Brevet FR2909484A1 — publié le 20080606

B07-4086FR Société dite : GENERAL ELECTRIC COMPANY Système et procédé pour limiter les effets d'arcs dans des matrices d'émetteurs de champs Invention de : Colin R. Wilson Ji-Ung Lee Priorité d'une demande de brevet déposé aux Etats-Unis d'Amérique le 5 Décembre 2006 sous le n 11/567.095 2909484 2 Système et procédé pour limiter les effets d'arcs dans des matrices d'émetteurs de champs La présente invention est relative de façon générale aux émetteurs d'électrons du type à émission de champ et, plus particulièrement, à un système et un procédé pour limiter les effets de formation d'arcs dans des matrices d'émetteurs d'électrons du type à émission de champ. En incluant une substance résistive dans la couche de grille d'une matrice d'émetteurs il est possible de limiter un courant d'arc dans un émetteur donné et de permettre aux émetteurs voisins de continuer à émettre des électrons. On réalise ainsi une matrice d'émetteurs de champs plus robuste. Des émissions d'électrons dans des matrices d'émetteurs d'électrons du type à émission de champ sont produites conformément à la théorie de Fowler-Nordheim qui établit une relation entre la densité du courant d'émission de champ d'une surface métallique propre et le champ électrique sur la surface. La plupart des matrices d'émetteurs d'électrons du type à émission de champ comprennent globalement une matrice constituée de nombreux dispositifs d'émissions de champs. Les matrices d'émetteurs peuvent être fabriquées à l'aide de micro- ou de nanotechnologies pour contenir des dizaines de milliers de dispositifs d'émissions sur une seule puce. Chaque dispositif d'émission, lorsqu'il est correctement excité, peut émettre un flux ou un courant d'électrons depuis la pointe du dispositif d'émission. Les matrices d'émetteurs de champs ont de nombreuses applications, dont l'une concerne les écrans à émission de champ, qui peuvent être mis en oeuvre sous la forme d'un écran d'affichage plat. De plus, les matrices d'émetteurs de champs peuvent avoir des applications comme sources d'électrons dans des tubes hyperfréquence, des tubes radiogènes et autres dispositifs microélectroniques. Les dispositifs d'émission de champ émettant des électrons peuvent eux-mêmes se présenter sous un certain nombre de formes. La Fig. 1 illustre un exemple d'un type courant d'émetteur de champ 10 appelé émetteur du type "Spindt". L'émetteur 10 comprend un substrat conducteur 12, qui est souvent une substance à base de silicium fortement dopée. Sur le substrat 12 est accumulée une couche de dioxyde de silicium (SiO2) 14 destinée à servir d'isolant. Un film métallique 16, généralement en molybdène (Mb), est déposé par-dessus le dioxyde de silicium 14 afin de former une section transversale du type conducteur-isolant-conducteur. Ordinairement, la couche métallique 16 est attaquée chimiquement pour former à travers celle-ci un trou 22, et le dioxyde de silicium 14 est dissous pour former une 2909484 3 cavité 20 dans laquelle est placé un cône ou une pointe 18 d'un émetteur. La pointe 18 de l'émetteur est ordinairement elle aussi en molybdène. Lors du fonctionnement, une tension de commande est appliquée sur la couche métallique 16 et le substrat 12, créant un puissant champ électrique près de 5 l'ouverture 22. Ainsi, la couche métallique 16 sert d'électrode de grille pour l'émission d'électrons depuis la pointe 18 de l'émetteur. Ordinairement, la couche métallique 16 est commune à tous les émetteurs d'une matrice d'émetteurs et fournit la même tension de commande ou d'émission à toute la matrice. Dans certains émetteurs du type Spindt, la tension de commande peut être d'environ 100 V. En 10 raison de la forme conique de la pointe 18 de l'émetteur, l'interaction de la pointe 18 et du champ électrique près de l'ouverture 22 est concentrée en un point plus petit et l'émission d'électrons est obtenue plus facilement. Cependant, nombre d'autres formes et types de cônes ou pointes d'émetteurs peuvent être utilisés dans des émetteurs du type Spindt et d'autres types de dispositifs d'émission. D'autres types 15 d'émetteurs