Brevet FR2297452A1 — publié le 19760806

La présente invention concerne un dispositif de contrôle du balayage d'une cible par un faisceau de particules, Le bombardement d'une cible par un faisceau de particules (ions, atomes, molécules, atomes neutres, électrons, etc.) est utillsé dans de nombreuses applications telles que la pulvérisation d'une cible, les séparations d'isotopes, l'implantation ionique et l'irradiation, l'usinage ionique etc. Pour toutes ces applications, on dispose souvent d'un faisceau de dimension inférieure à celle de la cible à bombarder.C'est pourquoi, pour irradier la totalité de la cible, on balaie la cible à l'aide du faisceau de façon à en bombarder toute la surface. I1 importe que le balayage donne un bombardement de la cible homogène et uniforme et le dispositif selon l'invention permet le contrôle du balayage, et éventuellement l'asservissement, de l'émission de la source émettant le faisceau de particules,au balayage, de façon à obtenir un bombardement homogène et uniforme. La présente invention s'applique à tous les systûmes de balayage du faisceau, que la cible soit fixe ou mobile. Dans le cas de cibles immobiles, et pour des faisceaux de particules chargées, le système de déflexion permettant le balayage peut être électrostatique, magnétique, électromagnétique ou mécanique. Le balayage peut être également réalisé par des mouvements de la cible, le faisceau étant de direction fixe ; l'invention s'applique de même à tout dispositif combinant les deux déplacements précédents. Plus précisément, le dispositif de contrôle de balayage d'une cible par un faisceau de particules, selon l'in vention, -comprend des moyens pour mesurer et enregistrer la position relative du faisceau de particules et de ladite cible concurremment, le dispositif comporte également des moyens pour mesurer et enregistrer un courant électrique fonction de l'intensité du faisceau de particules incidentes sur la cible, et des moyens pour représenter sur un support, écran d'oscilloscope ou feuille de papier, un signal dont l'intensité (ou l'épais- seur) en chaque point dudit support est proportionnelle à l'intensité du faisceau de particules arrivant sur ladite cible. Les coordonnées de ce point sur le support sont représentatives de la position relative dudit faisceau de particules et de ladite cible. Ainsi, à toute intensité du faisceau de particules chargées arrivant sur ia cible, on associe un signal d'intensité proportionnelle sur le support. Les moyens pour mesurer et enregistrer la position relative du faisceau de particules et de la cible peuvent être les suivants : si la cible est déplacée mécaniquement il suffit de repérer la cible dans une position fixe et de noter ses mouvements par rapport à cette position par tout système mécanique ou électronique ; dans le cas ot la cible est immobile, et que l'on utilise des champs électriques ou magnétiques pour déflechir le faisceau de particules chargées, la mesure des champs électromagnétiques, après une calibration préalable, permet de faire correspondre au courant ou tension développée dans les moyens de dé flexion les coordonnées du point d'impact du faisceau de particules sur la cible. Dans un mode de réalisation préférentiel du dispositif selon l'invention, un oscilloscope à écran fluorescent est alimenté, sur les électrodes de commande des coordonnées X et Y, électrodes déterminant la position du point-d'impact du faisceau d'électrons de l'oscilloscope sur l'écran du même oscilloscope, par des tensions proportionnelles aux coordonnées du point d'impact du faisceau de particules sur le plan de la cible. Sur l'électrode Wehnelt qui module l'intensité du faisceau électronique, on envoie une tension proportionnelle à l'intensité du faisceau de particules incidentes sur la cible. On obtient ainsi sur l'écran de l'oscilloscope, avantageusement un écran à mémoire, une image du balayage du faisceau sur la cible. Ceci permet à tout moment en réglant la position moyenne de la cible de corriger les erreurs possibles de déflexion du faisceau de particules chargées, ou de faire en sorte que, au contraire, le faisceau de particules chargées ne vienne bombarder qu'une partie choisie de la cible. Dans le cas de particules chargées, le Wehnelt de l'oscilloscope est alimenté par une tension proportionnelle au courant sur la cible du au flux de particules chargées venant frapper ladite cible. Dans un système de balayage électrostatique, les tensions sur les plaques déflectrices donnent la position