Brevet FR2700217A1 — publié le 19940708

PROCEDE DE REALISATION SUR SILICIUM, DE CATHODES EMISSIVES A MICROPOINTES, POUR ECRAN PLAT DE PETITES DIMENSIONS, ET PRODUITS OBTENUS La présente invention a pour objet un procédé de réalisation sur silicium, de cathodes émissives à micropointes, pour écran plat de petites dimensions, ainsi que les produits obtenus par ce procédé. I1 concerne le domaine des écrans de visualisation plats basés sur le phénomène physique de cathodoluminescence et l'émission d'électrons par effet de champ, et peut s'appliquer à tous les secteurs industriels utilisant des écrans de visualisation ou d'affichage de faibles dimensions, par exemple viseurs de camescopes, calculatrices, appareils de controle de tous types, véhicules, horloges et montres, etc. Les écrans à micropointes sont caractérisés par une émission électronique par effet de champ à partir d'une cathode plane étendue à micropointes, une cathode froide à faible consommation, un temps de réponse rapide (1 fus), un adressage matriciel à partir de la structure intégrée pointe-grille et une émission lumineuse par cathodoluminescence basse à moyenne tension. Les écrans à micropointes connus sont des tubes à vide constitués en général de deux plaques de verre mince (environ 1 mm) distantes de 200 Rm. La rigidité de la structure est assurée par des espaceurs (billes de 200 pm par exemple) qui permettent de maintenir la distance interélectrodes lorsque l'écran est mis sous vide. La plaque avant ou plaque anode est recouverte d'une couche conductrice transparente et de luminophores. La plaque arrière ou plaque cathode comporte un réseau matriciel d'émetteurs à effet de champ déposés par les techniques de couches minces. A chaque point lumineux (pixel), est associé une surface émissive cathodique située vis-àvis et constituée d'un grand nombre de micropointes (environ 10 000 par mm2). Cette surface émissive est définie par l'intersection d'une ligne (grille) et d'une colonne (conducteur cathodique) de la matrice. Sous réserve de l'introduction d'un dispositif de limitation du courant dans les pointes, le grand nombre de pointes assure une émission homogène entre pixels (effet de moyenne) et élimine les risques de défauts ponctuels. Grâce à la faible distance pointe-grille ( Pour fixer les ordres de grandeur, une différence de potentiel de 80 volts permet d'obtenir une densité de courant de 1 mA/mm2. Cette valeur est suffisante dans un écran de 1000 lignes commandé séquentiellement ligne par ligne pour obtenir une luminance élevée (400 Cd/m2) avec un luminophore basse tension (400 volts présentant un rendement lumineux de 3 lm/watt. Compte tenu du seuil d'émission (40-50 volts), la tension qui doit être modulée sur les colonnes pour passer du niveau noir au niveau blanc est de l'ordre de 30 à 40 volts. La structure classique de la cathode d'un écran à micropointes comprend en particulier, déposées successivement sur un substrat de verre ou de silicium: - Une couche d'isolation. - Une couche résistive de silicium ou autre matériau. - Les "conducteurs colonne" constitués d'une couche métallique qui peut être déposée soit dessous soit dessus la couche résistive. - Une couche isolante (Si ou SiO2) qui constitue l'isolant de la grille. - Une couche métallique qui constitue la grille. Après dépôt des susdites couches, il est pratiqué dans la grille isolante, par des techniques de gravure connues, des trous dans lesquels sont ensuite réalisées les micropointes. Le procédé selon la présente invention conduit à une amélioration des caractéristiques, ainsi qu'à de meilleurs rendements de fabrication dans la réalisation de cathodes émissives pour écrans plats de petite taille du type à cathodoluminescence à micropointes et permet d'utiliser les techniques connues pour la réalisation de composants sur silicium. Il consiste à réaliser les cathodes émissives à partir d'un substrat de base monolithique en silicium formé soit d'une tranche épaisse (300 microns ou plus), soit d'une couche fine de quelques microns, déposée sur un substrat isolant (alumine ou verre), la couche de silicium étant "active" dans les deux cas. Sur les dessins schématiques annexés, donnés à titre d'exemple non limitatif d'une des formes de réalisation de l'objet de l'invention: la figure 1 représente la coupe transversale d'une cathode émissive à micropointes selon l'invention, et la figure 2 est une vue de dessus d'une telle cathode montrant une réalisation particulière des conducteurs de colonne. Le procédé selon la présente invention est destiné à réaliser dès cathodes émissives pour écrans plats de faiblesdimensions à micropointes, à partir d'un substrat 1 de base en silicium formé soit d'une tranche épaisse (300 microns ou plus), soit d'une couche fine de quelques microns, déposée sur un substrat isolant (alumine ou verre). Dans les deux cas, la couche de silicium pourra avantageusement être utilisée pour implanter des composants actifs tels que transistors à déplétion, assurant le contrôle et la limitation du courant dans les micropointes. La fabrication des cathodes émissives sera effectuée grâce aux techniques connues pour la réalisation de composants intégrés sur silicium. La collectivisation des traitements permet en outre de fabriquer plusieurs cathodes à la fois sur la même tranche, et de traiter plusieurs tranches à la fois lors des étapes technologiques La tranche épaisse sera constituée d'une plaquette de silicium massif d'un diamètre de 100 à 200 mm (mais pas limitatif), du type utilisé couramment pour la fabrication des circuits intégrés. Elle sera de type P ou N et d'une résistivité adaptée, préférablement élevée. Elle pourra également être faite d'un substrat isolant (verre, alumine, etc...) recouvert d'une couche de silicium de 1 micron environ, ou bien de tout type de substrat connu permettant de réaliser des structures silicium sur isolant. En ce qui concerne la couche mince de silicium, le substrat de base pourra être une plaque de silicium, d'alumine, de verre ou autre. La couche mince elle-même sera cristalline (couche