Brevet FR2779243A1 — publié le 19991203

PROCEDE DE REALISATION PAR PHOTOLITHOGRAPHIE D'OUVERTURES AUTO-ALIGNEES SUR UNE STRUCTURE, EN PARTICULIER POUR ECRAN PLAT A MICROPOINTES Domaine technique La présente invention concerne un procédé de réalisation par photolithographie d'au moins un groupe d'ouvertures positionnées entre elles de manière précise sur une structure, le groupe d'ouvertures comprenant une première ouverture ou des premières ouvertures réalisée(s) dans une première couche de matériau et une deuxième ouverture réalisée dans une deuxième couche de matériau qui recouvre la première couche de matériau, la première ouverture ou les premières ouvertures étant située(s) à l'intérieur de la deuxième ouverture. Elle concerne en particulier la réalisation d'une grille de focalisation auto-alignée pour écran plat à micropointes. Etat de la technique Les documents FR-A-2 593 953 et FR- A-2 623 013 divulguent des dispositifs de visualisation par cathodoluminescence excitée par émission de champ. Ces dispositifs comprennent une source d'électrons à cathodes émissives à micropointes. A titre d'illustration, la figure 1 est une vue en coupe transversale d'un tel écran de visualisation à micropointes. Par souci de simplification, seulement quelques micropointes alignées ont été représentées. L'écran est constitué par une cathode 1, qui est une structure plane, disposée en regard d'une autre structure plane formant l'anode 2. La cathode 1 et l'anode 2 sont séparées par un espace dans lequel on a fait le vide. La cathode 1 comprend un substrat de verre 11 sur lequel est déposé le niveau conducteur 12 en contact avec les pointes émettrices d'électrons 13. Le niveau conducteur 12 est recouvert d'une couche isolante 14, par exemple en silice, elle-même recouverte d'une couche conductrice 15. Des trous 18, d'environ 1,3 pm de diamètre, ont été réalisés au travers des couches 14 et 15 jusqu'au niveau conducteur 12 pour déposer les pointes 13 sur ce niveau conducteur. La couche conductrice 15 sert de grille d'extraction pour les électrons qui seront émis par les pointes 13. L'anode 2 comprend un substrat transparent 21 recouvert d'une électrode transparente 22 sur laquelle sont déposés des phosphores luminescents ou luminophores 23. Le fonctionnement de cet écran va maintenant être décrit. L'anode 2 est portée à une tension positive de plusieurs centaines de volts par rapport aux pointes 13 (typiquement 200 à 500 V). Sur la grille d'extraction 15, on applique une tension positive de quelques dizaines de volts (typiquement 60 à 100 V) par rapport aux pointes 13. Des électrons sont alors arrachés aux pointes 13 et sont attirés par l'anode 2. Les trajectoires des électrons sont comprises dans un cône de demi-angle au sommet 0 dépendant de différents paramètres, entre autres de la forme des pointes 13. Cet angle entraîne une défocalisation du faisceau d'électrons 31 d'autant plus importante que la distance entre l'anode et la cathode est grande. Or, l'une des façons d'augmenter le rendement des phosphores, donc la luminosité des écrans, est de travailler avec des tensions anode-cathode plus grandes (entre 1 000 et 10 000 V), ce qui implique d'écarter davantage l'anode et la cathode afin d'éviter la formation d'un arc électrique entre ces deux électrodes. Si on désire conserver une bonne résolution sur l'anode, il faut refocaliser le faisceau d'électrons. Cette refocalisation est obtenue classiquement grâce à une grille qui peut être soit placée entre l'anode et la cathode, soit disposée sur la cathode, La figure 2 illustre le cas o la grille de focalisation est disposée sur la cathode. La figure 2 reprend l'exemple de la figure 1 mais limité à une seule micropointe pour plus de clarté dans le dessin. Une couche isolante 16 a été déposée sur la grille d'extraction 15 et supporte une couche métallique 17 servant de grille de focalisation. Des trous 19, de diamètre adéquat (typiquement entre 8 et 10 pm) et concentriques aux trous 18, ont été gravés dans les couches 16 et 17. La couche isolante 16 sert à isoler électriquement la grille d'extraction 15 et la grille de focalisation 17. La grille de focalisation est polarisée par rapport à la cathode de façon à donner au faisceau d'électrons 32 la forme représentée à la figure 2. Des calculs de simulation montrent que le centrage des trous 19 de la grille de focalisation par rapport aux trous 18 de la grille d'extraction est extrêmement critique. Cette structure est généralement réalisée avec les techniques classiques de photolithogravure utilisées en microélectronique. Par exemple, avec un premier niveau de photolithogravure on définit les trous 19 de la grille