Brevet FR2462718A1 — publié le 19810213

La présente invention concerne un dispositif pour mesurer un courant ionique arrivant dans le vide sur une surface de mesure. La technique moderne offre de nombreux exemples d'appareils équipés de dispositifs de mesure du genre en question, et soumis à l'effet de courants ioniques libres de se propager dans une enceinte o règne la vide. Or, il est important, par exemple pour un traitement superficiel assuré par bombardement ionique, de connaître la valeur du courant ionique correspondant, et spécialement la densité ionique, c'est-à-dire le quotient du courant ionique par la valeur de la surface affectée, pour assurer l'efficacité du traitement voulu. Souvent, il est également important de connaître le nombre total des ions qui atteignent une sur- face, nombre qu'on appelle "dose d'ionisation", et qu'on obtient en intégrant en fonction du temps la valeur du cou- rant ionique mesuré sur la surface en question. La technique d'implantation ionique constitue un domaine d'application récent pour les mesures de courants ioniques. En effet, les propriétés physiques de la surface externe d'un corps modifiée par implantation ionique dépen- dent, dans une large mesure, de la dose d'ionisation. On peut mesurer la densité ionique ("A" par cm 2) en mesurant le courant électrique provenant d'une sonde de surface donnée soumise à un bombardement ionique. Dans l'état actuel de la technique, on s'est principalement occupé de courants ioni- ques ayant des intensités comprises entre 10 3 et 10O9 am- pères. Si le bombardement ionique subi par la surface de me- sure provoque sur celle-ci la formation d'un plasma, ou une émission électronique secondaire, diverses dispositions spé- ciales sont nécessaires pour effectuer de manière précise la mesure voulue. En effet, cette mesure est rendue diffi- cile en particulier par le fait que l'émission électroni- que secondaire provenant de la substance dont est faite la surface de mesure dépend aussi de la température de cette surface et de la pression gazeuse résiduelle existant dans l'enceinte sous vide. L'erreur de mesure due à l'émission électronique secondaire provient essentiellement de l'aug- mentation notable du courant ionique provoquée par cette émission. Si par ailleurs, pour effectuer la mesure par in- tégration, on utilise un circuit électronique à forte impé- dance d'entrée, la surface-de mesure se trouve chargée posi- tivement par les ions positifs qui l'atteignent, au point que l'émission électronique secondaire s'en trouve en par- tie supprimée, ce qui entraîne encore une réduction de l'in- tensité du courant ionique constaté. Pour réduire l'effet des électrons secondaires circulant au voisinage de la sur- face de mesure, il existe déjà un dispositif connu qui con- siste à munir cette surface d'une cage de Faraday. Mais une telle solution entraîne des difficultés, notamment sur des installations de production industrielle o il n'est pas possible, pour des raisons liées au manque de place, de dis- poser des cages de Faraday à proximité immédiate de la sur- face de mesure. Le plus simple est alors de prévoir une électrode secondaire entourant la surface de mesure, et permettant d'atténuer l'émission secondaire dans une large mesure, si on assure au préalable une charge négative suf- fisante de cette électrode. On sait en outre qu'un champ magnétique d'envi- ron 100 Gauss, transversal à la direction du faisceau ioni- que incident, permet d'atténuer suffisamment l'émission électronique secondaire, au point qu'il n'est souvent plus nécessaire d'avoir recours à une cage de Faraday, ou à un autre genre d'électrode de protection. On a constaté à ce sujet l'efficacité des champs magnétiques dont les lignes de force sortent de la surface de mesure pour y rentrer en un autre endroit, de sorte que les électrons de l'émission secondaire restent captifs sous le "tunnel" formé par les lignes de force formées en voûte au-dessus de la surface de mesure, et se trouvent ainsi obligés de revenir à la surfa- ce de mesure. On précise que par "surface de mesure" on entend ici également la surface de pièces ou substrats à traiter par bombardement ionique, surface sur laquelle il s'agit de mesurer le flux ionique incident. Mais, comme déjà indiqué, les dispositifs connus mentionnés ci-dessus ne sont pas utilisables lorsqu'on ne dispose pas, immédiatement en regard de la surface de mesu- re, de la place nécessaire pour des électrodes et des ai- mants assez encombrants. Or, c'est souvent le cas lorsqu'il s'agit de monter après coup un dispositif pour mesurer le courant ionique dans une installation qui existe déjà. En outre, des erreurs de mesure peuvent être provoquées par des électrons qui ne proviennent pas de la surface de mesure comme les électrons secondaires, mais qui proviennent