épitaxiée) ou polycristalline, d'une résistivité élevée (de quelques ohmscm à 50 ohmscm). Les phases de nettoyages, à chaque étape de la fabrication, sont'identiques à celles qui précèdent les étapes du procédé dans la réalisation des circuits intégrés. Ce sont des trempages dans des bains d'acide (phosphorique, chloridriques, fluorhydrique, sulfurique), des rinçages à l'eau désionisée, des séchages à la centrifugeuse ou à la vapeur d'alcool, etc... Sur la figure 1 on peut voir une coupe partielle d'une cathode émissive à micropointes protégées par transistors à déplétion, ceux-ci étant réalisés à partir du substrat 1 en silicium dans lequel sont formées des zones surdopées obtenues par diffusion et constituant les sources 3 en contact avec les conducteurs de colonne 4, et les drains 5 alimentant les micropointes 2, ainsi qu'une couche d'isolation de grille 6 en silice obtenue par oxydation de surface. L'électrode de pincement 7 est créée par métallisation au-dessus de la couche d'isolation de grille 6. Les conducteurs de colonnes 4 sont constitués soit par une couche métallique (aluminium par exemple), soit par une ou des zones diffusées dans le silicium de base, soit par la combinaison des deux techniques: couche diffusée + couche métallique. L'utilisation d'une couche diffusée permet de limiter la hauteur du relief de la structure. La couche diffusée peut être étendue sur toute la surface de la colonne 9, pour réduire sa résistance. Dans ce cas là, elle est isolée des structures supérieures par une couche d'oxyde épais (1 à 2 microns) dans laquelle on aménage des trous de prise de contact 10 avec les couches supérieures. La couche diffusée peut également être limitée à la surface d'un pixel 11, la colonne 9 étant alors constituée de zones s urdopées en série avec des zones métalliques 12 qui interconnectent les zones surdopées (figure 2). Si le conducteur colonne 4 est une couche métallique, on pourra utiliser une structure qui écarte la première pointe émissive d'une distance voulue (5 microns par exemple) de la métallisation colonne. Si le conducteur colonne est une couche diffusée dans le silicium de base, le même principe est utilisable pour produire le même effet. Les deux principes précédents (utilisation d'une couche diffusée pour le conducteur de colonne et son alignement) permettent de libérer un espace émissif maximum. En effet, dans les deux cas l'emprise du conducteur de colonne 4 sur la surface du pixel est réduit à la prise de contact. Le conducteur étant soit sous la zone émissive (couche diffusée) soit dans l'espace inter-pixel (métal). La grille 8 (métallique) formant les conducteurs de lignes peut avantageusement être recouverte par une couche isolante (Nitrure de Silicium, Carbone diamant, SiO2, ou autre). L'isolement entre grille 8 et anode s'en trouve amélioré. Cette couche sera habituellement déposée avant la réalisation des trous et des micropointes. Le positionnement des divers éléments constitutifs donne à l'objet de l'invention un maximum d'effets utiles qui n'avaient pas été, à ce jour, obtenus par des procédés similaires. REVENDICATIONS 10. Procédé de réalisation sur silicium, de cathodes émissives à micropointes, pour écran plat de petites dimensions, destiné à la réalisation d'écrans de visualisation plats basés sur le phénomène physique de cathodoluminescence et l'émission d'électrons par effet de champ pouvant s'appliquer à tous les secteurs industriels utilisant des écrans de visualisation ou d'affichage de faibles dimensions, caractérisé en ce que les cathodes émissives et en particulier les conducteurs de colonnes (4) et les conducteurs de ligne formant la grille (8) sont réalisées au moyen des techniques connues utilisées pour la réalisation de composants sur silicium, à partir d'un substrat de base (1) monolithique en silicium formé soit d'une tranche d'une épaisseur égale ou supérieure à 300 microns, soit d'une couche fine de quelques microns déposée sur un substrat isolant tel qu'alumine ou verre. 20. Procédé selon la revendication 1, se caractérisant par le fait que plusieurs cathodes sont fabriquées en même temps sur une seule tranche de silicium. 3 . Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, se caractérisant par le fait que des composants actifs tels que transistors à déplétion, assurant le contrôle et la limitation du courant dans les micropointes (2) sont implantés dans le substrat de base (1). 40. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, se caractérisant par le fait que les conducteurs de colonnes (4) sont réalisés par une ou des zones diffusées dans le silicium du substrat de base (1), cette zone, ou ces zones pouvant être combinées à une couche métallique. 5 . Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, se caractérisant par le fait qu'une couche isolante est déposée sur la grille (8) métallique formant les conducteurs de lignes. 60. Dispositif de cathode émissive à micropointes pour écran plat de petites dimensions réalisée selon le procédé des revendications précédentes, se caractérisant par le fait qu'elle est réalisée sur un substrat de base (1) monolithique en silicium formé soit d'une tranche d'une épaisseur égale ou supérieure à 300 microns, soit d'une couche fine de quelques microns déposée sur un substrat isolant tel qu'alumine ou verre. 70. Dispositif selon la revendication 6, l'une quelconque des revendications précédentes, se caractérisant par le fait que le contrôle et la limitation du courant dans les micropointes (2) est assuré par des composants actifs tels que transistors à déplétion implantés dans le substrat de base (1). 80. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, se caractérisant par le fait que les conducteurs de colonnes (4) sont constitués d'une ou plusieurs zones diffusées dans le silicium du substrat de base (1), cette zone, ou ces zones pouvant être combinées à une couche métallique. 90. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, se caractérisant par le fait qu'une couche isolante est déposée sur la grille (8) métallique formant les conducteurs de lignes.