de focalisation, puis un second niveau de photolithogravure permet de réaliser les trous 18 dans lesquels seront placées les pointes. Pour un bon fonctionnement, le second niveau doit être positionné de façon extrêmement précise par rapport au premier niveau. Ceci ne peut être réalisé qu'avec un appareillage très performant et donc très onéreux, ce qui sera d'autant plus pénalisant que l'on traitera de grandes surfaces. Exposé de l'invention L'invention permet de remédier au problème de précision d'alignement de trous situés à des niveaux différents. Ceci est obtenu grâce à un procédé qui ne nécessite qu'une seule étape de photolithographie et donc un seul masque regroupant deux types de motifs: ceux destinés à des trous de niveau inférieur et de plus faible diamètre et ceux destinés à des trous de niveau supérieur et de plus grand diamètre. La précision du positionnement relatif des trous est donc celle du dessin du masque L'invention a donc pour objet un procédé de réalisation par photolithographie d'au moins un groupe d'ouvertures positionnées entre elles de manière précise sur une structure, le groupe d'ouvertures comprenant une première ouverture ou des premières ouvertures réalisée(s) dans une première couche de matériau et une deuxième ouverture réalisée dans une deuxième couche de matériau qui recouvre la première couche de matériau, la première ouverture ou les premières ouvertures étant située(s) à l'intérieur de la deuxième ouverture, caractérisé en ce qu'il comprend: - le dépôt sur une face libre de la première couche de matériau d'une couche de résine photosensible d'épaisseur déterminée, - la gravure de cette couche de résine par photolithographie, au moyen d'un masque unique, pour laisser sur ladite première couche de matériau un îlot q de résine par groupe d'ouvertures, la limite extérieure de l'ilot de résine correspondant à la deuxième ouverture, l'îlot de résine comportant une ouverture ou des ouvertures correspondant à la première ouverture ou aux premières ouvertures, - le dépôt sous vide, sur la première couche et sur la résine subsistante, du matériau destiné à constituer la deuxième couche, ce dépôt étant réalisé sous une incidence telle que la partie de la première couche située au fond de l'ouverture ou des ouvertures de l'ilot de résine n'est pas recouverte par ce dépôt, - la gravure de la première couche de matériau à partir de l'ouverture ou des ouvertures de l'îlot pour obtenir la première ouverture ou les premières ouvertures dans ladite première couche, - élimination de la résine subsistante et du matériau de la deuxième couche recouvrant ladite résine subsistante pour obtenir la deuxième ouverture dans ladite deuxième couche. Ledit groupe d'ouvertures peut comprendre une première ouverture qui est un trou circulaire centré dans la deuxième ouverture qui est aussi un trou circulaire. Il peut aussi comprendre des premières ouvertures qui sont des trous circulaires disposés sur l'axe principal de la deuxième ouverture qui est une fente. Ce procédé s'applique avantageusement à la fabrication d'une source d'électrons à micropointes à grille d'extraction et à grille de focalisation. Selon l'invention, un procédé de fabrication d'une telle source comprend: - une étape o l'on dépose successivement sur une face d'un support électriquement isolant: des moyens de connexion cathodiques, une première couche isolante électriquement d'épaisseur adaptée à la hauteur des futures micropointes, une première couche conductrice destinée à former la grille d'extraction, une deuxième couche isolante électriquement d'épaisseur correspondant à la distance devant séparer la grille d'extraction de la grille de focalisation, et une couche de résine photosensible d'épaisseur déterminée, - une étape de gravure de la couche de résine par photolithographie, au moyen d'un masque unique, pour laisser sur ladite deuxième couche isolante un îlot de résine par ouverture de la grille de focalisation, la limite extérieure dudit îlot de résine correspondant à ladite ouverture de la grille de focalisation, l'îlot de résine comportant une ouverture par ouverture de grille d'extraction contenue dans ladite ouverture de la grille de focalisation, - une étape de dépôt sous vide sur la deuxième couche isolante et sur la résine subsistante d'un matériau destiné à constituer la grille de focalisation, ce dépôt étant réalisé sous une incidence telle que la partie de la deuxième couche isolante située au fond de chaque ouverture de l'îlot de résine n'est pas recouverte par ce dépôt, - une étape o l'on grave successivement la deuxième couche isolante et la première couche conductrice à partir de la partie de