquée par les opérations (a) à (e) mentionnées cidessus, devient la cathode, et la matière de grille ainsi que la matière d'anode qui restent dans l'opération (d) mentionnée ci-dessus deviennent la grille et l'anode. Du fait que dans le procédé de fabrication du tube à vide microminiature de l'invention, on utilise seulement une gravure anisotrope du monocristal, à titre de10 moyen pour définir la forme de la cathode, la forme de la pointe est obtenue de façon stable. Du fait que la partie de pointe de la cathode est protégée par la matière du substrat jusqu'à ce que la grille et l'anode soient complètement formées, il ne se15 produit pas des changements de la forme de la pointe de cathode pendant la fabrication. Dans le tube à vide microminiature de l'inven- tion, la grille et l'anode sont disposées dans la direction perpendiculaire à la cathode, et par conséquent l'inter-20 valle entre la cathode et l'anode peut être réduit dans toute la mesure du possible au cours de la fabrication, et l'intégration de ce tube avec d'autres dispositifs est facilitée. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif La suite de la description se réfère aux dessins annexés dans lesquels: Les figures 1 (a) 1 (f) sont des représentations montrant un procédé de fabrication d'un tube à vide micro- miniature conforme à un mode de réalisation de l'invention; La figure 2 est une représentation destinée à l'explication du fonctionnement d'un tube à vide micromi- niature fabriqué par le procédé de fabrication conforme à35 un mode de réalisation de l'invention; Les figures 3 (a) 3 (e) sont des représentations montrant un procédé classique pour la fabrication d'un tube à vide microminiature; La figure 4 est une représentation destinée à l'explication du fonctionnement d'un tube à vide micromi- niature qui est formé par le procédé de fabrication classi- que; et La figure 5 est une représentation destinée à l'explication du problème que l'on rencontre dans le pro- cédé classique pour la fabrication d'un tube à vide micro- miniature. Les figures 1 (a) 1 (f) sont des représentations qui montrent des étapes principales respectives d'un pro- cédé de fabrication d'un tube à vide microminiature confor-15 me à un mode de réalisation de l'invention, et les figures 1 (a) 1 (e) montrent une coupe de la structure de disposi- tifs traités au cours des cinq étapes du procédé de fabri- cation, tandis que la figure 1 (f) montre une coupe de la structure d'un dispositif terminé.20 Sur les figures 1 (a) 1 (f), la référence 1 désigne un substrat semiconducteur monocristallin On dépo- se une matière de masque 2 sur le substrat semiconducteur 1 On forme une partie concave 3, ayant une forme en V, dans une première surface principale du substrat 1 On uti- lise une matière à émission par champ électrique, 4, pour constituer une matière de cathode Les références 5, 5 ', 7 et 7 ' désignent des matières isolantes La référence 6 ' désigne une matière de grille et la référence 8 ' désigne une matière d'anode La référence 6 désigne une grille et30 la référence 8 désigne une anode La cathode est formée de façon à présenter une partie pointue vive 9. On va maintenant décrire un procédé de fabrica- tion. En premier lieu, on utilise pour le substrat monocristallin 1 un substrat en silicium monocristallin 7 ayant une facette ( 100), et on forme sur une première sur- face principale de ce substrat une matière de masque telle que Si O 2, Si 3 N 4 ou Si NO, ayant une épaisseur de plusieurs dizaines de manomètres, ou plus, en utilisant le procédé de 5 dépôt chimique en phase vapeur par plasma On forme sur ce masque un motif de matière de réserve (non représenté), en utilisant une technique de photolithographie, et on met à nu une région de surface du substrat sur laquelle se trouve la cathode, en gravant le masque par une opération de gra-10 vure ionique réactive qui utilise à titre de masque le motif de matière de réserve (figure 1 (a)). Ensuite, on grave le substrat 1 avec une solution de gravure anisotrope, en utilisant par exemple de l'hydro- xyde de potassium et de l'alcool isopropylique, et en uti-15 lisant la couche de masque 2 à titre de masque. A ce moment, du fait que la vitesse de gravure de la facette ( 111) du Si est environ 30 fois plus rapide que celle de la facette ( 100), lorsque la gravure est effectuée en formant une fenêtre sur la couche de masque 2 