L'invention concerne une source d'électrons et son procédé de réalisation .

L'invention s'applique au domaine des microcathodes à effet de champ et elle permet d'obtenir sur toute la surface des dispositifs en question une émission électronique constituée de faisceaux parallèles issus de chaque micropointe .

L'invention consiste en l'interposition d'une deuxième électrode, coplanaire à l'électrode de grille, dont la polarité est adaptée de façon à permettre la focalisation de chaque microfaisceau.

La figure la montre le schéma de principe d'une microcathode à effet de champ . Du fait des faibles dimensions de g la structure de base, on peut regrouper quelques 10 éléments identiques à celui de la figure la par cm ² (voir figure lb) , ce qui peut présenter des avantages pour la fabrication de canons à électrons en particulier. Un des inconvénients de ce type de microcathode réside toutefois dans l'ouverture importante du faisceau émis au niveau de chaque pointe . La figure 2 schématise cette situation. Du fait de cette ouverture importante au niveau de chaque micropointe, il apparaît extrêmement délicat de pouvoir focaliser (voir figure 3) ou traiter les faisceaux d'électrons émis à partir d'un réseau de telle microcathodes, ce qui limite leur intérêt pratique .

Afin de résoudre ce problème, il a été proposé d'adjoindre à la structure de la figure la une deuxième électrode de grille située au dessus de la première et portée à un potentiel inférieur, de façon à rendre parallèle (à quelques aberrations près) le faisceau extrait de chaque micropointe (voir figure 4) . De cette façon, on peut envisager la focalisation de l'ensemble des faisceaux émis par un réseau de microcathodes, à l'aide d'une optique électronique classique (voir figure 5) .

Un des inconvénients de la structure présentée sur la figure 4 est que la deuxième électrode est superposée à la grille d'extraction et isolée par un deuxième diélectrique D2 qui doit sensiblement présenter une épaisseur équivalente au diélectrique de grille Dl compte tenu des tensions de focalisation susceptibles d'être utilisées . Pour des diamètres de grille de l'ordre du micron, il peut y avoir (du fait de l'ouverture importante du faisceau émis) interception d'une fraction non négligeable du courant émis au niveau de chaque micropointe à la fois par le diélectrique D2 supportant l'électrode de focalisation G2 et par cette même électrode de focalisation. En ce qui concerne le diélectrique D2, ceci peut conduire d'une part à des problèmes d'émission d'électrons secondaires qui viendraient parasiter le faisceau principal et d'autre part à des problèmes d'apparition de charges électrostatiques localisées susceptibles de déformer localement chaque microfaisceau émis . En ce qui concerne l'électrode de focalisation G2, l'interception de trop de courant pourrait tout simplement conduire à sa destruction. Une façon de remédier au problème est, bien sûr, de disposer l diélectrique D2 et l'électrode G2 en retrait par rapport à l'ouverture de grille, comme le représente la figure 6.

Cependant, contrôler uniformément ce retrait sur des surfaces importantes (de l'ordre d'un à quelques centimètres carrés) ne semble pas si aisé à obtenir et la présente invention est une solution différente permettant de résoudre ce problème de focalisation.

L'invention concerne donc une source d'électrons comportant sur un substrat une couche diélectrique comprenant au moins une cavité dans laquelle est située une électrode de cathode en forme de saillie, une première électrode de grille étant située sur la face supérieure de la couche diélectrique et entourant au moins partiellement la cavité, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins une deuxième électrode de grille située du même côté que la première électrode de grille par

rapport à la face supérieure de la couche diélectrique, la première électrode de grille étant située entre la cavité et la deuxième électrode de grille .

L'invention concerne également un procédé de réalisation de sources d'électrons, caractérisé par le fait que l'on dépose au moins une couche de matériau diélectrique sur un substrat que l'on grave au moins une cavité dans la couche déposée, et que l'on forme par croissance sur le substrat une électrode cathode en saillie au fond de chaque cavité, une première électrode de grille étant formée sur la couche de matériau diélectrique autour de chaque cavité et une deuxième électrode de grille étant formée autour de la première électrode de grille .

Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre et dans les figures annexées qui représentent :

- les figures la à 6, des techniques connues déjà décrites dans ce qui précède ;

- la figure 7, un exemple de réalisation d'une source d'électrons selon l'invention ;

- les figures 8a à 8k, différentes étapes d'un procédé de réalisation selon l'invention ;

- la figure 9, un exemple de montage de commande d'une source selon l'invention ; - les figures 10a à lOd, des étapes d'un procédé de réalisation d'une variante selon l'invention ;

- la figure 11, une variante d'une source d'électrons selon l'invention ;

- les figures 12a à 12e, une variante du procédé de réalisation selon l'invention ;

- les figures 13a et 13b, des exemples de courbes d'émissions dans un dispositif selon l'invention .

On propose , selon l'invention, l'utilisation d'une électrode de focalisation non plus superposée à l'électrode de grille comme sur les figures 4 ou 6 , mais des électrodes

coplanaires, comme le représente la figure 7. Les électrodes coplanaires sont les électrodes de grille VGl et VG2 situées sur la couche de diélectriques et entourant la cavité CA dans laquelle est située une microcathode MP. La grille VGl sert de grille d'extraction des électrons et la grille VG2, de grille de ocalisation .

Selon une variante de réalisation, la deuxième électrode de grille VG2 entoure partiellement la première électrode de grille VGl. Selon une autre variante, la deuxième électrode de grille VG2 entoure entièrement l'ensemble cavité CA et la première électrode VGl.

On va décrire un procédé de fabrication auto aligné pour un tel dispositif .

On part d'un substrat 1 typiquement de silicium (100) ou (111) sur lequel on dépose successivement une couche 2 de Si„ ₄ (0, 1 μm d'épaisseur) , une couche 3 de Si0„ {1 μm d'épaisseur) et une couche 4 de silicium polycristallin très dopé (quelques 10 ohm. cm) à petit grains, c'est-à-dire obtenu par un procédé CVD (Chemical Vapor Déposition) à basse température (et donc de préférence à pression réduite, typiquement dans la gamme des 10 - 300 tor s) .

On obtient les couches représentées en figure 8a. On notera que l'on pourrai aussi utiliser comme substrat de départ une plaquette de silicium type SOI (Silicon o Insulation) obtenue par un procédé de type SIMOX (en pratiquant une double implantation ionique d'azote, puis d'oxygène) ou bien par un procédé de rpcristallisation en phase liquide (pour des détails sur ces différents procédés, on pourra consulter IEEE Circuit and De vice Magazine, volumes 3 et 4, juillet et novembre 1987) .

L'avantage d'une plaquette SOI est que le silicium sur isolant est monocristallin. La suite du procédé sera décrite en supposant que l'on part d'un dépôt de silicium polycristallin .

On grave dans la couche 4 de silicium sur isolant 3 le motif représenté sur les figures 8b et 8c en coupe et en vue de

dessus . Ceci sera la seule étape de masquage du procédé (voir ci-après) . On procède ainsi à une gravure d'au moins une première ouverture H01 dans la couche de matériau semiconducteur ou conducteur 4 et d'une seconde ouverture H02 entourant la première ouverture H01 , la largeur de la gravure de la première ouverture étant supérieure à celle de la gravure de la deuxième ouverture . On remarquera qu 'il ne s'agit pas de gravure submicrόnique et que par conséquent, l'opération préalable de lithographie peut s'effectuer de façon optique

10 classique, ce qui représente un avantage .

On décrira ultérieurement une variante du procédé nécessitant par exemple un masquage électronique .

On pratique ensuite une opération de dépôt sélectif de silicium . - Cette opération s'effectue par CVD en utilisant un mélange de SiH . + HC1 ou bien SiH„ Cl„ + HC1 comme gaz réactifs . Si l'on dépose du polycristal , on opérera à basse température et donc de préférence à pression réduite . Cette opération est représentée sur la figure 8d . 0 On oxyde le dépôt obtenu , de façon à faire rejoindre

(par de la silice) les intervalles les plus faibles (voir figure 8e) , mais en laissant des ouvertures régulièrement espacées aux endroits de plus grandes dimensions . Le masque des figures 8a et 8c est adapté à cet effet (dimensions typiques de 1 , 5 et 2 μm 5 respectivement) .