du point d'impact du faisceau de particules sur la cible dans le cas d'un système magnétique on utilise pour déterminer la position relative de la cible et du faisceau, les courants magnétisants, ou enfin tout système capteur de déplacement dans le cas d'un déplacement mécanique soit de la cible, soit de la source de particules chargées. Le flux de particules peut être mesuré par le courant électrique pour un faisceau de particules chargées ou par l'émission ionique secondaire, l'émission électronique secondaire, par calorimétrie, par réaction nucléaire, émission infrarouge, luminescence, rayons X, etc. Le dispositif selon l'invention permet de mettre en évidence la position relative de la surface balayée et celle de la la cible, la grandeur relative de la surface balayée et celle de la cible, le déplacement du faisceau par rapport à la cible ou inversement. On peut également contrôler l'existence du balayage et mettre en évidence d'éventuels obstacles sur le trajet du faisceau. D'autres caractéristiques et avantages de 1'inven- tion apparaitront mieux, après la description qui suit d'exemples de réalisation, donnés a titre explicatif et nuliement limitatif, en référence aux figures annexées sur lesquelles on a représenté - sur la figure 1, les indications de balayage obtenues par un dispositif de l'art antérieur, - sur la figure 2, le schéma bloc du dispositif selon l'invention, - sur la figure 3, le dispositif de réalisation du contrôle du balayage d'un faisceau de particules chargées, - sur les figures 4a, 4b, 4c, 4d, divers résultats concernant le balayage de la cible par le faisceau de particules, - sur la figure 5, le schéma d'un mode de réalisation d'une variante du dispositif selon l'invention, - sur la figure 6, les variations des courants électriques en fonction du temps, obtenus dans la variante représentée sur la figure 5, - sur la figure 7, le schéma d'une réal;sation de l'invention permettant d'obtenir une représentation tridimensionnelle de l'intensité du faisceau sur la surface de la cible. - sur ia figure 8, une variante de réalisation de l'invention. Sur la figure 1, on a représenté les variations en fonction du temps de l'amplitude d'un courant électrique sur une cible, dans un des dispositifs de l'art anterieur qui permettait de mesurer ledit courant total reçu par la cible. La cible étant balayée suivant deux directions différentes, l'examen de la forme de ce signal permet de contrôler l'état du balayage de la cible.L'examen de la courbe enveloppe 2 de la figure 1 permet de montrer que le balayage suivant la première direction n'est pas centré par rapport à la cible, car le courant I ne s'annule pas totalement à chaque demi-période du signal enveloppe, la période du signal enveloppe étant la même que celle du balayage dans la direction considérée.On peut donc dire que, suivant cette direction, le faisceau sort totalement de la cible à une extrémité du balayage et ne sort pas totalement de la cible à l'autre extrémité (puisque le courant ne s'annule pas totalement). L'examen du signal 4 montre que le courant s'annule totalement à chaque demi-période correspondant à l'autre direction de balayage, donc le balayage est suffisant dans cette direction.On remarque que l'interprétation de ce dispositif est assez complexe et conduit à une certaine imprécision Sur la figure 2, on a représenté un schéma bloc du dispositif selon l'invention. Des moyens 14 permettent de mesurer et d'enregistrer les coordonnées en fonction du temps x1 (t), x2 (t) du point d'impact du faisceau de particules sur le plan de la cible supposée plane, ou sur un plan orthogonal à la direction moyenne du faisceau. Un organe 16 envoie dans un élément 18 un signal correspondant à l'intensité du faisceau de particules arrivant réellement sur la cible, soit une fonction 4 (t) de l'intensité du faisceau de particules arrivant sur la cible. L'organe 18 comblne ces différentes indications pour visualiser le déplacement du faisceau de particules et pour moduler l'intensité du tracé de w-lsuallsation en fonction de L'lnten- sité du faisceau de particules arrivant réellement sur la cible. Sur la figure 3, on a représenté un mode de réalisation de l'invention comportant un système de deflexion d'un faisceau de particules chargées émis par une source 20. Le système de déflexion comporte deux paires de plaques, les plaques 22 et 24 de dé flexion horizontale et les plaques 26 et 28 de déflexion verticale. Ces plaques sont alimentées par l'organe 30. Les tensions