sur le20 substrat ayant une telle facette ( 100), il y a formation de la cavité 3 en forme de V, qui est constituée par une facette ( 111) faisant un angle de 540 avec la facette ( 100) (figure 1 (b)) Ce procédé de gravure utilisant la couche de masque 2 à titre de masque, procure une excellente adhérence entre la couche de masque et le substrat, en comparaison avec le procédé qui utilise à titre de masque une matière de réserve pour la photolithographie, et on peut aisément obtenir une forme stable après l'opération de gra- vure Ce procédé est donc très avantageux.30 Ensuite, la matière à émission par champ électri- que, 4, qui consiste en une matière qui peut émettre aisé- ment des électrons et qui a une faible énergie d'extrac- tion, telle que le molybdène, est formée, par exemple avec une épaisseur de 100 nm ou plus, par le procédé de dépôt35 par pulvérisation cathodique, de façon à recouvrir la ca- 8 vité en forme de V 3 (figure 1 (c)). Ensuite, on forme sur une seconde surface princi- pale, opposée à la face de la cavité en forme de V 3 du substrat 1, une pellicule de Si 3 N 4, pour la matière isolan- 5 te 5 ', on forme la matière de grille 6 ' sur cette pellicule de Si 3 N 4 5 ', on forme la matière isolante 7 ' sur cette matière de grille 6 ', et on forme en outre la matière d'anode 8 ' sur la matière isolante 7 ' L'épaisseur de chaque couche est fixée ici à 100 nm ou plus, et on utilise10 un métal tel que Au, Ti, Ni ou Al pour la matière de grille 6 ' et pour la matière d'anode 8 ' (figure 1 (d)). Ensuite, en utilisant une technique de photoli- thographie, on ouvre une fenêtre par gravure de la matière d'anode 8 ', de la matière isolante 7 ', de la matière de15 grille 6 ' et de la matière isolante 5 ', dans une région qui fait face à la partie concave en forme de V, 3, par érosion ionique ou gravure ionique réactive, en utilisant un gaz tel que SF 6 ou CF 4, pour mettre à nu la surface du substrat 1 (figure 1 (e)) La matière de grille 6 ' et la matière d'anode 8 ' qui restent à ce moment seront utilisées ulté- rieurement à titre d'électrode de grille 6 et d'électrode d'anode 8. Ensuite, on grave le substrat 1 en utilisant comme masque la matière isolante 5, et on met à nu la pointe 9 de la matière à émission par champ électrique, 4. Pour cette opération de gravure, on utilise une gravure par voie humide avec de l'hydroxyde de potassium et de l'alcool isopropylique Du fait que la vitesse de gravure du semi- conducteur est généralement plusieurs dizaines de milliers30 de fois supérieure à celle du métal, la matière ayant une propriété d'émission sous l'effet d'un champ électrique, telle que le molybdène, n'est pas surgravée au cours de cette opération de gravure, et la partie de pointe vive 9 de la matière à émission sous l'effet d'un champ électrique35 est mise à nu au niveau de l'ouverture formée par gravure, 9 avec une bonne maîtrise et une bonne reproductibilité De plus, la forme de la pointe 9 est déterminée par les pro- priétés cristallines de la matière du semiconducteur mono- cristallin qui est utilisé pour le substrat 1, et par con- 5 séquent on obtient toujours des formes uniformes (figure 1 (f)) De plus, la matière isolante 5 remplit à la fois la fonction d'un isolant pour isoler l'électrode de grille 6 vis-à-vis du substrat 1, et d'un masque pour la gravure du substrat 1 La partie de pointe vive 9 remplit la fonc- tion de la cathode émettant des électrons. Comme le montre la figure 2, les électrons qui sont émis par la partie pointue 9 de la cathode, dans la direction verticale, sous l'effet de l'excitation par le champ électrique, sont commandés par une tension qui est15 appliquée à la grille 6, et ils circulent vers l'anode 8. Dans le tube à vide microminiature classique, la grille et l'anode sont formées dans la direction parallèle à la cathode, et par conséquent l'intervalle entre la cathode et l'anode est maintenu au minimum à environ 50 microns Cependant, dans le tube à vide microminiature qui est obtenu par le procédé de fabrication de ce mode de réalisation, la grille 6 et l'anode 8 sont formées dans la direction perpendiculaire à la cathode 9, et par conséquent l'intervalle entre la cathode 9 et l'anode 8 peut être fixé25 aisément par l'épaisseur du substrat 1, l'épaisseur des pellicules isolantes 5 et 7, de la grille 6 et de l'anode 8, etc, et cet intervalle peut être fixé à 10 