Brevet FR2705830A1 — publié le 19941202

PROCEDE DE FABRICATION DE DISPOSITIFS D'AFFICHAGE A MICROPOINTES, UTILISANT LA LITHOGRAPHIE PAR IONS LOURDS DESCRIPTION La présente invention concerne un procédé de fabrication de dispositifs d'affichage à micropointes ("microtips" dans les publications en langue anglaise). Elle s'applique à la réalisation d'écrans de télévision de haute définition de grande dimension, à la fabrication d'écrans pour ordinateurs portables et de camescopes ainsi qu'à la réalisation d'écrans de dispositifs d'assistance à la navigation automobile ou aérienne. Un dispositif d'affichage à micropointes, encore appelé "écran plat cathodoluminescent à micropointes", comprend une source d'électrons à cathodes émissives à micropointes et une anode cathodoluminescente qui sont assemblées ltune à l'autre et entre lesquelles est fait le vide. Un exemple d'un tel dispositif est schématiquement et partiellement représenté sur la figure 1 où l'on voit la source d'électrons. Celle-ci comprend un support isolant 2 qui porte des couches conductrices telles que la couche 4 (conducteurs cathodiques), surmontées d'une couche isolante 6, elle-même surmontée d'autres couches conductrices telles que la couche 8 (grilles). Des trous 10 sont réalisés dans les couches 6 et 8 et des micropointes 12 sont formées dans ces trous. Dans un dispositif d'affichage à micropointes, on a un ensemble de conducteurs cathodiques parallèles et un ensemble de grilles parallèles qui sont perpendiculaires aux conducteurs cathodiques, d'où une matrice dont les conducteurs cathodiques forment les lignes et les grilles les colonnes. Chaque intersection des lignes et des colonnes de la matrice définit une surface émissive qui est constituée d'un grand nombre de micropointes (généralement de l'ordre de 10000 par mm2 soit environ un million par cm2) et qui est associée à un pixel de 1' écran. On voit également sur la figure 1 l'anode cathodoluminescente du dispositif, qui comprend un support isolant et transparent 14 recouvert, en regard des micropointes, d'une couche conductrice et transparente 16, elle-même recouverte d'un luminophore 18 qui, sous l'impact des électrons, émet de la lumière en direction d'un observateur. Au sujet des écrans plats cathodoluminescents, on consultera les documents suivants Th. Leroux, F. Levy, R. Meyer, F. Muller et P. Vaudaine, VISU 91, Microtips Fluorescent display R. Meyer, A. Ghis, Ph. Rambaud et F. Muller, Japan Display 86, 513 (1990), Physique des cathodes à micropointes. Comparaison avec les autres approches de tubes cathodiques plats. R. Baptist et R. Meyer, VISU 90, Sealed vacuum devices : Microtips Fluorescent Display A. Ghis, R. Meyer, Ph. Rambaud, F. Levy et Th. Leroux, Third International Vacuum Microelectonic Conference, Monterey, USA, July 1990. Ces dispositifs d'affichage à micropointes ont fait l'objet de nombreux travaux de recherche et développement mais leur taille reste faible. En effet, le procédé de fabrication de ces dispositifs utilise un ensemble multicouche du genre de celui qui est schématiquement et partiellement représenté sur la figure 2 et qui comprend successivement un support isolant 20 par exemple en verre, une couche conductrice 22 par exemple en ITO (c'est-à-dire Oxyde d'indium étain, "Indium Tin Oxyde" dans les publications en langue anglaise), une couche isolante 24 par exemple en silice et une couche conductrice de grille 26. La couche 22 est discontinue et forme des bandes parallèles qui constituent les conducteurs cathodiques des dispositifs. La principale phase du procédé de fabrication, qui limite la taille des dispositifs d'affichage, est la lithographie des trous dont il a été question plus haut, dans les couches 24 et 26, trous dans lesquels sont ensuite déposées les micropointes. Pour la mise en oeuvre de cette lithographie, une pellicule de produit photosensible est déposée sur la couche de grille 26 et cette pellicule est ensuite photosensibilisée ( par un rayonnement ultraviolet), de façon sélective, grâce à un "réticule" verre-métal, également appelé "masque", qui définit la trame des trous à évider avant l'évaporation des micropointes. Le faible diamètre de ces dernières (qui est de l'ordre de 1 um), et donc le faible diamètre des trous dans les couches 24 et 26, impose l'usage de systèmes de photosensibilisation très précis, appelés 'fphoto-répéteurs" qui sont dotés d'une optique de réduction d'image très précise et qui, en conséquence, sont très lents et ne peuvent que couvrir une faible surface. La photosensibilisation de l'ensemble d'un écran nécessite d'utiliser un grand nombre de fois un photo-répéteur. On est ainsi conduit à insoler des écrans de faibles dimensions (pas plus de 40 cmx40 cm) pour que cette insolation ne prenne pas un temps trop important (il est tout de même de plusieurs minutes). De plus, si l'on cherche à réduire le diamètre de base des micropointes (coniques) et/ou à augmenter la densité de celles-ci en vue de diminuer la différence de potentiel qu'il convient d'appliquer entre une grille et des micropointes correspondant à celle-ci pour que des électrons soient émis par les micropointes, il faut améliorer la précision des photorépéteurs et donc la qualité de leurs optiques et, en conséquence, augmenter la durée de l'insolation globale. I1 est cependant à noter que le procédé de lithographie utilisé conduit à une disposition très régulière des trous et donc des micropointes. La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients mentionnés plus haut à propos du procédé connu de fabrication de dispositifs d'affichage à micropointes, à savoir la faible surface des dispositifs fabriqués et le manque de rapidité. Pour remédier à cet inconvénient, la présente invention utilise la lithographie par ions lourds. De façon précise, la présente invention a pour objet un procédé de fabrication d'un dispositif d'affichage à micropointes, procédé selon lequel on fabrique une source d'électrons à cathodes émissives à micropointes et une anode cathodoluminescente et on assemble cette source d'électrons et cette anode cathodoluminescente, la fabrication de la source d'électrons comprenant la formation d'un empilement de couches, la formation de trous dans cet empilement et la formation de micropointes dans ces trous, ce procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes - on irradie par des ions lourds une couche superficielle de l'empilement, perpendiculairement à cette couche superficielle, cette dernière étant sensible aux effets de l'irradiation par les ions lourds, des traces latentes étant ainsi formées dans la couche superficielle, et - on révèle par attaque chimique ces traces latentes jusqu'à l'apparition de trous dans cette couche superficielle. Certes, on a déjà utilisé des ions lourds pour réaliser des trous mais dans un tout autre domaine que celui de la fabrication de dispositifs d'affichage à micropointes, à savoir l'élaboration de membranes microporeuses pour l'ultrafiltration. Des procédés d'élaboration de telles membranes sont décrits dans les documents WO-A-87/05850 (voir aussi US-A-4596219) et EP-A-0317399 (voir aussi US-A-4855049) auxquels on se reportera. L'homme du métier des dispositifs d'affichage à micropointes était incité à rechercher, pour fabriquer ces dispositifs, des techniques conduisant à des répartitions très régulières de trous. Or, l'utilisation des ions lourds conduit, au contraire, à une répartition très aléatoire des traces latentes (et donc des trous). L'homme du métier était donc dissuadé d'utiliser les ions lourds pour élaborer les dispositifs d'affichage à micropointes. Cependant, l'élaboration des trous au moyen d'ions lourds s'est avérée tout à fait utilisable pour la fabrication de dispositifs d'affichage à micropointes étant donné le grand nombre de micropointes par pixel (plusieurs dizaines de milliers au mm2) auquel conduit l'utilisation des ions lourds. Ceci est d'autant plus vrai que l'homogénéité de densité des traces latentes de pixel à pixel obtenue par le procédé objet de l'invention est supérieure à celle qui est exigée pour un bon fonctionnement des dispositifs d'affichage à micropointes et qui doit dépasser 5%. De plus, les coûts de production des dispositifs d'affichage à micropointes sont grandement réduits par le fait que l'on réalise des trous répartis de façon aléatoire, sans utiliser un masque du genre de celui qui est utilisé dans le procédé connu de fabrication, qui a été mentionné plus haut. Selon un premier mode de mise en oeuvre particulier du procédé objet de l'invention, l'empilement formé comprend un support électriquement isolant, une première couche électriquement conductrice discontinue, formant des bandes parallèles appelées conducteurs cathodiques, une couche électriquement isolante, une deuxième couche électriquement conductrice destinée à la formation de bandes parallèles appelées grilles, et, sur cette deuxième couche conductrice, une couche qui constitue ladite couche superficielle et qui est faite d'un matériau sensible aux effets de l'irradiation par les ions lourds, on forme des trous à travers la deuxième couche conductrice et la couche isolante en attaquant chimiquement celles-ci à travers les trous formés dans la couche superficielle après l'irradiation de celle-ci et la révélation des traces latentes, cette couche superficielle servant ainsi de masque pour l'attaque chimique de la deuxième couche conductrice et de la couche isolante, cette couche superficielle est éliminée après cette attaque chimique et les micropointes sont formées dans les trous résultant de cette attaque chimique. Le matériau sensible aux effets de l'irradiation par les ions lourds est par exemple du polycarbonate ou du polyamide (Kapton). Un grand nombre d'autres polymères sont également utilisables. On