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Title:
ELECTRON SOURCE COMPRISING AT LEAST A PROTECTIVE ELECTRODE AGAINST SPURIOUS EMISSIONS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2000/021112
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention concerns an electron source with field-emission cathodes having a first, so-called active region (32), with a cathode support (24) equipped with field effect elements, at least an insulating layer (34) and at least a gate layer (36), the insulating and gate layers successively covering the cathode support and enclosing said field effect elements, and having a second so-called edge region (38), peripheral to the whole of the first region (32) and without field effect elements. The invention is characterised in that the electron source further comprises at least a conductive material layer (40) called shield layer, insulated from the gate and arranged over all or part of the edge region.

Inventors:
LEVY FRANCOIS (FR)
MONTMAYEUL BRIGITTE (FR)
Application Number:
PCT/FR1999/002328
Publication Date:
April 13, 2000
Filing Date:
September 30, 1999
Export Citation:
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Assignee:
COMMISSARIAT ENERGIE ATOMIQUE (FR)
LEVY FRANCOIS (FR)
MONTMAYEUL BRIGITTE (FR)
International Classes:
H01J3/02; H01J31/12; H01J35/06; (IPC1-7): H01J31/12; H01J3/02; H01J35/06
Domestic Patent References:
WO1999045559A21999-09-10
WO1998034280A11998-08-06
WO1997042644A11997-11-13
Foreign References:
US5717285A1998-02-10
EP0806788A11997-11-12
EP0557191A11993-08-25
US3665241A1972-05-23
Other References:
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 1998, no. 09 31 July 1998 (1998-07-31)
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 1997, no. 02 28 February 1997 (1997-02-28)
Attorney, Agent or Firm:
Weber, Etienne (Brevatome 3, rue du Docteur Lancereaux Paris, F-75008, FR)
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Claims:
REVENDICATIONS
1. Source d'électrons a cathodes émissives présentant une première région (32), dite active, avec un support cathodique (24) équipé d'éléments à effet de champ (30), au moins une couche d'isolation (34) et au moins une couche de grille (36), les couches d'isolation et de grille recouvrant dans 1'ordre le support cathodique et entourant lesdits éléments à effet de champ, et présentant une deuxième région (38), dite de bordure, périphérique à 1'ensemble de la première région (24) et dépourvue d'elements à effet de champ, caractérisé en ce que la source d'électrons comporte en outre au moins une couche de matériau conducteur (40) dite coucheécran, isolée de la grille et disposée sur tout ou partie de la région de bordure.
2. Source d'électrons selon la revendication 1, dans laquelle la coucheécran (40) est reliée électriquement à des moyens de polarisation.
3. Source d'électrons selon la revendication 2, dans laquelle la coucheécran (40) est reliée aux moyens de polarisation par l'intermédiaire de moyens de limitation de courant.
4. Source d'électrons selon la revendication 2 ou 3, dans laquelle la coucheécran (40) est reliée électriquement au support cathodique, le support cathodique formant les moyens de polarisation.
5. Source d'electrons selon la revendication 2 ou 3, dans laquelle la coucheécran (40) est reliée électriquement à une borne de masse, la borne de masse formant les moyens de polarisation.
6. source d'électrons selon la revendication 2 ou 3, dans laquelle la coucheécran (40) est électriquement reliée à une borne d'alimentation distincte de la masse, ladite borne d'alimentation formant les moyens de polarisation.
7. Source d'électrons selon la revendication 1 dans laquelle la coucheécran (40) est une couche en niobium (Nb).
8. Source d'électrons selon la revendication 1 dans laquelle la coucheécran présente une épaisseur comprise entre quelques dizaines de nanomètres et quelques micromètres.
9. Source d'électrons selon la revendication 1 comportant plusieurs régions de bordure, chacune recouverte par une coucheécran, les couchesécran recouvrant les régions de bordure étant électriquement reliées à un même potentiel.
10. Dispositif d'affichage comportant une source d'électrons (10) à cathodes émissives, et un écran luminescent (12), formant anode, garni d'au moins un matériau luminescent et associe à la source d'électrons pour faire face aux cathodes émissives (10), caractérisé en ce que la source d'électrons est conforme à 1'une quelconque des revendications précédentes.
11. Dispositif d'affichage selon la revendication 10, dans lequel 1'ecran luminescent (12) comporte une région électriquement isolante faisant face à ladite région de bordure de la source d'électrons.
12. Dispositif d'affichage selon la revendication 10, dans lequel l'écran luminescent comporte une région électriquement conductrice (16), reliée à une borne de potentiel d'anode, et faisant face à ladite région de bordure de la source d'électrons.
13. Dispositif d'affichage selon la revendication 10, dans lequel 1'ecran (12) comporte une région électriquement conductrice (42) reliée à une borne de potentiel de cathode et faisant face à ladite région de bordure de la source d'électrons.
14. Dispositif d'affichage selon la revendication 1, dans lequel les éléments à effet de champ sont des micropointes.
15. Tube d'émission de rayons X comprenant une source d'électrons (10) à cathodes émissives (30), et une plaque d'anode (15), en un matériau capable d'émettre des rayons X en réponse à des impacts d'électrons, la plaque d'anode étant associée a la source d'électrons pour faire face aux cathodes émissives, caractérisé en ce que la source d'électrons est conforme à 1'une des revendications 1 à 9.
Description:
SOURCE D'ELECTRONS COMPORTANT AU MOINS UNE ELECTRODE DE PROTECTION CONTRE DES EMISSIONS PARASITES

