Brevet FR2749694A1 — publié le 19971212

PROCEDE ET APPAREIL POUR EXCITER DES CATHODES A EMISSION DE CHAMP Domaine technique La présente invention concerne un procédé et un appareil d'excitation de cathodes à émission de champ. Etat de la technique antérieure Des cathodes à émission de champ sont fabriquées en utilisant des techniques de film mince et la microlithographie par faisceau d'électrons. La technologie de fabrication a progressé en tirant profit des perfectionnements suscités par les besoins croissants de l'industrie des semi-conducteurs. Aux pages 5248 à 5263 du Journal of Applied Physics, volume 47, NO 12, décembre 1976, Spindt et al. ont proposé un rapport intitulé "Physical properties of thin-film field emission cathodes with molybdenum cones". Le molybdène est signalé comme matière particulièrement adaptée à constituer les cônes très pointus ou pointes d'émetteur d'où les électrons sont émis. Il est indiqué que des courants maxima situés dans la plage de 50 à 150 A par cône ou pointe d'émetteur peuvent être débités pour des tensions appliquées de la gamme allant de 100 à 300 V lorsque l'émission se fait dans un vide classique à pompage d'ions et sous des pressions de 10 Torr (=10 Pa) OU moins. En rendant les cônes pointus et en augmenter la densité des réseaux tassés contenant des cônes on s'attend à un courant d'émission à forte densité pour de faibles tensions appliquées. Pour une application pratique, il est demandé que le courant d'émission augmente jusqu'à un niveau désiré lors de l'application d'une tension avec une bonne réponse et une bonne reproductibilité. Il est bien connu que la propriété d'émission des cathodes à émission de champ dépend de la condition de surface et de la forme des cônes. Les cônes sont formés dans le vide, mais ils sont exposés à l'atmosphère au cours des procédures ultérieures, y compris la procédure dans laquelle les cathodes à émission de champ sont montées dans des tubes. L'exposition des cônes à l'atmosphère entraîne des contaminants de surface. Ces contaminants peuvent être des molécules indésirables constituées par des éléments tels que du carbone et de l'oxygène. La présence de contaminants de surface rend le cône contaminé moins efficace ou inutilisable pour le but prévu des cônes du fait d'un travail d'extraction accru. Par exemple, ceci entraîne une réduction du courant d'émission de champ et entraîne aussi des variations considérables celui-ci. En particulier, la présence de contaminants de surface entraîne une instabilité observée sur la caractéristique d'émission initiale des électrons. C'est-à-dire qu'après l'application d'une tension de grille, la caractéristique d'émission initiale des électrons se détériore du fait de la dépendance, par rapport au temps, des variations des contaminants, telles qu'une séparation des contaminants par rapport à la surface, suivie par une adhérence à cette surface. Par exemple, au moment de la première application de la tension de grille immédiatement après le montage de la cathode à émission de champ dans un tube à rayons cathodiques (CRT) , il faut plusieurs dizaines de minutes, représentant le temps de vieillissement, après l'application de la tension de grille, jusqu'à ce que l'image soit stabilisée. Autrement dit, un temps de vieillissement d'amplitude considérable se passe avant que le courant d'émission de champ augmente jusqu'à un niveau stable désiré correspondant à la tension de grille appliquée. Une situation semblable se produit dans le fonctionnement ultérieur principalement du fait de la présence de gaz résiduels. Par exemple, au moment de l'application d'une tension de grille après qu'une période de temps prolongée s'est écoulée depuis la dernière application de la tension de grille, un temps considérable est nécessaire après l'application de la tension jusqu'à ce que le courant d'émission de champ augmente jusqu'à un niveau élevé désiré correspondant à la tension de grille appliquée. Autrement dit, la réponse est médiocre. Un objet de la présente invention consiste à perfectionner un procédé et un appareil pour exciter des cathodes à émission de champ de manière que la période de temps transitoire nécessaire pour que le courant d'émission de champ augmente jusqu'au niveau stable souhaité soit réduite. EXPOSE DE L'INVENTION Selon un aspect de la présente invention, un procédé est proposé pour exciter une cathode à émission de champ ayant une pointe d'émetteur, sur une couche conductrice, placée à l'intérieur d'orifices formés à travers une couche isolante déposée sur la couche conductrice et une couche de grille déposée sur la couche isolante, respectivement, le procédé comprenant l'étape consistant à appliquer