peut aussi utiliser de la silice, mais irradiée par des ions lourds à fort pouvoir d'arrêt tels que les ions Pb et U. Selon un deuxième mode de mise en oeuvre particulier, l'empilement formé comprend un support électriquement isolant, une première couche électriquement conductrice discontinue, formant des bandes parallèles appelées conducteurs cathodiques et une couche électriquement isolante qui constitue ladite couche superficielle, et après la formation des trous dans cette dernière, on forme sur la couche isolante une deuxième couche électriquement conductrice destinée à la formation de bandes parallèles appelées grilles et l'on forme les micropointes dans les trous. L'interaction d'un ion lourd, lors de la traversée d'un matériau sensible aux ions lourds ou d'un film de matière plastique (par exemple en polycarbonate ou en PET ou encore en résine photosensible par exemple) crée une trace latente (zone de dommages ou de dégâts) de tordre de 10 nm de diamètre. La révélation chimique de cette trace latente, par un réactif approprié comme NaOH, 6N pour le polycarbonate par exemple, conduit à un trou ou pore, dont le diamètre est fonction du temps de l'attaque chimique permettant la révélation de cette trace latente. En effet, la vitesse d'attaque chimique est grandement augmentée le long de telles traces latentes. En fonction du rapport entre la vitesse VT d'attaque chimique le long d'une trace latente et de la vitesse VB d'attaque chimique de la matière dans son ensemble, le trou révélé peut être cylindrique (lorsque VB est très supérieur à VT) ou conique (dans ce cas le demi-angle au sommet du cône dont le trou épouse la forme est peu différent de Arcos (VB/VT)). L'apparition de la trace latente correspond à une perte d'énergie, ou à une libération d'énergie, au sein du matériau, perte d'énergie qui est supérieure à un certain seuil. Une trace continue le long du trajet de l'ion à travers la matière pénétrée correspond également à un certain seuil. Selon un mode de mise en oeuvre préféré du procédé objet de l'invention, les ions sont choisis de façon à former des traces latentes continues dans ladite couche superficielle. Il est en effet préférable de créer des traces latentes continues pour avoir une faible dispersion de la taille des trous obtenus après révélation chimique. Pour obtenir des traces latentes continues, on peut utiliser des ions lourds tels que les ions de Kr ou les ions d'éléments dont le numéro atomique est supérieure à celui de Kr (des ions de Xe ou des ions de Pb par exemple). Pour la mise en oeuvre de 11 invention, le seuil en perte d'énergie pour l'obtention de traces latentes continues est satisfait par de tels ions lourds. Un accélérateur d'ions lourds tel que l'accélérateur GANIL (situé à Caen, France) possède une gamme d'ions tout à fait adaptée à la satisfaction du critère de traces continues. Les énergies disponibles permettent de réaliser les irradiations soit dans l'air soit dans le vide, de façon à libérer le maximum d'énergie. On est capable de réaliser des trous dont le diamètre est compris dans l'intervalle allant de 0,1 um à 10 um. Des dispositifs de balayage magnétique permettent de répartir les impacts d'un faisceau d'ions lourds de faible dimension sur des surfaces importantes, avec une bonne homogénéité et pendant une faible durée (par exemple 1 seconde pour 1 m2). Les densités de pores obtenues sont de l'ordre de 106 à 107 pores par cm2. Dans la présente invention, l'irradiation de ladite couche superficielle peut avoir lieu dans le vide. De préférence, cette irradiation a lieu dans l'air. On est ainsi en mesure de disposer d'équipements mécaniques permettant de présenter, en face du faisceau d'ions lourds qui est soumis à un balayage, des substrats à irradier de grande surface. Le procédé objet de la présente invention permet de résoudre le problème de la lithographie de grande dimension, pour la fabrication de dispositifs d'affichage à micropointes de grande surface. Ce procédé permet également de réduire la tension de commande des grilles de ces dispositifs, en augmentant la densité des micropointes (par augmentation de la densité des trous) et/ou en diminuant le diamètre de la base de ces micropointes (en diminuant le diamètre des trous). Les trajectoires rectilignes des ions lourds font que les trous ont une bonne définition spatiale contrairement aux trous réalisés par la technique connue de photolithographie qui a été mentionnée plus haut. Avec cette technique connue, les aberrations optiques sont telles qu'elles ne permettent pas une bonne définition des trous sur de grandes surfaces. