Brevet FR2741189A1 — publié le 19970516

La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un dispositif à effet de champ du type à grille fine. Comme représenté sur les figures 1 et 2, un dispositif à effet de champ usuel comprend un substrat 1, une couche de cathode 2 formée sur le substrat, une micropointe 2a formée sur la couche de cathode 2 et logée dans un trou de pénétration 3p d'une couche isolante 3 formée sur la cathode 2, et une électrode de grille 4 comportant une ouverture traversante 4p en correspondance du trou de pénétration 3p est déposée sur la couche isolante 3. La figure 2 est une vue en perspective d'un dispositif d'émission d'électrons à effet de champ usuel. Dans le dispositif à effet de champ usuel ayant une telle structure, des électrons sont émis à partir de la micropointe 2a sous l'effet d'un champ électrique induit par la tension entre la couche de cathode 2 et l'électrode de grille 4. Toutefois, puisque le champ électrique est formé entre l'électrode de grille 4 et la micropointe 2a, une émission d'électrons par effet tunnel n'est pas facilement obtenue dans la micropointe 2a du fait de l'intégration du champ électrique dans la partie d'extrémité supérieure de la micropointe 2a (le réglage du diamètre de l'ouverture de la grille est important). Plus précisément, il se forme des parois à potentiels électriques multiples puisque le champ électrique est principalement engendré dans la partie d'extrémité supérieure de la micropointe 2a même si les électrons se déplacent de l'extrémité inférieure vers l'extrémité supérieure de la micropointe 2a. Par conséquent, les électrons sont difficilement collectés dans la partie supérieure de la micropointe 2a. Pour résoudre le problème du faible mouvement d'électrons dû à cette bàrrière de potentiel, on augmente la tension engendrant le champ électrique, ce qui entraine une consommation excessive d'énergie électrique.De plus, une chaleur par effet Joule exces sive est engendrée et provoque une détérioration thermique, de sorte que de multiples courants de fuite peuvent être engendrés à travers la couche isolante 3 en SiO2, etc, prévue entre la couche de cathode 2 et l'électrode de grille 4,lors de l'application d'une haute tension. En outre, dans le processus de fabrication, il est difficile de régler l'uniformité de la micropointe 2a, puisque la micropointe 2a est formée par utilisation d'une couche de séparation 5 (ou d'une couche sacrificielle) comme représenté sur la figure 3. De plus, dans un tel processus de fabrication, il est difficile de régler le diamètre d1 de l'ouverture de grille pour obtenir une émission régulière d'un faisceau d'électrons. Un objet de la présente invention est de procurer un procédé de fabrication d'un dispositif à effet de champ dans lequel les diamètres à la fois d'une micropointe et de l'ouverture d'une grille sont formés à des dimensions très petites et uniformes,afin de régler effectivement le faisceau d'électrons qui est émis par la micropointe. Conformément à la présente invention, cet objectif est atteint par un procédé de fabrication d'un dispositif d'émission à effet de champ comprenant : une étape de formation d'une cathode d'une configuration prédéterminée sur un substrat ; une étape de formation d'une couche de matière semiconductrice par dépôt d'une matière semiconductrice pour former une structure de trous ayant un diamètre prédéterminé sur la couche déposée ; une étape de formation d'un masque sur la couche de matière semiconductrice ; une étape de transformation de la couche de matière semiconductrice en une configuration de pointe comportant une partie supérieure conique et une partie inférieure cylindrique, par attaque de cette couche pourvue du masque ; une étape de formation d'une couche isolante, au moyen du masque, par dépôt d'une matière isolante sur toute la cathode qui a été déposée sur le substrat et porte une matière semiconductrice en configuration de pointe une étape de formation d'une grille par dépôt d'un métal sur toute la couche isolante ; une étape