Brevet FR2194105A1 — publié le 19740222

La présente invention concerne la structure d'un générateur compact de plasma. Ce générateur est conçu en vue de son utilisation comme source de plasma pour le dépôt de couches minces sous vide. I1 a déjà été réalisé une source de plasma fonctionnant sous vide en système friode comprenant successivement une source d'élections diaphragmée formant la cathode, constituée par un filament chauffé placé en face d'un diaphragme circulaire, un générateur de champ électrostatique constitué par un cylindre métallique formant l'anode et une bobine entourant le cylindre anodique parcourue par un courant continu, donnant naissance à un champ magnétique notamment à l'intérieur du domaine limité par le cylindre anodique. Le système triode est complété par une cible maintenue à un potentiel fixé à l'avance. Selon certaines réalisations connues, la source d'électrons est fixée à la paroi de l'enceinte de travail à l'intérieur de celle-ci, Le cylindre anodique est également disposé dans ce cas à l'intérieur de l'enceinte et se trouve également fixé à la paroi de celle-ci. La bobine magnétique est alors si tuée à l'extérieur de l'enceinte. On voit que dans un tel système, les différents éléments du générateur de plasma sont mécaniquement indépendants les uns des autres et ne peuvent pas être déplacés simultanément. En outre, la pression qui règne dans l'espace situé entre la cathode et l'anode est celle du vide de l'enceinte de sorte qu'il est nécessaire d'élever la pression au sein de l'encein- te pendant la période d'amorçage qui doit se faire à une pression plus élevée. Selon une version plus élaborée, le générateur de plasma est placé à l'exté- rieur de l'enceinte dans une enceinte auxiliaire reliée à l'enceinte principale par une bride. Cette enceinte auxiliaire communique avec l'enceinte principale par un orifice de faible section, la source d'électrons est fixée à la paroi de l'enceinte secondaire. De même le cylindre anodique est également fixé à cette même paroi tandis que la bobine génératrice du champ magnétique continue à demeurer à 1 'extérieur des enceintes mises sous vide; enfin, la cible demeure fixée au sein de l'enceinte principale.Comme dans le montage précédent, il n'est pas possible de déplacer le générateur de plasma et la position des bobines placées à l'extérieur de l'enceinte à une certaine distance de l'anode cylindrique continue à disperser quelque peu le champ magnétique en dehors du cylindre anodique où son effet est particulièrement désirable. I1 a paru souhaitable à l'inventeur de réaliser un générateur de plasma sous forme d'un bloc indépendant de la forme, de la nature et de la position de la cible sur laquelle le plasma issu du générateur sera projeté; ce bloc pouvant être facilement déplacé au sein de l'enceinte sous vide afin de remplir plusieurs fonctions. I1 était donc nécessaire de réaliser un appareil suffisamment compact et robuste pour qu'il puisse être manipulé sans entraîner de déréglage. L'inventeur a pu ainsi constater après de multiples expériences que la superposition de l'axe du champ magnétique et de l'axe cylindrique anodique était indispensable et devait être rigoureusement conservée lors de toute manipulation du générateur de plasma. L'objet de l'invention est donc une structure de générateur de plasma pour tous dispositifs de dépôt de couches minces sous vide comprenant un bloc cathodique et au moins un bloc anodique, le bloc cathodique, supportant la cathode et le canal d'amenée du gaz de décharge, étant constitué par une enveloppe métallique cylindrique épaisse dans laquelle s'insère latéralement au moins un bloc anodique délimité intérieurement par une anode cylindrique dont l'axe est perpendiculaire à l'axe du cylindre formant le bloc cathodique caractérisé en ce que le bloc cathodique et le bloc anodique sont liés entre eux de façon rigide et en ce que le champ magnétique se composant à l'intérieur de l'anode cylindrique avec le chmp