appliquées aux plaques, tensions qui déterminent le point d'impact 35 du faisceau 32 sur la cible 34 sont envoyées dans l'oscilloscope schématisé en 36 pour commander les balayages X et Y.La cible 34 est reliée à une résistance R aux bornes de laquelle on mesure le courant amené par le faisceau de particules chargées, courant amplifié dans l'amplificateur 38 et envoyé sur l'entrée Z de l'oscilloscope 36 pour attaquer l'électrode Wehnelt déterminant l'intensité du faisceau électronique sur l'écran de l'oscilloscope 36. L'amplificateur 38 est-un amplificateur à très faible courant d'entrée de type classique. I1 va de soi qu'au lieu de se brancher sur les entrées X, Y et Z de l'oscilloscope, on peut utiliser un simple tube cathodique et reller directement aux électrodes du tube cathodique les fils donnant les indications sur la position du point d'impact 35 du faisceau de particules et sur l'intensité du faisceau. Dans un exemple de réalisation, le faisceau d'un implanteur d'ions à 300 keV est balayé électrostatiquement au moyen du système de paires de plaques 22, 24 et 26, 28 attasuées par des signaux triangulaires à la fréquence 50 Hertz pour la première paire de plaques et la fréquence de 1.000 Hertz pour la seconde paire de plaques. Le temps de transit du faisceau dans l'espace inter-plaque est de tordre de quelques nanosecondes, ce qui fait que pour les fréquences utilisées le déphasage entre les tensions plaque et le déplacement du faisceau est quasi nul. Les signaux plaques attaquent, par l'intermédiaire des diviseurs de tension 40 et 42, équilibrés par des condensateurs 41 et 4S les plaques de balayage de l'oscilloscope branchées sur X et Y. On règle la tension sur le Wehnelt pour que, en l'absence de courant sur la cible 34, le faisceau électronique soit de faible intensité mais néanmoins visible sur l'écran fluorescent de 1 'oscilloscope. Sur la figure 4a, on a représenté le balayage du faisceau électronique sur l'écran de l'oscilloscope, la trace du faisceau étant représentée en 44, rapportée à deux axes X et Y. La trace s'épaissit telle qu'en 46 lorsque le faisceau de particules intercepte la cible, interception qui a pour effet d'augmenter le courant do faisceau électronique commandé par le Wehnelt. On voit sur la figure 4a qu'une grande partie du balayage s'effectue en dehors de la cible et que si le balayage suivant la direction Y est à corriger, il est par contre bon selon la direction X. Sur la figure 4b,on a représenté un autre exemple de balayage défectueux selon la direction X. Sur la figure 4c, on a représenté un balayage décentré par rapport à la cible, balayage servant par exemple à implanter une partie de la cible. Si l'on désire implanter toute la cible, il importe de corriger le balayage et de le recentrer par rapport à la cible. Sur la figure 4d, on a représenté un exemple de balayage correct couvrant toute la surface de la cible. Pour centrer le balayage sur la cible, on fait varier la valeur moyenne des tensions plaques, ce qui déplace la surface image de la cible par rapport à la surface balayée.Le phénomène est, grâce au dispositif selon l'invention, très facilement lisible sur l'écran de l'oscilloscope, et représente le reflet exact des phénomènes intervenant au niveau de l'inter-actlon du faisceau de particules et de la cible. Sur la figure 5, on a représenté une variante de réalisation du dispositif selon l'invention. Dans cette variante, la cible 34 est associée à une électrode auxiliaire 48 située derrière la cible, et/ou un diaphragme 50 disposé autour de la cible 34. Le courant Ia recueilli par la cible et le courant Ib recueilli par l'électrode 48 ou le diaphragme 50, sont envoyés sur les entrées d'un amplificateur sommateur 52. Le courant Ia est également envoyé dans un comparateur 54, comparateur sur la seconde entrée duquel on envoie un courant d'amplitude E délivré par une source de courant 56 dont la valeur E de sortie est variable, la variation de E étant commandée par un organe symbolisé par la flèche 58. Une porte analogique 60, relie la sortie de l'amplificateur sommateur 52 à'un amplificateur 62 dont la sortie est reliée à la borne z de l'oscilloscope. a porte est bloquéesi le courant Ia ne dépasse pas la valeur t dans ie comparateur 54.Lorsque le courant la dépasse cette valeur de seuil1 la porte 60 conduit et on recueille à sa sortie un courant I' t égal ou proportion nel à la somme It - la t lb pendant ie temps où le courant Ia t est supérieur au courant Ç I't = (la t lb; Y la t où Y est