Brevet FR2480500A1 — publié le 19811016

L'invention concerne un générateur pour faisceau d'électrons pulsé, comportant une chambre à vide pour décharges à haute tension, contenant comme cathode et anode des électrodes couplées pour l'émission de porteurs de charges, pour l'accélération de ces porteurs de charges et pour l'irradiation d'une éprouvette avec des porteurs de charges accélérés, la source de tension pour les décharges haute tension, en particulier une décharge de vapeurs métalliques, étant constituée par un premier condensateur à haute tension branché entre la cathode et l'anode. Le recuit instantané des surfaces de corps solides, en particulier de semi-conducteurs et de métaux, est devenu au cours de ces dernières années, un procédé de prépara- tion important. Ce recuit s'effectue le plus souvent par des impulsions lumineuses de durée d'environ 100 ns, obtenues par laser. Ce procédé, appellé "Laser Annealing" (LA), est utilisé pour remédier aux dommages causés par radiation dans les cristaux de semi-conducteurs dopés. L'avantage du recuit instantané dans le cas cs semi-conducteurs dopés, par rapport au recuit classique au four, réside avant tout en ce qu'il est possible de faire disparaitre complètement les dommages causés par radiation, mais d'empocher une diffusion vers l'extérieur de l'atome étranger implanté, grâce à la courte période d'appli- cation des éclairs lumineux. On peut obtenir ainsi dans de nombreux semi-conducteurs, au moyen du procédé LA, des concen- trations en impuretés plus élevées de plusieurs ordres de grandeur, que par un recuit au four. Les propriétés de nombreux composants semi- conducteurs peuvent être améliorées en utilisant un recuit instantané pour leur finition. Ceci est particulièrement valable pour les cellules solaires. Alors qu'au cours d'un recuit au four, les défauts peuvent migrer depuis l'intérieur des cristaux de semi-conducteurs vers la surface, dans la couche sensible à la lumière de la cellule solaire, et influencer considérablement l'efficacité de la cellule, cela ne peut pas arriver dans le procédé LA selon lequel seule la surface elle-même (les premiers microns) des cristaux est chauffée. Les cellules solaires obtenues par LA présentent dans toutes les zones de longueurs 4o d'onde, un rendement plus élevé. 2.- Les inconvénients du LA résident essentiel- lement en ce que le rayonnement laser ne s'accouple avec le semiconducteur soumis au recuit, que de façon très inégale, et ceci en fonction du type et de la concentration du dopant. L'utilisation du LA est particulièrement difficile dans le cas de métaux qui réfléchissént la lumière laser souvent jusqu'à %. Un recuit instantané indépendant de la conductivité et du pouvoir réfléchissant, peut s'obtenir au moyen de faisceaux électroniques pulsés. L'épaisseur de la couche superficielle qui va subir le recuit est en étroite corrélation avec la profondeur de pénétration des électrons, qui dépend à son tour directement de lténergie d'incidence des électrons. Pour le recuit de surfaces dopées d'une épaisseur de quelques 100 nm, l'énergie d'incidence devra se situer entre 10 et KeM. Comme l'énergie de pulsation nécessaire au recuit se situe aux environ de 1 Joule/cm2 (par exemple pour le silicium, 1-3 Joules/cm), il se produit, pour des densités de courant à durée de pulsation de 100 ns, des faisceaux électroniques d'environ 1000 à 3000 A/cm. On connaît un générateur pour faisceaux électroniques pulsés (IEEE Transactions ou Nuclear Science, Vol. NS 23, nO 5, pages 1470 à 1477), qui travaille avec une diode à plasma à émission de champ. Les inconvénients de ce dispositif connu résident en particulier en ce que les diodes à plasma ne fournissent des courants d'électrons homogènes et reproductibles, que lorsqu'elles sont actionnées par des tensions d'au moins quelques 100 KV. Ceci est le cas par ce que, dans le cas d'une diode de phases, la couche de plasma émettant les électrons est formée par des gaz qui sont produits par évaporation de nombreux whiskers faisant saillie à la surface cathodique, qui s'évaporent parce qu'ils produisent un effet thermique Joule par le courant d'émission de champ qu'ils émettent eux-mêmes. Une évaporation de whiskers repro- ductible, à grande surface, suppose une force de champ électri- que de 200 KV/cm. Un autre inconvénient consiste en ce que la tension de travail est établie sur la diode à plasma en une période très courte de 10 à 15 ns. Ceci exige la mise en oeuvre d'un interrupteur de décharge gazeuse à très faible inductivité 3.