peuvent contenir des pointes ou cônes en métal réfractaire, en carbure, en diamant ou en silicium, des nanotubes de silicium/carbone, des nano fils métalliques ou des nanotubes de carbone. Actuellement, on ne connaît pas de matrices d'émetteurs de champs suffisamment robustes pour servir dans plusieurs applications industrielles 20 potentielles, notamment pour une utilisation dans des tubes radiogènes. Bien des types de matrices d'émetteurs existants sont sujets à des pannes de fonctionnement et à une usure de leur structure du fait de la formation d'arcs électriques. La formation d'arcs risque davantage de survenir dans les atmosphères à hautes pressions existant dans beaucoup de tubes radiogènes. Le plus souvent, une surtension appliquée à la 25 couche métallique 16 de l'émetteur 10 de la Fig. 1 peut provoquer la formation d'un arc entre la couche métallique 16 et la pointe 18 de l'émetteur, en permettant le passage d'un courant en court-circuit depuis la couche métallique 16 jusqu'au substrat 12, via la pointe 18 de l'émetteur. Un autre type de formation d'arcs est appelé formation d'arcs par contournement de surface, au cours de laquelle une surtension 30 appliquée à la couche métallique 16 peut provoquer un percement de la couche isolante 14 en dioxyde de silicium, ce qui permet au courant de produire un claquage, créant un court-circuit entre la couche métallique 16 et le substrat 12. L'arc peut également passer sur la surface de la couche isolante en dioxyde de silicium, en provoquant ce qu'on appelle un "contournement". 2909484 4 Lorsqu'un émetteur d'une matrice d'émetteurs subit une formation d'arcs sous une forme ou une autre, ou "claque", la couche métallique n'est plus apte à supporter une tension ou une polarisation électrique suffisante pour que l'émission d'électrons se poursuive dans les autres émetteurs de la matrice. De plus, les 5 températures élevées produites par le courant de court-circuit peuvent provoquer une usure ou un endommagement de l'émetteur ainsi que d'émetteurs voisins. Ainsi, un arc sur un seul émetteur peut affecter le fonctionnement de la matrice d'émetteurs toute entière. Il serait donc souhaitable d'avoir un système et un procédé qui protègent une 10 matrice d'émetteurs contre les effets de la formation d'arcs. Il serait en outre souhaitable qu'un tel système et un tel procédé protègent à la fois le fonctionnement et la structure de la matrice en maintenant la tension d'émission ou de commande dans les émetteurs sans formation d'arcs et en limitant le courant d'arc de l'émetteur sujet à la formation d'un arc. 15 La présente invention propose un système et un procédé pour supprimer les inconvénients évoqués plus haut. En particulier, des formes de réalisation de la présente invention comprennent une couche de grille qui limite le courant d'arc de court-circuit et supporte une polarisation d'émission dans les émetteurs non sujets à 20 la formation d'un arc même si un seul émetteur subit une formation d'arc. Par conséquent, selon un premier aspect de l'invention, une matrice d'émetteurs de champs comprend une couche de substrat, une couche de grille et, entre celles-ci, une couche de diélectrique. La couche de grille comporte une pluralité d'ouvertures ménagées à travers celle-ci et la couche de diélectrique 25 comporte un certain nombre de logements dans celle-ci. Un émetteur est disposé dans chacun des logements de la couche de diélectrique et chaque émetteur est conçu pour émettre des électrons lorsqu'une tension d'émission est appliquée à la couche de grille et à la couche de substrat. La couche de grille contient une substance à résistance électrique qui localise les effets de formation d'arcs de la matrice. 