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une vue schématique et partielle d'un exemple de dispositif d'affichage à micropointes et a déjà été décrite, - la figure 2 est une vue schématique et partielle d'un ensemble multicouche utilisable pour la fabrication d'un dispositif du genre de celui qui est représenté sur la figure 1 et a déjà été décrite, - la figure 3A est une vue schématique et partielle d'un ensemble multicouche utilisable pour la mise en oeuvre du procédé objet de la présente invention et comprenant une couche superficielle d'un matériau sensible aux ions lourds, - la figure 3B illustre schématiquement l'irradiation de cette couche superficielle par des ions lourds, ce qui crée des traces latentes dans cette couche superficielle, - la figure 3C illustre schématiquement l'obtention de trous par révélation chimique de ces traces latentes, - la figure 3D illustre schématiquement l'utilisation de ces trous pour en créer d'autres dans l'empilement multicouches, conformément à la présente invention, - la figure 4A est une vue schématique et partielle d'un autre empilement multicouche utilisable dans la présente invention, - la figure 4B illustre schématiquement l'irradiation, par des ions lourds, d'une couche superficielle de cet empilement de la figure 4A, ce qui crée des traces latentes dans cette couche superficielle, et - la figure 4C illustre schématiquement la révélation chimique de ces traces latentes, ce qui crée des trous dans la couche superficielle. Les figures 3A à 3B se rapportent à un mode de mise en oeuvre particulier du procédé objet de la présente invention. Pour réaliser un dispositif d'affichage à micropointes, on utilise encore un empilement multicouches du genre de celui qui est représenté sur la figure 2 déjà décrite. Conformément à 1 l'invention, une couche 28 de faible épaisseur d'un matériau électriquement isolant, sensible aux effets de l'irradiation par les ions lourds, est déposée sur l'empilement multicouche considéré (fig.3A). A titre purement indicatif et nullement limitatif, on utilise du polycarbonate en tant que matériau, l'épaisseur de la couche 28 est de l'ordure de 2 um et cette couche 28 est déposée par exemple par la technique de dépôt "à la tournette" ("spin coating" dans les publications en langue anglaise), technique classique de réalisation de couches minces. Cette couche 28 permettra ultérieurement de définir la localisation et la dimension des trous à graver au sein de la couche électriquement conductrice 26 et de la couche électriquement isolante 24, où seront ultérieurement déposées les micropointes. L'empilement multicouche ainsi obtenu, qui comporte la couche 28, est ensuite irradié par un faisceau 30 d'ions lourds (fig.3B). Le faisceau 30 peut provenir d'un implanteur d'ions si l'irradiation a lieu dans le vide. Si l'irradiation est réalisée dans l'air, ce faisceau est obtenu auprès d'un accélérateur d'ions lourds capable de fournir des faisceaux d'énergie suffisante pour vaincre une barrière entre le vide et l'air. Cette irradiation est réalisée perpendiculairement à la surface de l'empilement multicouches (c'est-à-dire la surface de la couche 28). De plus, comme on l'a déjà vu, cette irradiation est de type aléatoire. L'irradiation par les ions lourds provoque des traces latentes 32 dans la couche 28 (ces traces correspondant à des dégâts causés au matériau sensible). Après irradiation, on révèle chimiquement ces traces latentes 32 jusqu'à T l'apparition de pores ou trous 34, qui sont cylindriques ou coniques et dont le diamètre (diamètre des cylindres ou diamètre de base des cônes) et voisin de 1 um (fig.3C). Pour révéler chimiquement les traces latentes on procède par exemple de la façon suivante on plonge le substrat irradié dans un bain de NaOH,6N à 500C pendant 1 heure. Le diamètre exact que l'on veut atteindre pour les trous est qui peut varier entre quelques dizaines de nanomètres jusqu'à quelques micromètres, dépend des conditions d'attaque chimique et il est choisi pour être adapté aux conditions techniques du procédé de fabrication des dispositifs d'affichage à micropointes. On obtient ainsi un empilement multicouches micro-perforé en surface que l'on utilise ensuite pour terminer la fabrication de la source émissive à micropointes faisant partie du dispositif d'affichage que l'on veut réaliser. Pour ce faire, on attaque chimiquement les couches 24 et 26 (fig.3C), à travers les trous 34. Du fait de cette attaque chimique, d'autres trous 36 ou cheminées sont créés dans ces couches 24 et 26, au droit des trous 34 révélés dans la couche 28. Pour réaliser cette attaque chimique des couches 24 et 26, on procède par exemple par gravure ionique réactive. Après avoir formé les trous 36 (fig.3D) dans les couches 24 et 26, la couche 28 de matériau sensible aux ions lourds (qui a servi de "masque") est dissoute par un solvant approprié, par exemple le trichloréthylène. Ensuite, l'empilement multicouche obtenu est lavé, par exemple à l'eau, et séché. On termine ensuite la fabrication du dispositif d'affichage à micropointes, notamment en formant les micropointes dans les trous 36 de 1 t empilement multicouches. Un autre mode de mise en oeuvre du