R´ esum´ e des r´ esultats de d´ etection/correction

Ces techniques d’analyse de d´efaillance et de r´eparations des d´efauts ont ´et´e mises en œuvre sur les cathodes `a grille. En particulier, la m´ethode utilis´ee syst´ematiquement avec les meilleurs r´esultats est celle de la thermographie IR suivie des r´eparations par laser.

Isolation des r´eseaux de micro-vias

Celle-ci a commenc´e `a ˆetre mise en œuvre d`es la premi`ere g´en´eration de cathode (G1), c’est-`a-dire des cathodes `a r´eseau peu dense et sans couche de pSi entre SiO2 et TiN.

Elle a ensuite ´et´e poursuivie et d´evelopp´ee pour les g´en´erations suivantes, `a r´eseau peu dense avec une couche conductrice de pSi sous la couche de TiN (G2), puis pour les r´eseaux denses (G3). La figure 3.47 montre les r´esultats d’isolation Rsubstrat/grille qui

ont pu ˆetre obtenus pour ces diff´erentes g´en´erations grˆace au protocole appliqu´e.

Figure 3.47: R´esistance substrat/grille des cathodes apr`es r´eparations en fonction de leur r´esistance initiale apr`es la coupure du fusible apr`es croissance. La taille des cercles

indique le nombre de r´eparations effectu´ees.

La premi`ere g´en´eration G1 (rouge) a pu mettre en ´evidence l’apport de la m´ethode analyse/r´eparation pour isoler les cathodes `a grille, avec des am´eliorations de plusieurs

Chapitre 3. Fabrication des cathodes commutables 133

ordres de grandeur. Nous avons ainsi atteint des r´esistances de l’ordre de 108Ω `a plusieurs dizaines de volts, soit un courant de fuite de 100 nA. Toutefois, ces isolations n’´etaient pas suffisantes pour assurer les rapport On/Off vis´es. De plus, les cathodes G1 se sont r´ev´el´ees assez sensibles aux claquages de surface sous polarisation (|Vbias| > 30V ). Nous

avons donc ajout´e une couche de pSi pour am´eliorer la conductivit´e de la surface et augmenter la tension de claquage.

Pour ces cathodes G2 (bleu), aucune isolation n’existait avant r´eparation (R_{substrat/grille} ≈1 kΩ apr`es croissance). Pour moins de 10 d´efauts d´etect´es et r´epar´es, une isolation de 1 GΩ `a 40 V ´etait obtenue quasi syst´ematiquement. Cependant, l’ana- lyse par point chaud est limit´ee par la puissance dissip´ee dans le d´efaut (on peut d´etecter jusqu’`a 1µW). De plus, le montage cr´ee lui aussi un courant parasite. Par cons´equent, il est difficile d’obtenir des courants de fuite inf´erieurs `a 40 nA `a 40-50 V. L’isolation individuelle de ces cathodes demande environ 1 h.

On pourra remarquer que pour les g´en´erations G1 et G2, quelques cathodes ´etaient plus ou moins isol´ees avant toute r´eparation. Au contraire, la g´en´eration G3 `a r´eseau dense ´

etait syst´ematiquement en court circuit (`a 0 V) apr`es croissance (plusieurs dizaines d’autres cathodes, non repr´esent´ees ici, ont ´et´e crues mais avaient un nombre de d´efauts trop important pour ˆetre r´epar´ees raisonnablement). Au vu du plus grand nombre de motifs d’´electrode dans le r´eseau, le nombre de r´eparations a explos´e pour les G3. Il est n´ecessaire d’identifier et de r´eparer plusieurs centaines de d´efauts (>500) pour obtenir des isolations d’environ 1 GΩ `a 40 V. La dur´ee consacr´ee `a l’isolation d’une seule de ces cathodes se compte en jours (environ 1 semaine pour 500 r´eparations).

En cons´equences, l’apport de la m´ethode d´evelopp´ee ici avec analyse de d´efaillance par thermographie IR associ´ee `a la destruction des d´efauts par laser, est incontestablement le point cl´e de la fabrication des cathodes `a grille, sans lequel aucune caract´erisation ´

electrique ne serait possible. La s´electivit´e des destructions r´eparatrices permet d’at- teindre un haut niveau d’isolation sans d´egrader la cathode, de sorte qu’elle devient op´erationnelle pour l’´emission. Pourtant, cette technique montre ses limites lorsque le nombre de r´eparations devient trop important, en particulier parce que le temps de r´ealisation devient d´emesur´e. Nous avons ainsi r´eussi `a isoler la majorit´e des cathodes `

a r´eseau peu dense avec des isolations de plusieurs gigaohms pour quelques d´efauts, tandis que tr`es peu de cathodes `a r´eseau dense ont pu ˆetre isol´ees au prix d’un travail laborieux.