30 Selon un autre aspect de l'invention, il est décrit un procédé de fabrication d'un émetteur de champ. Le procédé comprend la réalisation d'une base de substrat, le dépôt d'un diélectrique sur la base de substrat et la formation d'une grille sur le diélectrique. Un certain nombre de canaux sont créés à travers la grille et le diélectrique, et une pointe d'émetteur d'électrons est placée dans chaque canal. La 35 grille est agencée de manière à maintenir l'émission d'électrons depuis un certain 2909484 5 nombre des pointes d'émetteurs d'électrons lorsqu'une seule pointe d'émetteur d'électrons subit un court-circuit. Selon encore un autre aspect de l'invention, un générateur de flux d'électrons comprend un dispositif de commande agencé pour appliquer sélectivement un 5 potentiel à une grille et un substrat. La grille est placée de façon à créer un champ électrique suffisant pour provoquer une émission d'électrons depuis un élément d'émission donné au moment de l'application du potentiel. Une substance résistive est également incluse et est intercalée entre la grille et l'élément d'émission donné. 10 L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par les dessins annexés sur lesquels : la Fig. 1 est une vue en coupe transversale d'un émetteur de champ selon la technique antérieure ; 15 la Fig. 2 est une vue en coupe transversale d'un émetteur de champ selon une forme de réalisation de la présente invention ; la Fig. 3 est une vue de dessus d'une matrice d'émetteurs de champ selon une forme de réalisation de la présente invention ; et la Fig. 4 est une vue en coupe transversale d'un émetteur de champ selon 20 une autre forme de réalisation de la présente invention. Considérant la Fig. 2, il y est représenté une vue en coupe transversale d'un seul émetteur de champ 30 d'une matrice d'émetteurs de champs. De préférence, dans une forme de réalisation, l'émetteur de champ 30 est un émetteur du type Spindt, bien 25 qu'il soit entendu que les caractéristiques et les adaptations décrites ici puissent également s'appliquer à d'autres types d'émetteurs de champs. Dans la forme de réalisation représentée, une couche de substrat 32 forme une base de l'émetteur. La couche de substrat 32 peut être réalisée en substance conductrice ou semi-conductrice, notamment des substances à base de silicium ou d'un métal. Une couche 30 isolante ou de diélectrique 34 est formée ou déposée par-dessus la couche de substrat 32. La couche de diélectrique 34 peut être une substance non conductrice ou une substance à très grande résistance électrique, notamment en dioxyde de silicium (SiO2) ou en nitrate de silicium (SiN). La couche de diélectrique 34 sert à séparer la couche de substrat 32 d'une couche de grille 36, de façon qu'un potentiel électrique 35 puisse être appliqué entre la couche de grille 36 et le substrat 32. 2909484 6 Un canal ou une cavité 46 est formé dans la couche de diélectrique 34 et une ouverture correspondante 48 est formée dans la couche de grille 36. Comme représenté, l'ouverture 48 chevauche sensiblement la cavité 46. Dans d'autres formes de réalisation, la cavité 46 et l'ouverture 48 peuvent avoir approximativement le 5 même diamètre, ou encore la cavité 46 peut être plus étroite que l'ouverture 48 de la couche de grille 36. Par conséquent, lors de la fabrication, la cavité 46 peut être créée dans la couche de diélectrique 34 avant que la couche de grille 36 ne soit formée sur celle-ci. Selon une autre possibilité, l'ouverture 48 et la cavité 46 peuvent être créées après la formation de la couche de grille 36. l0 Un émetteur 44 d'électrons est disposé dans la cavité 46, assujetti à la couche de substrat 32. Comme représenté, l'émetteur 44 a une forme conique pour concentrer l'interaction d'un champ électrique de l'ouverture 48 avec l'émetteur 44, afin de faciliter l'émission d'électrons. Ainsi, lorsqu'une tension de commande est appliquée à celui-ci, l'émetteur 30 émet un flux 50 d'électrons, qui peut servir à 15 diverses fonctions. Dans une forme de réalisation, l'émetteur 44 est un cône en molybdène (Mb). Cependant, il est envisagé que le système et le procédé décrits ici puissent également s'appliquer à des émetteurs constitués de plusieurs autres matières et sous diverses autres formes employées dans des émetteurs du type à émission de champ, notamment des nanotubes de carbone. 