électrostatique de l'anode est créé par un moyen lié rigidement au bloc anodique. On conçoit qu'une liaison rigide du bloc anodique et du bloc cathodique assure en permanence une position rigoureusement constante du champ électrostatique par rapport à la cathode et définit ainsi de façon permanente la trajectoire des électrons issus de la cathode. Par ailleurs, dans un tel dispositif, le rôle du champ magnétique est particulièrement important puisque le champ doit se composer orthogonalement avec le champ électrique pour entraîner les électrons à décrire une spirale et augmenter ainsi leur probabilité d'ioniser le gaz de décharge. Dans ce type de générateur, la position exacte du champ magnétique exerce une dure influence très importante sur la richesse du plasma. L'axe de l'anode cylindrique est situé dans le même plan que l'axe du cylindre formant le bloc cathodique et lui est perpendiculaire. I1 a été réalisé des générateurs de plasma comportant deux blocs anodiques situés de part et d'autre du cylindre cathodique et se faisant vis-à-vis. Le flux d'électrons issus de la cathode se partage également entre les deux anodes en donnant naissance à deux plasmas dont les axes sont diamétralement opposés. Les essais ont montré qu'il était également possible de fixer sur le bloc cathodique trois ou quatre blocs anodiques disposés symétriquement par rapport à l'axe de la cathode. Le bloc anodique comprend en plus de l'anode, un logement concentrique destiné à inséré le moyen donnant naissance au champ magnétique. Ce moyen peut être constitué par un aimant permanent ou par une bobine. L'ensemble du générateur de plasma forme un bloc compact dégageant une quantité de chaleur importante notamment au niveau du filament du bloc cathodique lorsque le générateur de plasma est doté d'une source à cathode chaude. Le bloc étant maintenu sous vide, n'echange de la chaleur avec le milieu extérieur que par rayonnement. I1 est donc nécessaire de refroidir activement le générateur de plasma. Ce refroidissement est obtenu par une circulation d'eau au niveau de la cathode, de l'anode cylindrique et de la source de champ magnétique lorsque cette dernière est une bobine. Dans le cas où le générateur de plasma est monté en dehors de l'enceinte du vide, le logement de la source de champ magnétique n'est plus refroidi de l'extérieur en raison du contact thermique de celle-ci avec l'air ambiant qui peut alors évacuer une certaine quantité de chaleur par convection. Le générateur de plasma se présente comme un ensemble autonome, compact, fiable, indéformable, susceptible d'être mis en oeuvre pour tous types de dépôt sous vide, doté de ses entrées propres destinées à son alimentation en gaz de décharge, en électricité et en eau. Le dispositif selon l'invention a notamment été exécuté sous forme de deux réalisations particulières. Une première réalisation destinée à être introduite dans une chambre à vide où elle peut être utilisée à la mise en oeuvre de divers types de dépôt de couches minces sous vide, comporte une source d'électrons formée par un filament chauffant. Cependant le filament chauffant peut être remplacé sans sortir du cadre de l'invention par une source à cathode froide. Une autre réalisation destinée à être montée sur la paroi extérieure de l'enceinte à vide est ensuite décrite. Dans cette deuxième réalisation, la source d'électrons est une source à cathode chaude. La description ci-dessous, correspondant aux deux réalisations et aux dessins annexés est donnée à titre d'exemple nullement limitatif pour illustrer les caractéristiques de l'invention. La figure 1 représente schématiquement la coupe d'un générateur de plasma équipé d'une cathode chaude et d'une seule anode. La figure 2 représente schématiquement la coupe d'un générateur de plasma monté sur la paroi extérieure d'une enceinte à vide. Si l'on se rapporte à la figure 1, on voit que le générateur de plasma comprend deux blocs : le bloc cathodique 1, et le bloc anodique 2. Le