DESCRIPTION Domaine technique La présente invention concerne une source d'électrons à cathodes émissives. Les cathodes émissives se présentent généralement sous la forme d'une pluralité de micropointes, ou plots, qui sont utilisées comme des canons à électrons.

Les micropointes, ou plots, peuvent être dirigées vers une anode d'accélération garnie d'un matériau luminescent. Ce matériau, en réponse aux électrons, émet une lumière visible utilisable pour un affichage.

Les micropointes, ou plots, peuvent également être dirigées vers une anode équipée d'un matériau capable d'émettre un rayonnement X en reponse a 1'excitation des électrons.

Aussi, 1'invention trouve des applications dans la fabrication de dispositifs d'affichage a écrans plats de visualisation, dans la réalisation de tubes a rayons X ou tout autre dispositif comportant une source d'électrons à micropointes, ou à plots, ou de facon plus générale une source d'électrons avec des éléments à effet de champ.

Etat de la technique antérieur La figure 1 est une coupe schématique et simplifiée d'un dispositif d'affichage à micropointe de type connu. Pour des raisons de clarté de la figure une seule micropointe est représentée.

Le dispositif d'affichage réel comporte cependant une pluralité de points-image ou « pixels » et chaque pixel peut être équipé d'une ou de plusieurs micropointes.

Le dispositif d'affichage de la figure 1 comprend une source d'électrons 10, dite source à cathodes émissives et un écran luminescent 12 dispose en face de la source d'electrons 10.

L'écran 12 comporte un substrat transparent 14, recouvert d'une couche conductrice transparente 16 formant une anode, telle qu'une couche d'ITO (Oxyde d'Indium-Etain) par exemple, et d'une couche 18 de matériau luminescent. Le matériau luminescent émet une lumière en réponse à un bombardement par électrons.

L'application d'une différence de potentiel entre certaines cathodes émissives, en l'occurrence certaines micropointes, et 1, 6cran 12 permet de rendre lumineuses sélectivement des zones déterminées de l'écran pour y afficher une image.

La source d'électrons 10 comporte un support conducteur cathodique 24 comportant, dans 1'exemple illustre, une couche électriquement conductrice 26 et une couche électriquement résistive 28 qui supporte des micropointes dont une seule est représentée avec la référence 30.

Dans une première région 32, le support conducteur cathodique 24 est recouvert dans 1'ordre par une couche isolante 34 et une couche conductrice 36, appelée couche de grille. Ces couches entourent la micropointe 30 sans la recouvrir de façon à permettre 1'emission d'électrons vers 1'ecran 12.

La couche de grille 36, lorsqu'elle est portée à un potentiel approprie, peut servir a moduler l'intensité d'un faisceau d'électrons émis par une micropointe qu'elle entoure.

Par ailleurs selon certaines possibilités de réalisation des sources d'électrons, la couche de grille, de même que la couche conductrice 26 du support cathodique peuvent être agencees sous la forme de pistes conductrices croisées. Ces pistes conductrices forment alors des lignes et des colonnes d'adressage pour des éléments d'image qui coincident avec des plages d'intersection de ces pistes. C'est aussi dans ces plages que sont formées les micropointes, c'est-a- dire les émetteurs d'électrons. Dans la suite du texte on désigne par région active une region englobant 1'ensemble des émetteurs d'électrons situes en regard d'une zone d'affichage sur 1'ecran luminescent.

Dans 1'exemple de la figure 1, la première région 32 peut être considérée dans ce sens comme faisant partie de la région active.