- entre la diode à plasma et l'accumulateur d'énergie, et qui est constitué d'un condensateur coaxial rempli d'eau en guide de diélectrique. L'invention a pour but de proposer un dispositif pour obtenir des faisceaux électroniques pulsés, qui produise un faisceau électronique homogène et reproductible même pour des tensions d'accélération, dont l'ordre de grandeur est inférieur à celui des dispositifs connus, et ne nécessite pas un interrupteur à décharge gazeuse pour brancher. la source d'énergie sur le trajet de décharke du générateur. A cet effet l'invention propose un géné- rateur caractérise en ce qu' il comporte un dispositif pour produire une décharge auxilaire amorçant le processus de décharge entre cathode et anode., et, comme source de tension pour la décharge auxiliaire, un deuxième condensateur à haute tension (condensateur d'allumage) branché entre la cathode du générateur et une électrode d'allumage, l'écartement entre les cathodes et l'électrode d'allumage étant déterminé de telle fàçon, qu'en branchant le condensateur d'allumage il-s'établisse un amorçage entre l'électrode d'allumage et la cathode et forme ainsi le plasma d'allumage amorçant la décharge à haute tension, la cathode comportant un perçage central, à travers lequel le plasma d'allumage peut pénétrer cns l'espace de décharge entre la cathode et l'anode, l'anode se présentant sous la forme d'un treillis métallique transparent, à travers lequel les électrons accélérés des champs-électriques constituant le con- densateur à impact peuvent passer par suite des tensions qui y règnent, un support d'éprouvette réglable par rapport à l'axe et ainsi au faisceau électronique étant prévu sur le c8té de l'anode éloignée de la cathode destiné à recevoir une éprouvette qui doit être soumise au faisceau électronique. Les avantages apportés par les mesures proposées consistent essentiellement en ce que, en raison de la haute tension réduite d'un ordre de grandeur, la dépense nécessaire est nettement réduite, que l'interrupteur à gaz, pauvre en induction, est éliminé, que la tension d'accélération peut s'établir directement sur la cathode, et que le processus de création de la couche de plasma est indépendante de la tension d'accélération, et qu'ainsi l'énergie du faisceau élec- 4o tronique est réglable sur un large intervalle. uk- - 4.- Un mode de réalisation d'un générateur pour faisceaux électroniques pulsés du type décrit, est représenté sur les dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 est une représentation schématique du dispositif d'électrodes, - la figure 2 est une vue en coupe d'un générateur pour faisceau électronique, avec condensateur à impact et condensateur d'allumage. Le principe de disposition des électrodes du générateur de faisceau électronique proposé, est représenté sur la figure 1. 'Une cathode 1 en forme de plaque présente un perçage central 2, dans lequel est disposé un petit tube 3, qui ressort de quelques mm de la cahotde 1 sur le c8té éloigné de l'anode 4. Sur cette extrémité libre du petit tube 3, est monté un cylindre en graphite 5, qui est disposé dans un perçage 6 d'une électrode d'allumage 7. L'électrode d'allumage est raccordé à un premier tube de support 8, la cathode 1 est raccordée à un deuxième tube de support 9, coaxial au premier tube 8. Un con- densateur d'allumage 10 est branché sur le deuxième tube support 9 de la cathode 1, fermement au moyen d'un raccord, et avec l'autre rapeord, peut être commuté au moyen d'un inter- rupteur-11 sur l'électrode d'allumage 7, avec le premier tube support 8 recevant le cylindre en graphite 5. Le deuxième tube support 9 est entouré d'un tube protecteur 12 coaxial branché sur le potentiel de la terre, qui est introduit de façon étanche au vide, dans une chambre à vide 13 entourant le dispo- sitif-d'électrodes. Un porte-anode tubulaire 14 est disposé, de façon mobile en direction axiale, sur l'extrémité du tube protecteur 12 s'avançant dans la chambre à vide 13. L'extrémité libre du porte-anode 14 est fermée par l'anode 4, qui est constituée par un treillis métallique à transparence élevée. Lorsque le condensateur d'allumage 10 est branché par l'interrupteur 11 sur l'électrode d'allumage 7, il se produit une décharge de plasma au point de contact entre le petit tube 3 traversant la cathode 1 et le cylindre en graphite 5. Le plasma d'allumage 15 arrive par le petit tube 3 dans l'espace de décharge 