la fonction échelon de valeur nulle lorsque Ia r et de valeur unité lorsque Ia r Sur la figure 6, on a représenté les différents courants en fonction du temps intervenant dans le fonctionnement du dispositif.Sur la courbe 64, on a représenté les variations du courant Id ; la valeur du seuil est représentée en traits pointillés d'ordonnée Sur Sur les courbes 66 et 68, on a représenté le courant lb coiiecié par les électrodes telles que 48 ou 50- Ce courant lb est en quelque sorte le complémentaire du courant de cible Ia puisque lorsque le faisceau de particules n'est pas envoyé sur la cible, il aboutit sur les électrodes telles que 48 ou 50 Sur la courbe 70, on a représenté le courant total It délivré en sortie 72 de l'amplificateur sommateur 52. Sur ia courbe 74, on a repré senté le courant I' t obtenu en sortie de la porte 60 en 76. t L'intérêt de e dispositif est le suivant : lorsque la cible est balayée suivant un diamètre par un faisceau de dimension non négligeable, le courant la ne varie pas de façon brutale lorsque le faisceau franchit les bords de la cible. Cela se traduit par un signai décroissant tel que ta partie 78 de la courbe 64 qui ne correspond pas en fait à une décroissance de la dose reçue par les bords de la cible mais à un effet géométrique d'interception graduelle du faisceau par la cible. Pour s'affranchir de ce phénomène, et pour avoir en plus des renseignements sur l'homogénéité du bombardement, on utilise le dispositif décrit précédemment qui délivre un courant I't ne dépendant pas de la iargeur du faisceau, et qui traduit réellement l'implantation sur les bords de la cible. I1 est alors possible de contrôler l'homogénéité du bombardement. Sur la figure 5, on a également représenté une variante de réalisation de l'invention représentée en traits interrompus, variante dans laquelle le courant de sortie de la porte 60 est envoyé dans un système moyenneur 80 dont la sortie est branchée sur l'entrée de l ampllficateur 62, selon cette variante un amplificateur différentiel. L'amplificateur 62 amplifié dans ce cas les variations de courant par rapport au courant moyen reçu par la cible, courant qui est en fait représenté sur la courbe 74 de la figure 6. Cette amplification différentielle permet de mesurer avec plus de précision l'homogénéité du balayage du faisceau sur la cible. Sur la figure 7, on a représenté une variante de l'invention permettant une visualisation tridimensionnelle de l'intensité du courant du faisceau de particules en chaque point de la cible Pour cela on branche les entrées x (t) et y(t) représentant les coordonnées du point d'impact du faisceau de particules sur le plan de la cible, obtenues par exemple en fonction des tensions de déflexion des plaques représentées sur la figure 3. Ces valeurs sont associées aux valeurs Ia(tj du courant effectivement reçu par la cible.Ces courants sont branchés dans deux amplificateurs sommateurs 88 et 90 à la sortie desquels on obtient en 92, la somme X = xtt) + y(t) et en 94 Y = y(t) t ss Ia(tj ; sur l'écran de Iroscilloscope, on obtient une série de courbes telles que 96 qui donnent une vue en perspective de l'intensité du courant en chaque point de la cible. En effet, pour chaque valeur de Y déterminée, la courbe 96 représente une vue du courant I(t) en fonction de l'abscisse X(t. L'incrément pour chaque valeur de Y donne la vue en perspective telle que représentée sur l'écran de l'oscilloscope. On représente ainsi la surface cible en relief de la surface balayée I1 va de soi que l'on peut utiliser également des couleurs différentes pour la surface de la cible et la surface balayée par le faisceau. Sur la figure 8, on a représenté une variante de l'invention selon laquelle la source 20 est portée à un certain potentiel d'accélération par une source de haute tension représentée en 98. Le diviseur de tension 100 permet d'envoyer sur l'anode 102 de l'oscilioscope 36 une tension proportionnelle à la tension d'accélération issue de 98 après amplification éventuelle dans l'amplificateur i04. Dans les réalisations de l'invention ne faisant pas intervenir le dispositif de la figure 8, le rapport entre la surface cible visualisée et la surface balayée visualisée est égal au rapport entre la surface réelle de la cible et la surface réellement balayée ,et la surface balayée visualisée dépend de l'énergie du faisceau. Pour des paramètres de balayage fixes, les dispositifs autres que ceux de la figure 8 font varier la surface apparente de la cible en conservant la