procédé objet de l'invention est schématiquement illustré par les figures 4A à 4C. Selon cet autre mode de mise en oeuvre particulier, on prépare un empilement multicouche du genre de celui qui est schématiquement et partiellement représenté sur la figure 2 excepté que la couche 26 est absente (fig.4A). Ainsi l'empilement utilisé ne comporte pas la couche de grille. Le mode de mise en oeuvre schématiquement illustré par les figures 4A à 4C n'utilise pas de matériau sensible supplémentaire. C'est la couche électriquement isolante 24 qui est directement irradiée par le faisceau d'ions lourds 30 (figure 4B). Ainsi des traces latentes 32 sont directement formées dans cette couche 24, perpendiculairement à la surface de l'empilement multicouches. On forme ensuite les trous ou cheminées 36, dans cette couche 24, en révélant chimiquement ces traces latentes (fig.4C). Ensuite, on dépose la couche de grille sur la couche 24. Le dépôt de cette couche de grille est par exemple réalisé par évaporation directe. On termine ensuite la fabrication du dispositif d'affichage à micropointes, notamment en formant les micropointes dans les trous 36. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un dispositif d'affichage à micropointes, procédé selon lequel on fabrique une source d'électrons à cathodes émissives à micropointes et une anode cathodoluminescente et on assemble cette source d'électrons et cette anode cathodoluminescente, la fabrication de la source d'électrons comprenant la formation d'un empilement de couches (20, 22, 24, 26, 28 ou 20, 22, 24), la formation de trous dans cet empilement et la formation de micropointes dans ces trous, ce procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes - on irradie par des ions lourds (30) une couche superficielle (28 ou 24) de l'empilement, perpendiculairement à cette couche superficielle, cette dernière étant sensible aux effets de l'irradiation par les ions lourds, des traces latentes (32) étant ainsi formées dans la couche superficielle, et - on révèle par attaque chimique ces traces latentes jusqutà l'apparition de trous (34 ou 36) dans cette couche superficielle. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'empilement formé comprend un support électriquement isolant (20), une première couche électriquement conductrice (22) discontinue, formant des bandes parallèles appelées conducteurs cathodiques, une couche électriquement isolante (24), une deuxième couche électriquement conductrice (26) destinée à la formation de bandes parallèles appelées grilles, et, sur cette deuxième couche conductrice, une couche (28) qui constitue ladite couche superficielle et qui est faite d'un matériau sensible aux effets de l'irradiation par les ions lourds, en ce que lion forme des trous (36) à travers la deuxième couche conductrice (26) et la couche isolante (24) en attaquant chimiquement celles-ci à travers les trous (34) formés dans la couche superficielle (28) après l'irradiation de celle-ci et la révélation des traces latentes (32), cette couche superficielle servant ainsi de masque pour l'attaque chimique de la deuxième couche conductrice et de la couche isolante, en ce que cette couche superficielle (28) est éliminée après cette attaque chimique et en ce que les micropointes sont formées dans les trous (36) résultant de cette attaque chimique. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le matériau sensible aux effets de l'irradiation par les ions lourds est le polycarbonate ou le polyamide. 4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que les ions lourds ont un fort pouvoir d'arrêt et en ce que le matériau sensible aux effets de ltirradiatîon par les ions lourds est de la silice. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'empilement formé comprend un support électriquement isolant (20), une première couche électriquement conductrice (22) discontinue, formant des bandes parallèles appelées conducteurs cathodiques et une couche électriquement isolante (24) qui constitue ladite couche superficielle, et en ce que, après la formation des trous (36) dans cette dernière, on forme sur la couche isolante une deuxième couche électriquement conductrice destinée à la formation de bandes parallèles appelées grilles et l'on forme les micropointes dans les trous. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les ions sont choisis de façon à former des traces latentes continues (32) dans ladite couche superficielle (28 ou 24). 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les ions sont choisis dans le groupe comprenant les ions de Kr et les ions d'éléments dont le numéro atomique est supérieur à celui de Kr. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'irradiation de ladite couche superficielle (28 ou 24) a lieu dans le vide. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'irradiation de ladite couche superficielle (28 ou 24) a lieu dans l'air.