20 La couche de grille 36 comprend une couche fortement résistive 38 et une couche fortement conductrice 40. Dans une forme de réalisation, la couche résistive 38 peut être une couche de semiconducteur et la couche 40 peut être une couche métallique lithographiée ou imprimée. La couche résistive 38 peut être formée par dépôt chimique en phase vapeur en présence de plasma ou "PECVD" de silicium 25 amorphe dopé, qui peut être du type N ou du type P. Dans une telle forme de réalisation, la conductivité de la couche résistive 38 peut être déterminée avec précision par la quantité de dopant, telle que du phosphore (P) pour une couche semiconductrice du type N ou du bore (B) pour une couche semiconductrice du type P. La couche conductrice 40 peut, de préférence, être en molybdène ou d'autres 30 métaux convenant pour servir d'électrodes de grilles dans des émetteurs de champs. La couche résistive 38 et la couche conductrice 40 sont électriquement connectées, quoique la couche résistive 38 ait une résistance électrique nettement supérieure à celle de la couche conductrice 40. Un procédé classique pour former la couche conductrice 40 sur la couche résistive 38 est appelé procédé par décollement 35 épitaxique. La couche conductrice 40 comporte une partie environnante 52 qui 2909484 7 s'étend sur le pourtour de l'ouverture 48, et une partie de connexion. De préférence, la partie environnante 52 maintient une distance minimale par rapport à l'ouverture 48, comme évoqué plus loin. La partie de connexion 42 s'étend jusqu'à un émetteur de champ voisin (représenté sur la Fig. 3) de la même matrice d'émetteurs de 5 champs. La tension d'émission servant à créer le champ électrique pour induire une émission d'électrons dans l'émetteur 44 est appliquée entre la couche conductrice 40 et le substrat 32. Pendant le fonctionnement, la couche de grille 36 localise les effets de formation d'arc entre la couche de grille 36 et l'émetteur 44. Plus particulièrement, du 10 fait qu'une substance résistive 38 se trouve entre la couche conductrice 40 et l'émetteur 44, le cheminement de l'arc depuis la couche conductrice 40 jusqu'à l'émetteur est interrompu par une forte résistance de la couche 38. Ainsi, lors d'une mise en oeuvre dans une matrice, il est possible d'isoler de manière résistive des phénomènes de formation d'arc pour un seul émetteur 44. Dans le cas où un arc se 15 produit, la couche résistive 38 intervient pour limiter le courant d'arc/court-circuit entre la couche conductrice 40 de la grille 36 et le substrat. Du fait de la limitation du courant d'arc, les effets de formation d'arc peuvent être limités à l'émetteur 30 de champ et, par conséquent, ne risquent pas d'affecter d'autres émetteurs de la matrice. En outre, la couche conductrice 40 de la grille 36 est apte à maintenir un potentiel 20 plus uniforme pour d'autres émetteurs en présence d'un arc dans un émetteur donné 30, si bien que les autres émetteurs peuvent poursuivre l'émission d'électrons. Un avantage supplémentaire de l'utilisation d'une couche conductrice 40 telle qu'une couche métallique est que la constante de temps de résistance-capacité de l'émetteur est améliorée, ce qui aboutit à une commutation plus rapide de l'émetteur 30. 25 Considérant la Fig. 3, il y est représenté une vue de dessus d'une matrice 60 d'émetteurs de champs 62. Chaque émetteur de champ 62 est conçu de la manière représentée sur la Fig. 2. La couche de grille 64 de la matrice 60 d'émetteurs de champs est visible et est commune à tous les émetteurs 62 de la matrice 60. La couche de grille 64 comprend une couche résistive 68 et une couche conductrice 66 30 en métal ou autre. La tension d'émission utilisée pour induire l'émission d'électrons par la matrice 60 est directement appliquée à la couche conductrice 66, sur la couche de grille 64 et la couche de substrat (non représentée). Comme représenté, la couche conductrice 66 peut être imprimée avec un motif de grille, comportant un certain nombre d'anneaux ou de parties environnantes 70 et un certain nombre de parties de 35 connexion 74. De la sorte, un potentiel appliqué sur la couche de grille 64 et la 2909484 8 couche de substrat ou base (non représentée) de la matrice 60 sera globalement uniforme pour chaque émetteur 62. Comme évoqué plus haut, les anneaux ou