bloc cathodique est constitué par un cylindre 3 à paroi épaisse renforcé par une enveloppe cylindrique 4 qui délimite avec la paroi extérieure du cylindre 3 un volume 5 en forme de couronne cylindrique contenant de l'eau de refroidissement alimenté par le conduit 6. Sur l'épaulement 7 du bloc cathodique vient reposer de façon étanche le bouchon 8 de la cathode dont le filament 9 est supporté par deux colonettes isolantes 10 et 10'. Les conducteurs traversent le bouchon 8 et se terminent par les sorties 11 et 12. Une résistance réglable (non représentée) permet de fixer ce potentiel de la cathode à une valeur différente de celle de la masse (paroi 3 ou 4). L'enveloppe cylindrique peut elle même être maintenue au potentiel de la masse. Elle peut également être laissée à un potentiel flottant. Un deuxième filament de secours (non représenté) peut être commuté instantanément à la place du filament cathodique 9, en cas de destruction du filament 9. Suivant l'axe du bloc cathodique, on dispose un canal 14 d'amenée de gaz de décharge, de l'argon par exemple. Suivant l'axe 15 - 15' contenu dans un même plan que l'axe du bloc cathodique et perpendiculairement à celui-ci, on fixe un bloc anodique comprenant une anode cylindrique 16 et le support 17 du moyen d'aimantation, ce dernier pouvant être constitué soit par un aimant permanent soit par une bobine torique 18. Dans l'exemple la bobine 18 est introduite sans jeu sur son support 17 avant la mise en place de la pièce 16 formant l'anode cylindrique. La pièce anodique 16 comprend par ailleurs un volume torique 20 contenant de l'eau de refroidissement alimenté par le canal 22 et une couronne métallique 21 formant blindage destinée à protéger la bobine 18 contre tout rayonnement thermique résultant des opérations de dépot de couche mince et contre toute action du plasma issu du générateur de plasma. Le canal 22 alimente également en eau de refroidissement le volume cylindrique 23 destiné à assurer l'evacuation de la chaleur provenant de la bobine 18. Il est clair à l'homme de l'art que la pièce 16 formant essentiellement l'anode cylindrique est montée avec une grande précision par rapport à la pièce 17 supportant la bobine 18 de façon à assurer une solidarité mécanique complète entre ces deux éléments qui sont ensuite assemblée rigidement avec le bloc cathodique 1. Les canalisations d'eau sont isolées électriquement de la masse et isolées entre elles. Les canalisations assurant la circulation de l'eau de refroidissement ont été mises en intercommunication dans certains modèles expérimentaux en vue de réaliser une homogénéisation des températures dans l'ensemble du générateur de plasma, on a alors un canal d'évacuation unique 24 de l'eau de refroidissement. Dans ce cas, une partie des canalisations est réalisée en matière isolante. Lorsque cette intercommunication n'est pas réalisée, l'eau de refroidissement du bloc anodique dispose d'une évacuation propre (non représentée). Pour augmenter la souplesse d'emploi de ce générateur, une ouverture est forée suivant l'axe 15-15' sur la partie opposée du cylindre cathodique par rapport au bloc anodique. Sur la figure 1, cette ouverture est fermée par un obturateur 25. Lorsque l'on désire réaliser un générateur de plasma fonctionnant simultanément suivant deux directions diamétralement opposées, il suffit de retirer l'obturateur 25 et de fixer un deuxième bloc anodique identique au bloc 2. Le fonctionnement du générateur dy plasma est clair : lorsque le régime permanent est atteint, la filament cathodique est entouré d'un volume obscur assez peu profond constituant l'espace où se produit la chute de tension cathodique (gaine de Crookes) au-delà de la gaine de Crookes se forme le plasma sous l'action des électrons accélérés dans l'espace de Crookes heurtant des atomes du gaz de décharge (argon) injecté par le tube 14. L'enrichissement du plasma s'effectue au sein du cylindre anodique où les électrons soumis à un champ magnétique