Brevet FR2786026A1 — publié le 20000519

PROCEDE DE FORMATION DE RELIEFS SUR UN SUBSTRAT AU MOYEN D'UN MASQUE DE GRAVURE OU DE DEPOT Domaine technique L'invention concerne un procédé de formation de reliefs sur un substrat au moyen d'un masque de gravure ou de dépôt. Au sens de l'invention, on entend par reliefs aussi bien des éminences saillantes de matériau formées au-dessus de la surface du substrat que des trous ou cavités gravées dans le substrat. Le procédé concerne en particulier la formation à la surface du substrat d'un grand nombre de reliefs, de relativement petite dimension, dont la répartition est homogène et aléatoire. L'invention trouve des applications dans divers domaines de mise en oeuvre de nanotechnologies et plus particulièrement dans la fabrication de sources d'électrons pour des écrans d'affichage plats. Etat de la technique antérieure Les sources d'électrons pour les écrans d'affichage plats sont généralement des sources d'électrons à micropointes dont l'émission est provoquée par un effet de champ. La figure 1 est une vue en coupe transversale schématique et partielle d'un dispositif de visualisation à micropointes. Par souci de simplification, seulement quelques micropointes alignées ont été représentées. Le dispositif est constitué pour l'essentiel par une source d'électrons 1 et un écran d'affichage 2, disposés en regard. La source d'électrons 1 et l'écran 2 sont séparés par un espace dans lequel on a fait le vide. La source 1 comprend un substrat de verre 11 sur lequel est déposée une première couche conductrice 12, formant cathode, en contact avec des pointes émettrices d'électrons 13, désignées par micropointes. La première couche conductrice 12 est recouverte d'une couche isolante 14, par exemple en silice, elle-mme recouverte d'une deuxième couche conductrice 15. Des trous 18 d'environ 1,3 um de diamètre, ont été réalisés à travers la deuxième couche conductrice 15 et la couche isolante 14, jusqu'à la couche conductrice 12, pour y déposer les micropointes 13. La deuxième couche conductrice 15 sert de grille d'extraction pour les électrons qui sont émis par les micropointes 13. L'écran d'affichage 2 comprend un substrat transparent 21 recouvert d'une électrode transparente 22, formant anode, sur laquelle sont déposés des phosphores luminescents ou luminophores 23. Le fonctionnement de ce dispositif de visualisation peut tre résumé comme suit. L'écran 2 est porté à une tension positive de plusieurs centaines de volts par rapport aux micropointes 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 micropointes 13 et sont attirés par l'écran 2 en formant des faisceaux 31. L'impact des électrons de chaque micropointe sur le matériau luminescent 23, provoque localement une émission de lumière et permet un affichage d'une image en fonction des micropointes 13 polarisées. La polarisation sélective des micropointes est effectuée par un système d'adressage non représenté. Lors de la fabrication de la source d'électrons 1, on forme un empilement comportant la première couche conductrice (ou une couche résistive), la couche isolante et la deuxième couche conductrice de grille. La gravure des trous 18, destinés à recevoir les micropointes, a lieu en mettant en oeuvre des techniques classiques de photolithographie. Selon ces techniques, on forme sur les couches à graver un masque, par exemple en résine photosensible, et on met en forme ce masque par insolation et développement. La mise en forme du masque permet d'y pratiquer des ouvertures en correspondance avec les trous que l'on souhaite graver dans les couches de la source d'électrons. Les couches à graver sont ensuite soumises à un agent de gravure sélectif à travers le masque. Lors de cette gravure, le masque protège les parties des couches qu'il recouvre tout en permettant l'attaque des parties complémentaires, coïncidant avec les ouvertures. Les techniques de photolithographie évoquées ci-dessus pour la mise en forme du masque de gravure sont bien adaptées pour la réalisation de dispositifs d'affichage de petite taille. Par contre, pour des dispositifs d'affichage de grande taille, tels que par exemple les écrans plats de téléviseurs, les techniques de photolithographie s'avèrent onéreuses et difficilement applicables aux niveaux nécessitant une très bonne résolution. Les difficultés sont en particulier liées à l'insolation des couches de résine et à la réalisation de masques sur des surfaces étendues. Exposé de l'invention La présente invention a pour but de proposer un procédé de réalisation de reliefs, tels que des trous ou des éminences saillantes, à la surface d'un substrat, et ne présentant pas les difficultés mentionnées ci-dessus. Un but est en particulier de proposer un tel procédé permettant de réaliser des reliefs sur des substrats avec une surface importante. Un