parties environnantes 70 de la couche conductrice à motif de grille sont espacées d'une distance 72 par rapport aux 5 ouvertures 76 de chaque émetteur 62. En espaçant les anneaux conducteurs 70 de la distance 72, une partie de la couche résistive 72 est intercalée sur un trajet d'arc allant de la couche conductrice 72 aux pointes (non représentées) de chaque émetteur. Par conséquent, le courant d'arc ou de court-circuit d'un émetteur donné sera limité. Un courant d'arc plus faible aura pour conséquence un moindre potentiel pour la l0 surchauffe, la fusion ou d'autres effets liés au courant. Cependant, puisque la couche conductrice 66 n'est pas aussi résistive que la couche résistive 68, et puisque la tension d'émission de la matrice 60 est directement appliquée à la couche conductrice 66, la tension d'émission sur les autres émetteurs 62 peut être maintenue même lorsqu'un arc se produit au niveau d'un seul émetteur 62. 15 Considérant maintenant la Fig. 4, il y est représenté une vue en coupe transversale d'un émetteur 80 selon une autre forme possible de réalisation de la présente invention. L'émetteur 80 comprend une base 82 de substrat, une couche de diélectrique 84 sur la base de substrat et une couche de grille 86 par-dessus la couche de diélectrique 84. Une cavité ou un canal 94 est formé dans la couche de 20 diélectrique 84 et une ouverture correspondante 96 pour le canal 94 est formée dans la couche de grille 86. Un émetteur ou une pointe 92 est disposé dans le canal 94, sur la couche de substrat 82. Par conséquent, une tension ou un potentiel d'émission peut être appliqué sur la couche de grille 86 et la couche de substrat 82 afin de créer un champ électrique autour de l'ouverture 96 pour amener l'émetteur 92 à émettre des 25 électrons. Dans la forme de réalisation de la Fig. 4, la couche de grille 86 comprend une couche métallique ou conductrice 88 couverte ou entourée par une couche résistive 90. Comme dans la forme de réalisation de la Fig. 2, la couche conductrice 88 de la Fig. 4 est de préférence composée, au moins partiellement, de molybdène ou 30 d'une autre substance adéquate pour fonctionner comme électrode de l'émetteur de champ. La couche conductrice 88 est déposée sur la couche de diélectrique 84 et la couche résistive 90 est disposée par-dessus la couche conductrice 88. De la sorte, la couche résistive 90 est toujours intercalée entre l'émetteur 92 et la couche conductrice 88, mais l'agencement et l'ordre de fabrication diffèrent par rapport aux 35 formes de réalisation présentées plus haut. Par conséquent, il est entendu que divers 2909484 9 agencements de grilles de couche résistive et de couche conductrice peuvent être utilisés dans diverses formes de réalisation de la présente invention. Ainsi, dans une forme de réalisation de la présente invention, une matrice d'émetteurs de champs comprend une couche de substrat, une couche de diélectrique 5 et une couche de grille. La couche de grille comporte une pluralité d'ouvertures ménagées à travers celle-ci et la couche de diélectrique possède un certain nombre de logements dans celle-ci. La couche de grille comprend également une substance résistive ayant une résistance électrique afin de localiser les effets de formation d'arcs. La matrice comprend également une pluralité d'émetteurs, disposés chacun 10 dans l'un des logements de la couche de diélectrique. Les émetteurs sont conçus pour émettre des électrons lorsqu'une tension d'émission est appliquée sur la couche de grille et la couche de substrat. La présente invention est en outre mise en oeuvre dans un procédé pour fabriquer un émetteur de champ, qui comprend la réalisation d'une base de substrat, 15 le dépôt d'un diélectrique sur la base de substrat et la formation d'une grille sur le diélectrique. Un certain nombre de canaux sont créés à travers la grille et le diélectrique et la pointe d'un émetteur d'électrons est placée dans chacun. Le procédé comprend également l'agencement de la grille afin de maintenir l'émission d'électrons depuis un certain nombre des pointes d'émetteurs d'électrons lorsqu'une seule pointe 20 d'émetteur d'électrons subit un court-circuit. Selon une autre forme de réalisation de l'invention, un générateur de flux d'électrons comprend un émetteur d'électrons, une grille placée afin de créer un champ électrique suffisant pour provoquer une émission d'électrons depuis l'émetteur, et un dispositif de commande agencé pour appliquer sélectivement un 25 potentiel sur la grille et un substrat. 