surface de balayage constante. Le dispositif décrit sur la figure 8 corrige ce phénomène et la surface cible apparente ne varie plus alors que la surface balayée varie proportionnellement à la surface réellement balayée. Pour ce faire, le dispositif de la figure 8 permet d'asservir la tension anodique de l'oscilloscope utilisé pour la visualisation, à la tension d'accélération des particules du faisceau dans le cas d'un accélérateur électrostatique, ou à l'énergie de ces particules, par la liaison sur l'anode de 1 'oscilloscope. REVENDICATIONS 1. Dispositif de contrôle du balayage d'une cible par un faisceau de particules, caractérisé en ce qu'il comprend - des moyens pour mesurer et enregistrer la position relative du faisceau de particules et de ladite cible, - des moyens pour mesurer et enregistrer un courant électrique fonction de l'intensité du faisceau de particules incidentes sur ladite cible, - des moyens pour représenter sur un support un signal dont l'intensité en chaque point dudit support est proportionnelle à I'intensité du faisceau de particules arrivant sur ladite cible, les coordonnées de ce point étant représentatives de la position relative dudit faisceau de particules et de ladite cible. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un oscilloscope à écran fluorescent alimenté sur les électrodes de commande des coordonnées X et Y, qui déterminent la position du point d'impact du faisceau d'électrons sur l'écran dudit oscilloscope, par des tensions proportionnelles aux coordonnées du point d'impact du faisceau de particules sur un plan orthogonal à sa direction moyenne, l'oscilloscope comprenant une électrode Wehnelt modulant l'intensité du faisceau électronique, ladite électrode étant portée à un potentiel fonction de l'intensité du faisceau de particules incident sur la cible. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que, dans le cas de faisceaux de particules chargées, le Wehnelt de l'oscilloscope est alimenté par une tension fonction du courant sur la cible due au flux de particules chargées venant frapper ladite cible. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une électrode auxiliaire disposée autour de la cible recueillant le courant de particules chargées qui n'est pas capté par ladite cible. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend - des moyens électroniques pour additionner les courants Ia et Ib dus aux faisceaux de particules collectés respectivement par la cible et par l'électrode auxiliaire disposée autour de la cible, lesdits moyens délivrant un courant It = Ia + Ib. - un comparateur à seuil réglable comparant le courant Ia à un courant seuil de référence , - une porte analogique branchée à la fois sur la sortie des moyens électroniques pour additionner les courants Ia et Ib et sur la sortie du comparateur, ladite porte délivrant un signal de sortie It = (Ia + Ib) Y(Ia - e) Y étant la fonction échelon, quand et seulement quand le courant cible Ia est supérieur audit courant de référence E, ledit courant I't étant envoyé sur l'électrode Wehnelt de l'oscilloscope par l'intermédiaire d'un amplificateur A. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que 1 'amplificateur A est un amplificateur différentiel attaqué sur l'entrée directe par le courant I't et sur l'entrée inverseuse par signal proportionnel à la valeur moyenne dudit courant It = Ia + Ib obtenu à l'aide d'un intégrateur. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce qu'on relie électriquement l'anode de l'oscilloscope à un amplificateur et un diviseur de tension en série, lesquels délivrent une tension fonction de la tension d'accélération des particules dudit faisceau incident de particules chargées sur la cible. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, dans le but de réaliser une vue en relief du courant sur la cible, caractérisé en ce qu'on dispose deux amplificateurs dont les sorties sont branchées aux entrées x et y commandant les plaques de déflexion de l'oscilloscope, le premier amplificateur additionnant les signaux X (t) et Y (t) qui indiquent les coordonnées du point d'impact du faisceau sur la cible, cet amplificateur délivrant sur l'entrée x de l'oscilloscope le signal X(t) + c: Y(t), a est un coefficient d'amplification, et le second amplificateur additionnant les signaux Y(t) et I(t), I(t) étant l'intensité du faisceau de particules, de façon à délivrer sur l'autre entrée y de l'oscilloscope le signal Y(t) + ss i(t), ss étant un autre coefficient d'amplification.