d'enlèvement du masque, d'une matière isolante déposée sur le masque et d'un métal de grille résiduel ; une étape de formation d'un trou par attaque de la matière semiconductrice de la configuration de pointe ; une étape de formation d'une couche de séparation sur la couche de grille, et de formation d'une micropointe dans le trou par dépôt du métal sur toute la couche de séparation,au moyen du masque;et une étape d'enlèvement du métal résiduel restant, après formation des micropointes sur la cathode, par attaque de la couche de séparation. Dans l'étape de formation de la couche de matière semiconductrice, la couche de matière semiconductrice est de préférence déposée à une épaisseur de 1,5 um à 2 um par une méthode de dépôt par faisceau d'électrons, et le masque est formé par configuration de Al ou Cr à une épaisseur de 0,1 um à 0,2 um au moyen d'une méthode d'enlèvement. L'étape de formation de la configuration de pointe comprend une étape de formation d'une partie supérieure conique par exécution d'une attaque isotrope sur la couche de matière semiconductrice au moyen d'une méthode d'attaque à ions réactifs utilisant un plasma de SF6/02 à l'aide du masque, et une étape de formation d'une partie inférieure cylindrique par exécution d'une attaque anisotrope de la couche de matière semiconductrice au moyen d'une méthode d'attaque à ions réactifs utilisant un plasma de CF4/O2, à l'aide du masque. La hauteur de la partie supérieure conique et celle de la partie inférieure cylindrique sont de 1 m, respectivement. La couche isolante est formée par dépôt de SiO2 à une épaisseur de 1 film, c'est-à-dire jusqu'à la hauteur de la partie inférieure cylindrique. La grille est formée de sorte que sa partie de bord s'étende vers le haut, par dépôt au moyen d'un faisceau d'électrons de métal irradié dans une direction de 65" à 75" par rapport à la surface horizontale. Le trou est formé par attaque sélective de la configuration de pointe avec un plasma de SF6/02 en utilisant la grille comme masque. La couche de séparation est formée par dépôt d'aluminium à une épaisseur de 200 nm à 300 nm au moyen d'une méthode de dépôt par faisceau d'électrons. Les micropointes sont formées par dépôt de molybdène sur la couche de séparation au moyen d'une méthode de dépôt par faisceau d'électrons, avec un faisceau d'électrons irradié perpendiculairement à la surface. La couche de séparation est enlevée par la méthode de décollement,dans laquelle la couche de séparation est éliminée par attaque selon une méthode d'attaque chimique par voie humide. Outre les dispositions qui précèdent, l'invention comprend encore d'autres dispositions qui ressortiront de la description qui va suivre. L'invention sera mieux comprise à l'aide du complément de description ci-après, qui se réfère aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 est une vue en coupe schématique d'un dispositif d'émission à effet de champ usuel la figure 2 est une vue en perspective schématique du dispositif d'démission à effet de champ de la figure 1 la figure 3 est une vue en coupe schématique illustrant un procédé de fabrication d'un dispositif d'émission à effet de champ la figure 4 est une vue en coupe schématique d'un dispositif à effet de champ conforme à la présente invention les figures 5 à 12 illustrent des phases des étapes de fabrication respectives du dispositif à effet de champ de la figure 4 la figure 5 est une vue en coupe schématique après formation du masque la figure 6 est une vue en coupe schématique après exécution d'une attaque isotrope par une méthode d'attaque à ions réactifs la figure 7 est une vue en coupe schématique après exécution d'une attaque anisotrope par une méthode d'attaque à ions réactifs la figure 8 est une vue en coupe schématique après dépôt d'une couche isolante et d'une grille la figure 9 est une vue en coupe schématique après exécution d'une opération de décollement pour l'attaque d'un masque la figure 10 est une vue en coupe schématique après formation d'un trou par attaque du silicium la figure 11 est une