microns ou moins, et il peut en outre être fixé à une valeur très fai- ble, inférieure à quelques microns.30 Par conséquent, dans le tube à vide microminia- ture de ce mode de réalisation, la tension d'anode VA doit seulement être de l'ordre de 100 V, et la tension de grille VG doit seulement être de l'ordre de 10 V, et on peut uti- liser une petite source d'énergie Ce mode de réalisation35 présente donc un grand avantage pour la miniaturisation du dispositif et pour la réduction de la taille du système d'ensemble. Dans le mode de réalisation qui est envisagé ci- dessus, on a décrit seulement un dispositif ayant une seule cathode, il est possible de fabriquer plusieurs cathodes sur le même substrat Lorsque les cathodes individuelles ne sont pas séparées, elles sont connectées en parallèle, et le courant qu'il est possible d'obtenir peut ainsi être augmenté, 10 Dans une partie du substrat dans laquelle la cathode n'est pas formée, la matière du substrat n'est pas gravée, et par conséquent il est possible d'intégrer dans cette partie d'autres dispositifs tels que des transistors, des diodes, des résistances, etc. 15 Bien que dans le mode de réalisation envisagé ci- dessus, on utilise un substrat monocristallin en Si pour le substrat monocristallin 1, ce substrat peut être d'un autre type, à condition qu'il s'agisse d'une matière présentant un caractère anisotrope pour la gravure On peut utiliser20 par exemple un substrat en semiconducteur composé tel que Ga As. Dans le cas o on utilise Ga As pour le substrat 1, lorsqu'on utilise un substrat ayant une facette ( 100), et lorsqu'on prend une direction l 011 l pour la direction dans laquelle apparaît la dépendance de la gravure vis-à- vis de l'orientation du cristal, il se forme un sillon en forme de V qui fait un angle d'environ 450 avec la facette ( 100) Pour la gravure qui est effectuée dans ces condi- tions, on utilise de préférence à titre de solution de gravure une solution consistant par exemple en un mélange d'acide sulfurique, de peroxyde d'hydrogène et d'eau. Comme décrit ci-dessus, dans le tube à vide microminiature qui est obtenu par le procédé de fabrication de ce mode de réalisation, la cathode a une forme uniforme,35 et l'intervalle entre la cathode et l'anode est faible, de il l'ordre du micron, et lorsque ce tube est intégré, on obtient de bonnes performances et une fiabilité élévée sans variations dans les caractéristiques du dispositif On peut ainsi utiliser efficacement de tube pour des dispositifs 5 fonctionnant en haute fréquence, dans la bande des ondes millimétriques. Comme décrit ci-dessus, et conformément à l'in- vention, on utilise à titre de substrat monocristallin un substrat dans lequel la gravure dépend de l'orientation10 cristalline, on forme dans le substrat, par gravure, une cavité ayant une section transversale en forme de V, on recouvre cette cavité en forme de V avec une matière de cathode, et, en outre, on forme séquentiellement sur une seconde surface principale du substrat monocristallin un15 première pellicule d'isolant, une matière de grille, une seconde pellicule d'isolant et une matière d'anode, et on enlève par gravure des parties du substrat faisant face à la cavité en forme de V dans le substrat, en utilisant les couches précitées à titre de masque, jusqu'à ce que la20 pointe de la matière de cathode précitée apparaisse, et on utilise à titre de cathode la partie de pointe vive à nu. On obtient donc une cathode ayant une forme uniforme, qui est déterminée par les propriétés cristallines du substrat utilisé, et en outre la partie de pointe vive de la cathode25 n'apparaît pas à la surface au cours de la formation de la grille et de l'anode, ce qui permet d'éviter des variations de la forme de la pointe de cathode On obtient ainsi un effet qui consiste dans la possibilité de former des catho- des ayant une forme uniforme, avec une bonne maîtrise et30 une bonne reproductibilité dans le cas de l'intégration. En outre, du fait qu'on peut donner une faible valeur à l'intervalle entre la cathode et l'anode, on obtient un rendement d'émission d'électrons élevé, et on obtient également un effet qui consiste dans la possibilité35 de réduire la taille du dispositif. Il va de soi que de nombreuses modifications peu- vent être apportées au dispositif et au procédé décrits et représentés, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Procédé