2909484 Io LISTE DES REPERES 10 émetteur de champ 12 substrat 14 couche de dioxyde de silicium 16 couche métallique 18 pointe d'émetteur 20 cavité 22 trou 24 tension de commande 26 électrons 30 émetteur de champ 32 couche de substrat 34 couche isolante 36 couche de grille 38 couche résistive couche conductrice 42 partie de connexion 44 émetteur d'électrons 46 cavité 48 ouverture 50 faisceau d'électrons 52 partie environnante 60 matrice d'émetteurs de champs 62 émetteurs de champs 64 couche de grille 66 couche conductrice 68 couche résistive 70 parties environnantes 72 distance de séparation 74 parties de connexion 76 ouvertures 80 émetteur 82 base de substrat 84 couche de diélectrique 5 2909484 11 86 couche de grille 88 couche conductrice 90 couche résistive 94 canal 96 ouverture 92 pointe d'émetteur 10 REVENDICATIONS 1. Matrice (60) d'émetteurs de champs, comprenant : une couche de substrat (32) ; une couche de grille (36) à travers laquelle est formée une pluralité d'ouvertures (48) ; une couche de diélectrique (34) entre la couche de substrat (32) et la couche de grille (36), la couche de diélectrique (34) contenant un certain nombre de cavités (46) ; une pluralité d'émetteurs (44), chaque émetteur (44) étant disposé dans une cavité (46) de la couche de diélectrique (34) et étant conçu pour émettre des électrons (50) lorsqu'une tension d'émission est appliquée sur la couche de grille (36) et la couche de substrat (32) ; et la couche de grille (36) comportant une substance résistive (38) ayant une résistance électrique afin de localiser les effets de formation d'arcs. 2. Matrice (60) d'émetteurs de champs selon la revendication 1, dans laquelle la pluralité d'ouvertures (48) formées à travers la couche de grille (36) et les cavités (46) en un certain nombre de la couche de diélectrique (34) se chevauchent sensiblement. 3. Matrice (60) d'émetteurs de champs selon la revendication 1, dans laquelle la couche de grille (36) comporte en outre une couche conductrice (40) séparée de la substance résistive (38). 4. Matrice (60) d'émetteurs de champs selon la revendication 3, dans laquelle la couche conductrice (40) est une grille métallique (66) formée sur la substance résistive (38). 5. Matrice (60) d'émetteurs de champs selon la revendication 4, dans laquelle la grille métallique (66) comporte un réseau de parties (70) de grille entourant chacune des différentes ouvertures (48), les parties (70) de grille étant espacées d'une certaine distance par rapport aux différentes ouvertures (48). 6. Matrice (60) d'émetteurs de champs selon la revendication 3, dans laquelle la substance résistive (38) est déposée par-dessus la couche conductrice (40). 7. Matrice (60) d'émetteurs de champs selon la revendication 3, dans laquelle la substance résistive (38) est au moins partiellement intercalée entre la couche conductrice (40) et chacun des différents émetteurs (44). 2909484 13 8. Matrice (60) d'émetteurs de champs selon la revendication 1, dans laquelle la couche de grille (36) est agencée de manière à maintenir une tension (24) d'émission d'électrons pour un certain nombre des différents émetteurs (44) lorsqu'un seul émetteur (44) est en court-circuit. 5 9. Matrice (60) d'émetteurs de champs selon la revendication 1, dans laquelle la couche de grille est en outre agencée pour améliorer une constante de temps de résistance-capacité de la matrice (60) d'émetteurs de champs pour une commutation plus rapide. 10. Matrice (60) d'émetteurs de champs selon la revendication 1, dans 10 laquelle la couche de grille est en outre agencée afin de limiter un courant de court-circuit depuis la couche de grille (36) vers la couche de substrat (32) pour protéger la matrice (60) contre les effets d'arcs.