16, entre la cathode 1 et l'anode 4, et libère ici une décharge sous vide. Un condensateur à impact 17, branché entre la cathode 1 et l'anode 4, qui est chargé à la tension correspondant à l'énergie d'électrons nécessaire, par exemple U = 20KV, produit dans l'espace de décharge 16 un champ électrique, par lequel un courant d'électrons du nuage de plasma d'allumage 15, est accéléré vers l'anode 4. Pour maintenir l'équilibre des charges, on aspire simultanément du plasma d'allumage des ions positifs en direction de la cathode 1. Il se forme ainsi des foyers catho- diques, qui fournissent, lors de la décharge de plasma sous vide qui suit, les électrons nécessaireset la quantité de gaz exigée pour la formation du plasma (dans ce cas, des vapeurs métalliques). Ces foyers se forment à la surface de la cathode surbut aux points o la densité de courant des ions aspirés du plasma d2allumage 15, est particulièrement élevée. Il s'en suit un fort échauffement à ces points, qui deviennent ainsi, par des processus comme l'émission de champ thermoionique et l'émission thermoionique renforcée par effet Schottlsy, des sources intenses d'électrons. Les électrons affluants compensent la charge du courant ionique aspiré, de sorte que son intensité, et l'intensité du courant électronique émis, augmentent. La densité de courant électronique aux foyers peut atteindre jusqu' à 107A/cm2. Comme la section géométrique de ces courants s'ame- nuise par leur propre champ magnétique, le courant total du foyer cathodique ne dépasse guère 100 A. Il existe donc, lors de décharge sous vide à courant fort (par exemple 10.000 A), simultanément de nombreux foyers cathodiques. C'est possible parce que, contrairement aux décharges de gaz, les foyers cathodiques à décharge sous vide, présentent une caractéristique courant-tension à pente positive. La vapeur métallique produite aux foyers cathodiques afflue à une vitesse d'environ 10 cm/s dans l'espace de décharge 16 entre la cathode 1 et l'anode 4, et elle est transformée de cette façon par les électrons nombreux aspirés des foyers, en un plasma à densité d'électrons élevée. A partir de la surface voisine de l'anode de ce plasma, qui se déplace à la vitesse d'affluence de la vapeur métallique vers l2anode 4, des électrons sont aspirés vers l'anode 4. Comme aux foyers cathodiques il n'existe que des tensions inférieures à 100 V, ces électrons maintiennent pratiquement la totalité de l'énergie correspondant à la tension de charge du condensateur à impact 17. Ceci n'est valable que tant que la 6.- surface limite du plasma voisine de l'anode, n'atteint l'anode 4. Après celà, tout l'espace de décharge entre la cathode 1 et l'anode 4 est rempli d'un plasma à conductivité élevée et une énergie éventuellement encore disponible du condensateur à impact 17 est déchargée, par exemple au moyen d'émission d'ondes électromagnétiques à haute fréquence. Les électrons aspirés traversent le treillis métallique à transparence élevée formant l'anode 4 et sont disponibles pour l'irradiation de l'éprouvette. La coupe d'un générateur pour faisceau électronique, avec des sources d'énergie indépendantes les unes des autres, pour l'amorçage du processus de décharge et l'accélération des électrons, est représente sur la figure 2. Un premier tube protecteur 20 branché sur le potentiel de la terre est relié par une de ses extrémités au raccord coaxial extérieur du condensateur à impact 21 et par son autre extrémité, à une chambre à vide 22, de façon étanche au vide. Unttube cathodique 23, coaxial au premier tube protecteur 20, est relié par une de ses extrémités au raccord coaxial intérieur du condensateur à impact 21 et par son autre extrémité, à une plaque cathodique 24. La partie pénétrant dans la chambre à vide 22, du tube cathodique 23, est entourée de façon coaxiale par un dispositif de support 25 tubulaire raccordé à la paroi de la chambre à vide 22. Le premier tube protecteur 20 comporte, dans la zone comprise entre le condensateur 21 et la chambre à vide 22, un collet 27 tourné de 900 par rapport à l'axe 26 du premier tube protecteur 20, sur lequel un deuxième tube protecteur 28 est bridé. Le deuxième tube protecteur 28 porte le condensateur d'allumage 29, qui est relié au deuxième tube protecteur 28 à travers un anneau isolant 30, mais qui est isolé électriquement. Une communication 31 est disposée de façon concentrique par rapport au collet 27 du premier tube protecteur 20, dans le tube cathodique 23, à laquelle est raccordé un tube formant le conducteur extérieur tubulaire 32 du condensateur d'allumage 29, de manière coaxiale au deuxième tube protecteur 28. Un conducteur intérieur plein 33 et disposé de façon coaxiale au conducteur extérieur 32, et il est relié à une cheville 35 passant par le perçage central 34 du condensateur d'allumage 29. 