but est aussi de proposer un tel procédé particulièrement économique et qui ne souffre pas des limitations des techniques de photolithographie. Un but est encore de proposer un procédé de réalisation de reliefs pouvant tre mis en oeuvre dans la fabrication d'afficheurs incluant des sources d'électrons à micropointes. Un but est enfin de proposer un procédé permettant d'obtenir simultanément un grand nombre de reliefs, répartis de façon homogène et aléatoire à la surface d'un substrat. Pour atteindre ces buts, l'invention a plus précisément pour objet un procédé de formation de reliefs sur un substrat, selon lequel : -on forme sur le substrat une couche de matériau présentant des perforations traversantes et dans lequel -on utilise la couche de matériau comme masque pour former les reliefs en des emplacements du substrat coïncidant avec les perforations. Conformément à l'invention, on utilise, en tant que couche de masque, une couche d'alumine poreuse avec des pores traversants formant lesdites perforations. Comme évoqué précédemment, on entend par "formation de reliefs sur un substrat"aussi bien la formation de reliefs saillants au-dessus de la surface du substrat, que la formation de reliefs creux s'étendant dans le substrat. Le substrat peut tre massif ou tre formé d'un empilement d'une ou de plusieurs couches de matériau pouvant, de préférence, tre gravées sélectivement par rapport à l'alumine. Un bon rapport de sélectivité de gravure est favorable à la réalisation de motifs de reliefs fins et permet aisément d'éliminer la couche d'alumine après la formation des reliefs. Selon une première possibilité de mise en oeuvre du procédé, on forme des reliefs sous la forme de trous, par gravure du substrat à travers les perforations du masque. Dans ce cas, la couche d'alumine poreuse est utilisée comme un masque de gravure à l'instar de la couche de résine photosensible utilisée dans les procédés de photolithographie exposés précédemment. Selon une autre possibilité de mise en oeuvre du procédé, on peut réaliser des reliefs sous la forme de plots saillants, par dépôt de matériau sur le substrat à travers les perforations du masque. Le masque d'alumine permet, dans chacun des cas, de répartir aléatoirement les reliefs à la surface du substrat. Ceci est dû au caractère aléatoire de l'emplacement des pores traversants de l'alumine. Toutefois, dans certaines applications, on peut souhaiter préserver des parties du substrat sur lesquelles des reliefs ne doivent pas tre formés. Dans ce cas, avant la réalisation des reliefs, on forme sur la couche de masque d'alumine perforée un masque supplémentaire permettant de recouvrir les perforations d'au moins une partie de cette couche. Selon un aspect particulier de l'invention, pour former la couche de masque perforée, on peut déposer sur le substrat une couche à base d'aluminium, et soumettre cette couche à un traitement électrochimique jusqu'à obtenir une couche anodique d'alumine poreuse avec des perforations traversantes. L'obtention de perforations traversante peut tre assistée par une gravure du matériau. Une description plus détaillée concernant les propriétés et la préparation de l'alumine peuvent tre trouvées dans les documents (1), (2) et (3) dont les références sont précisées à la fin de la présente description. L'invention concerne également, de façon plus générale, l'utilisation de l'alumine poreuse avec des pores traversants comme masque de gravure ou de dépôt. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, en référence aux figures des dessins annexés. Cette description est donnée à titre purement illustratif et non limitatif. Brève description des figures -La figure 1, déjà décrite, est une coupe schématique d'une partie d'un dispositif d'affichage comprenant une source d'électrons à micropointes. -La figure 2 représente de façon schématique une portion de substrat destinée à tre pourvue de reliefs et au-dessus de laquelle on a formé des couches de masque. -La figure 3 est une représentation schématique du substrat de la figure 2 sur lequel on a transformé une couche de masque en un masque perforé conforme à l'invention. -La figure 4 montre la formation de reliefs sous la forme de trous dans le substrat de la figure 3. -La figure 5 montre le substrat de la figure 4, pourvu de reliefs, après élimination des couches de masque. -La figure 6 montre, à titre de variante, la formation de reliefs sous la forme d'éminences faisant saillie à la surface du substrat. -La figure 7 montre le substrat de la figure 6, pourvu de reliefs, après élimination des couches de masque. -La figure 8 est une coupe schématique partielle d'une structure multicouche utilisée comme substrat pour la formation d'une source d'électrons à micropointes. -Les figures 9 et 10 montrent la fabrication de masques de gravure à la