La région active est adjacente à une ou plusieurs régions, dites régions de bordure. Les régions de bordure sont situées généralement à la périphérie de la region active et sont dépourvues de micropointes.

Sur la figure 1, une région 38, dépourvue de micropointes et de couche de grille, correspond à une région de bordure. La surface de la région de bordure est formée par la couche isolante 34.

Pour une description plus détaillée des sources d'électrons à cathodes émissives, et des écrans d'affichage qui en sont equipes, on peut se reporter aux documents 1, 2, [3] et [4] dont les références sont précisées à la fin de la présente description. Le document [4] décrit un tube à rayons X comportant une source d'electrons à micropointes.

En dépit de l'absence de cathodes émissives, c'est-a-dire de micropointes dans la region de bordure, on peut observer dans cette région une émission de

lumière parasite. Les mécanismes à l'origine de cette lumière parasite sont toutefois mal compris.

Expose de 1'invention Un but de la présente invention est de proposer une source d'électrons a cathodes émissives permettant d'éviter le problème évoqué ci-dessus, c'est-a-dire permettant de réduire fortement ou d'annuler le phénomène d'émission parasite dans la ou les régions de bordure.

Un autre but est de proposer une telle source d'électrons peu coûteuse à mettre en oeuvre et ne nécessitant pas d'étapes de procédé de fabrication supplémentaires par rapport aux sources classiques.

Un but est aussi de proposer des écrans d'affichage ou des tubes à rayons X équipés d'une telle source d'électrons.

Pour atteindre ces buts, 1'invention a plus précisément pour objet une source d'électrons a cathodes émissives présentant une premiere region, dite active, avec un support cathodique équipé d'elements a effet de champ, au moins une couche d'isolation et au moins une couche de grille, les couches d'isolation et de grille recouvrant dans l'ordre le support cathodique et entourant lesdits éléments à effet de champ. La source d'électrons présente par ailleurs une deuxième région, dite de bordure, périphérique à 1'ensemble de la première région et dépourvue d'elements a effet de champ. Conformément a 1'invention, la source d'électrons comporte en outre au moins une couche de matériau conducteur dite « couche-écran », isolée de la grille et disposée sur tout ou partie de la région de bordure.

La couche-écran constitue une électrode de protection contre des émissions parasites.

A ce sujet, on peut noter que la couche- écran, située en bordure de la région active se distingue fondamentalement des électrodes de refocalisation présentes dans certains dispositifs connus. En effet, les électrodes de refocalisation doivent être très proches des éléments à effet de champ. Elles sont donc généralement disposées dans la zone active et entourent individuellement les éléments à effet de champ.

La couche-écran de 1'invention, au contraire, entoure la région active prise dans son ensemble, et se situe à une distance des éléments à effet de champ qui n'autorise pas son utilisation comme moyen de focalisation. A titre d'exemple, les éléments à effet de champ situées au centre de la région active peuvent être distantes de plusieurs centimètres de la couche-écran.

Les cathodes émissives sont formées par les éléments à effet de champ qui sont par exemple des micropointes. Les éléments à effet de champ sont portes par le support cathodique, qui peut être agence de facon a former des colonnes d'adressage d'une matrice.

Le support cathodique peut être forme par une couche de matériau conducteur électrique, désignée dans la suite du texte par couche conductrice. Il peut également comporter, selon un mode de réalisation avantageux, une couche de matériau résistif tel qu'une couche de silicium qui relie la couche conductrice aux micropointes. Par ailleurs, la couche conductrice peut être découpée en une pluralité de pistes parallèles qui forment les colonnes d'adressage déjà évoquées. Dans ce cas, la couche de grille peut être également agencée sous forme de pistes sensiblement parallèles entre elles, formant un angle avec les pistes de la couche conductrice et formant des lignes d'adressage.

Généralement le support cathodique est dispose sur un substrat de base, par exemple en verre.

Il convient de préciser que la région de bordure peut être equipee ou non du support cathodique et/ou de la couche d'isolation mentionnées ci-dessus.

Ainsi, la couche-écran peut aussi être déposée directement sur le substrat de base, si celui-ci est isolant ou sur la couche d'isolation existant dans la région active et qui se prolonge alors dans la région de bordure.

La couche-écran permet d'éviter une accumulation localisée de charges à la surface de la couche isolante dans la ou les régions de bordure.

Elle réduit ainsi le risque de formation d'un arc électrique entre la couche isolante et un écran luminescent ou un écran émetteur de rayons X éventuellement associe à la source d'électrons. Une émission d'un rayonnement ou d'une lumière parasite est ainsi evitee.