7.- Le conducteur intérieur 33, après sa tra- versée de la communicatinn 31, est plié à angle droit et amené de façon coaxiale à l'axe 26, en direction de la plaque cathodique 24. L extrémité jouxtant l'anneau cathodique 24 du conducteur intérieur 33, comporte un perçage 36, dans lequel est placéeune plaque de graphite 37. La pièce de raccordement 38 conduit de la plaque cathodique,24. au conducteur intérieur 33. La pièce de raccordement 38 comporte à son extrémité jouxtant le conduc- teur intérieur 33, un perçage 39, dont le fond plan est recou- vert d'une plaque isolante 40, et la paroi, d'une douille isolante 41, de sorte que le conducteur intérieur 33, introduit par son extrémité dans la douille isolante 41, est électrique- ment isolé de la pièce de raccordement 38 de la plaque cathodiqu 24. La plaque isolante 40 présente un perçage central 42 qui la traverse. La pièce de raccordement 38 comporte un perçage central 43 qui la traverse et qui s'élargit en forme de cône vers la plaque cathodique 24. Selon ce mode de réalisation du générateur à faisceau électronique, contrairement à la représentantion schématique de la figure 1, la plaque de graphite 37 n'est pas en contact avec la pièce de raccordement 38. La décharge d'allu- mage brile ici entre 37 et 38 à travers le perçage central pratiqué dans la plaque mince isolante 40. Sur le dispositif de support 25, se trouve disposé un porte-anode 44 tubulaire, déplaçable dans le sens de l'axe 26, qui est fermé à une de ses extrémités par le treil: métallique hautement transparent qui constitue la grille anodiqi 45, et permet d'établir un écartement "a" prédéterminé entre la surface de la plaque cathodique 24 et la grille anodique 45. Su: le cÈté qui est éloigné de la plaque cathodique 24, de la grilli anodique 45, est disposé un porte-éprouvette 46 réglable par rapport à l'axe 26 et donc au faisceau électronique, destiné à recevoir une éprouvette 47 devant être soumise à un faisceau électronique d'une énergie prédéterminée. Les électrodes 24, 45 et le pbrte- éprouvette 46 avec l'éprouvette 47, sont enfermés dans la chambre à vide 22. 8.- La cheville 35, introduite de façon étanche au vide passant à travers le perçage central 34 du condensateur d'allumage 29, sur la face frontale éloignée du conducteur inté- rieur 33, se présente sous forme de contact 49 fixe d'un commu- tateur 50 pour brancher le condensateur d'allumage 29. 9,- REVENDICATIONS 1.- Générateur pour faisceau d'électrons pulsé, comportant une chambre à vide (13) pour décharges à haute tension, contenant comme cathode (1, 24) et anode (4, 45) des électrodes couplées pour l'émission de porteurs de charges, pour l'accélération de ces porteurs de charges et pour l'irra- diation d'une éprouvette avec des porteurs de charges accélérés, la source de tension pour les décharges haute tension, en particulier une décharge de vapeurs métalliques, étant constituée par un premier condensateur (17, 21) à haute tension branché entre la cathode (1, 24) et l'anode (4, 45), générateur caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif pour produire une décharge auxiliaire amorçant le processus de décharge entre cathode (1, 24) et anode (4, 45) et, comme source de tension pour la décharge auxiliaire, un deuxième condensateur (10, 29) à haute tension (condensateur d'allumage) branché entre la cathode (1, 24) du générateur et une électrode d'allumage (5, 37) l'écartement entre les cathodes (1, 29) et l'électrode d'allumage (5, 37) étant déterminé de telle façon, qu'en branchant le con- densateur d'allumage (10, 29), il s'établisse un amorçage entre l'électrode d'allumage (5, 37) et la cathode (1, 24) et forme ainsi le plasma d'allumage (15) amorçant la décharge à haute tension, la cathode (1, 24) comportant un perçage (2, 43) central à travers lequel le plasma d'allumage (15) peut pénétrer dans l'espace de décharge entre la cathode (1, 24) et l'anode (4, 45), l'anode (4, 45) se présentant sous la forme d'un treillis métallique transparent, à travers lequel les électrons accélérés des champs électriques constituant le condensateur à impact (17, 21) peuvent passer, par suite des tensions qui y règnent, un support d'éprouvette (46) réglable par rapport à l'axe (26) et ainsi au faisceau électronique étant prévu sur le c8té de l'anode éloigné de la cathode, destiné à recevoir une éprouvette (47) qui doit être soumise au faisceau électronique. 