surface de la structure de la figure 8, conformément à l'invention. -Les figures 11,12 et 13 montrent une gravure de trous dans les couches superficielles de la structure multicouche. -La figure 14 montre la fabrication de pointes à effet de champ, appelées micropointes, dans les trous de la structure de la figure 13. Description détaillée de modes de mise en oeuvre de l'invention La référence 100 sur la figure 2 désigne un substrat quelconque sur lequel on souhaite réaliser des reliefs. Sur les figures, le substrat 100 est représenté comme un substrat massif et homogène. Il peut cependant tre remplacé par un substrat inhomogène ou un substrat formé d'un empilement de couches. A la surface du substrat 100 est formée une couche 108 à base d'aluminium appelée première couche de masque. Cette couche est en aluminium ou en un alliage à base d'aluminium par exemple. Elle peut tre formée par évaporation sous vide ou par pulvérisation cathodique et recouvre, dans 1'exemple illustré, l'ensemble de la surface du substrat 100. L'épaisseur de la couche de masque 108 est comprise, par exemple, entre 0,1 et quelques dizaines de micromètres. Une deuxième couche de masque 109, par exemple en résine photosensible, est formée au-dessus de la première couche de masque. La couche de résine 109 est mise en forme selon des techniques de photolithographie (insolation et développement) pour former des bandes 109a qui recouvrent certaines parties de la première couche de masque en laissant les parties complémentaires exposées. Les zones non recouvertes par les bandes 109a correspondent aux zones dans lesquelles on souhaite ultérieurement former les reliefs. La formation d'un masque à partir la première couche de masque 108 a lieu par transformation de cette couche en une couche anodique d'alumine poreuse. Cette opération peut avoir lieu selon des procédés d'anodisation de l'aluminium, connus en soi. A titre d'exemple, la première couche de masque peut tre reliée à une borne positive d'un dispositif d'alimentation en courant continu et plongée dans une solution d'électrolyte. L'électrolyte est par exemple choisi parmi l'acide sulfurique, oxalique, chromique et phosphorique. La borne négative de l'alimentation est connectée à une contre-électrode également en contact avec l'électrolyte. Une tension établie entre la première couche de masque et la contre-électrode permet d'anodiser la couche pour la transformer en une couche d'alumine poreuse. La transformation de l'aluminium en alumine poreuse n'a lieu, pour l'essentiel, que dans les parties non protégées par les bandes 109a de la deuxième couche de masque. On obtient une structure comparable à la figure 3 sur laquelle on a représenté des perforations traversantes 110 qui correspondent à des pores s'étendant de part en part de la première couche de masque 108. Le diamètre des pores, c'est-à-dire des perforations 110 est compris de préférence entre 0,01 et 0,5 um. Il peut tre ajusté par 1'homme du métier en agissant sur au moins l'un des paramètres suivants : -la composition de la couche à base d'aluminium, -son état de surface (rugosité, taille de grains), -le choix de l'électrolyte, -la concentration de l'électrolyte, -sa température, -l'agitation de l'électrolyte, -la tension appliquée entre la première couche de masque et la contre-électrode. Eventuellement des pores non-traversants peuvent tre rendus traversants en soumettant les parties exposées de la première couche de masque à une gravure permettant de retirer un reliquat d'alumine restant au fond de certains pores. La gravure est par exemple une gravure ionique réactive. La figure 4 montre une utilisation possible de la première couche de masque pour pratiquer des reliefs sous la forme de dépressions à la surface du substrat 100. La face du substrat 100 équipée des masques est soumise à un traitement de gravure adapté au matériau du substrat, par exemple une gravure ionique réactive. La gravure permet de former des trous 112 dans le substrat 100 en des emplacements coïncidant avec les perforations 110 de la première couche de masque. Les trous 112 prolongent en quelque sorte les pores traversants de la première couche de masque. La figure 5 montre l'état du substrat après l'élimination des première et deuxième couches de masque. Celle-ci a lieu par dissolution de la résine photosensible et par gravure sélective de l'alumine. On observe que la surface traitée du substrat est pourvue d'une pluralité de trous, répartis de façon aléatoire et homogène selon des bandes. Une alternance de zones pourvues de reliefs et de zones dépourvues de reliefs est dictée par le masque de résine. La figure 6 montre une autre possibilité de mise en oeuvre de l'invention pour la formation de reliefs saillants à la surface du substrat. Selon cette mise en oeuvre, on part d'un substrat équipé