à la couche de grille une tension d'activation, qui est supérieure à l'une quelconque des tensions de grille de fonctionnement, mais inférieure à une tension de rupture diélectrique de la couche isolante, pour activer la pointe d'émetteur avant de faire fonctionner la cathode à émission de champ à au moins l'une desdites tensions de grille de fonctionnement. Selon un autre aspect de la présente invention, il est proposé un appareil pour exciter une cathode à émission de champ ayant une pointe d'émetteur, sur une couche conductrice, disposée à l'intérieur d'orifices formés à travers une couche isolante déposée sur la couche conductrice et une couche de grille déposée sur la couche isolante, respectivement, l'appareil comprenant un premier étage pilote ( driver ) de tension de grille apte à fonctionner, lorsqu'il est rendu fonctionnel, pour appliquer une tension d'activation à la couche de grille jusqu'à ce qu'un courant d'émission désiré pour le maximum des tensions de grille de fonctionnement soit atteint un second étage pilote de tension de grille apte à fonctionner, lorsqu'il est rendu fonctionnel, pour appliquer au moins une desdites tensions de grille de fonctionnement à la cathode à émission de champ, en sollicitant la pointe d'émetteur à fournir un courant d'émission pour ladite tension de grille de fonctionnement appliquée ; et un contrôleur apte à fonctionner pour rendre ledit premier étage pilote de tension de grille inopérant et pour rendre ledit second étage pilote de tension de grille fonctionnel quand ledit courant d'émission désiré a été atteint. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS La figure 1 représente la variation en fonction du temps du courant d'émission de champ après application de trois tensions de grille de fonctionnement différentes à une cathode à émission de champ qui est excitée par un procédé et un appareil selon la présente invention la figure 2 représente la variation en fonction du temps d'un courant d'émission de champ après application de trois tensions de grille de fonctionnement différentes à une cathode à émission de champ qui est excitée par un procédé et un appareil selon la technique antérieure la figure 3 est un croquis schématique en coupe de la cathode à émission de champ avec un schéma de principe d'un appareil pour exciter la cathode à émission de champ la figure 4 est un organigramme d'un mode de mise en place préféré de la présente invention ; et la figure 5 est un chronogramme du programme d'application de la tension de grille selon la présente invention et des variations résultantes du courant d'émission de champ. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION En référence aux dessins, la présente invention est décrite plus en détail en considérant les modes de réalisation préférés. Selon la figure 3, une couche conductrice 3 est formée de silicium de type n fortement dopé avec des impuretés. Sur cette couche 3 est déposée par croissance thermique de dioxyde de silicium (SiO2) une couche isolante 2 d'une épaisseur de 500 nm. Cette couche 2 est couverte d'un revêtement d'une couche de molybdène ayant une épaisseur de 200 nm, laquelle est utilisée comme grille 1. Des orifices la et 2a sont ensuite formés par gravure à travers la couche de grille 1 et la couche isolante 2. A l'intérieur des orifices la et 2a est déposé, par évaporation de molybdène sous incidence normale, un cône utilisé comme pointe d'émetteur 4. La fabrication de la cathode à émission de champ est proposée par Spindt et al. dans le rapport cité ci-dessus. La figure 1 représente la variation en fonction du temps du courant d'émission de champ pour trois tensions de grille de fonctionnement différentes de 60 V, 70 V et 80 V appliquées pour la première fois après que la cathode à émission de champ a été montée dans un tube. Selon la présente invention, la pointe d'émetteur 4 est activée immédiatement avant l'application de telles tensions. Dans cet exemple, on considère que la pointe d'émetteur 4 a été activée quand le courant d'émission atteint un niveau, que l'on espère atteindre pour la tension de grille de fonctionnement appliquée de 80 V, c'est-à-dire le maximum des tensions de grille de fonctionnement utilisées dans les environnements de fonctionnement normaux. Une tension d'activation qui est supérieure à l'une quelconque des tensions de grille de fonctionnement qui sont utilisées dans les environnements normaux d'exploitation est appliquée à la couche de grille 1. Pour activer la pointe d'émetteur 4, la tension de grille d'activation de 150 V est appliquée pendant 1 minute. On peut voir d'après la figure 1 que le courant d'émission désiré pour les tensions de grille de