la deuxième couche isolante non recouverte par ledit dépôt pour obtenir des trous dans la deuxième couche isolante et les ouvertures de la grille d'extraction, - une étape de gravure de la première couche isolante au travers des ouvertures de la grille d'extraction jusqu'aux moyens de connexion cathodique, - une étape de gravure latérale de la deuxième couche isolante pour augmenter la taille des trous gravés précédemment jusqu'à une valeur déterminée, cette gravure latérale pouvant rendre sécants des trous adjacents et suffisamment proches, - une étape d'élimination de la résine subsistante et de la partie du matériau destiné à constituer la grille de focalisation qui recouvre la résine subsistante, - une étape de formation des micropointes sur les moyens de connexion cathodique au travers des ouvertures de la grille d'extraction. Les moyens de connexion cathodique peuvent être obtenus par un dépôt de conducteurs cathodiques sur le support, suivi d'un dépôt d'une couche résistive. Avantageusement, l'étape de gravure de la première couche isolante et l'étape de gravure latérale de la deuxième couche isolante sont menées simultanément et effectuées par gravure isotrope. L'étape d'élimination de la résine subsistante peut être réalisée par la technique dite de "lift-off". Brève description des dessins L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages et particularités apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, accompagnée des figures annexées parmi lesquelles: - la figure 1, déjà décrite, est illustrative d'un écran plat à micropointes selon l'art connu, - la figure 2, déjà décrite, est illustrative d'un écran plat à micropointes et à grille de focalisation selon l'art connu, - la figure 3 représente, vu de dessus, un masque de photolithographie utilisé pour la mise en oeuvre du procédé selon la présente invention, - les figures 4 à 6 illustrent le procédé selon la présente invention pour lequel le masque de la figure 3 est utilisé, - les figures 7A à 7F illustrent différentes étapes de la fabrication d'une source d'électrons à micropointes pour écran plat de visualisation, selon le procédé de la présente invention. Description détaillée de modes de réalisation de l'invention La figure 3 représente, vu de dessus, un masque 3 utilisable dans la mise en oeuvre du procédé selon la présente invention. Il comprend quatre motifs identiques délimités par un cercle intérieur 4 et un cercle extérieur 5, les cercles 4 et 5 étant concentriques. L'espace 6 compris entre les cercles 4 et 5 est sombre tandis que le reste du masque 3 est clair. Si une couche de résine positive est insolée au travers du masque 3, après développement il ne restera de la résine qu'aux endroits correspondant aux parties sombres du masque, c'est-à-dire aux endroits correspondant aux espaces 6. C'est ce que montre la figure 4 qui est une vue en perspective et en coupe transversale d'un substrat 40 recouvert d'une couche 41 d'un premier matériau, cette couche 41 supportant des îlots 42 de résine dont la forme correspond à un espace 6 du masque. Les îlots 42 ont une épaisseur e correspondant à la couche de résine déposée sur la couche 41. Si le diamètre des trous 43 qui sont centraux aux îlots est d, la distance D séparant deux ilots successifs de résine sera choisie supérieure à 2d. La figure 5 est une vue en coupe transversale de la structure illustrée par la figure 4 et sur laquelle on a déposé une couche 44 d'un matériau par évaporation sous vide, avec une incidence supérieure à un angle a tel que tg x = d/e et en faisant tourner la structure autour d'un axe perpendiculaire à sa surface. On remarque que le fond des trous 43 n'est pas recouvert par la couche 44. Si on grave la couche 41 recouverte des îlots de résine 42 et de la couche 44, seuls les fonds 45 des trous qui ne sont pas protégés vont être gravés dans le prolongement des trous 43. On obtiendra alors des ouvertures 46 comme cela est représenté en traits interrompus. La figure 6, qui est une vue en perspective et en coupe transversale, montre également la structure obtenue après avoir éliminé les îlots de résine. On obtient ainsi des trous 46 dans une couche 41, parfaitement centrés avec des trous 47 de diamètre supérieur et réalisés dans une couche 44 déposée sur la couche 41. On va maintenant décrire la réalisation d'une source d'électrons à micropointes pour écran plat de visualisation par le procédé de la présente invention. Cette source d'électrons à micropointes est prévue pour avoir une grille de focalisation dont les ouvertures sont des fentes, chaque fente recouvrant plusieurs ouvertures de la grille d'extraction. Le procédé va être décrit