vue en coupe schématique illustrant une opération de formation d'une micropointe par dépôt d'un métal après formation d'une couche de séparation la figure 12 est une vue en coupe schématique après achèvement du dispositif par élimination des matières évaporées inutiles ; et la figure 13 est une vue en coupe schématique illustrant un mode préféré d'application du dispositif d'émission à effet de champ conforme à la présente invention, comme dispositif d'affichage d'image. Il doit être bien entendu, toutefois, que ces dessins et les parties descriptives correspondantes sont donnés uniquement à titre d'illustration de l'objet de l'invention, dont ils ne constituent en aucune manière une li mitation. On décrit maintenant en détail des modes préférés de mise en oeuvre de la présente invention, avec référence aux dessins. La structure du dispositif d'émission à effet de champ conforme à l'invention est décrite ci-après avec référence à la figure 4. On forme une cathode 12 en oxyde d'indium-étain sur un substrat 11 et on forme des micropointes multiples 12a électriquement connectées à la cathode 12. Les micropointes 12a sont formées par dépôt de molybdène. On forme une couche isolante 13 et une grille 14 sur la couche de cathode 12, respectivement, de manière à entourer les micropointes 12a. Plus précisément, la couche isolante 13 et la grille 14 sont formées de manière à comporter de multiples trous de pénétration 13p qui contiennent les micropointes.On forme la couche isolante 13 par dépôt de SiO2 à une épaisseur de 1 um sur la couche de cathode 12 et on forme la grille 14 de sorte que sa région de bord au-dessus de la micropointe 12a s'étende légèrement vers le haut, par dépôt d'un métal selon une méthode de dépôt utilisant un faisceau d'électrons dirigé à 65 -75 . Le diamètre d'ouverture de la grille est réglé de manière à avoir une largeur de 0,3 um-1 um. Le faisceau d'électrons émis par les micropointes 12a peut être excité par une tension plus faible si on fabrique l'ouverture 14p de la grille à des dimensions très petites et uniformes. On décrit ci-après le procédé de fabrication du dispositif d'émission d'électrons à effet de champ ayant la structure ci-dessus, avec référence aux figures 5 à 12. Comme représenté sur la figure 5, on forme la cathode 12 sur un substrat en verre 11, par dépôt et configuration d'une couche d'oxyde d'indium-étain. On dépose une matière semiconductrice 15, telle que du silicium, sur la cathode 12 par la méthode de dépôt à faisceau d'élec trons jusqu'à une épaisseur de 1,5 um-2 film. On forme un masque 16 sur la couche de silicium 15 par configuration d'aliminium ou de chrome à une épaisseur de 0,1 um-0,2 m. La procédure de formation du masque 16 comprend une opération de configuration d'un trou ayant un diamètre de 1 um à 2 Wm,par utilisation d'une méthode photolithographique après application d'un vernis photosensible sur la couche de silicium 15,et une opération de dépôt de Al ou Cr à une épaisseur de 0,1 m-0,2 um sur le trou et exécution d'une méthode d'attaque sur la partie restante. On peut utiliser une impression par contact peu coûteuse et un dispositif d'avance pas à pas pour la configuration de trous dans ce cas. Comme représenté sur les figures 6 et 7, on donne à la couche de silicium 15 une configuration de pointe comprenant une partie supérieure conique 15a et une partie inférieure cylindrique 15b, par attaque de cette couche au moyen du masque 16. Les configurations de pointe 15a et 15b sont fabriquées comme suit : premièrement, on forme la partie supérieure conique 15a par exécution d'une attaque isotrope sur la couche de silicium 15 selon la méthode d'attaque à ions réactifs utilisant un plasma de SF6/02 avec le masque 16 comme représenté sur la figure 6 ; et on forme ensuite la partie inférieure cylindrique 15b par exécution d'une attaque anisotrope sur la couche de silicium comportant la partie supérieure conique 15a, selon la méthode d'attaque à ions réactifs utilisant un plasma de CF4/o2 avec le masque 16, comme représenté sur la figure 