Brevet FR2716571A1 — publié le 19950825

PROCÉDÉ DE FABRICATION DE CATHODE D'ÉCRAN FLUORESCENT A MICROPOINTES ET PRODUIT OBTENU PAR CE PROCÉDÉ La présente invention a pour objet un procédé de fabrication de cathode d'écran fluorescent à micropointes, ainsi que le produit obtenu par ce procédé. Il concerne le secteur industriel des écrans d'affichage plats à adressage matriciel lignes-colonnes, et plus particulièrement des écrans de visualisation utilisant la technologie des micropointes, c'est-à-dire constitués d'un tube à vide formé de deux plaques de verre mince, la plaque arrière ou plaque cathode comportant un réseau matriciel d'émetteurs à effet de champ déposés par les techniques de couches minces, et la plaque avant, ou plaque anode, recouverte sur sa face interne d'une couche conductrice transparente portant des luminophores. Dans ce type d'écrans, à chaque point lumineux (pixel) de l'anode, est associé une surface émissive située vis-à-vis et constituée d'un grand nombre de micropointes. Cette surface émissive est définie par l'intersection d'une ligne (grille) et d'une colonne (conducteur cathodique) de la matrice. La cathode d'un écran à micropointes classique est constituée pour l'essentiel de quatre couches déposées successivement sur un substrat de verre ou de silicium, puis gravées, à savoir: une couche conductrice jouant le rôle de "conducteurs colonnes", une couche résistive généralement en silicium destinée à limiter la valeur du courant d'émission, une couche isolante et enfin une seconde couche conductrice constituant la grille. Après dépôt des susdites couches, il est pratiqué dans la grille et la couche isolante des trous dans lesquels sont ensuite déposées les micropointes. Dans les procédés connus à ce jour, la réalisation des couches constitutives de la cathode nécessite au minimum quatre opérations photolitographiques, ainsi que l'utilisation d'au moins quatre masques d'insolation différents. Par ailleurs les images formées par un écran à micropointes sont observées au travers de la plaque anode et c'est la face des luminophores opposée à celle qui reçoit les électrons qui est vue, c'est à dire la moins brillante. Le but de la présente invention est de simplifier la fabrication de la cathode des écrans fluorescents à micropointes en ramenant à trois au lieu de quatre le nombre de niveaux de masquage, et de rendre transparente ladite cathode pour obtenir une amélioration de l'efficacité lumineuse en permettant l'observation du matériau luminescent du côté o les électrons le frappent, à travers la cathode. Cet ojectif est atteint en gravant ensembles les trois couches supérieures de la cathode, la grille, l'isolant de grille et la couche résistive, selon un motif unique ajouré qui définit à la fois les lignes de grille et les résistances d'accès aux micropointes par la couche résistive, les conducteurs colonnes étant constitués d'un grillage métallique fin. Sur les dessins annexés, donnés à titre d'exemple non limitatif d'une des formes de réalisation de l'objet de la présente demande: la figure 1 représente, vu en plan, un point image (pixel) défini comme le croisement d'une ligne et d'une colonne du réseau matriciel, la figure 2 est une vue en perspective cavalière montrant le principe de la structure de la cathode, et les figures 3 à 8 illustrent la succession des phases de fabrication de ladite cathode selon le procédé correspondant à l'invention. La structure de la cathode de l'écran à micropointes comprend, déposés successivement sur un substrat 1 constitué d'une plaque de verre (plaque cathode): - Les "conducteurs colonnes" 2 constitués d'une couche de Niobium, d'Aluminium ou autre conducteur. - Une couche résistive 3 sur laquelle seront formées les micropointes 4. - Une couche isolante 5 (SiO2 par exemple) qui constitue l'isolant de la grille. - Une couche conductrice, en Niobium ou autre, qui constitue la grille 6 formant les conducteurs lignes. Le croisement d'une ligne et d'une colonne défini un point image 7 ou pixel (figure 1). Un conducteur colonne 2 est constitué d'un grillage métallique fin. La grille 6 formant une ligne est faite de mailles consistant en éléments carrés conducteurs reliés entre eux par des ponts conducteurs 8 fins. Les micropointes 4 se situent dans les carrés de grille et non dans les ponts conducteurs. Chaque point image 7 est constitué de plusieurs mailles (quatre sur la figure 1). Chaque maille porte plusieurs micropointes (quatre sur la figure). Les dimensions respectives du grillage formant les conducteurs colonnes 2 et des carrés constituant la grille 6 sont déterminées de manière à ménager des zones vides 9 entre lesdits carrés et ledit grillage permettant l'observation des luminophores d'anode au travers de la structure de la cathode après la