L'efficacité de la couche-écran peut éventuellement être améliorée en la polarisant au potentiel du support cathodique. Ainsi elle peut être reliée au support cathodique soit directement, soit par l'intermédiaire d'un moyen de limitation en courant tel qu'une résistance électrique.

Selon d'autres possibilités, la couche-écran peut aussi être polarisée par une connexion à une masse ou une alimentation appropriée différente de la masse. Cette polarisation peut ou non avoir lieu par l'intermédiaire de moyens de limitation de courant.

De facon générale, on considère que la couche-écran est polarisée dans la mesure ou elle est reliée à un potentiel qui n'est pas flottant.

L'invention concerne également un dispositif d'affichage comportant une source d'électrons a cathodes émissives, et un écran luminescent formant

anode, garni d'au moins un matériau luminescent, et associe à la source d'électrons pour faire face aux cathodes émissives.

Selon la structure de 1'ecran luminescent, la couche-écran de la source d'électrons peut être située en face d'une région isolante de l'écran luminescent, en face d'une région conductrice polarisée à une tension d'accélération des électrons (anode) ou, en face d'une région conductrice de 1'ecran luminescent, reliée à une borne de tension cathodique, c'est-a-dire polarisée a une tension proche du potentiel de cathode.

La couche-écran peut aussi être située en face d'une pluralité de régions des différents types mentionnes ci-dessus.

Le choix de la structure retenue pour l'écran luminescent peut être adapte en fonction des tensions mises en oeuvre, afin d'augmenter l'efficacité de la couche-écran.

Enfin, 1'invention concerne également un tube d'émission de rayons X comprenant une source d'électrons à cathodes émissives, et une plaque d'anode, en un matériau capable d'émettre des rayons X en réponse à des impacts d'électrons, la plaque d'anode étant associée à la source d'électrons pour faire face aux cathodes émissives. Dans ce tube d'émission de rayons X, la source d'électrons est conforme à la description ci-dessus.

D'autres caractéristiques et avantages de 1'invention ressortiront de la description qui suit, en référence aux figures des dessins annexes. Cette description est donnée à titre purement illustratif et non limitatif.

Brève description des figures

La figure 1, déjà décrite, est une coupe schématique, simplifiée et partielle d'un dispositif d'affichage classique.

Les figures 2 et 3 sont des coupes schématiques, simplifiées et partielles d'un dispositif d'affichage conforme à 1'invention.

La figure 4 est une coupe schématique, simplifiée et partielle d'un tube a rayons X conforme à 1'invention.

Les figures 5 et 6 sont des vues de dessus simplifiées et a plus petite échelle de sources d'electrons conformes à 1'invention.

Description détaillée de procédés de mise en oeuvre de 1'invention Pour des raisons de simplification, les exemples décrits ci-apres se rapportent à des réalisations particulières dans lesquelles les éléments a effet de champ sont des micropointes.

L'invention telle que définie par les revendications ne se limite cependant pas à ces réalisations.

Des parties des figures 2,3 et 4, identiques, similaires ou équivalents à des parties de la figure 1 déjà décrite, sont repérées avec les mêmes références, pour en simplifier la lecture. On pourra donc, pour ces parties, se référer également à la description qui précède.

Par ailleurs il convient de souligner le fait que les figures ne représentent pas des dispositifs d'affichage réels, mais sont des vues simplifiées permettant de mettre en évidence les principales caractéristiques du dispositif.

La figure 2 montre un dispositif d'affichage avec un écran luminescent 12 associe à une source d'électrons 10. Une bordure 11 permet de sceller

l'écran sur la source d'électrons 10 de facon à maintenir une atmosphère contrôlée, telle qu'un vide par exemple, entre la source et l'écran.

La source d'électrons comporte une couche conductrice 26, en un matériau conducteur électrique, tel que le niobium par exemple, et une couche 28 en un matériau résistif, tel que du silicium amorphe dope.

Ces couches forment un support, appelé support cathodique 24, pour recevoir les micropointes 30 (dont une seule est représentée).

Les micropointes sont réalisées en un matériau émetteur d'electrons tel que le molybdène et sont électriquement connectées à la couche conductrice 26 par l'intermédiaire de la couche résistive 28.

Une couche isolante 34 recouvre la couche résistive 28 autour des micropointes.

Dans une première région 32 de la source, appelée région active, une couche de matériau conducteur tel que du niobium est formée sur la couche isolante de facon à entourer les micropointes. Cette couche forme une grille 36.

