Brevet FR2774087A1 — publié le 19990730

- I - PROCEDE DE DEPOT D'UNE COUCHE A BASE D'OXYDE DE MAGNESIUM SUR UN SUBSTRAT, SUBSTRAT OBTENU ET UTILISATION DUDIT SUBSTRAT L'invention concerne un procédé de dépôt de couches minces à base d'oxyde de magnésium sur un substrat, notamment du type à matrice verrière ou vitrocéramique. Plus particulièrement, l'invention vise un tel dépôt sur un substrat comportant au moins une autre couche fonctionnelle. Bien que l'invention ne se limite pas à une telle application, elle sera décrite, notamment par souci de clarté, en référence à la réalisation d'un écran plat émissif et plus précisément d'un écran plasma. Un tel écran plasma est essentiellement constitué de deux feuilles de verre constituant les faces avant et arrière de l'écran, sur lesquelles des couches fonctionnelles sont déposées. Ces couches sont déposées sur les faces des feuilles de verre en regard et constituent notamment les électrodes, le diélectrique et les luminophores de l'écran plasma. (On comprend par " couche " au sens de l'invention et dans tout le reste du texte, non seulement des revêtements continus, mais également des revêtements discontinus ne recouvrant que partiellement la surface du substrat, ce qui est notamment le cas des électrodes qui sont gravées selon des motifs particuliers). Lors de l'utilisation normale d'un tel écran émissif, il apparaît que ces différentes couches subissent un bombardement d'espèces chargées entraînant leur corrosion et limitant ainsi la durée de vie de l'écran. Plus particulièrement, la corrosion du diélectrique et des électrodes oblige à augmenter la tension d'allumage des écrans plasma jusqu'à des valeurs exagérément élevées, signalant la fin de vie de l'appareil. De même, la corrosion des luminophores, source de lumière de l'écran, entraîne une -2 - chute du rendement lumineux de l'écran rédhibitoire quelle que soit l'application. Il a déjà été mis en évidence qu'une couche mince à base d'oxyde de magnésium, déposée sur ces couches ou éléments fonctionnels, pouvait leur conférer une protection et augmentait ainsi la durée de vie de tels écrans. Par ailleurs, de telles couches à base d'oxyde de magnésium présentent un autre avantage: elles contribuent à l'abaissement de la tension d'allumage de l'écran, du fait de l'émission d'électrons secondaires à leur surface lorsque ces couches sont bombardées par des espèces chargées. Des techniques de dépôt de couches minces à base d'oxyde de magnésium sur ce type de substrat ont déjà été décrites. Il est notamment connu de réaliser un tel dépôt par des techniques de dépôt sous vide, du type évaporation assistée par faisceau d'électrons ou pulvérisation cathodique. De telles couches d'oxyde de magnésium sont satisfaisantes pour les applications envisagées. Par contre, il s'avère que les coûts de production sont très élevés et, de plus, ces techniques ne sont pas très adaptables à la production en grande quantité d'écrans de grandes dimensions, c'est-à-dire d'écrans destinés à des applications du type télévision. Il est par ailleurs connu une technique de dépôt de couches d'oxyde métallique par voie liquide, qui consiste à utiliser une solution, généralement à base de solvant organique contenant un " précurseur ", à savoir un composé du type organométallique apte à se décomposer sous l'effet de la chaleur en oxyde métallique. Cette solution est mise sous forme d'un aérosol à l'aide d'ultrasons, puis projetée sur le substrat chauffé à revêtir. Cette technique est connue sous le nom de PYROSOL et notamment décrite dans les brevets FR-2 110 622 et FR-2 543 165 auxquels on se rapportera pour plus de détails. Cette technique a déja été utilisée pour déposer des couches d'oxyde de magnésium d'après la publication "Formation of MgO films by ultrasonic spray pyrolysis from [3- diketonate ", publication de O. Stryckemans, T. Segato et P.H. Duvigneaud - 3 - tirée de " Thin Solid Films ", tome 283 - année 1996 - pages 17 à 25. Il y est dit que la couche de MgO obtenue est optimale