Une variante représentée à In Figure 8f consiste à utiliser une couche de silicium de départ plus épaisse (par exemple 1 μ.m) et à effectuer directement une gravure submicronique (gravure de 0, 5 μm par exemple) aux endroits où l'on veut que les deux fronts d'oxydation se rejoignent . On obtient après oxydation une structure similaire à celle de la figure 8e . L'inconvénient est l'obligation d'utiliser l'étape de masquage électronique associée à l'obtention de motifs submicroniques (gravtzres de 0, 5 μm) ; par contre on peut ainsi éviter l'étape d'épitaxie sélective de la figure 8d .

On effectue ensuite une opération de gravure ionique réactive (RIE) en utilisant comme masque le Si0„ précédemment formé. La gravure est arrêtée lorsque des pavés de poly-Si deviennent apparents (figure 8g) .

On effectue ensuite une attaque chimique dans un bain de HF tamponné, de façon à réaliser, dans la couche d'isolant 3, les logements représentés sur la figure 8h. Dans le même temps , la silice réalisée lors de l'oxydation précédente (figure 8c) est éliminée de la partie supérieure.

On repratique ensuite une légère oxydation des pavés de silicium polycristallin, de façon à passiver les surfaces cristallines (figure 8i) .

On notera que le substrat de Si protégé par la couche de Si-N- n'est pas oxydé lors de ce traitement. On élimine dans les logements le Si, ₄ (P ^ar attaque sélective avec K PO . par exemple) , de façon à mettre à nu localement le substrat de Si (figure 8j) .

On effectue ensuite dans les micrologements préalablement définis et à partir des germes de substrat mis à nu une croissance cristalline facettée et localisée, en conditions d'épitaxie sélective (voir figure 8k) . Ce type d'opération est décrit en détails dans les demandes de brevet français n° 88 03949 et 89 03153. Par exemple, cette épitaxie peut être faite dans un réacteur MOCVD (Metalorganic Chemical Vapor Déposition : Epitaxie en phase vapeur d'organométalliques) à pression réduite.

A titre d'exemple, pour un substrat en silicium, cette croissance peut se faire par épitaxie sélective dans un réacteur CVD à une température comprise entre 900 et 1100° C en utilisant un mélange gazeux comportant du SiH. + HC1 ou SiH„CL + HC1 dans l'hydrogène porteur. Pour un substrat en AsGa, cette épitaxie sélective peut se faire entre 600 et 800°C dans un réacteur VPE en utilisant un mélange gazeux comportant du AsC dilué dans H„ et une source de gallium solide .

Lorsque le facettage de la pointe cathode à obtenir ne

permet pas d'obtenir de plans (111) , on procède à une attaque chimique sélective ultérieure de la pointe de façon à obtenir ce facettage (111) .

On élimine ensuite la SiO_ de passivation, de façon à obtenir la structure représentée sur la figure 9 où sont aussi indiquées les polarisations nécessaires .

On peut aussi effectuer dans les micrologements de la figure 8j une croissance cristalline de type "whiskers" , telle que décrite dans la demande de brevet français n° 90 02258 du 23.02.90. Pour ce faire, on déposera préalablement dans les micrologements une mince couche d'or ou de gallium ou de tout autre matériau connu de l'Homme de l'Λrt et susceptible de réaliser une composition eutectique avec le silicium. Ce dépôt peut s'effectuer de la façon représentée sur les figures 12a à 12e . On commence par déposer de façon uniforme une couche d'or par exemple, en utilisant un procédé tel que pulvérisation cathodique ou bien évaporation sous vide (figure 12a) . On dépose ensuite une résine (genre photorésist) liquide, l'opération pouvant être précédée d'un traitement tensio-actif (a l'aide d'un "primer" ) afin de permettre à la résine de bien pénétrer dans les micrologements (figure 12b) . Cette résine est ensuite polymérisée à 70 - 120 °C suivant le type .