en référence aux figures 7A à 7F qui sont des vues en coupes transversales, la figure 7F étant également une vue en perspective. Sur un support 50, constitué par une lame de verre, on dépose (voir la figure 7A) une couche métallique qui est gravée pour constituer des conducteurs cathodiques 51 parallèles entre eux. Ces conducteurs cathodiques 51 serviront par exemple de colonnes pour un affichage matriciel. Une couche résistive 52 est ensuite déposée de manière uniforme. Sur cette couche résistive 52, on dépose successivement une première couche isolante 53, une couche conductrice 54 destinée à constituer la grille d'extraction de la source d'électrons à micropointes, et une deuxième couche isolante 55. Les épaisseurs des couches isolantes 53 et 55 sont choisies en fonction de la hauteur prévues pour les micropointes et de la distance devant séparer la grille d'extraction de la grille de focalisation. Une couche de résine photosensible est ensuite déposée de manière uniforme sur la deuxième couche isolante 55. La couche de résine photosensible est insolée au travers d'un masque dont le motif comporte en sombre, si la résine photosensible est une résine positive, l'espace séparant le contour de chaque ouverture de grille de focalisation (en forme de fente dans le cas présent) du contour des ouvertures de la grille d'extraction correspondant à cette ouverture de grille. Au développement, il ne reste sur la couche isolante 55 que des îlots de résine 56, chaque îlot 56 étant percé d'ouvertures 57 en nombre correspondant au nombre de micropointes vues par une ouverture de grille de focalisation. On dépose ensuite par évaporation sous vide (voir la figure 7B) le matériau conducteur à partir duquel sera formée la grille de focalisation. Cette évaporation est réalisée avec un angle d'incidence tel qu'il ne se dépose du matériau conducteur qu'au fond des ouvertures 57. On obtient donc une couche conductrice 58 sur la deuxième couche isolante 55 et une couche conductrice 59 sur les îlots de résine 56 à l'exception du fond des ouvertures 57. La couche conductrice 58 constituera la grille de focalisation. On procède ensuite à la gravure anisotrope de la deuxième couche isolante 55 à partir du fond des ouvertures 57 pour obtenir des trous 60 dans cette couche, en prolongement des ouvertures 57, jusqu'à atteindre la couche conductrice 54 (voir la figure 7C). La couche conductrice 54 est gravée à son tour pour obtenir des ouvertures 61 (ouvertures de la grille d'extraction), en prolongement des ouvertures 57 et des trous 60, jusqu'à atteindre la première couche isolante 53. La première couche isolante 53 est alors gravée à partir des ouvertures 57, des trous 60 et des ouvertures 61. Par gravure anisotrope, on obtient une cavité 62 par ouverture 61 de grille d'extraction. Cette cavité 62 a pour base la couche résistive 52 qui n'est pas attaquée (voir la figure 7D). Par la même gravure, on peut attaquer latéralement la deuxième couche isolante 55 à partir des parois des trous 60 (voir la figure 7C) pour obtenir des trous agrandis 63. Ceci est notamment possible si les deux couches isolantes sont formées du même matériau. La gravure est menée jusqu'à obtenir des trous 63 sécants. La figure 7E représente la structure obtenue après dissolution des îlots de résine et de la couche conductrice qui les recouvrait. Il reste, à la surface de la deuxième couche isolante 55, la grille de focalisation 58 pourvue d'ouvertures ou fentes 64. On dépose ensuite, de manière classique, les micropointes au travers des ouvertures de la grille d'extraction. La figure 7F permet de voir plusieurs micropointes 65, chacune étant centrée dans son ouverture 61 correspondante de la grille d'extraction, les axes des ouvertures 61 d'une même fente 64 étant5 rigoureusement alignés sur l'axe principal de la fente. REVENDICATIONS 1. Procédé de réalisation par photolithographie d'au moins un groupe d'ouvertures (46, 47) positionnées entre elles de manière précise sur une structure, le groupe d'ouvertures comprenant une première ouverture (46) ou des premières ouvertures réalisée(s) dans une première couche de matériau (41) et une deuxième ouverture (47) réalisée dans une deuxième couche de matériau (44) qui recouvre la première couche de matériau (41), la première ouverture (46) ou les premières ouvertures étant située(s) à l'intérieur de la deuxième ouverture (47), caractérisé en ce qu'il comprend: - le dépôt sur une face libre de la première couche de matériau (41) d'une couche de résine photosensible d'épaisseur déterminée, - la gravure de cette couche de résine par photolithographie, au moyen d'un masque unique (3), pour laisser sur