7. La hauteur de la partie supérieure conique 15a et celle de la partie inférieure cylindrique 15b doivent être de 1 um, respectivement. Comme représenté sur la figure 8, la couche isolante 13a est formée par dépôt de Sio2 à une épaisseur de 1 um sur la cathode 12 selon la méthode de dépôt par faisceau d'électrons. Par la méthode de dépôt par faisceau d'électrons, on dépose la grille 14a sur la couche isolante 13a en SiO2 et sur la région inférieure de la partie supérieure conique 15a, de sorte qu'on obtient une forme en cratère de volcan lorsqu'on élimine les configurations de pointe 15a et 15b. Les pentes extérieures du cratère de volcan sont formées par irradiation du faisceau d'électrons de métal obliquement par rapport au plan du masque 16 pendant le dépôt.Par formation de la grille 14a de cette manière, on peut réduire uniformément le diamètre d2 de l'ouverture de grille à 0,3 um-1 um environ, le modèle (le masque) ayant un diamètre de 2 um environ. Le masque 16, la matière isolante 13b déposée sur le masque 16 et le métal de formation du métal de grille résiduel 14b sont éliminés, comme représenté sur la figure 8,par utilisation de la procédure d'enlèvement employant une méthode d'attaque chimique par voie humide, comme représenté sur la figure 9. L'ouverture de grille 14p et le trou 13p sont formés par attaque sélective des configurations de pointe 15b et 15a au moyen d'un plasma de SF6/O2, comme représenté sur la figure 10. Comme représenté sur la figure 11, on forme les micropointes 12a par dépôt de la couche de séparation 17 en aluminium sur la grille 14 à une épaisseur de 200 nm300 nm selon la méthode de dépôt par faisceau d'électrons, et irradiation du faisceau d'électrons de molybdène perpendiculairement sur le dessus de la couche de séparation 17 de manière à former une couche de molybdène sur la couche 17. Le dispositif est complété par élimination de la couche de molybdène 12b déposée en supplément, selon la méthode d'enlèvement qui attaque la couche de séparation en aluminium 17 par attaque chimique humide, comme représenté sur la figure 12. Comme représenté sur la figure 13, les électrons sont émis par les micropointes 12a, par revêtement de la face intérieure d'une anode 19 avec des objets fluorescents 18 sous vide et mise à la terre d'une ligne de cathode 12 ou par application d'une tension de polarisation négative à la face intérieure de l'anode 19 et d'une tension de polarisation positive à une ligne de grille 14. Dans cette situation, les électrons émis produisent une lumière lorsqu'ils frappent les objets fluorescents 18 appliqués sur l'anode 19. Comme décrit ci-dessus, le procédé de fabrication du dispositif d'émission à effet de champ conforme à la présente invention fournit une grille qui est formée de façon à comporter une ouverture dont la dimension est très petite et uniforme, afin de réduire une tension d'excitation de l'affichage, et qui est formée par utilisation d'un plan incliné d'une structure de pointe cylindrique en silicium à l'aide d'un alignement de masque usuel (niveau de 2 um) ayant une faible résolution. Par conséquent, la présente invention peut être appliquée à un dispositif d'affichage à panneau plat, un amplificateur à très haute fréquence, un capteur, etc. Ainsi que cela ressort de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes de réalisation et d'application qui viennent d'être décrits de façon plus explicite ; elle en embrasse au contraire toutes les variantes qui peuvent venir à l'esprit du technicien en la matière sans s'écarter du cadre ni de la portée de la présente invention. REVENDICATIONS 1.