2-.- Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le condensateur à impact (17, 21) mis en oeuvre' pour l'accumulation de l'énergie, et le condensateur d'allumage (10, 29) se présentent sous la forme de condensateurs bobinés et comportent chacun des raccordements coaxiaux pour un conducteur intérieur (9, 8, 23, 33) et un conducteur extérieur (12, 9, 20, 32). 3.- Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un premier tube protecteur (conducteur extérieur) (20), branché sur le potentiel de la terre, est relié de façon étanche au vide, à une de ses extrémités, au raccordement coaxial extérieur du condensateur à impact (21) et à l'autre extrémité, avec une chambre à vide (48), un tube cathodique (23), coaxial par rapport au premier tube protecteur (20), étant relié par une de ses extrémités, au raccordement coaxial intérieur du condensateur à impact (21), et par son autre extrémité, à une cathode annulaire (24), la partie du tube cathodique (23) faisant saillie dans la chambre à vide (22) étant entourée par un dispositif de support (25) tubulaire se raccordant à la paroi de la chambre à vide (22), qui représente une continuation du conducteur extérieur coaxial (20), le premier tube protecteur (20.) comportant, dans la zone comprise entre le condensateur à impact (21) et la chambre à vide (22), un collet (27) décalé de 900 par rapport à l'axe (26) du premier tube protecteur (20), et sur le collet (27) est raccordé un tube (28) portant le condensateur d'allumage (29) et relié au condensateur d'allumage (29) par l'intermédiaire d'un anneau d'isolation (30), une communication (31) étant prévue de façon concentrique par rapport au collet (27) du premier tube potec- teur (20), dans le tube cathodique (23), un tube formant le conducteur extérieur (32) tubulaire du condensateur d'allumage (29), étant raccordé à cette communication, un conducteur intérieur (33) plein étant disposé coaxial au conducteur exté- rieur (32) tubulaire, et relié à la cheville (35) introduite dans le perçage central (34) du condensateur d'allumage, le conducteur intérieur (33), après avoir traversé la communication (31), étant plié à angle droit et amené de façon coaxiale par rapport à l'axe (26), en direction de la plaque cathodique (24). 4.- Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cheville (35) passant à travers le perçage central (34) du condensateur (29), sur la face frontale éloignée du conducteur intérieur (33), se présente sous forme de contact (49) fixe d'un commutateur (50) pour brancher le condensateur d'allumage (29). 5.- Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'extrémité du conducteur intérieur (33) jouxtant la plaque cathodique (24), comporte un perçage (36) pour recevoir une plaque de graphite (37), le conducteur inté- rieur (33) avec la plaque de graphite (37) étant introduit dans un premier perçage (39) d'une pièce de raccordement métallique (38) reliée à la plaque cathodique (24) et isolée électriquement du conducteur intérieur (33) par une douille isolante (41) entourant l'extrémité du conducteur intérieur (33), une plaque mince isolante (40) couvrant la face frontale du conducteur intérieur (33) et la surface libre de la plaque de graphite (37), cette plaque isolante (40) présentant un perçage central (42) qui la traverse de part en part. 6.- Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cathode est constituée par une plaque cathodique (24) et une pièce de raccordement (38) reliant la plaque cathodique (24) avec 'le conducteur intérieur (33), la pièce de raccordement (38) pourvue d'un perçage (43) la traver- sant, qui s'élargit de façon conique vers la plaque cathodique (24), laquelle est reliée sur sa face extérieure, au tube cathodique (23) branché sur un potentiel haute tension. 7.- Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que un support anodique (44) tubulaire est disposé sur le dispositif de support (25) de façon déplaçable en direction de l'axe (26), pour régler l'écartement (a) entre le disque cathodique (24) et l'anode en forme de treillis (45), ce support anodique (44) étant raccordé à une extrémité à la grille anodique (45) formée par le treillis métallique hautement transparent.