de fabrication d'un tube à vide micro- miniature, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes sui- vantes: on forme une couche de masque ( 2) sur une première 5 surface principale d'un substrat monocristallin ( 1), et on enlève la couche de masque ( 2) dans une partie dans laquel- le une cathode sera formée; on grave le substrat monocris- tallin ( 1) par une opération de gravure anisotrope, en uti- lisant la couche de masque ( 2) à titre de masque, pour for-10 mer ainsi une cavité ( 3) ayant une section transversale en forme de V; on recouvre les parois de la cavité en forme de V ( 3) avec une matière de cathode ( 4); on forme une premiè- re pellicule d'isolant ( 5 ') sur une seconde surface princi- pale du substrat monocristallin ( 1), on forme une matière15 de grille ( 6 ') sur la première pellicule d'isolant ( 5 '), on forme une seconde pellicule d'isolant ( 7 ') sur la matière de grille ( 6 '), et on forme en outre une matière d'anode ( 8 ') sur la seconde pellicule d'isolant ( 7); on enlève la matière d'anode ( 8 '), la seconde pellicule d'isolant ( 7 '), la matière de grille ( 6 ') et la première pellicule d'iso- lant ( 5 ') dans des parties qui font face à la cavité en forme de V ( 3) du substrat monocristallin ( 1); et on grave le substrat monocristallin ( 1) en utilisant la première pellicule d'isolant ( 5 ') à titre de masque, jusqu'à ce que25 la pointe ( 9) de la matière de cathode ( 4) apparaisse. 2 Procédé de fabrication d'un tube à vide micro- miniature selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat monocristallin ( 1) présente une dépendance de la vitesse de gravure vis-à-vis de l'orientation cristal-30 line. 3 Procédé de fabrication d'un tube à vide micro- miniature selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière du substrat monocristallin ( 1) est du silicium monocristallin ayant une facette ( 100), la gravure aniso-35 trope qui est accomplie au cours de la seconde étape est la 14 gravure par voie humide utilisant de l'hydroxyde de potas- sium et de l'alcool isopropylique, et la cavité en forme de V ( 3) consiste en une facette ( 111) du silicium monocris- tallin. 5 4 Procédé de fabrication d'un tube à vide micro- miniature selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière du substrat monocristallin ( 1) consiste en Ga As ayant une facette ( 100), et la gravure anisotrope qui est accomplie au cours de la seconde étape est la gravure par10 voie humide utilisant un mélange fluide d'acide sulfurique, de peroxyde d'hydrogène et d'eau. Procédé de fabrication d'un tube à vide micro- miniature selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise pour la matière de la couche de masque ( 2) une ma-15 tière choisie parmi Si O 2, Si 3 N 4 et Si NO. 6 Tube à vide microminiature, caractérisé en ce qu'il est fabriqué par un procédé comprenant les étapes suivantes: on forme une cavité ( 3) ayant une section transversale en forme de V sur une première surface princi-20 pale d'un substrat monocristallin ( 1), par gravure aniso- trope; on recouvre les parois de la cavité en forme de V ( 3) avec une matière de cathode ( 4); on forme successive- ment une première pellicule d'isolant ( 5 '), une matière de grille ( 6 '), une seconde pellicule d'isolant ( 7 ') et une25 matière d'anode ( 8 ') sur une seconde surface principale du substrat monocristallin ( 1); on enlève la matière d'anode ( 8 '), la seconde pellicule d'isolant ( 7 '), la matière de grille ( 6 ') et la première pellicule d'isolant ( 5 '), sur une partie du substrat monocristallin ( 1) qui fait face à30 la cavité en forme de V ( 3); et on grave le substrat mono- cristallin ( 1) en utilisant la première pellicule d'isolant ( 5 ') à titre de masque, jusqu'à ce que la pointe ( 9) de la matière de cathode ( 4) apparaisse; et en ce que la pointe ( 9) de la matière de cathode ( 4) forme une cathode, et la matière de grille ( 6 ') et la matière d'anode ( 8 ') qui res- tent après la quatrième étape forment respectivement une grille ( 6) et une anode ( 8). 7 Tube à vide microminiature selon la revendi- cation 6, caractérisé en ce que le substrat monocristallin ( 1) présente une dépendance vis-à-vis de l'orientation cristalline. 8 Tube à vide microminiature selon la revendi- cation 6, caractérisé en ce que la matière du substrat monocristallin ( 1) consiste en silicium monocristallin ou10 en Ga As.