Tenue en tension des structures couronnes

Lorsque les cathodes sont isol´ees, les cathodes devront r´esister `a des sollicitations en tension. On cherche `a savoir quelle tension maximale elles peuvent supporter avant de claquer. Comme il a ´et´e mentionn´e au Chapitre 2, la structure de micro-vias met en jeu deux types d’isolation : une isolation volumique entre la grille en face avant et le substrat en face arri`ere s´epar´ee par la silice ; et une isolation surfacique entre la grille et l’´electrode de contrˆole en face avant isol´ees par du vide (gravure).

Chapitre 3. Fabrication des cathodes commutables 134

Pour tester la tenue en tension volumique de nos substrats, nous avons polaris´e des substrats pleine couche Si/SiO2 (1 µm)/pSi sans vias (Figure 3.48). Afin d’ˆetre le

moins d´ependant possible des contraintes apport´ees par les proc´ed´es de fabrication (temp´erature, plasma), les substrats ont d’abord subi les proc´ed´es de croissance et de recuit thermique. Les ´echantillons test´es ont ensuite tenu sans d´egradation une polari- sation de 400 V (±200V appliqu´es sur la face avant/arri`ere). L’isolation volumique ne semble donc pas ˆetre la plus critique.

Figure 3.48: Mesure du courant de fuite avec la tension de polarisation les substrats Si/SiO2/pSi.

Pour les isolations surfaciques, la tension de claquage devrait ˆetre plus sensible et de- vrait d´ependre de la g´eom´etrie du motif d’isolation (largeur d’isolation Λ, taille de l’´electrode R, pr´esence d’angle, pr´esence de protrusions due `a la gravure). Nous avons donc test´e diff´erentes tailles de motifs circulaires d’´electrode (variation de R et de Λ) sur des substrats `a micro-vias, ayant vu le process complet d’une cathode (du d´epˆot TiN/Ni jusqu’au recuit thermique). Chaque motif, au pas de 100 µm, a ´et´e observ´e par MEB avant le test en tension (Figure 3.49).

Figure 3.49: Image MEB a) d’une structure circulaire test´ee en tension et b) de l’isolation du motif au laser.

Chacun est isol´e post-croissance par laser au centre d’un carr´e de 50x100µm2. La pola- risation se fait en appliquant une tension entre la face arri`ere de l’´echantillon (connect´ee `

a l’´electrode de contrˆole par via) et la surface de grille isol´ee. Pour chaque motif, la tension est mont´ee jusqu’`a observer le claquage par destruction de la structure. On se

Chapitre 3. Fabrication des cathodes commutables 135

limite `a une tension de 200 V. Les r´esultats sont pr´esent´es Figure 3.50 en prenant en compte le rayon de l’´electrode R, la largeur de l’isolation Λ, le rapport Λ/R, ou le rayon ext´erieur R + Λ.

Figure 3.50: Tenue en tension selon la largeur de l’isolation Λ de l’´electrode. Le chiffre entre parenth`ese dans la l´egende indique le nombre de motifs test´es.

Sur les 600 motifs test´es, quelle que soit leur g´eom´etrie, aucun claquage n’est observ´e avant 40 V. De 41 `a 200 V, moins de 10% des motifs ont claqu´e. Autrement dit, mˆeme pour des tailles caract´eristiques R ou Λ < 1µm, la structure d’´electrode circulaire sur son via est capable de supporter 200 V dans 90 % des cas. De plus, on remarquera ´

etonnamment qu’aucune corr´elation ne peut ˆetre faite entre la tension de claquage et les dimensions de l’´electrode. D’apr`es ces r´esultats, diminuer la taille des ´electrodes ne serait donc pas critique vis `a vis de la tenue en tension des structures.

N´eanmoins, il faut rester prudent. En effet, ces r´esultats on ´et´e obtenus sur des motifs individuels sans nanotubes. Les r´eseaux entiers test´es sur des cathodes effectives ont quant `a eux montr´e un comportement en polarisation tr`es diff´erent, avec l’apparition de claquage d`es 50 V pour des motifs plus grands (R = 3µm, Λ = 3µm). Pour expliquer ces diff´erences de comportement, on peut suspecter un effet de proximit´e des vias puisque ceux-ci sont espac´es d’au maximum 20 µm sur les r´eseaux peu denses (et de 8 µm sur les r´eseaux denses). L’effet collectif peut ˆetre dˆu `a la densit´e de vias (distance entre vias), `a la largeur de grille entre motifs (bord `a bord), `a un ph´enom`ene de propagation

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(destruction d’une zone enti`ere ou des plus proches voisins) ou encore au nombre de vias (effet statistique).