fonctionnement appliquées est atteint sans aucun retard après l'application de telles tensions. La figure 2 représente la variation en fonction du temps du courant d'émission pour trois tensions de grille de fonctionnement différentes dans le cas où la pointe d'émission n'est pas activée. Le courant d'émission n'apparaît pas immédiatement après l'application de chacune des trois tensions de grille différentes. Quand le temps s'écoule, le courant d'émission augmente progressivement. Il faut plusieurs dizaines de minutes pour que le courant d'émission atteigne le niveau désiré pour chacune des trois tensions de grille de fonctionnement différentes. La période de temps nécessaire pour que le courant d'émission atteigne le niveau stable désiré diffère avec les différentes tensions de grille de fonctionnement et diminue quand la tension de grille augmente. Il faut 60 minutes pour la tension de grille appliquée de 60 V, 20 minutes pour la tension de grille appliquée de 70 V et 10 minutes pour la tension de grille appliquée de 80 V. La caractéristique du courant d'émission représentée sur la figure 2 montre clairement que la pointe d'émetteur ne génère pas d'électrons immédiatement après l'application de la tension de grille sauf si la pointe d'émetteur a été activée auparavant. Ceci explique pourquoi l'émission des électrons n'est pas stabilisée après l'application d'une tension de grille pour la première fois après le montage de la cathode à émission de champ dans un tube. Une comparaison entre les figures 1 et 2 montre que la caractéristique instable d'émission initiale des électrons apparaissant dans le cas classique a été éliminée par activation de la pointe d'émetteur selon la présente invention. La mesure du courant à émission de champ représentée sur la figure 1 a été effectuée dans un environnement de vide et sous des pressions s'échelonnant de 10-7 Pa à 10 Pa. Ainsi, les résultats de mesure représentés sur la figure 1 s'applique à des tubes à rayons cathodiques (CRT) et à des écrans d'affichage plats pour lesquels les cathodes à émission de champ fonctionnent dans un environnement de vide à une pression d'environ 10 5 Pa à l'intérieur d'un tube. Comparativement à un environnement de vide à une pression de 10 Pa, l'environnement de vide des applications ci-dessus est désavantageux du fait qu'une quantité considérable de gaz résiduel s'échappe d'un tube. Ceci entraîne une détérioration de la caractéristique d'émission de champ lors de l'application de la tension de grille de fonctionnement après une longue période de temps écoulée depuis que la tension de grille a été appliquée la dernière fois. Cela tient au fait que le nombre des molécules qui adhèrent à la surface augmente pendant une période de temps aussi longue. Pour résoudre ce problème, dans le mode de réalisation préféré de la présente invention, la pointe d'émetteur 4 est activée avant l'application de la tension de grille de fonctionnement après qu'une longue période de temps s'est écoulée depuis la dernière application de la tension de grille. L'activation est effectuée de la même manière qu'elle l'a été la première fois après le montage de la cathode à émission de champ dans le tube. Il est confirmé que, dans un environnement de fonctionnement sous vide à une pression de 10 5 Pa, la détérioration de l'émission de champ est notable en cas d'application d'une tension de grille de fonctionnement lorsque 50 heures se sont écoulées depuis la dernière application de la tension de grille. Donc, l'activation de la pointe d'émetteur 4 avec la tension d'activation de 150 V est nécessaire avant l'application de la tension de grille de fonctionnement lorsque 50 heures se sont écoulées depuis que la tension de grille a été appliquée pour la dernière fois. Ceci assure une émission de champ stable à chaque fois que l'une des tensions de grille de fonctionnement est appliquée. La variation en fonction du temps de la densité des gaz résiduels dépend du vide présent autour de la cathode à émission de champ. Plus précisément, plus le vide autour de la cathode à émission de champ est poussé, plus le temps nécessaire pour que le même nombre de molécules adhèrent à la pointe d'émetteur est grand. Autrement dit, la période de temps qui doit s'écouler avant de lancer l'activation ultérieure de la pointe d'émetteur 4 dépend du vide entourant la cathode à émission de champ. Ainsi, si la cathode à émission de champ fonctionne dans un environnement de vide sous des pressions de 10 5 Pa ou moins, on peut établir une période de temps dépassant 50 heures. Comme on peut le voir d'après la figure 2, le temps nécessaire pour que le courant d'émission de champ atteigne le niveau désiré