Brevet FR2737927A1 — publié le 19970221

PROCEDE ET DISPOSITIF DE FORMATION DE TROUS DANS UNE COUCHE DE MATERIAU PHOTOSENSIBLE, EN PARTICULIER POUR LA FABRICATION DE SOURCES D'ELECTRONS DESCRIPTION Domaine technique La présente invention concerne un procédé et un dispositif de formation de trous dans une couche de matériau photosensible. Elle s'applique notamment à la fabrication de sources d'électrons à cathodes émissives à micropointes qui sont utilisées en particulier pour la réalisation de dispositifs de visualisation par cathodoluminescence excitée par émission de champ. L'invention permet par exemple de fabriquer des écrans plats à micropointes de grande taille, par exem- ple supérieure à 14 pouces (environ 35 cm), et même des écrans plats à micropointes dont la superficie est voisine de 1 m2. Bien entendu des écrans de taille nettement plus grande peuvent être élaborés grâce à la présente invention. Etat de la technique antérieure Des sources d'électrons à cathodes émissives à micropointes et leurs procédés de fabrication sont décrits par exemple dans les documents (1), (2), (3) et (4) référencés à la fin de la présente description auxquels on peut se reporter. Pour faciliter la compréhension du problème technique résolu par la présente invention, on décrit ci-après un exemple connu de procédé de fabrication d'une source d'électrons à cathodes émissives à micro- pointes. B 12219.3/EW On se référera aux figures 1 à 3 des dessins annexés. La figure 1 montre une structure déjà élaborée, comprenant, un substrat 2 surmonté d'un isolant 4, un système de conducteurs cathodiques 6, une couche résis- tive 7 et des grilles 8, superposés sous forme croisée, avec un isolant intermédiaire 10, et une couche 12, par exemple en nickel, déposée en surface pour servir de masque lors d'opérations de réalisation de micropoin- tes. Cette couche 12 de nickel, les grilles 8 et l'isolant 10 sont percés de trous 14, au fond desquels il s'agit de déposer ultérieurement les micropointes constituées d'un métal conducteur en liaison électrique avec les conducteurs cathodiques 6 à travers la couche résistive 7. La réalisation des micropointes va maintenant être expliquée en faisant référence à la figure 2. On commence d'abord par effectuer par exemple le dépôt d'une couche en molybdène 16 sur l'ensemble de la structure. Cette couche 16 présente une épaisseur d'envi- ron 1,8 pm. Elle est déposée sous incidence normale par rapport à la surface de la structure. Cette technique de dépôt permet d'obtenir des cônes 18 en molybdène logés dans les trous 14 et ayant une hauteur de 1,2 à 1,5 pm. Ces cônes constituent les micropointes émettri- ces d'électrons. On réalise ensuite la dissolution sélective de la couche de nickel 12 par un procédé électrochimique, de façon à dégager, comme on le voit sur la figure 3, les grilles perforées 8, par exemple en niobium, et à B 12219.3/EW faire apparaître les micropointes 18 émettrices d'élec- trons. A quelques variantes technologiques près, la méthode connue ainsi décrite en se référant aux figures 1, 2 et 3 est une de celles que l'on a appliquées jus- qu'à ce jour pour réaliser les micropointes des sources d'électrons à cathodes émissives à micropointes. Pour que la taille et le positionnement des micropointes 18 soient corrects il faut, bien entendu maîtriser parfaitement la taille des trous réalisés dans les grilles 8 et dans l'isolant 10. Le problème est donc le suivant: Il s'agit de réaliser, sur toutes les surfaces devant recevoir des micropointes, des trous dont le diamètre moyen est par exemple de 1,3 pm ou moins. Les méthodes actuellement utilisées pour réali- ser ces trous font appel à des procédés de photolitho- gravure utilisant la projection directe ou la photoré- pétition d'un motif élémentaire reproduit sur toutes ces surfaces. Dans le cas de sources d'électrons de grande taille, supérieure à 14 pouces (environ 35 cm) par exemple, ces procédés deviennent vite très contrai- gnants. La projection directe nécessite la réalisation d'un masque à l'échelle 1 de grande taille comportant des motifs submicroniques. Ces motifs sont en général composés de métal en couche mince déposé sur un subs- trat de silice ou de verre. Ce masque est difficilement réalisable au- dessus de 14 pouces de diagonale avec les techniques classiques utilisées en microélectronique. En ce qui concerne la photorépétition, on uti- lise un masque de petite taille, cette taille étant déterminée par la résolution des motifs utilisés. B 12219.3/EW Pour une résolution de 1 pm, on utilise par exemple un masque de 20 à 50 mm de coté, ce qui oblige à répéter un grand nombre de fois l'opération d'insola- tion qui est nécessaire à la photolithogravure, pour couvrir la surface totale de la source d'électrons. Ces deux méthodes (l'une utilisant la