de masques conformément à la figure 3 déjà décrite, et on dépose une couche 120 de matériau sur l'ensemble de sa surface équipée des premier et deuxième masques. Le matériau de la couche 120 peut tre conducteur, isolant, ou semi-conducteur. Le matériau est choisi différent des matériaux des couches de masque. La formation de matériau peut avoir lieu, par exemple, par évaporation sous vide. On observe que la couche 120 de matériau recouvre la surface libre des première et deuxième couches de masque 108,109 ainsi que les parties du substrat 100 exposées au fond des perforations 110 de la première couche de masque. La figure 7 montre l'état de la surface du substrat 100 après l'élimination sélective des premier et deuxième masques. Il subsiste à la surface du substrat des plots 122, de hauteur uniforme, fonction de l'épaisseur de la couche de matériau 120. Les plots sont répartis uniformément et aléatoirement. L'alternance de zones pourvues de plots et de zones qui en sont dépourvues, est dictée par le deuxième masque de résine 109 (figure 3). La description qui suit concerne la mise en oeuvre du procédé de l'invention pour la fabrication d'une source d'électrons à micropointes. Des éléments des figures 8 à 14 qui sont identiques, similaires ou équivalents à des éléments des figures 2 à 7 déjà décrites, sont repérés avec les mmes références auxquelles on a ajouté 100. On peut ainsi, pour ces éléments, se reporter également à la description qui précède. La figure 8 montre un substrat 200, sous la forme d'un empilement de couches, qui comprend dans l'ordre : -une couche de support 201 en un matériau isolant électrique, -une couche résistive 202 en un matériau électriquement résistif, -une couche isolante 203 en un matériau diélectrique, tel que Si02, et -une couche 204, dite de grille, en un matériau conducteur électrique tel que le niobium, par exemple. La référence 205 désigne des pistes conductrices électriques agencées entre la couche de support 201 et la couche résistive 203 pour permettre l'adressage électrique de certaines parties de la couche résistive lors du fonctionnement de la source. Les pistes conductrices 205 constituent des connexions de cathode. La figure 9 montre la formation à la surface du substrat 200 d'une première et d'une deuxième couches de masque 208,209. La première couche de masque 208, à base d'aluminium recouvre l'ensemble de la couche de grille 204. La deuxième couche de masque 209, en résine photosensible, est mise en forme de façon à recouvrir certaines régions de la première couche de masque. Ces régions coincident avec les pistes conductrices cathodiques 205. Après la mise en place de la deuxième couche de masque, la première couche de masque subit un traitement d'anodisation, éventuellement complété par une gravure, pour la transformer en une couche d'alumine poreuse. Ces traitements peuvent toutefois avoir lieu avant la mise en place du deuxième masque. Les pores traversants de la première couche de masque constituent des perforations 210 de faible diamètre représentées à la figure 10. La première couche de masque, équipée de ces perforations est utilisée comme masque de gravure pour graver la couche de grille. La couche de grille est gravée selon un procédé de gravure ionique réactive, pour y former des trous traversants 212. Comme le montre la figure 11, les trous 212 prolongent les perforations du masque, et atteignent la couche isolante 203. Les première et deuxième couches de masque sont ensuite éliminées pour obtenir le substrat tel que représenté à la figure 12. On constate que la couche de grille présente des régions avec des trous 212 disposées entre les pistes conductrices cathodiques (une seule de ces régions est visible) et des régions dépourvues de trous, surplombant lesdites pistes cathodiques. Une étape suivante consiste à prolonger les trous de la grille dans la couche isolante 203 de façon à mettre à nu la couche résistive 202 au fond des trous. Lors de cette étape on utilise la couche de grille comme masque de gravure pour graver la couche isolante sous-jacente. Celle-ci peut tre également gravée par gravure ionique, ou par voie chimique. On observe sur la figure 13, qu'au terme de cette gravure, les trous 212 se prolongent jusque sur la couche résistive 202. La partie des trous dans la couche isolante porte la référence 213. Une dernière étape, représentée à la figure 14 comporte la formation de micropointes de niobium 230 dans les trous 212,213, et en contact avec la couche résistive. Les micropointes sont des cônes obtenus par un dépôt d'un empilement de chrome, de niobium et de molybdène dans les trous et sur la couche de grille. L'empilement au-dessus de la couche de grille est éliminé. La technique de formation des micropointes est connue en soi. Pour une description plus complète des techniques