des traces de gaz existant dans la chambre sous vide, soumises à un effet d'ionisation partielle par le faisceau ionique. Lorsque ces électrons "étrangers" parvien- nent sur la surface de mesure, ils provoquent une atténua- tion sensible du courant ionique. Le but de l'invention est de remédier aux diffi- cultés que l'on vient d'exposer, pour réaliser un disposi- tif permettant de mesurer un courant ionique arrivant dans le vide sur la surface de mesure, avec une meilleure préci- sion, en supprimant les erreurs de mesure dues aux émis- sions électroniques parasites, sans avoir à disposer des aimants de protection à proximité immédiate de la surface de mesure. Le dispositif selon l'invention comporte, en re- gard de la surface de mesure soumise à un faisceau-ionique incident, une électrode auxiliaire et des aimants prévus pour produire un champ magnétique transversal à la direc- tion du faisceau ionique précité. Ce dispositif est carac- térisé en ce qu'il présente en combinaison les particulari- tés suivantes: (a) chaque aimant est écarté d'une certaine distance en regard de la surface de mesure, et l'électrode auxiliaire entoure au moins en partie l'espace ménagé entre la surface de mesure et les aimants; (b) la surface exter- ne de chaque aimant est électriquement conductrice, au moins dans sa partie disposée en regard de la surface de mesure; (c) un dispositif galvanométrique est prévu pour mesurer les courants qui passent dans la surface de mesure et à la sur- face de l'électrode auxiliaire et des aimants. La disposition avantageuse des aimants, ainsi rendue possible grece à l'invention, à une distance relati- vement importante en regard de la surface de mesure, permet de disposer de plus de place pour monter des aimants plus gros et plus puissants, ayant un meilleur effet de protec- tion. En outre, grâce à l'invention, il est plus facile-de rendre mobile le support de la surface de mesure, en réali- sant par exemple ce support au moyen d'un tambour tournant, à la surface interne duquel on peut fixer les pièces à trai- ter. Un autre avantage du dispositif conforme à l'invention est qu'on peut utiliser des électro-aimants relativement puissants, sans que leur échauffement important entraîne un échauffement inacceptable des pièces à traiter, grâce à l'écart relativement plus large de ces pièces par rapport aux aimants. En tous cas, la place dont on dispose alors permet de protéger les pièces par un dispositif de refroi- dissement approprié. D'autres particularités et avantages de l'inven- tion ressortiront encore de la description d'un mode de réa- lisation préféré, présenté ci-après à titre d'exemple non limitatif, en référence à la figure unique annexée qui est un schéma d'un dispositif conforme à l'invention pour mesu- rer un courant ionique arrivant dans le vide sur-une surfa- ce de mesure. Dans le mode de réalisation schématique de la figure unique, le dispositif de mesure est représenté seu- lement par ses pièces essentielles servant à réaliser la me-. sure voulue. Le dispositif se trouve dans une enceinte sous *vide, faisant par exemple partie d'une installation d'im-- plantation ionique,. et comporte un support 1 pour tenir un substrat présentant une surface 2 qui constitue une surface de mesure à l'égard d'un faisceau ionique incident, dont la direction d'arrivée est schématisée par une flèche. Deux aimants 3, associés à la surface de mesure 2 dans l'encein- te sous vide(non représentée), sont maintenus en position fixe par un dispositif de fixation (non représenté), à une distance "a" en regard du plan de la surface de mesure 2. Entre la surface de mesure 2 et les aimants 3, est montée une électrode auxilaire 5, fixée par exemple aux aimants 3 par des bras de liaison 4, et présentant une distance inter- ne "b", orientée transversalement à la direction du faisceau ionique incident. Conformément à l'invention, les valeurs de l'é- cartement "a" des aimants 3 par rapport à la surface de me- sure 2, et de la distance interne "b" de l'électrode auxi- liaire 5, sont choisies de telle manière que le rapport a b soit supérieur à 1 et de préférence supérieur à 1. 