projec- tion directe et l'autre la photorépétition) sont donc difficilement applicables à la réalisation de sources d'électrons de grande taille. Un but de la présente invention est justement de proposer un dispositif et un procédé permettant la formation de trous de façon uniforme sur des grandes surfaces, et ne présentant pas les limitations des méthodes évoquées ci-dessus. Un autre but est de proposer un procédé et un dispositif permettant de réaliser simultanément tous les trous avec une unique étape d'insolation. Un autre but encore est de proposer un procédé de mise en oeuvre simple, peu coûteuse et adaptée aux exigences des fabrications en série. Un but de l'invention est également d'appliquer le procédé à la fabrication de sources d'électrons. Exposé de l'invention Pour atteindre ces buts, l'invention a plus précisément pour objet un procédé de formation de trous dans une couche de matériau photosensible, avec une surface libre, disposée sur un substrat, caractérisé en ce qu'on plaque sur l'ensemble de la surface libre de la couche de matériau photosensible un masque avec des microperforations; on insole la couche de matériau photosensible à travers le masque avec une lumière d'insolation de manière à impressionner des zones de la couche photosensible correspondant aux microperfora- tions du masque; on sépare le masque de la couche de B 12219.3/EW matériau photosensible ainsi insolée, et on développe la couche photosensible pour former dans cette couche des trous correspondant aux zones insolées. De façon avantageuse, il est possible d'utili- ser comme masque une membrane microperforée. De telles membranes sont disponibles dans le commerce; il s'agit en particulier de membranes du type utilisées pour la filtration. Ainsi, le procédé de l'invention est moins coûteux que les procédés connus de photolithogravure avec des masques réalisés conformément à des techniques de microélectronique. Les membranes microperforées sont par ailleurs disponibles en rouleaux de plusieurs mètres ou dizaines de mètres, ce qui permet de traiter de grandes surfa- ces. Les microperforations sont selon un aspect de l'invention, réparties aléatoirement sur toute la sur- face de la membrane avec une densité sensiblement constante. A titre d'exemple, la densité peut aller de quelques milliers à quelques dizaines de milliers de trous par millimètre carré. Le diamètre des microperforations peut être choisi en fonction de la taille des trous à réaliser. A titre d'exemple, ce diamètre peut être compris entre 0,2 et 20 pm pour les applications envisagées. Le masque est en un matériau non-transparent, et de préférence opaque à la lumière d'insolation uti- lisée. Selon un aspect de l'invention, la couche de matériau photosensible peut être une résine. Il est possible dans ce cas d'effectuer un recuit de cette couche pour augmenter sa dureté et éviter d'éventuelles déformations de celle-ci pendant les étapes ultérieures du procédé de l'invention. B 12219.3/EW L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'une source d'électrons à cathodes émissives à micropointes selon lequel: - on forme une structure comprenant des conducteurs cathodiques sur un substrat, une couche électrique- ment isolante sur ces conducteurs cathodiques, et, sur cette couche électriquement isolante, des grilles qui font un angle avec les conducteurs cathodiques, - dans des domaines o les grilles croisent les conducteurs cathodiques, on forme des trous à tra- vers les grilles et la couche isolante, et - on forme des micropointes en matériau émetteur d'électrons dans ces trous, sur les conducteurs ca- thodiques. Ce procédé est caractérisé en ce que ces trous sont obtenus en formant une couche de résine photosen- sible positive au moins dans lesdits domaines, à la surface de la structure, en formant des ouvertures (trous) dans la couche de résine conformément au pro- cédé décrit ci-dessus et en gravant les grilles et la couche isolante à travers ces ouvertures formées dans la couche de résine. L'application du procédé de l'invention à la fabrication des sources d'électrons, en particulier pour des écrans d'affichage est très avantageuse dans la mesure o elle permet de former des masques de résine de grande dimension, et partant, de réaliser des écrans de grande taille. Par ailleurs le procédé est adapté à une fabrication en série de masques de résine. Une telle fabrication en série est facilitée grâce à un dispositif d'insolation adapté à la mise en oeuvre du procédé. A cet effet, l'invention concerne aussi un dispositif d'insolation pour la formation de trous dans B 12219.3/EW une couche de matériau photosensible disposée sur un substrat, le dispositif comportant un porte-substrat pour recevoir le substrat avec une couche de matériau photosensible, une bobine de provision de membrane