à des températures de dépôt comprises entre 400 et 450 C et qu'elle se présente sous une forme cristallisée selon un plan cristallographique [2, 0,01, avec une structure de grains sphériques de taille allant de 1 à 5 pm et de cristallites les composant d'une taille d'environ 10 nm. Ces caractéristiques ne permettent pas de conférer à la couche de MgO des performances optimales. L'invention a alors pour but de pallier les inconvénients liés aux techniques de dépôt évoquées plus haut. Elle a plus particulièrement pour but l'obtention de couches à base d'oxyde de magnésium avec une souplesse de mise en oeuvre et un rendement/coût industriel satisfaisant, couches par ailleurs de haute qualité, c'est-àdire notamment aptes à assurer vis-a-vis des substrats qu'elles recouvrent un rôle de protection contre le bombardement d'espèces chargées de façon satisfaisante et durable et/ou aptes à présenter une émission secondaire d'électrons suffisamment élevée. L'invention a tout d'abord pour objet un procédé de dépôt sur un substrat, du type à matrice verrière ou vitrocéramique, d'une couche à base d'oxyde de magnésium par décomposition thermique d'au moins un Le dépôt s'effectue sur le substrat chauffé à au moins 450 C, pour contrôler la cristallisation au moins partielle de l'oxyde, en obtenant une structure de couche continue comportant des cristallites dont la plus grande dimension est supérieure à 50 nm, notamment supérieure à 100 nm et de préférence d'au plus 300 nm. Il s'est en effet avéré que l'on pouvait adapter les conditions d'utilisation d'un procédé de type PYROSOL, tout particulièrement les conditions de température de dépôt, pour modifier structurellement la couche afin d'en améliorer les performances, tout en conservant les avantages liés à un tel mode de dépôt, à savoir le fait que l'on opère à pression atmosphérique, avec beaucoup de souplesse. - 4 - Ainsi, en se plaçant à des températures de dépôt relativement élevées, on a pu obtenir des couches continues, assez denses, ce qui est clairement avantageux si on leur confère un rôle de protection vis-à-vis du substrat ou des couches fonctionnelles sous-jacentes. En outre, le fait que la couche présente des cristallites de taille significative, de préférence aux alentours de 100 à 300 nm (dans leur plus grande dimension) est très intéressant. En effet, on a observé que généralement ces cristallites ne s'agrégeaient pas en grains de taille micronique, grains de grande taille qui peuvent se révéler peu avantageux, en ce sens qu'ils favorisent des structures disjointes, des couches peu homogènes qui risquent de ne pas être continues, notamment à faible épaisseur de couche. Par contre, une structure de cristallites aux dimensions énoncées plus haut est avantageuse, car elle autorise l'obtention de couches suffisamment homogènes, continues, tout en favorisant une certaine rugosité. Or, il s'est avéré qu'une certaine rugosité de surface permettant de développer une surface spécifique très élevee, faciliterait significativement l'extraction d'électrons secondaires sous l'impact d'espèces chargées. L'invention cumule ainsi deux avantages, jusque-là pas nécessairement faciles à concilier, à savoir l'obtention d'une couche dense, solide et pourtant relativement,, rugueuse " en surface. A noter en outre que l'on conserve toutes les propriétés intéressantes des couches obtenues par une technique du type PYROSOL, et tout particulièrement une grande durabilité mécanique et chimique et une grande adhérence au substrat ou aux revêtements sous-jacents, propriétés liées à un dépôt " à chaud " par opposition aux techniques utilisant le vide. De préférence, on prévoit une limite maximale pour la température de dépôt, en chauffant le substrat jusqu'au plus 650 C, notamment au plus 550 C.. Il a par ailleurs été montré que le choix de la température de dépôt fait selon l'invention permettait de contrôler la cristallisation de l'oxyde de magnésium, selon au moins un plan cristallographique [1,1,1,) vu par diffraction des rayons