troisième et la dernière gravure selon l'invention. La figure 2 montre comment s'effectue l'accès du courant aux micropointes à travers la couche conductrice. Le courant d'émission passe du grillage fin constituant le conducteur colonne 2 à la base d'une micropointe 4 par les quatre barreaux résistifs 10 encadrant chaque maille et formés en même temps que les ponts conducteurs 8 de la grille 6. La résistance d'accès aux micropointes est donc contrôlée par la géométrie des barreaux ainsi que par la résistivité de la couche portant les micropointes. Cette résistance d'accès peut être très faible, mais doit être suffisante pour permettre l'émission des électrons avec une faible tension de polarisation grille/cathode. Un écran fonctionnel a été réalisé selon l'invention. A titre indicatif la couche résistive a été réalisée en silicium amorphe offrant une résistance de Méga Ohms par carré, quatre barreaux permettaient l'accès à chaque maille carrée de 25 microns de côté; les barreaux avaient un rapport longueur sur largeur de 2. Sous 80 volts de polarisation grille/cathode, l'émission mesurée était de 500 mA par dm2. Des résultats du même ordre de grandeur pourront être obtenus avec des valeurs voisines. La figure 2 montre également comment s'effectue la continuité électrique le long d'une ligne, de maille à maille. La continuité électrique est assurée dans la dernière couche métallique par quatre ponts conducteurs 8 surplombant quatre barreaux isolants et les quatre barreaux résistifs 10. Puisque le masque qui a servi à les graver est unique, les barreaux conducteurs assurant la continuité des lignes et les barreaux résistifs assurant l'accès du courant cathodique jusqu'aux micropointes ont les mêmes largeur et longueur. La même géométrie des barreaux doit permettre le passage d'un courant important dans les lignes de grilles et ne permettre le passage que d'un courant de fuite négligeable d'une colonne à une autre. Ce courant de fuite est inversement proportionnel à la résistance de la couche résistive 3 alors que le courant de polarisation des grilles est inversement proportionnel à la résistance de la couche conductrice supérieure. Or, comme il a été déjà mentionné, une résistance carrée de 100 Mega Ohms suffit à garantir le taux d'émission requis pour un écran. Par ailleurs, la résistance du métal grille, en comparaison est très faible: 1 Ohm par carré dans le cas du dispositif fonctionnel réalisé, grâce à une grille 6 en niobium de 4000 A d'épaisseur. Le rapport des résistances dans le dispositif fonctionnel était donc de 100 000 000. Il a alors été expérimentalement démontré que pour un taux de multiplexage de plusieurs centaines de lignes, un rafraichissement d'image à 60 Hz, un nombre de niveaux de gris supérieur à 256 par couleur, l'image obtenue est exempte de défauts visuels type couplage de colonne ou ligne à ligne. Il est par ailleurs envisageable de remplacer le niobium par un métal plus conducteur (l'aluminium est 10 fois plus conducteur). Les figures 3 à 8 montrent un procédé de fabrication correspondant à l'invention. La succession des étapes détaillées ci-dessous montre que le nombre de niveaux de masques est bien de trois, les prises de contact extérieures des colonnes et des lignes étant toutes dégagées par la troisième et dernière gravure. - Dépôt de la couche métallique 11 de cathode (figure 3). - Gravure des conducteurs colonnes 2 au moyen d'un premier masque (figure 4). - Dépôt des couches résistive 3, isolante 5, et conductrice de grille 6 (figure 5). - Gravure des trous 12 des micropointes 4 grâce à un deuxième masque (figure 6). - Dépôt des micropointes (figure 7). - Gravure simultanée des grilles 6 et des couches isolante 5 et résistive 3 en lignes ajourées au moyen d'un troisième et dernier masque. Les dimensions des motifs des masques, notamment celles des motifs qui assurent à la fois la continuité des lignes de grille 6 et l'accès du courant depuis les conducteurs colonnes 2 de la cathode jusqu'aux micropointes 4, sont choisies de façon à permettre l'adressage du nombre de lignes nécessaire tout en limitant le courant de fuite entre les colonnes. 