vierge avec des microperforations, et une bobine de réception de membrane après utilisation, les bobines étant agencées de façon à délivrer une portion de mem- brane vierge tendue entre elles, avec une surface cor- respondant à la surface de la couche de matériau photo- sensible, un convoyeur pour déplacer le porte-substrat d'un poste de chargement du substrat vers un poste en face de la portion de membrane vierge, puis vers un poste de déchargement du substrat, des moyens pour plaquer la couche de matériau photosensible contre la portion de membrane vierge puis pour séparer la couche photosensible de cette portion de membrane après une étape d'insolation de la couche photosensible, et une source de lumière d'insolation disposée face à la por- tion de membrane vierge pour insoler la couche de maté- riau photosensible à travers les microperforations de la membrane. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, en référence aux figures des dessins annexés, donnée à titre purement illustratif et non limitatif. Brève description des figures - les figures 1 à 3, déjà décrites, sont des coupes schématiques partielles illustrant un procédé connu de fabrication d'une source d'électrons à catho- des émissives à micropointes. - la figure 4 montre, à plus grande échelle, une coupe schématique d'une partie de substrat pour B 12219.3/EW source d'électrons et montre l'insolation de zones d'exposition d'une couche de résine photosensible, conformément à l'invention, - les figures 5, 6 et 7 montrent un dispositif pour la mise en oeuvre de la présente invention et -illustrent des étapes d'un mode particulier de mise en oeuvre du procédé de l'invention. Description détaillée de modes de mise en oeuvre de l'invention La référence 101 désigne sur la figure 4 un empilement du type utilisé pour la fabrication de sour- ces d'électrons. Pour des raisons de simplification, des parties de l'empilement 101 qui correspondent à des parties de l'empilement représenté sur les figures 1 à 3 sont désignées par les mêmes références auxquelles on a ajouté 100. Ainsi, l'empilement 101 comporte un substrat 102, surmonté dans l'ordre d'une couche électriquement isolante 104, d'un système de conducteurs électriques cathodiques 106, d'une couche résistive 107, d'une couche intermédiaire 110, électriquement isolante, et de grilles 108 superposées, sous forme croisée. On forme à la surface de l'empilement 101, c'est-à-dire au- dessus des grilles 108 un masque de gravure avec des ouvertures qui correspondent à des trous que l'on souhaite pratiquer dans les couches 108 et 110 de l'empilement 101. Les trous que l'on souhaite pratiquer dans les couches 108 et 110 correspondent aux trous 14 repré- sentés sur la figure 1. Pour réaliser le masque de gravure, on forme à la surface de l'empilement 101 c'est-à-dire sur la couche 108 une couche de résine photosensible 120 et on B 12219.3/EW y pratique des ouvertures (trous) conformément au pro- cédé de l'invention. Ainsi, on plaque sur la couche 120 une membrane 121 avec des microperforations 122, on insole la couche de résine photosensible avec une lumière d'insolation 123 pour impressionner des zones 125 de la couche 120 correspondant à des microperforations 122 de la mem- brane 121, on écarte la membrane 121 et on développe la couche de résine. La membrane 121 peut être plaquée efficacement sur la couche 120 au moyen de forces élec- trostatiques, par exemple. La membrane 121, qui joue un rôle de masque optique est plaquée sur la couche de résine 120. Ceci permet de recouvrir uniformément cette couche et ainsi éviter toute lumière parasite entre celle-ci et la membrane. La membrane 121 peut être une membrane de fil- tration microperforée du type des membranes commercia- lisées par la Société Whatman en Belgique. Toutefois, tout autre type de membrane peut convenir. Son épais- seur, de quelques micromètres à quelques dizaines de micromètres est choisie de façon adaptée au passage de la lumière dans les microperforations 122. La membrane 121 peut aussi être fabriquée en irradiant, par exemple, un film de polymère avec des ions lourds avec une énergie de l'ordre de 1 MeV puis en dissolvant les parties du film de polymère qui ont subi une interaction avec le cortège électronique des ions. On peut se reporter à ce sujet aux documents (5) et (6) dont les références sont données à la fin de la présente description. De façon préférentielle, le matériau de la membrane 121, c'est-à-dire du masque optique, est choisi opaque à la lumière d'insolation 123, de façon à ne laisser passer la lumière d'insolation qu'à travers B 12219.3/EW les microperforations 122. Dans le cas o on utilise un masque optique (membrane) en un matériau qui n'est pas complètement opaque, on peut choisir une résine photo- sensible dont la vitesse de dissolution