X. Or, ce plan cristallographique est avantageux, 5 - car il va, tout comme la " rugosité " évoquée plus haut, dans le sens d'une surface de couche " accidentée), avec une structure de surface conique, à " facettes ", tendant à élever le coefficient d'émission secondaire de la couche. Selon l'invention, le ou les précurseurs sont de préférence de nature organométallique. Il peut par exemple s'agir d'acétylacétonate de magnésium ou d'acétate de magnésium. Dans le premier cas, un solvant bien adapté est l'éthanol, dans le second cas, on peut simplement choisir de l'eau comme solvant, ce qui évite d'avoir à retraiter des effluents. On peut déposer la couche à base d'oxyde de magnésium en une fois, avec une seule chambre de dépôt. On peut également, notamment si l'on vise des épaisseurs importantes, déposer la couche par dépôts séquentiels, en faisant par exemple défiler le substrat dans une succession de chambres de dépôt. Le substrat sur lequel le dépôt est effectué peut comporter un certain nombre d'autres couches réalisées avant ou après le dépôt de la couche à base d'oxyde de magnésium. Ces couches sont notamment fonctionnelles, du type électrode, matériau diélectrique, luminophore ou tout autre type de couche entrant dans la composition d'écrans émissifs. Puisque le dépôt de la couche à base d'oxyde de magnésium nécessite de chauffer le substrat, il est intéressant, notamment en termes de gain de coût énergétique et de temps, de déposer la couche à base de MgO à l'issue d'au moins un traitement thermique du substrat et/ou des couches qu'il peut déjà comporter: on " profite " ainsi que le substrat se trouve déjà à une certaine température, en faisant intervenir le dépôt soit en chauffant un peu plus le substrat, soit au contraire lors de sa phase de refroidissement, pour obtenir la température de dépôt recherchée. Selon un mode de réalisation, on dépose en fait avant la couche à base de MgO une couche en matériau diélectrique à bas point de fusion du type émail, et l'on effectue le dépôt pendant la phase de refroidissement du substrat consécutive à la cuisson de l'émail, qui se fait généralement vers 550 C. La cuisson de l'émail et le dépôt de la couche de MgO peuvent ainsi se faire consécutivement dans une même installation du type four - 6 - tunnel. Il a été montré en outre qu'un dépôt de la couche de MgO sur de l'émail favorisait sa cristallisation selon un plan cristallographique [1,1,1]. On peut optionnellement effectuer sur la couche à base d'oxyde de magnésium, une fois déposée, un traitement thermique du type recuit, par exemple pour achever/améliorer la cristallisation de l'oxyde. L'invention a également pour objet un substrat à matrice verrière ou vitrocéramique, notamment obtenu conformément au procédé décrit plus haut, et qui comporte au moins une couche à base d'oxyde de magnésium au moins partiellement cristallisé sous forme de cristallites de plus grande dimension supérieure à 50 nm, notamment supérieure à 100 nm et de préférence inférieure à 300 nm, notamment d'au plus 250 ou 200 nm. Avantageusement, la couche selon l'invention est cristallisée selon au moins le plan cristallographique [1,1,1]. Elle cristallise avantageusement sous la forme périclase cubique. Son épaisseur peut varier selon les applications visées, elle est généralement d'au moins 50 nm, notamment de 50 à 300 nm. Elle est par exemple d'environ 50 nm pour protéger les luminophores, et plutôt de l'ordre de 200 nm pour protéger des revêtements de diélectrique du type PbO, B203. Comme évoqué plus haut, elle peut être déposée sur au moins une autre couche fonctionnelle, notamment sur une couche à base d'un matériau diélectrique à bas point de fusion du type émail. La couche à base de MgO décrite entre avantageusement dans la réalisation de " faces avant " ou " faces arrière " d'écrans émissifs du type écrans plats tels que les écrans plasma. D'autres détails et caractéristiques avantageuses de l'invention ressortiront ci-après de la description d'exemples de réalisation non