longitudinal et à un champ électrostatique transversal ont tendance à osciller suivant des spirales centrées sur l'axe de l'anode. Les électrons rencontrent au cours de leurs oscilations les atomes de gaz neutre qu'ils ionisent. Il y a alors excès d'électrons dont une certaine fraction est captée par l'anode, donnant naissance à un courant anodique fort inr portant. Les tensions relativement faibles auxquelles sont portées la cathode et l'anode, entre lesquelles la différence de potentiel est en général comprise entre 50 et 250 V, n'entraînent aucune dégradations du cylindre anodique. Pour l'amorçage du générateur, il est nécessaire d'avoir dans l'espace cathode-anode, une pression plus élevée que celle qu'il est souhaitable de maintenir dans l'enceinte de dépôt des couches minces. En assurant l'étanchéité à la jonction entre le bouchon 8 portant la cathode et l'épaulement 7 du cylindre cathodique, on augmente la pression régnant dans ltespace cathode-anode alimentée en gaz de décharge, on obtient donc en tous temps un amorçage facile du plasma dans le générateur sans qu'il soit nécessaire de faire remonter la pression dans toute l'enceinte et sans qu'il soit utile d'utiliser une électrode d'amorçage auxiliaire. Lorsque l'on désire remplacer la source d'électrons thermiques, on sépare le chapeau 8 porte cathode pour lui substituer un chapeau portant une cathode formée avec un autre filament. Dans certains cas il apparaît avantageux de remplacer la source d'électrons thermiques pour-une source d'électrons à cathode froide.La source à cathode froide munie de ses alimentations en tension est montée sur un chapeau identique au chapeau 8, elle est supportée comme dans le cas précédent par 2 colonnettes telles que 10 et 10' qui déterminent de façon parfaitement précise sa position dans l'espace. La source d'électrons à cathode froide utilisée par l'inventeur est constituée suivant un schéma connu de l'homme de l'art par deux électrodes concentriques entre lesquelles on maintient une différence de potentiel relativement élevée en présence d'un champ magnétique crée par un aimant permanent. La figure 2 permet d'illustrer la description d'un générateur de plasma monté sur la paroi latérale 50 d'une enceinte située à la droite de cette paroi. Comme précédemment le générateur de plasma comporte un bloc cathodique 51 très massif sur lequel viennent se fixer les éléments constituant le bloc anodique. La paroi 53 du bloc cathodique comporte comme précédemment un canal d'entrée 56 de l'eau de refroidissement. Les colonnettes 60 et 60' supportent un filament cathodique 59 à travers un bouchon 58. Les bornes d'entrée du courant 61 et 62 demeurent inchangées par rapport au cas général. Suivant un axe 65 - 65' situé dans le même plan que l'axe cylindrique cathodique et perpendiculairement à celui-ci, on dispose une anode métallique cylindrique. Un deuxième cylindre 67 extérieur au cylindre anodique prend appui sur un épaulement 54 du cylindre 53. Les cylindres 66 et 67 sont rendus étroitement solidaires du bloc cathodique 51. La bobine ou l'aimant permanent 68 est rendu solidaire du cylindre 67. L'alimentation en eau 56 alimente une couronne cylindrique entourant le cylindre anodique. D'autre part un canal 74 alimenté en eau par une couronne cylindrique 73 en contact étroit avec le bloc cathodique par l'épaulement 54 ainsi qu'avec le logement de la bobine 68. Le bloc cathodique 53 étant réalisé en métal conducteur et se trouvant placé au contact de l'air peut éliminer une partie de sa chaleur par convection dans l'air ambiant et l'autre partie par conduction par l'épaulement 54. La bobine élimine également sa chaleur par convection dans l'air. L'entrée du gaz de décharge se fait suivant en 64 l'axe 65-65'. La fixation du générateur de plasma à la paroi extérieure de l'enceinte est obtenue grâce aux brides 71 et 72, l'étanchéité étant maintenue grâce au joint torique 76. Bien que les dispositifs qui viennent d'être décrits paraissent être