usuelles de formation de sources à micropointes, on peut se reporter aux documents (4) et (5) dont les références sont précisées à la fin de la présente description. Le procédé de l'invention, selon lequel on utilise une couche d'alumine poreuse comme masque revt un intért considérable pour la réalisation de sources d'électrons selon le mode décrit ci-dessus. En effet, l'invention permet de réaliser des trous (ou éventuellement des plots) de diamètre submicronique (inférieur au micron) sur des substrats de grande taille. La réalisation des trous peut avoir lieu de manière très simple et sans recourir aux techniques de photolithographie. Les techniques de photolithographie sont particulièrement onéreuses et peu adaptées à la formation de trous de faible diamètre sur une surface importante. Leur mise en oeuvre reste cependant possible pour mettre en forme la deuxième couche de masque dont les détails de structure sont moins fins que ceux des trous. L'invention trouve par conséquent des applications dans la fabrication de dispositifs de microélectronique ou de micromécanique nécessitant la formation de reliefs répartis sur une surface d'un substrat de façon aléatoire et homogène. En particulier, et comme décrit précédemment, l'invention peut tre mise à profit pour la fabrication d'écrans d'affichage plats à micropointes. DOCUMENTS CITES (1J "ANODIC ALUMINA : A promising constructional material for vacuum and semiconductor microelectronics" N. I. Mukhurov, G. I. Efremov, I. F. Kotova Technical Digest of IVMC'97 Kyongju, Korea 1997, page 617 (2) "FEA Structures Based on Aluminium Oxide for Applications in Microwaves and Flat Panel Displays" A. Galdetskiy, N. Muchurov, I. Kotova, E. Rousina, A. Alimova Technical Digest of IVMC'97 Kyongju, Korea 1997, page 407 (3) "Field emitter arrays based on natural selforganized porous anodic alumina Alexander N. Govyadinov, Sergej A. Zakhvitcevich Technical Digest of IVMC'97 Kyongju, Korea 1997, page 735 (4) FR-A-2 593 953 (5J FR-A-2 623 013 REVENDICATIONS 1. Procédé de formation de reliefs sur un substrat (100), selon lequel : -on forme sur le substrat (100) une couche (108) de matériau présentant des perforations traversantes, et dans lequel, -on utilise la couche de matériau comme masque pour former les reliefs (112,122) en des emplacements du substrat coïncidant avec les perforations (110), caractérisé en ce que, en tant que couche de masque, on utilise une couche d'alumine poreuse avec des pores traversants formant lesdites perforations (110). 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on élimine la couche de masque après achèvement des reliefs. 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on forme des reliefs sous la forme de trous par gravure du substrat à travers les perforations du masque. 4. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on forme des reliefs sous la forme de plots saillants (122) par dépôt de matériau sur le substrat (100) à travers les perforations (110) de la couche de masque. 5. Procédé selon la revendication 1, dans lequel avant la réalisation des reliefs, on forme sur la couche d'alumine un masque supplémentaire (109), permettant de recouvrir les perforations d'au moins une partie de cette couche. 6. Procédé selon la revendication 1, dans lequel, pour former la couche de masque, on dépose sur le substrat une couche à base d'aluminium, et on soumet cette couche à un traitement électrochimique jusqu'à obtenir une couche anodique d'alumine poreuse avec des perforations traversantes. 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel on complète la formation de la couche de masque en soumettant la couche anodique poreuse à une gravure pour éliminer un reliquat d'alumine dans des pores non traversants. 8. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la couche de masque (108) présente une épaisseur comprise entre 0,1 et quelques dizaines de micromètres et comporte des perforations traversantes avec un diamètre moyen compris entre 0,01 et 0,5 um. 9. Procédé de réalisation d'une source d'électrons à micropointes à partir d'un substrat comprenant au moins une cathode (205), une couche résistive (202) en contact avec la cathode, une couche isolante (203) recouvrant la douche résistive et une couche conductrice (204) recouvrant la couche isolante, dans lequel : -on pratique dans le substrat des ouvertures traversant la couche isolante (203) et la couche conductrice (204) pour mettre à nu des portions de la couche résistive (202), et -on forme des micropointes (230) dans les ouvertures, en contact avec lesdites portions de la couche résistive, caractérisé en ce que l'on pratique les ouvertures au moyen d'un masque de gravure conformément au procédé de la revendication 1. 10. Utilisation de l'alumine poreuse avec des pores traversants, comme masque de gravure.