correspondant à la tension de grille de fonctionnement appliquée devient court quand la tension de grille appliquée augmente. La tension de grille qui peut être appliquée à la couche de grille a une limite supérieure. Cette limite supérieure est déterminée en fonction de la tension de rupture diélectrique de la couche isolante 2. Dans un rapport intitulé "Thickness Dependence of Dielectric Breakdown Failure of Thermal SiO2 Films", pages 184 à 190, de IEEE/IRPS 1983, Yamabe et al. séparent l'histogramme des ruptures d'oxyde en trois pics. Un pic correspondant à un champ de rupture inférieur à 1 MV/cm est appelé mode A, un pic avec un champ de 1 MV à 8 MV/cm mode B, et un pic avec un champ supérieur à 8 MV/cm mode C, respectivement. La défaillance de mode C est principalement due à un mécanisme intrinsèque de rupture. La défaillance de mode A et la défaillance de mode B sont toutes deux liées à des défauts extrinsèques de l'oxyde. La défaillance de mode A est due à de courts défauts à l'origine. La défaillance de mode B est liée à la variation de rupture diélectrique avec le temps. Donc, la limite supérieure de la tension d'activation devrait être une tension correspondant à un champ de rupture qui est égal ou inférieur à 3 MV/cm en tenant compte de la fiabilité sur une période de temps prolongée. Il est confirmé qu'avec un champ de rupture dépassant 3 MV/cm, une rupture diélectrique a tendance à se produire. Dans ce mode de réalisation, l'épaisseur de la couche isolante 2 en dioxyde de silicium (SiO2 > est de 500 nm. Donc, la limite supérieure de la tension d'activation devient 150 V (3 MV/cm). . Il existe des cas où, pour une tension d'activation appliquée de 150 V, le résultat désiré ne pourrait pas être obtenu du fait d'une irrégularité de la forme des pointes d'émetteur ou d'une contamination excessive des extrémités coniques des pointes d'émetteur. Dans ces cas-là, il est admis d'appliquer une tension d'activation qui correspond à un champ de rupture tombant dans une plage allant de 3 MV/cm à 8 MV/cm. L'application d'une tension aussi élevée ne doit pas se poursuivre au-delà d'une courte période de temps de plusieurs secondes. Cela tient au fait que l'application pendant un temps court d'une tension d'activation aussi élevée n'entraînera pas une rupture diélectrique fonction du temps. En considérant la figure 3, un appareil pour appliquer le procédé exposé ci-dessus comprend un premier étage pilote de tension de grille 5, un second étage pilote de tension de grille 6 et un contrôleur 7. Jusqu'à ce que la densité désirée du courant d'émission pour une tension maximale parmi les tensions de grille de fonctionnement soit atteinte, le premier étage pilote de tension de grille 5 applique une tension d'activation, qui est supérieure à l'une quelconque des tensions de grille de fonctionnement, à la cathode à émission de champ. Le second étage pilote de tension de grille 6 applique une tension choisie parmi les tensions de grille de fonctionnement à la cathode à émission de champ pour obtenir une densité souhaitée de courant d'émission correspondant à la tension de grille appliquée. Le contrôleur 7 commande la commutation entre les premier et second étages pilotes de tension de grille 5 et 6. Le contrôleur 7 rend le second étage pilote de tension de grille 6 inopérant et rend le premier étage pilote de tension de grille 5 fonctionnel immédiatement après que la densité souhaitée du courant d'émission correspondant à la tension de grille maximale de fonctionnement a été atteinte. La figure 4 est un organigramme réalisant la présente invention. La figure 5 est un chronogramme d'application de la tension d'activation et des variations du courant d'émission de champ. La figure 5 illustre un procédé d'activation de la pointe d'émetteur 4 avant le fonctionnement de la cathode à émission de champ à la tension de grille de fonctionnement de 60 V. Le courant d'émission de 150 HA (1,5 x 10 A) est obtenu pour la tension maximale de grille de fonctionnement appliquée de 80 V. Le courant d'émission de 3 pA (3 x 10 6 A) est obtenu pour une tension de grille de fonctionnement appliquée de 60 V. Sur la figure 5, le trait plein indique la tension d'activation et le trait pointillé indique le courant d'émission. Lorsque la cathode à émission de champ doit fonctionner avec une tension de grille de fonctionnement appliquée de 60 V, le premier étage pilote de tension de grille 5 est rendu fonctionnel au préalable pour appliquer une tension pulsée avec deux niveaux de tension de 150 V et de 80 V à la couche de grille (électrode de grille) 1. L'impulsion a un coefficient de service de 50 a à une fréquence de 10 Hz. La fréquence est choisie de façon à