3 2 Par exemple, l'électrode auxiliaire 5 est réali- sée en deux pièces, à savoir une plaque supérieure et une plaque inférieure qui entourent ensemble, au moins en par- tie, l'espace compris entre les aimants 3 et la surface de mesure 2. En variante, l'électrode auxiliaire 5 peut aussi être constituée par une enveloppe sensiblement cylindrique, entourant presque complètement l'espace intermédiaire pré- cité, à l'exclusion d'un interstice étroit analogue à une fente, ménagé entre les deux parties de l'électrode. La dis- tance interne "b" de l'électrode auxiliaire 5, transversale à la direction du courant ionique arrivant sur la plaque de mesure 2, correspond à la distance la plus courte entre les deux plaques planes de l'électrode, dans son premier mode de réalisation, ou au diamètre interne de l'enveloppe cylin- drique de la variante précitée de l'électrode auxiliaire. On peut fixer l'électrode auxiliaire 2 soit sépa- rément aux parois de la chambre à vide, soit suivant le cas aux aimants 3, comme schématisé sur la figure, soit encore au support 1, ou même à la pièce à traiter 2. Dans ces deux dernies cas, l'électrode auxiliaire 5 est mise en place et enlevée avec le support 1 ou avec la pièce à traiter 2 et il y a donc lieu de prévoir un certain nombre d'électrodes auxiliaires associées chacune à un support 1 ou à une pièce à traiter 2, pour être amenées à la suite l'une de l'autre dans le courant ionique prévu pour assurer le traitement voulu de la pièce 2. Le dispositif comporte en outre de manière avan- tageuse un écran de blindage 8, pour protéger les aimants 3 et l'électrode auxiliaire 5 contre les effets du bombarde- ment ionique, en limitant la section transversale du fais- ceau incident aux dimensions voulues, pour affecter seule- ment la surface exposée 2 de la pièce à traiter. Les aimants 3 qui produisent un champ magnétique transversal à la direction du courant ionique incident sont constitués par exemple d'éléments ferro-magnétiques, ou d'éléments magnétiques faits d'une matière céramique appro- priée. Dans chaque cas, sur la partie de la surface des ai- mants 3 en regard de la surface de mesure 2, et soumise aux effets de l'émission ionique secondaire provenant de la surface de mesure, on doit prévoir un revêtement électrique- ment conducteur 7; ce revêtement conducteur est normale- ment réalisé sans disposition particulière par la surface du corps de chaque aimant 3, dans le cas o le dispositif comporte des aimants ferro-magnétiques. Pour mesurer le courant ionique au moyen du dis- positif conforme à l'invention, on calcule la somme algé- brique des divers courants qui circulent sur la surface de mesure 2, sur les parties de l'électrode auxiliaire 5 et à la surface 7 des aimants 3, en tenant compte du signe dont il convient d'affecter chaque courant élémentaire. Pour ce faire, on peut mesurer ces divers courants au moyen de con- ducteurs séparés 9. La solution la plus simple consiste alors à relier ensemble les conducteurs séparés 9, pour les faire aboutir à un galvanomètre unique 10, qui permet de mesurer le courant résultant. Un avantage particulier du dispositif conforme à l'invention, tel qu'on vient de le décrire, tient au fait que les électrons indésirables, entraînés avec les ions du courant incident en direction de la surface de mesure 2, sont tenus à l'écart de cette surface de mesure sous l'ef- -2462718 fat du champ magnétique transversal des aimants 3, disposés à cet effet à une distance suffisante en regard de la surfa- ce de mesure. On choisit pour la distance précitée une va- leur suffisante pour assurer la déviation de ces électrons indésirables, qui ne peuvent ainsi atteindre ni la-surface de mesure 2, ni l'électrode auxiliaire 5, ni les aimants 3, de sorte qu'ils ne risquent pas de fausser la mesure que l'on désire effectuer. REVENDI CATI ONS 1. Dispositif pour mesurer un courant ionique arrivant dans le vide sur une surface de mesure,ce disposi- tif comportant, en regard du plan de la surface de mesure soumise à un faisceau ionique incident, une électrode auxi- liaire et des aimants prévus pour produire un champ magné- tique transversal à la direction du faisceau ionique inci- dent, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il présente, en combinaison, les particularités suivantes a) chaque aimant est écarté d'une certaine distance en re- gard de la surface de mesure et l'électrode auxiliaire en- toure au moins en partie l'espace ménagé entre la surface de mesure et les aimants b) la surface externe de chaque aimant est électriquement conductrice, au moins dans sa partie disposée en regard de la surface de mesure c) un dispositif galvanométrique est prévu pour mesurer les courants qui passent dans la surface de mesure et à la sur- face de l'électrode auxiliaire et des aimants. 2. Dispositif conforme à la revendication 1, ca- ractérisé en ce qu'il présente un rapport a supérieur à 1 b 3 "a" étant l'écartement du plan médian du champ magnétique par rapport à la surface de mesure, et "b" étant la plus courte distance interne de l'électrode auxiliaire, dans un sens transversal au faisceau ionique incident. 3. Dispositif conforme à la revendication 2, ca- ractérisé en ce que le rapport a est supérieur à 1 b 2 4. Dispositif conforme à la revendication 1, ca- ractérisé en ce que l'électrode auxiliaire est solidaire des aimants. 5. Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que l'électrode auxiliaire est solidaire d'un support servant à soutenir la surface de mesure.