- Procédé de fabrication d'un dispositif d'émission à effet de champ, comprenant les étapes de formation d'une cathode (12) sur un substrat (11) formation d'une couche de matière semiconductrice (15) sur la dite cathode formation d'un masque (16) sur la dite couche de matière semiconductrice attaque de la dite couche de matière semiconductrice pour former une pluralité de pointes sur la dite cathode, chacune des dites pointes ayant une partie supérieure (15a) et une partie inférieure (15b) dépôt d'une matière isolante (13) sur la dite cathode pour former une couche isolante dépôt d'un premier métal (14) sur la dite couche isolante, dans une direction oblique, de façon à former une électrode de grille (14a) ayant une partie de bord relevée élimination du dit masque (16) et des dites pointes (15a, 15b) pour former une pluralité de trous (13b) dépôt d'un deuxième métal (12a, 12b) sur la dite électrode de grille pour former une pluralité de micropointes (12a) dans les dits trous ; et élimination du dit deuxième métal (12b) sur la dite électrode de grille (14). 2.- Procédé de fabrication d'un dispositif d'émission à effet de champ suivant la revendication 1, dans lequel chacune des dites parties supérieures (15a) des dites pointes est de forme conique et chacune des dites parties inférieures (15b) est de forme cylindrique. 3.- Procédé de fabrication d'un dispositif d'émission à effet de champ suivant la revendication 1, dans lequel l'étape d'attaque utilise deux méthodes d'attaque différentes pour former les dites parties supérieures et inférieures des dites pointes. 4.- Procédé de fabrication d'un dispositif d'émission à effet de champ, comprenant les étapes de formation d'une cathode (12) sur un substrat (11) formation d'une couche de matière semiconductrice (15) sur la dite cathode formation d'un masque (16) sur la dite couche de matière semiconductrice attaque de la dite couche de matière semiconductrice pour former une pluralité de pointes ayant chacune une partie supérieure conique (15a) et une partie inférieure cylindrique (15b) formation d'une couche isolante (13) par dépôt d'une matière isolante sur la dite cathode et le dit masque dans une direction verticale par rapport à une surface supérieure du dit masque formation d'une grille par dépôt d'un premier métal (14) sur la dite couche isolante, dans une direction prédéterminée afin qu'une partie de bord de la dite grille fasse saillie vers le haut élimination du dit masque, de la dite matière isolante et du dit premier métal déposés séquentiellement sur le dit masque formation d'une pluralité de trous (13p) par attaque des dites pointes formation de micropointes (12a) dans les dits trous par formation d'une couche de séparation (17) sur la dite grille et dépôt d'un deuxième métal (12) sur la dite couche de séparation ; et élimination de la dite couche de séparation et du dit deuxième métal (12b) déposé sur la dite couche de séparation, par une méthode d'attaque. 5.- Procédé de fabrication d'un dispositif d'émission à effet de champ suivant la revendication 4, dans lequel la dite partie supérieure conique (15a) est formée par une méthode d'attaque isotrope à ions réactifs et la dite partie inférieure cylindrique (15b) est formée par une méthode d'attaque anisotrope à ions réactifs. 6.- Procédé de fabrication d'un dispositif d'émission à effet de champ suivant la revendication 5, dans lequel la dite méthode d'attaque isotrope a ions réactifs emploie un plasma de SF6/O2 et la dite méthode d'attaque anisotrope à ions réactifs emploie un plasma de CF4/O2 7.- Procédé de fabrication d'un dispositif d'émission à effet de champ suivant la revendication 6, dans lequel la dite couche de matière semiconductrice (13) est formée par dépôt de silicium. 8.- Procédé de fabrication d'un dispositif d'émission à effet de champ suivant la revendication 7, dans lequel les dits trous (13p) sont formés par attaque sélective des dites pointes (15a, 15b) avec un plasma de SF6/O2. 9.- Procédé de fabrication d'un dispositif d'émission à effet de champ suivant la revendication 4, dans lequel la dite grille (14) est formée par dépôt du dit premier métal dans une direction de 650 à 750 par rapport à une surface supérieure du dit masque (16). 10.- Procédé de fabrication d'un dispositif d'émission à effet de champ suivant la revendication 9, dans lequel la dite couche isolante (13) est formée par dépôt d'une matière isolante jusqu'à la hauteur de la dite partie inférieure cylindrique (15b).