limitatifs en référence aux figures suivantes: a figure 1:un schéma illustrant le principe de fonctionnement d'un écran plasma, 1 figures 2 et 3: des images d'une couche de MgO selon l'invention obtenues par microscopie à balayage électronique à effet de champ, C1 figure 4:le spectre RX d'une couche de MgO selon l'invention. -7- Sur la figure 1 est représentée, de façon schématique, une vue partielle en élévation d'un écran plasma; elle représente un pixel d'un tel écran. Un tel écran 1 se compose de deux feuilles de verre 2, 3, disposées l'une face à l'autre. Sur les faces en regard sont disposées des couches constituant les électrodes 4, 5. Ces électrodes 4, 5 sont, par exemple, des couches d'ITO, d'aluminium, d'oxyde d'étain dopé, argent ou cuivre gravées. L'électrode 4 est recouverte d'un diélectrique 6 tel que PbO, B203. L'électrode 5 est, quant à elle, recouverte au moins partiellement d'une couche 7 d'un luminophore. Les luminophores, utilisés dans le cas d'un écran plasma couleur, sont, par exemple Zn2 SiO: Mn pour obtenir la couleur verte. BaMg A114 023: Eu pour obtenir la couleur bleue et Y2 03: Eu pour obtenir la couleur rouge. Ces différentes couches sont habituellement déposées par des méthodes du type sérigraphie. Chaque pixel est séparé des autres par des parois 8 constituant un masque pouvant également être obtenu par sérigraphie. L'espace 9 ainsi créé est rempli d'un gaz, par exemple un mélange néon, xénon. Lors de l'utilisation, ce mélange gazeux est excité en appliquant une tension entre les électrodes 4, 5 de façon à obtenir un plasma contenant des ions Xe+ et Ne+. Ces ions émettent des photons U.V. de longueur d'onde égale à 145 nm environ, qui excitent les luminophores 7. Ces derniers convertissent l'énergie excitatrice en lumière visible rouge, verte ou bleue. Comme expliqué précédemment, les ions excités Xe+ et Ne, sont émis dans toutes les directions et viennent bombarder les différentes parois fermant l'espace 9. Ce bombardement entraîne notamment une dégradation du diélectrique 6, des électrodes 4, 5 et des luminophores 7, qui conduit à une usure prématurée de l'écran. Afin de protéger ces matériaux, une couche 10 d'oxyde de magnésium MgO est déposée, notamment sur le diélectrique 6, sur l'électrode 5 et les luminophores 7. La couche d'oxyde de magnésium a la particularité d'émettre des électrons secondaires, suite au bombardement d'ions, qui permettent - 8 - d'abaisser la tension d'allumage lors de l'impulsion suivante. L'invention prévoit, en outre, éventuellement des couches 11 d'oxyde de magnésium sur les parois quasi-verticales 8, de façon à augmenter encore cette émission d'électrons secondaires. Les couches 10 d'oxyde de magnésium sont obtenues selon l'invention par une technique par voie liquide à partir d'un aérosol obtenu par ultrasons, du type PYROSOL. Dans toute la suite de la description détaillée, on convient que tous les substrats utilisés sont des substrats verriers flottés d'environ 2,8 mm d'épaisseur, de composition suivante, en proportions pondérales: SiO2 58 % A1203 3 % ZrO2 8 % Na2O 4,5 % K20 7,5 % CaO 8,5 % SrO 9 % S03 traces éventuelles (0,07 à 0,1 %) Cette composition conduit à une valeur de température inférieure de recuisson d'environ 609 C et une valeur de coefficient de dilatation thermique mesurée entre 25 et 300 C ca d'environ 83,6.10-7 C-'. Dans les exemples qui suivent, on dépose la couche 10 de MgO directement sur le substrat verrier 2. Il devra être déjà muni des couches 4 et 6, pour réaliser une " face avant " d'écran émissif, avant assemblage avec la ", face arrière " ayant comme substrat porteur le verre 3. Pour effectuer le dépôt des couches 10 en MgO, on utilise un four tunnel équipé d'au moins une chambre de dépôt, du type des fours commercialisés par la société SEVA pour appliquer la technique de PYROSOL. La lecture des brevets mentionnés plus haut permettra de rentrer dans le détail de ces installations. Les substrats 2 revêtus circulent dans un four tunnel, on peut choisir soit de les