lors du déve- loppement est beaucoup plus grande dans les zones inso- lées à travers les microperforations que dans les zones masquées. La lumière d'insolation, repérée avec la réfé- rence 123 provient par exemple d'une source de lumière ultraviolette parallèle (non représentée) disposée de préférence de façon que les rayons atteignent perpendi- culairement la surface supérieure de la membrane. Le temps d'insolation est choisi suffisamment long pour que la couche de résine 120 soit insolée sur toute son épaisseur dans les zones 125. Après l'insolation, la membrane 121 est retirée de la surface de la couche 120, et cette couche est développée pour y former des trous (ouvertures) dans les zones insolées. Les figures 5, 6 et 7 illustrent un mode parti- culier de mise en oeuvre du procédé de l'invention et montrent un appareillage prévu à cet effet. Les parties identiques ou similaires des figures 4, 5, 6 et 7 por- tent les mêmes références. Il est ainsi possible de se reporter à la description de la figure 4 pour certaines parties correspondantes des figures 5, 6 et 7. L'appareillage prévu pour la mise en oeuvre de l'invention dans le cadre d'une fabrication en ligne comporte, comme le montre la figure 5, une chaîne avec un convoyeur 133 capable de déplacer un échantillon à traiter, successivement d'un poste de chargement 126 vers un poste d'insolation 127 o l'échantillon se trouve en face d'une membrane microperforée 121, puis de ce poste 127 vers un poste de déchargement 128. B 12219.3/EW il L'échantillon à traiter composé d'un empilement 101 recouvert d'une couche de matériau photosensible est disposé sur un porte-substrat 130 au poste de chargement 126. L'appareillage comporte aussi un système de distribution de membrane vierge pour l'insolation de la couche photosensible 120. Ce système comprend une pre- mière bobine 131 de provision avec un rouleau de mem- brane vierge et une bobine 132 de réception de la mem- brane après utilisation. Ce système permet d'utiliser une portion de membrane vierge, c'est-à-dire qui n'a pas subi d'inso- lation, pour chaque nouvel échantillon à traiter. Les bobines 131 et 132 sont agencées de façon à tendre entre elles une portion de membrane vierge 121 avec une surface correspondant à la surface de la cou- che photosensible. La tension de la membrane 121 peut être ajustée pour la plaquer uniformément sur la couche photosensible 120. Au poste d'insolation sont prévus des moyens de déplacement relatif du porte-substrat 130 perpendicu- lairement à la membrane 121. Ces moyens sont représen- tés sur la figure 6 de façon simplifiée par une flèche 136. Il est possible, par exemple, d'utiliser un vérin pneumatique pour soulever le porte-substrat et plaquer ainsi la membrane 121 sur la couche photosensible 120. La couche 120 est insolée dans cette position par une lumière d'insolation 123 conformément à la description donnée au sujet de la figure 4. La lumière 123 provient par exemple d'une source d'insolation aux ultraviolets non représentée. L'ensemble de l'appareillage pour la mise en oeuvre du procédé est placé de préférence dans un environnement de lumière inactinique qui n'insole pas la résine de façon parasite. B 12219.3/EW Comme le montre la figure 7, après l'insola- tion, la couche 120 est séparée de la membrane 121 en abaissant le portesubstrat 130, et le convoyeur 133 déplace l'ensemble formé par le portesubstrat 130 et le substrat 101 recouvert par la couche 120, vers le poste de déchargement. Là, le substrat et la couche 120 sont déchargés du porte-substrat et le matériau photosensible de la couche 120 est développé pour former, comme décrit ci- dessus, des trous, ou ouvertures, dans les zones inso- lées. La facilité de mise en oeuvre du procédé de l'invention, son faible coût, la possibilité de son intégration dans une chaîne de fabrication en ligne sont autant d'avantages de l'invention qui permettent des applications industrielles très variées. Comme décrit ci-dessus, le procédé de formation de trous dans une couche de matériau photosensible peut être mis à profit dans la réalisation d'écrans à micro- pointes, de grande surface. Une autre application du procédé peut être la réalisation de membranes microperforées sur des subs- trats de matériaux rigides, tels que des plaquettes de silicium. Cellesci sont alors gravées à travers un masque avec des trous réalisés conformément à l'inven- tion. De la même façon, des systèmes optiques gravés, de type antireflet, peuvent être réalisés sur de gran- des surfaces. A titre d'exemple, une couche d'oxyde transpa- rent, par exemple, d'oxyde d'indium-étain (ITO), percée d'une multitude de trous avec un diamètre de l'ordre de 1 pm peut servir de couche antireflet, par exemple, dans des écrans à cristaux liquides. La couche d'ITO est alors gravée avec