Brevet FR2335918A1 — publié le 19770715

La présente invention concerne une boite d'échange de charge a focalisation incorporée. On sait que les boites d'échange décharge permettent d'obtenir, & partir d'un faisceau d'ions d'énergie déterminée un faisceau de neutre obtenu par échange de charge due à des collisions généralement résonantes entre les ions du faisceau primaire et les atomes ou molécules de gaz neutre contenu dans la botte d'échange de charge. Le faisceau d'ions qui pénètre dans la boite d'échange de charge et dans laquelle se trouve un gaz neutre sous une certaine pression, a pour effet un échange de charge entre les ions et les molécules ou atomes neutres du gaz. On obtient, à la sortie de la chambre de collision, d'une part le jet atomique ou moléculaire rapide, d'autre part des ions lents et des ions rapides qui ntont pas échangé leur charge avec les atomes ou molécules neutres. A la sortie de la boite d'échange de charge, il est possible d'éliminer, par des électrodes de déflexion, les particules chargées pour ne conserver que le faisceau neutre utile. Dans de nombreuses applications, il est nécessaire d'avoir un faisceau bien collimaté de neutre en sortie de la chambre, c'est-à-dire un faisceau de faible divergence. Or, lorsqu'on envoie un faisceau intense d'ions primaires dans une boite d'échange de charge, cette boite etant à la masse, plusieurs phénomènes nuisent à une bonne collimation du faisceau en sortie . par suite des charges d'espace dues à l'in tensité du faisceau ionique primaire, une forte divergence s'établit à l'intérieur de la boite d'échange de charge et le jet moléculaire en sortie n'a pas la direction initiale du faisceau d'ions d'où une perte de particules importante.D'autre part, un certain nombre d'ions primaires vient heurter la surface de la boite d'échange de charge, même si celle-ci est de grande dimension, d'od une perte énergétique supplémentaire. Ces ions, frappant la surface de la boite, n'interagissent pas avec le gaz à l'intérieur de cette boite d'échange de charge mais avec sa surface, ce qui est un phénomène souvent indésirable. La boite d'échange de charge selon l'invention comprend des moyens pour concentrer les ions du faisceau au voisinage de l'axe de ladite enceinte, ce qui élimine les deux phénomènes gênants précédemment cités. Les moyens pour focaliser ou concentrer les ions au voisinage de l'axe de l'enceinte peuvent être des moyens électriques ou magnétiques. Dans un mode de réalisation de l'invention, on place une série de grilles perpendiculaires au trajet du faisceau d'ions dans l'enceinte, ces grilles transparentes portées à potentiel négatif sont telles que ledit potentiel négatif appliqué à chaque grille croît en valeur absolue le long du parcours des ions dans la boite d'échange de charge, ce qui a pour effet de créer, entre chaque électrode, un champ électrique E parallèle au trajet du faisceau d'ions dans la boîte ceci élimine la divergence du faisceau d'ions et empêche également les ions du faisceau primaire de frapper les parois de l'enceinte. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, compatible avec le premier mode de réalisation, l'enceinte de la boite d'échange de charge est portée à un potentiel positif. Cette enceinte peut comporter plusieurs parties isolées les unes par rapport aux autres et portées à des potentiels positifs différents. Dans tous les dispositifs cités, les électrodes sont portées à un potentiel négatif par une alimentation électrique permettant une répartition adéquate des potentiels. Les potentiels appliqués aux électrodes sont de l'ordre de plusieurs milliers de volts. Dans un mode de réalisation préférentiel de l'invention, on utilise comme faisceau d'ions et comme gaz neutre à l'intérieur de l'enceinte de la boite d'échange de charge, des atomes et ions correspondant au même corps. La focalisation selon l'invention permet d'augmenter sensiblement le rendement de la conversion des ions en molécules. En effet, les ions A incidents, après échange de charge avec des atomes ou des molécules A de la boite d'échange de charge, donnent des atomes ou molécules neutres A d'énergie cinétique dirigée selon l'axe de l'enceinte et également des ions A+ de faible énergie qui sont de nouveau accélérés par le champ entre les électrodes et peuvent de nouveau, après accélération, échanger leur charge avec d'autres atomes et mqlécules A de la boite lors de leur parcours dans cette mEme boite. Il va de soi que, de par ce dernier phénomène, l'énergie de sortie des atomes ou molécules neutres du jet de neutre en sortie, est moins bien définie. Mais pour de nombreuses applications, cette dispersion de vitesse n'est pas nuisible, en particulier si le jet de neutre est ultérieurement destiné à la pulvérisation d'une surface par ce jet. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux après la description qui suit d'exemples de réalisation donnés à titre explicatif mais nullement limitatif en référence aux figures annexées sur lesquelles on a représenté - sur la figure 1, un schéma explicatif du fonctionnement de la boite d'échange de charge à focalisation incorporée selon l'invention, - sur la figure 2, un mode de réalisation de la boite d'échange de charge selon l'invention incluant des grilles transparentes portées à des potentiels négatifs croissants, - sur la figure 3, un autre mode de réalisation de l'invention ot différentes parties isolées de l'enceinte de la boite d'échange de charge sont portées à des potentiels positifs. Sur la figure 1, on a représenté l'enceinte 2 de la boite d'échange de charge de forme sensiblement cylindrique d'axe Oz, dans laquelle pénètre un faisceau d'ions primaires F1 composés d'ions A+, animés d'une vitesse V1 