permettre au courant d'émission de changer avec la tension pulsée. En synchronisme avec la tension pulsée, le courant d'émission est surveillé. Plus précisément, le courant d'émission pendant qu'une tension de 150 V est appliquée est surveillé et puis le courant d'émission est surveillé comme l'indique la figure 4 pendant qu'une tension de 80 V est appliquée. L'application de la tension pulsée se poursuit jusqu'à ce que le niveau souhaité pour la tension de grille de fonctionnement appliquée de 80 V soit atteint. Ce niveau désiré est de 150 yA (150 x 10 A) et on détermine si ce niveau est atteint par comparaison avec les données surveillées du courant d'émission (voir figure 4). Plus précisément, la comparaison avec les données surveillées mémorisées pendant qu'on applique 80 V est suffisante pour déterminer si la pointe d'émetteur a été activée. Immédiatement après que le niveau souhaité de 150 yA a été atteint, le premier étage pilote de tension de grille 5 est rendu inopérant et le second étage pilote de tension de grille 6 est rendu fonctionnel pour appliquer 60 V à la couche de grille 1. Dans ce cas, comme l'indique la figure 5, il faut environ 5 secondes jusqu'à ce que le niveau souhaité de 3 yA soit atteint pour la tension de grille appliquée de 60 V. Avec le contrôleur 7 qui est programmé selon l'organigramme de la figure 4, il est maintenant possible de diminuer le temps nécessaire à l'activation de la pointe d'émetteur 4. Par ailleurs, la surveillance du courant d'émission a permis de détecter automatiquement si oui ou non la pointe d'émetteur 4 a été activée. D'après la description précédente concernant les modes de réalisation préférés de l'invention, on note que le temps nécessaire à l'activation de la pointe d'émetteur a été réduit remarquablement. On note aussi que la simple addition de l'appareil d'excitation a été rendue possible pour activer rapidement la pointe d'émetteur en conduisant ainsi à une caractéristique stable du courant d'émission. REVENDICATIONS 1. Procédé d'excitation d'une cathode à émission de champ ayant une pointe d'émetteur (4), sur une couche conductrice (3), disposée à l'intérieur d'orifices (la, 2a) formés à travers une couche isolante (2) déposée sur la couche conductrice et une couche de grille (1) déposée sur la couche isolante, respectivement, le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend l'étape consistant à appliquer à la couche de grille une tension d'activation, qui est supérieure à l'une quelconque des tensions de grille de fonctionnement, mais inférieure à une tension de rupture diélectrique de la couche isolante, pour activer la pointe d'émetteur avant de faire fonctionner la cathode à émission de champ à au moins l'une desdites tensions de grille de fonctionnement. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel ladite tension d'activation est inférieure à une tension qui correspond à un champ de rupture de 3 MV/cm. 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'application de ladite tension d'activation à la couche de grille est effectuée après le montage de la cathode à émission de champ dans un tube et avant l'application desdites tensions de grille de fonctionnement à la cathode à émission de champ. 4. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'application de ladite tension d'activation à la couche de grille est effectuée lorsque 50 heures se sont écoulées depuis que lesdites tensions de grille de fonctionnement ont été appliquées pour la dernière fois. 5. Appareil d'excitation d'une cathode à émission de champ ayant une pointe d'émetteur, sur une couche conductrice, disposée à l'intérieur d'orifices formés à travers une couche isolante déposée sur la couche conductrice et une couche de grille déposée sur la couche isolante, respectivement, l'appareil étant caractérisé en ce qu'il comprend un premier étage pilote de tension de grille (5), apte à fonctionner, lorsqu'il est rendu fonctionnel, pour appliquer une tension d'activation à la couche de grille jusqu'à ce qu ' un courant d'émission souhaité pour le maximum des tensions de grille de fonctionnement soit atteint un second étage pilote de tension de grille (6) apte à fonctionner, lorsqu'il est rendu fonctionnel, pour appliquer au moins une desdites tensions de grille de fonctionnement à la cathode à émission de champ en sollicitant la pointe d'émetteur à fournir un courant d'émission pour ladite tension de grille de fonctionnement appliquée ; et un contrôleur (7) apte à fonctionner pour rendre ledit premier étage pilote de tension de grille inopérant et pour rendre ledit second étage pilote de tension de grille fonctionnel quand ledit courant souhaité d'émission a été atteint.