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 1 . Procédé de fabrication de cathode d'écran fluorescent à micropointes, applicable aux dispositifs plats de visualisation constitués d'un tube à vide formé de deux plaques de verre mince, une plaque anode recouverte sur sa face interne d'une couche conductrice portant des luminophores, et une plaque cathode (1) comportant un réseau matriciel d'émetteurs à effet de champ déposés par les techniques de couches minces et constituant les conducteurs colonnes (2) ou cathodiques, une couche résistive (3) portant les micropointes (4), une couche isolante (5) et une couche conductrice formant les conducteurs lignes de la grille (6), caractérisé en ce que les trois couches supérieures constitutives de la cathode, couche conductrice de la grille (6), couche isolante (5) de grille et couche résistive (3), sont gravées ensemble selon un motif unique ajouré définissant à la fois les lignes de grille et les résistances d'accès du courant aux micropointes (4) par ladite couche résistive, les conducteurs colonnes (2) étant constitués d'un grillage métallique fin. 2 . Procédé selon la revendication 1, se caractérisant par le fait que la gravure photolithographique de l'ensemble des couches de la cathode est effectuée au moyen de trois masques seulement. 3 . Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, se caractérisant par le fait que la cathode est réalisée suivant les phases successives ci-après: - dépôt de la couche métallique (11) de cathode, gravure des conducteurs colonnes (2) dans ladite couche métallique au moyen d'un premier masque, - dépôt de la couche résistive (3), de la couche isolante (5) et de la couche conductrice de grille (6), - gravure des trous (12) des micropointes (4) grâce à un deuxième masque, - dépôt des micropointes (4), - gravure simultanée des grilles (6), de la couche isolante (5) et de la couche résistive (3) en lignes ajourées au moyen d'un troisième et dernier masque assurant également le dégagement des prises de contact extérieures des colonnes et des lignes. 4 . Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, se caractérisant par le fait que le motif de la couche conductrice de la grille (6), de la couche isolante (5) de grille et de la couche résistive (3) est constitué de carrés reliés entre eux par des ponts fins formant ainsi des mailles, chaque point image (7) ou pixel étant constitué de plusieurs mailles. 5 . Procédé selon la revendication 4, se caractérisant par le fait que le courant d'émission (4) passant à travers la couche résistive (3) du grillage fin constituant un conducteur colonne (2) à la base d'une micropointe (4) est contrôlé par la résistivité de ladite couche résistive, ainsi que par géométrie des quatre barreaux résistifs (10) encadrant chaque maille et formés en même temps que les ponts conducteurs (8) de la grille (6). 6 . Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, se caractérisant par le fait que les dimensions respectives du grillage formant les conducteurs colonnes (2) et des carrés constituant la grille (6) sont déterminées de manière à ce que, après la troisième et la dernière gravure, des zones vides (9) subsistent entre lesdits carrés et ledit grillage permettant l'observation des luminophores de la plaque anode au travers de la structure de la cathode. 7 . Écran fluorescent à micropointes réalisé selon le procédé des revendications précédentes et constitué d'un tube à vide formé de deux plaques de verre mince, une plaque anode recouverte sur sa face interne d'une couche conductrice portant des luminophores, et une plaque cathode (1) comportant un réseau matriciel d'émetteurs à effet de champ déposés par les techniques de couches minces et constituant les conducteurs colonnes (2) ou cathodiques, une couche résistive (3) portant les micropointes (4), une couche isolante (5) et une couche conductrice formant les conducteurs lignes de la grille (6), caractérisé en ce que les conducteurs colonnes (2) sont constitués d'un grillage métallique fin et que les trois couches supérieures constitutives de la cathode, couche conductrice de la grille (6), couche isolante (5) de grille et couche résistive (3), sont gravées selon un motif unique formant des éléments déterminés de manière à ce que des zones vides (9) subsistent entre lesdits éléments et ledit grillage métallique permettant l'observation des luminophores de la plaque anode au travers de la structure de la cathode. 8 . Écran fluorescent à micropointes selon la revendication 7, se caractérisant par le fait que les éléments constituant le motif de la grille (6) et des couches isolante (5) et résistive (3) consistent en carrés recevant les micropointes (4), reliés entre eux par des ponts conducteurs (8) fins pour la grille (6) et des barreaux résistifs (10) ou isolants de manière à former des mailles, chaque point image (7) ou pixel étant constitué de plusieurs mailles, et chaque maille portant plusieurs micropointes (4). 9 . Écran fluorescent à micropointes selon la revendication 8, se caractérisant par le fait que la grille (6) est en niobium ou en aluminium d'une épaisseur d'environ 4000 A , et que la couche résistive (3) est réalisée en silicium amorphe offrant une résistance de l'ordre de 100 MegaOhms par carré, quatre barreaux résistifs (10) ayant un rapport longueur sur largeur de 2 permettant l'accès à chaque maille carrée, celles-ci ayant des côtés d'environ 25 gm.