selon l'axe Oz. A l'intérieur de l'enceinte 2, les ions rencontrent des atomes ou molécules neutres A pour réagir selon la réaction On obtient en sortie un jet de neutre F2, résultat de la neutralisation du jet d'ions primaires F1. Les moyens M pour focaliser ou concentrer les ions au voisinage de l'axe de l'enceinte Oz, sont des moyens M créant, soit un champ électrique t sensiblement parallèle a l'axe Oz, soit un champ magnétique ss tel que reptésenté. Le champ électrique ss a pour effet de soumettre les ions chargés du faisceau primaire ou les ions secondaires ayant subi une collision d'échange de charge, à une force F sensiblement parallèle à l'axe Oz. L'angle e mesurant la divergence du faisceau F2 en sortie est sensiblement réduit par les moyens électriques de concentration du faisceau d'ions selon l'invention. Sur la figure 2, on a représenté un mode de réalisation du dispositif selon l'invention, comportant une série de grilles 4, 6, 8 et 10 portées à des potentiels négatifs par rapport à l'enceinte 2 de la boite d'échange de charge, par l1intermédiaire de traversées isolantes telles que 12, 14; 16 et 18. Les grilles sont portées à des potentiels négatifs -V1,-V2, -V3, -V4, croissant en valeur absolue par l'intermédiaire d'une alimentation non représentée. On a V1 Dans un exemple de réalisation de l'invention, en utilisant un faisceau d'ions F1 d'énergie 5000 eV, la première grille 4 est isolée du corps de la boite d'échange de charge et portée par exemple à - 1000 volts. Les autres électrodes ou grilles transparentes sont à - 3000, - 5000 et - 7000 volts. Dans ces conditions, le faisceau d'ions primaires Fl suit une direction voisine de l'axe Oz de l'enceinte et l'échange de charge produit effectivement en plusieurs étapes, un jet atomique ou moléculaire qui a sensiblement cette direction. D'autre part, les charges positives ne viennent pas heurter le corps de la boîte d'échange de charge. Le constituant des jets atomiques et ioniques est par exemple de l'argon. Si l'enceinte 2 de la boite d'échange de charge contient de l'argon gazeux et si les ions primaires sont des ions Ar, les ions créent des atomes d'argon ayant en sortie une énergie comprise par exemple entre 6.000 et 12.000 électrons Volts. Comme on l'a déjà indiqué, les moyens de focalisation par champ électrique ou magnétique augmentent la densité du jet moléculaire ou atomique F2 en sortie. Au lieu d'avoir un rendement d'échange de charge de 0,8 par exemple à 5000 eV, on aura un rendement de 0,70 pour des énergies comprises entre 6000 et 12000 électrons volts et de plus un rendement effectif de l'ordre de 0,4 pour des énergies comprises entre 0 et 6000 électrons volts, On sait en effet que la section efficace d'échange de charge est plus grande lorsque les ions initiaux ont une énergie plus faible.On a alors constitué un multiplicateur de jet moléculaire et il est possible, comme on l'a vérifié, d'obtenir à partir d'un faisceau d'ions de 50 mA à 5 KeV, un jet ionique accéléré à l'intérieur de l'appareil, générateur d'un jet atomique neutre en sortie plus intense, par exemple de 60 à 80 mA et d'énergie comprise entre 1 et 12 KeV. Le jet de neutres en sortie est alors 1,5 à 3 fois plus important qu'en l'absence de moyens électriques de focalisation. Sur la figure 3, on a représenté un mode de réalisation de l'intention dans lequel les mêmes références désignent les mêmes éléments que ceux représentés sur la figure 2. Dans ce mode de réalisation, les différentes parties telles que 20, 22, et 24 de l'enceinte sont séparées par des isolations en tétrafluorure de polyvinyle par exemple et portées à des potentiels positifs différents au moyen d'une alimentation non représentée. Il va de soi que selon l'invention, l'enceinte de la boite d'échange de charge peut avoir toute forme : cylindrique, parallélépipédique etc,.. ; les mêmes moyens pour focaliser les faisceaux sensiblement le long de l'axe de l'enceinte, peuvent être utilisés en relation avec des boites d'échange de charge comprenant un ou plusieurs jets ioniques et moléculaires. Les neutres destinés à l'échange de charge, au lieu d'être statiques dans l'enceinte peuvent être mobiles comme dans la méthode à deux faisceaux croisés DEVIENNE et SOUQUET utilisés pour neutraliser un faisceau d'ions. Dans ce cas, les jets moléculaires super ou hypersoniques se propagent dans la boîte d'échange de charge perpendiculairement au jet ionique. REVENDICATIONS 1. Boite d'échange de charge constituée par une enceinte remplie par un gaz, ladite boite permettant de créer un jet de neutres à partir d'un jet d'ions au moins pénétrant dans ladite enceinte, ions positifs envoyés sensiblement selon l'axe de ladite enceinte, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens électriques pour concentrer les ions du faisceau au voisinage de l'axe de ladite enceinte. 2. Boite d'échange de charge selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits moyens électriques sont constitués par une série de grilles perpendiculaires à la direction dudit jet d'ions, grilles transparentes de potentiel négatif, le potentiel de chacune de ces grilles étant croissant en valeur absolue le long du parcours du jet d'ions dans l'enceinte. 3. Boite d'échange de charge selon la revéndication 2, caractérisée en ce que l'enceinte est portée à un potentiel positif. 4. Boite d'échange de charge selon la revendication 3, caractérisée en ce que l'enceinte est constituée de plusieurs parties isolées portées à un potentiel positif. 5. Boite d'échange de charge selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que l'enceinte est remplie d'un gaz neutre A et que le jet d'ions est constitué d'ions A correspondant aux atomes et aux molécules A du gaz neutre.