Dans une deuxième région 38, appelée région de bordure, le support cathodique est dépourvu de micropointes et entièrement recouvert par la couche isolante 34.

Dans cette région, conformément à 1'invention, une couche-écran 40 est formée à la surface de la couche isolante 34 tournée vers 1'ecran 12, de facon à la recouvrir au moins en partie.

La couche-écran est par exemple une couche de niobium, d'une épaisseur comprise entre quelques dizaines de nanomètres et quelques micromètres, de préférence 400 nm. Cette couche peut être formée par évaporation et être mise en forme par une gravure ionique réactive.

De façon avantageuse la couche-écran 40 et la grille 36 peuvent être réalisées par gravure dans une même couche initiale de matériau conducteur.

Seule une modification du masque de gravure utilise pour la formation de la source de la figure 1 est alors nécessaire pour séparer la couche-écran dans la région de bordure et la grille dans la region active.

Ainsi, aucune étape de procédé supplémentaire n'est requise.

La couche-écran est séparée de la grille dans la région active, d'une distance de l'ordre de 0,1 mm et peut s'étendre jusque sous la bordure de scellement 11.

La couche-écran peut être polarisée en la reliant à une borne de cathode K, telle que par exemple le support cathodique 24. Dans 1'exemple de la figure la couche-écran est polarisée par l'intermédiaire d'une résistance R représentée symboliquement.

Une pluralité de couche-écran disjointes peuvent être formées dans plusieurs régions de bordure adjacentes a la région active. Dans ce cas, les couche- écran sont de préférence portées à un même potentiel de polarisation.

Dans 1'exemple de la figure 2, les cathodes émissives de la région active sont tournées vers une couche de matériau luminescent 18 formée sur une couche conductrice transparente 16. La couche conductrice transparente et la couche de matériau luminescent sont déposées sur un support transparent 14 de facon déjà décrite en référence à la figure 1.

On observe toutefois que la couche de matériau luminescent 18 ne s'étend pas dans la région de bordure de sorte que la couche-écran 40 de la source 10 se trouve en vis-a-vis de la couche conductrice transparente 16 polarisée a un potentiel d'anode A.

La figure 3 montre une variante de réalisation du dispositif d'affichage dans laquelle à la fois la couche de matériau luminescent 18 et la couche conductrice transparente 16 sont limitées à la région active 32. Ainsi la couche-écran dans la région de bordure 38 fait face au matériau isolant et transparent du support 14.

Selon encore une autre variante, illustrée en trait discontinu mixte sur la figure 3, une couche conductrice 42 peut être formée sur le support 14 de l'écran 12 dans la région de bordure, pour faire face à la couche-écran 40 de la source d'électrons. Cette couche 42 peut être raccordée à une borne portée à un potentiel voisin ou égal au potentiel de cathode K.

La figure 4 est une vue schématique simplifiée d'un tube à rayons X comprenant une source d'électrons conforme à 1'invention.

La source d'électrons 10 est sensiblement identique aux sources décrites en référence aux figures 2 et 3 et on peut donc s'y référer.

L'écran luminescent 14 des figures 2 et 3 est cependant remplace par une plaque 15 de matériau conducteur électrique, tel que Mo ou Cr reliée au potentiel d'anode A.

Cette plaque lorsqu'elle est localement bombardée par des électrons provenant de la micropointe 10 (ou des autres micropointes non représentées) est capable d'émettre localement un rayonnement X.

La plaque 15 et la source d'électrons 10 sont contenues dans un tube 50, représenté schématiquement en trait discontinu, et dans lequel est établi un vide.

Les figures 5 et 6 sont des vues de dessus de sources d'electrons pouvant être utilisées dans des dispositifs conformes aux figures 2,3 ou 4.

Par analogie avec les figures précédentes, sur les figures 5 et 6, les références 28,32,34 et 40

désignent respectivement la couche résistive, la première région active comprenant les micropointes, la couche isolante et la couche-écran.

Les références 126 et 136 correspondent a des sorties de connexion des conducteurs cathodiques et/ou des grilles.

On peut observer sur les figures 5 et 6 que la couche-écran 40 peut se présenter en une (figure 5) ou plusieurs parties (figure 6).

Documents cites 1 « Microtips Fluorescent Display » de R. Meyer, A.

Ghis, PH. Rambaud et F. Muller, pages 513-516, Japan Display'86,30 Septembre-20 Octobre 1986, Tokyo 2 FR-A-2 702 869 3 US-A-5 191 217 4 Demande de brevet francais n° EN 97 07342 (Robert BAPTIST).