ladite première couche de matériau (41) un îlot de résine (42) par groupe d'ouvertures, la limite extérieure de l'îlot de résine (42) correspondant à la deuxième ouverture, l'îlot de résine comportant une ouverture (43) ou des ouvertures correspondant à la première ouverture (46) ou aux premières ouvertures, - le dépôt sous vide, sur la première couche (41) et sur la résine subsistante, du matériau destiné à constituer la deuxième couche, ce dépôt étant réalisé sous une incidence telle que la partie (45) de la première couche (41) située au fond de l'ouverture (43) ou des ouvertures de l'îlot de résine (42) n'est pas recouverte par ce dépôt, - la gravure de la première couche de matériau (41) à partir de l'ouverture (43) ou des ouvertures de l'îlot pour obtenir la première ouverture (46) ou les premières ouvertures dans ladite première couche, - l'élimination de la résine subsistante et du matériau de la deuxième couche recouvrant ladite résine subsistante pour obtenir la deuxième ouverture (47) dans ladite deuxième couche (44). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit groupe d'ouvertures comprend une première ouverture (46) qui est un trou circulaire centré dans la deuxième ouverture (47) qui est aussi un trou circulaire. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit groupe d'ouvertures comprend des premières ouvertures qui sont des trous circulaires disposés sur l'axe principal de la deuxième ouverture qui est une fente. 4. Procédé de fabrication d'une source d'électrons à micropointes à grille d'extraction et à grille de focalisation, comprenant: - une étape o l'on dépose successivement sur une face d'un support électriquement isolant (50): des moyens de connexion cathodiques (51, 52), une première couche isolante électriquement (53) d'épaisseur adaptée à la hauteur des futures micropointes, une première couche conductrice (54) destinée à former la grille d'extraction, une deuxième couche isolante électriquement (55) d'épaisseur correspondant à la distance devant séparer la grille d'extraction de la grille de focalisation, et une couche de résine photosensible d'épaisseur déterminée, - une étape de gravure de la couche de résine par photolithographie, au moyen d'un masque unique, pour laisser sur ladite deuxième couche isolante (55) un îlot de résine (56) par ouverture de la grille de focalisation, la limite extérieure dudit îlot de résine (56) correspondant à ladite ouverture de la grille de focalisation, l'îlot de résine (56) comportant une ouverture (57) par ouverture de grille d'extraction contenue dans ladite ouverture de la grille de focalisation, - une étape de dépôt sous vide sur la deuxième couche isolante (55) et sur la résine subsistante d'un matériau (58, 59) destiné à constituer la grille de focalisation, ce dépôt étant réalisé sous une incidence telle que la partie de la deuxième couche isolante (55) située au fond de chaque ouverture (57) de l'îlot de résine (56) n'est pas recouverte par ce dépôt, - une étape o l'on grave successivement la deuxième couche isolante (55) et la première couche conductrice (54) à partir de la partie de la deuxième couche isolante (55) non recouverte par ledit dépôt pour obtenir des trous (60) dans la deuxième couche isolante (55) et les ouvertures (61) de la grille d'extraction, - une étape de gravure de la première couche isolante (53) au travers des ouvertures (61) de la grille d'extraction jusqu'aux moyens de connexion cathodique (51, 52), - une étape de gravure latérale de la deuxième couche isolante (55) pour augmenter la taille des trous gravés précédemment jusqu'à une valeur déterminée, cette gravure latérale pouvant rendre sécants des trous adjacents et suffisamment proches, - une étape d'élimination de la résine subsistante et de la partie du matériau destiné à constituer la grille de focalisation qui recouvre la résine subsistante, - une étape de formation des micropointes (65) sur les moyens de connexion cathodique (51, 52) au travers des ouvertures (61) de la grille d'extraction. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens de connexion cathodique (51, 52) sont obtenus par un dépôt de conducteurs cathodiques (51) sur le support (50), suivi d'un dépôt d'une couche résistive (52). 6. Procédé selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que l'étape de gravure de la première couche isolante (53) et l'étape de gravure latérale de la deuxième couche isolante (55) sont menées simultanément et effectuées par gravure isotrope. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 et 6, caractérisé en ce que l'étape d'élimination de la résine subsistante est réalisée par la technique dite de "lift-off".