On effectue ensuite une attaque de la résine dans un plasma à base d'oxygène, de façon à l 'éliminer de la partie supérieure du dispositif , mais en la conservant dans les micrologements , de façon à protéger le film d'or en contact avec le substrat (figure 12c) .

On élimine (à l'aide d'une solut ion I„/KI par exemple) l'or de la partie supérieure du dispositif , le film au contact du substrat (et masqué par la résine) étant protégé (figure 12d) .

On élimine ensuite la résine (à l'aide d'un solvant approprié) dans les micrologements et l'on est maintenant prêt à effectuer une croissance de type "whiskers" telle que décrite dans la demande de brevet français n° 90 02258.

On va maintenant décrire une variante permettant

d'obtenir une structure légèrement différente, améliorant la focalisation du faisceau d'électron émis par chaque micropointe .

Cette variante est décrite sur la figure 10.

On part de la structure de la figure 8g, et l'on commence par oxyder légèrement la polysilicium superficiel (figure 10a) .

On effectue un second masquage de façon à éliminer cet oxyde sur les plots de type VG2 (voir figures 10b) .

On remarquera que cette opération de masquage n'est pas particulièrement délicate, car elle ne nécessite pas un alignement précis . Il suffit en effet que les deux plots VGl adjacents aux plots du type VG2 soient masqués . La frontière du masque peut tomber un peu n'importe où sur la silice séparant les plots VG2 et VGl . Une fois les plots de type VG2 mis à nu (les plots de type VGl étant toujours masqués par de la silice) , on effectue une deuxième opération d'épitaxie sélective (telle que décrite en relation avec la figure 8d) de façon à obtenir la structure représentée à la figure 10c. Le plan supérieur du plot de type VG2 est surélevé par rapport au plan supérieur des plots de type VGl. On a de plus obtenu au cours de cette opération une croissance latérale de VG2 , équivalente à la croissance verticale (0, 5 μm sur la figure 10c) .

On élimine ensuite la silice de la partie supérieure située entre les plots VGl et VG2 tout on pratiquant l'opération de formation des micrologements (figure 10 ) .

On est ensuite amené à effectuer la suite des opérations décrites en relation avec les figures 8i à 8k, de façon à obtenir une structure finale telle que représentée sur la figure 11.

Les figures 9 et 11 représentent également des exemples de montages électriques du dispositif selon l'invention.

Le disposit if de la figure 11 a été complété par une anode A dispesée en vis-à-vis des micropointes telles que MP . Une émission d'élecl rons peut avoir donc lieu entre une

micropointe MP et l'anode A .

Pour cela, une ou plusieurs sources de tensions appliquent des potentiels déterminés à une micropointe MP une grille VGl, une grille VG2 et à l'anode Λ . Par exemple, si une micropointe est mise à un potentiel de référence VR, les mitres potentiels sont respectivement les suivantes ;

- grille VGl : potentiel supérieur au potentiel de référence VR ; - grille VG2 : potentiel inférieur au potentiel référence VR;

- anode A : potentiel supérieur à celui de VGl .

Dans ces conditions, on va obtenir, par exemple , une focalisation, sur l'anode, d'un faisceau d'électrons émis par une micropointe ou bien un faisceau parallèle .

Il a été obtenu par modélisation un faisceau d'électrons parallèle tel que représenté en figure 13a avec les conditions de tensions suivantes :

- micropointe MP : à 0 volts - grille VGl : 100 volts

- grille VG2 : -50 volts

- anode A : 110 volts

Il a été également obtenu un faisceau focalisé tel que représenté en figure 13b avec les conditions suivantes : - micropointe MP : 0 volts

- grille VGl : 100 volts

- grille VG2 : -60 volts

- anode A : 110 volts

Il est bien évident que la description qui précède n'a été faite qu'à titre d'exemple et que d'autres variantes peuvent être envisagées sans sortir du cadre de l'invention. Notamment l'ordre des opérations des procédés décrits peut être changé et les types de matériaux utilisés peuvent être différents de ceux indiqués précédemment, par exemple on peut utiliser tout autre matériau semiconducteur que le silicium . Les dimensions des

couches et des gravures ainsi que les conditions opératoires peuvent être changées .