les plus avantageux pour la mise en oeuvre de l'invention, on comprendra que diverses modifications puissent lui être apportées sans sortir du cadre de celle-ci, notamment en utilisant un autre type de source à cathode froide ou un autre mode de fixation ou d'étanchéité de la source d'électrons, ou un type d'aimants différent mais exerçant toujours la même fonction technique visant à combiner dynamiquement au niveau de l'anode l'action du champ électrostatique et du champ magnétique pour allonger la trajectoire des particules chargées électriquement. REVENDICATIONS 1/ Structure de générateur de plasma pour tous dispositifs de dépôt de couches minces sous vide comprenant un bloc cathodique et au moins un bloc anodique, le bloc cathodique,supportant la cathode et le canal d'amenée du gaz de décharge, étant constitué par une enveloppe métallique cylindrique épaisse dans laquelle s insère latéralement au moins un bloc anodique délimité intérieurement par une anode cylindrique dont l'axe est perpendiculaire à l'axe du cylindre formant le bloc cathodique caractérisé en ce que le bloc cathodique et le bloc anodique sont liés mécaniquement entre eux de façon très rigide et en ce que le champ magnétique se composant à l'intérieur de l'anode cylindrique avec le champ électrostatique de l'anode est crée par un moyen lié rigidement au bloc anodique. 2/ Structure de générateur de plasma pour tous dispositifs de dépôt de couches minces sous vide selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'elle comprend un bloc cathodique alimentant deux blocs anodiques identiques disposés symétriquement par rapport au bloc cathodique suivant un axe perpendiculaire à l'axe du cylindre cathodique. 3/ Structure de générateur de plasma pour tous dispositifs de dépôt de couches minces sous vide selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend un bloc cathodique alimentant plus de deux blocs anodiques identiques disposés symétriquement par rapport à l'axe du bloc cathodique dans un plan perpendiculaire à l'axe du bloc cathodique. 4/ Structure de générateur de plasma pour tous dispositifs de dépôt de couches minces sous vide selon la revendication 1, caractérisée en ce que le bloc cathodique comprend une cathode chaude. 5/ Structure de générateur de plasma pour tous dispositifs de dépôt de couches minces sous vide selon la revendication 1 caractérisée en ce que le bloc cathodique comprend une cathode froide. 6/ Structure de générateur de plasma pour tous dispositifs de dépôt de couches minces sous vide selon la revendication 4, caractérisée en ce que le potentiel de la cathode est fixé par rapport à celui de la masse par l'intermédiaire d'une résistance réglable. 7/ Structure de générateur de plasma pour tous dispositifs de dépôt de couches minces sous vide selon la revendication 1, caractérisée en ce que le potentiel de l'enveloppe métallique du générateur est maintenue au potentiel de la masse. 8/ Structure de générateur de plasma pour tous dispositifs de dépôt de couches minces sous vide selon la revendication 1, caractérisée en ce que le potentiel de l'enveloppe métallique du générateur est laissé flottant. 9/ Structure de générateur de plasma pour tous dispositifs de dépôt de couches minces sous vide selon la revendication 5, caractérisée en ce que la cathode comprend deux filaments cathodiques commutables. 10/ Structure de générateur de plasma pour tous dispositifs de dépôt de couches minces sous vide selon toutes les revendications 1 à 8, caractérisée en ce que le moyen donnant naissance au champ magnétique au sein du bloc anodique est une bobine liée rigidement audit bloc anodique et dont l'axe est confondu avec l'axe du bloc anodique. 11/ Structure de générateur de plasma pour tous dispositifs de dépôt de couches minces sous vide selon toutes les revendications de 1 à 8, caractérisée en ce que le moyen donnant naissance au champ magnétique au sein du bloc cathodique est un aimant permanent lié rigidement au bloc anodique.