un masque de matériau photosensi- B 12219.3/EW ble dans lequel des trous (ou ouvertures) sont réalisés conformémnent à l'invention. DOCUMENTS CITES DANS LA PRESENTE DESCRIPTION (1) FR-A-2 593 953 (voir aussi EP-A-0 234 989) (2) US-A-4 857 161 (3) FR-A-2 663 462 (4) FR-A-2 687 839 (voir aussi EP-A-0 558 393) (5) "Production and application of nuclear track micro- filters" de P. VATER - Nuclear Track Radiat. meas., vol. 15, n 1-4, pp. 743-749, 1988 (6) "Ion Tracks and Microtechnology principles and applications" de Reimar Spohr, édited by Klaus Bethge. B 12219.3/EW REVENDICATIONS 1. Procédé de formation de trous dans une cou- che de matériau photosensible (120), avec une surface libre, disposée sur un empilement (101), caractérisé en ce qu'on plaque sur l'ensemble de la surface libre de la couche de matériau photosensible (120) un masque (121) avec des microperforations (122); on insole la couche de matériau photosensible (120) à travers le masque (120) avec une lumière d'insolation (123) de manière à impressionner des zones (125) de la couche photosensible (120) correspondant aux microperforations (122) du masque (121); on sépare le masque (121) de la couche de matériau photosensible (120) ainsi insolée, et on développe la couche photosensible (120) pour former dans cette couche des trous correspondant aux zones insolées (125). 2. Procédé selon la revendication 1, caracté- risé en ce qu'on utilise comme masque (121) une mem- brane microperforée du type membrane de filtration. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on utilise un masque (121) en un matériau opaque à la lumière d'insolation (123). 4. Procédé selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce qu'on utilise un masque (121) avec des microperforations (122) réparties aléatoirement et avec une densité sensiblement constante. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce qu'on utilise un masque avec des microperforations (122) présentant un diamètre compris entre 0,2 et 20 pnm. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce qu'on plaque le masque (121) sur la couche de matériau photosensible (120) au moyen de forces électrostatiques. B 12219.3/EW 7. Procédé selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce que le matériau photosensible est une résine photosensible et en ce que l'on effectue un recuit de la couche de matériau photo- sensible (120) avant de plaquer sur celle-ci le masque microperforé (121). 8. Procédé de fabrication d'une source d'élec- trons à cathodes émissives à micropointes selon lequel: - on forme une structure comprenant des conducteurs cathodiques (106) sur un substrat (102), une couche électriquement isolante (110) sur ces conducteurs cathodiques, et, sur cette couche électriquement isolante, des grilles (108) qui font un angle avec les conducteurs cathodiques, - dans des domaines o les grilles (108) croisent les conducteurs cathodiques (106), on forme des trous à travers les grilles et la couche isolante (110), et on forme des micropointes en matériau émetteur d'électrons dans ces trous, sur les conducteurs cathodiques, ce procédé étant caractérisé en ce que ces trous sont obtenus en formant une couche de résine photosensible positive (120) au moins dans lesdits domaines, à la surface de la structure, en formant des ouvertures dans la couche de résine conformément au procédé selon la revendication 1 et en gravant les grilles et la couche isolante à travers ces ouvertures formées dans la couche de résine. 9. Dispositif d'insolation pour la formation de trous dans une couche de matériau photosensible dispo- sée sur un substrat, le dispositif comportant un porte- substrat (130) pour recevoir le substrat (101) avec une couche de matériau photosensible (120), une bobine (131) de provision de membrane vierge (121) avec des B 12219.3/EW microperforations, et une bobine (132) de réception de membrane après utilisation, les bobines (131, 132) étant agencées de façon à délivrer une portion de mem- brane vierge (121) tendue entre elles, avec une surface correspondant à la surface de la couche de matériau photosensible, un convoyeur (133) pour déplacer le porte-substrat (130) d'un poste (126) de chargement du substrat vers un poste (127) en face de la portion de membrane vierge, puis vers un poste (128) de décharge- ment du substrat, des moyens (136) pour plaquer la couche de matériau photosensible contre la portion de membrane vierge puis pour séparer la couche photosensi- ble de cette portion de membrane après une étape d'insolation de la couche photosensible, et une source de lumière d'insolation (123) disposée face à la por- tion de membrane vierge (121) pour insoler la couche de matériau photosensible (120) à travers les microperfo- rations de la membrane. 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