immobiliser sous la chambre de dépôt un certain temps, on parle alors de " dépôt statique ", soit de les faire défiler à une vitesse donnée dans le four en les faisant ainsi traverser la chambre de dépôt, on parle alors de " dépôt dynamique ". Les une largeur d'environ 1 mètre). Trois exemples ont été réalisés à partir d'une même solution mise sous forme d'aérosol, solution composée d'une part d'un précurseur de MgO, à savoir de l'acétate de magnésium, d'autre part d'un solvant, à savoir de l'eau. Deux températures de dépôt ont été choisies: 475 C et 550 C. Le tableau 1 ci-dessous regroupe pour chacun des 3 exemples: la température de dépôt (T) en C, le mode de dépôt, statique ou dynamique, la concentration (c) de l'acétate de magnésium dans l'eau, exprimée en mole par litre, - la vitesse (v) de défilement du substrat quand il s'agit d'un dépôt dynamique, en cm/mn, l'épaisseur (e) de la couche de MgO obtenue, en nanomètres. A noter que l'on introduit dans le four un débit d'air additionnel pour apporter l'oxygène nécessaire à la formation de l'oxyde. TABLEAU 1 EX.1 EX.2 EX.3 T 475 550 550 dépôt statique dynamique statique v 6 - c 0,2 0,5 0,5 e 100 10 200 Les trois couches de MgO obtenues ont été analysées par diffraction des RX: elles sont toutes cristallisées sous une forme périclase cubique, avec 3 pics de diffraction X correspondant aux plans 1,1,,1], [2,0,0] et [2,2,0]. Il est apparu que le plan [1,1,1] est davantage favorisé à 475 C (exemple 1) qu'à 550 C (exemples 2 et 3). - 10 - La figure 4 montre le spectre RX de la couche de MgO selon l'exemple 3 avec identification des trois pics pré-mentionnés. Les trois couches de MgO obtenues ont été également analysées par microscopie à balayage électronique à effet de champ: toutes sont parfaitement continues. Elles se présentent toutes sous forme de cristallites, de taille moyenne d'environ 100 à 200 nm pour l'exemple 1 déposé à 475 C et de taille un peu supérieure, 200 à 250 nm pour les deux autres exemples. Les figures 2 et 3 montrent des images de l'exemple 3 à deux agrandissements différents: on peut observer que ces cristallites créent une surface de couche assez " rugueuse " avantageuse. L'invention permet ainsi l'obtention de couches texturées en surface, les conditions de température permettant de moduler la façon dont la cristallisation s'opère. On peut par contre vérifier que ces cristallites n'ont pas tendance à s'agréger en grains de trop grande dimension. Il a été en outre vérifié que ces couches étaient peu absorbantes dans le domaine visible (au plus 5% pour une épaisseur de 200 nm, absorption mesurée selon l'Illuminant D65) et ne diminuaient que très peu le niveau de transmission lumineuse du substrat porteur: la présence de ces couches n'empêche pas d'obtenir par exemples des faces avant présentant un niveau de transmission lumineuse d'au moins 80% mesuré selon l'illuminant D65. Ainsi, on a mesuré selon l'illuminant D65 la transmission lumineuse du substrat revêtu selon l'exemple 1: elle est de 87,8%. Optionnellement, on peut opérer la cuisson de l'émail de la couche 6 dans le même four, cuisson opérée vers 550 C, et interrompre le cycle de refroidissement usuel jusqu'à la température ambiante pour déposer consécutivement le dépôt de la couche 10 en MgO. A noter que l'on peut utiliser d'autres solutions pour faire un aérosol approprié, et notamment choisir une solution utilisant un précurseur sous forme d'acétylacétonate de magnésium et un solvant, l'éthanol. Pour solubiliser au mieux le précurseur, il est préférable de maintenir l'éthanol à une température d'au moins 55 C (mais inférieure à sa température - 11- d'ébullition), il faut alors prévoir de thermostater en conséquence les conduits d'amenée et le dispositif de génération et d'injection de l'aérosol. Les couches de MgO selon l'invention remplissent efficacement leur rôle de protection, et présentent avantageusement un coefficient d'émission secondaire v de 7 à 10. -12 - REVENDICATIONS 1. Procédé de dépôt sur un substrat (2, 3), du type à matrice verrière ou vitrocéramique, d'une couche (10) à base d'oxyde de magnésium par décomposition thermique d'au moins un précurseur dudit oxyde en solution nébulisée en aérosol par ultrasons, caractérisé en ce que le dépôt s'effectue sur le substrat chauffé à au moins 450 C, pour contrôler la cristallisation au moins partielle dudit oxyde en obtenant une structure de couche continue comportant des cristallites de plus grande dimension supérieure à 50 nm, notamment supérieure à 100 nm. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dépôt s'effectue sur le substrat (2, 3) chauffé à au plus 650 C, notamment au plus 550 C. 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la température de dépôt contrôle la cristallisation de la couche à base d'oxyde de magnésium, selon au moins un plan cristallographique [1,1,1]. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le(s) précurseur(s) sont de nature organométallique, choisis parmi l'acétylacétonate de magnésium, notamment en solution dans de l'éthanol, et l'acétate de magnésium, notamment en solution dans de l'eau. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on dépose la couche (10) à base d'oxyde de magnésium par dépôts séquentiels. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le substrat (2, 3) comporte préalablement au dépôt de la couche à base d'oxyde de magnésium au moins une autre couche, notamment une couche fonctionnelle du type électrode (4, 5), matériau diélectrique (6), luminophore (7) ou tout autre type de couche entrant dans la constitution d'écrans émissifs. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on dépose la couche (10) à base d'oxyde de magnésium à l'issue - 13 - d'au moins un traitement thermique du substrat (2,3) et/ou de la ou des couches fonctionnelles (4, 5, 6) qu'il comporte préalablement au dépôt. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on dépose la couche (10) à base d'oxyde de magnésium consécutivement à la cuisson d'une couche (6) en matériau diélectrique à bas point de fusion du type émail, notamment dans une même installation du type four tunnel. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on effectue sur la couche (10) à base d'oxyde de magnésium un traitement thermique du type recuit. 10. Substrat (2, 3) à matrice verrière ou vitrocéramique, notamment obtenu conformément au procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une couche (10) à base d'oxyde de magnésium au moins partiellement cristallisée sous forme de cristallites de plus grande dimension supérieure à 50 nm, notamment supérieure à 100 nm. 1 1. Substrat (2, 3) selon la revendication 10, caractérisé en ce que la plus grande dimension des cristallites est inférieure à 300 nm, notamment d'au plus 250 ou 200 nm. 12. Substrat (2, 3) selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que la couche (10) à base d'oxyde de magnésium est cristallisée selon au moins un plan cristallographique [1,1,1], notamment sous forme de périclase cubique. 13. Substrat (2, 3) selon l'une des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que la couche (10) à base d'oxyde de magnésium a une épaisseur d'au moins 50 nm, et notamment une épaisseur comprise entre et 300 nm. 14. Substrat (2, 3) selon l'une des revendications 10 à 13, caractérisé en ce que la couche (10) à base d'oxyde de magnésium est déposée sur au moins une autre couche, notamment une couche fonctionnelle du type électrode (4, 5), matériau dielectrique (6), - 14 - luminophore (7), tout autre type de couche entrant dans la constitution d'écrans émissifs. 15. Substrat (2, 3) selon la revendication 14, caractérisé en ce que la couche (10) à base d'oxyde de magnésium est sur une couche (6) en matériau diélectrique à bas point de fusion du type émail. 16. Utilisation du procédé selon l'une des revendications 1 à 9 ou du substrat (2, 3) selon l'une des revendications 10 à 15 pour fabriquer des " faces avant " ou " faces arrière " d'écrans émissifs du type écrans plats tels que les écrans plasma (1).