Brevet FR2532112A1 — publié le 19840224

La présente invention a trait aux techniques utilisées pour obtenir la déflexion de la trajectoire des faisceaux de particules chargées, tels que par exemple, les faisceaux d'ions intenses utilisés dans les implanteurs ioniques. On sait que les faisceaux d'ions lourds de mime signe, atteignant ou dépassant une certaine den- sité, par exemple de l'ordre du m A/cm 2, sont diffici- les à maintenir en l'état, étant donné les forces de répulsion très importantes qui s'exercent entre les diverses particules et qui, sans précautions spécia- les, auraient tendance à provoquer l'éclatement du faisceau De tels faisceaux ne peuvent exister que s'ils comportent un minimum de charges spatiales de particules du signe opposé à celles du faisceau, no- tamment des électrons lorsqu'il s'agit d'un faisceau d'ions lourds positifs Ces électrons sont en général présents au sein du faisceau du fait même qu'un vide total ne peut jamais être fait dans l'enceinte o se déplace le faisceau et qu'une partie de l'air résiduel ionisé fournit précisément ces électrons nécessaires. Pour pouvoir manipuler de tels faisceaux d'ions lourds, de haute densité, il est donc important de ne pas détruire la compensation par cette charge spatiale de particules de signe opposé, ce qui exclut par conséquent tout recours à des champs électriques pour obtenir les déviations du faisceau nécessaires à son utilisation C'est pourquoi, on a r ecours couram- ment, pour faire varier la déflexion de la trajectoire du faisceau, à-des champs magnétiques qui permettent la conservation de la compensation précédente tout en assurant une déviation adéquates Dans l'art antérieur connu, on obtient donc la déflexion du faisceau en faisant varier le rayon de courbure de la trajectoire qu'il suit par création d'une zone o le champ magnétique est variable en fonction du temps Ceci est réalisé généralement grâce à un circuit magnétique comportant un entrefer et dans lequel circule le flux induit par une bobine de magné- tisation dans laquelle on injecte le courant d'inten- sité variable qui crée le champ magnétique variable. Tous ces procédés de déflexion connus con- duisent à des inconvénients sérieux qui sont d'une part des pertes par courants de Foucault et hystérésis dans le matériau magnétique soumis au champ variable, qui sont loin d'être négligeables, et la mise en jeu d'une puissance réactive relativement importante lors de la variation du champ magnétique A titre d'exemple de ce dernier inconvénient, on peut citer le cas du balayage d'un faisceau d'ions d'antimoine de 200 ke V avec un angle de plus ou moins 1 , à 50 Hz Si le volume d'espace magnétisé correspond à un entrefer dont les dimensions sont: longueur environ 0,2 mètre, largeur 0,2 mètre, épaisseur de l'entrefer 0,1 mètre, l'obtention dans cet entrefer d'un champ maximum de 1000 Gauss ou 0,1 Tesla conduit à la mise en jeu d'une puissance réactive de l'ordre de 5,8 KVA Une puissan- ce réactive de cet ordre de grandeur est très néfaste à l'équilibre du réseau électrique auquel elle est em- pruntée. La présente invention a précisément pour ob- jet un procédé qui permet de faire varier la déflexion de la trajectoire d'un faisceau de particules chargées en utilisant le champ magnétique pour cette déflexion, mais qui permet, par la mise en oeuvre de moyens sim- ples et efficaces, d'éviter les inconvénients préala- blement rappelés dans l'art antérieur en matière de perte par hystérésis, courants de Foucault et déséqui- libre du réseau par puissance réactive importante con- sommée. portante consommée. Ce procédé pour faire varier la déflexion de la trajectoire d'un faisceau de particules chargées sur un chemin de longueur 1 dans un volume d'espace V o existe une induction magnétique t (x, yz), se ca- ractérise en ce que l'on crée un déplacement relatif de ce volume V par rapport au faisceau de façon à faire varier la grandeurf Bdl calculée le long du chemin et caractéristique de la déflexion subie par le faisceau lors de sa traversée de ce volume V. L'angle de déflexion a d'un faisceau de par- ticules chargées traversant une zone d'induction ma- gnétique de volume V de longueur l et d'intensité B perpendiculaire à la trajectoire est fonction, pour un type d'ions et une énergie donnée, de la valeur de l'intégrale f Bdl calculée le long de ce chemin Dans l'art antérieur, on obtenait les variations de l'an- gle a en fonction du temps en-faisant varier l'induc- tion B également en fonction du temps Le procédé, objet de la présente invention, consiste essentielle- ment à faire varier l'intégrale f Bdl le long du che- min parcouru par le faisceau de particules chargées. pour obtenir la variation de l'angle a On obtient ainsi, conformément à l'invention un angle ca de dé- flexion du faisceau qui est fonction de la position du faisceau par rapport au volume V De façon pratique d'ailleurs, c'est en créant un déplacement relatif du volume V par rapport au faisceau que l'on faitvarier la valeur de l'intégrale f Bdl vue par le faisceau lui-même et que l'on obtient ainsi la déflexion re- cherchée. Il faut noter que selon l'invention, l'in- duction t (x,y,z) n'est pas fonction du temps comme elle l'était dans l'art antérieur et que l'on peut l'obtenir grâce à un système magnétisant indépendant du temps, tel qu'un aimant permanent ou un circuit magnétique magnétisé par un nombre constant d'am- pères tours Différentes variantes de mise en oeuvre du procédé peuvent être envisagées sans sortir du ca- dre de l'invention. Dans une première variante, l'induction ma- gnétique est uniforme dans un volume V en forme de parallélépipède rectangle par exemple que l'on fait tourner autour d'un axe perpendiculaire à deux de ses faces et à la direction du faisceau. Dans une deuxième variantel'induction ma- gnétique étant non uniforme dans le -volume V, on fait tourner ce dernier autour d'un axe perpendiculaire au faisceau et parallèle à l'induction. Dans une troisième variante, le volume V est fixe dans l'espace mais l'induction est non uniforme et l'on fait se déplacer le faisceau par rapport au volume V avant son entrée dans celui-ci. Dans une quatrième variante encore, le volu- me V est mobile en rotation autour d'un axe perpendi- culaire au faisceau et comprend deux zones adjacentes et sensiblement égales dans lesquelles l'induction, parallèle à l'axe de rotation, est de sens opposé de l'une à l'autre. De toute façon l'invention sera mieux com- prise à la lecture qui suit d'un certain nombre d'exemples de mise en oeuvre qui seront décrits à ti- tre illustratif et non limitatif en se référant aux figures 1 à 4 cijointes sur lesquelles: les figures la (vue de dessus) et lb (en élévation) représentent un exemple de déflexion variable de la trajectoire d'un faisceau de particules chargées utilisant un volume V en forme de parallélépipède rectangle; la figure 2 a représente un mode de mise en oeuvre du procédé objet de l'invention dans lequel on obtient une déflexion variable de la trajectoire d'un faisceau de particules chargées en faisant tourner un volume V dans lequel l'induction magnétique n'est pas uni- forme; la figure 2 b est une coupe du dispositif de la f igu- re 2 a selon AA; les figures 3 a et 3 b représentent en élévation et vu de dessus un dispositif d'amplification de balayage dans lequel le volume V est fixe dans l'espace, l'induction est non uniforme et-le faisceau se dé- place avant son entrée dans le système; les figures 4 a et 4 b montrent en coupe élévation et en plan, un système de mise en oeuvre du procédé de déflexion objet de l'invention comprenant deux zones adjacentes sensiblement égales dans lesquelles l'induction est de sens opposé de l'une à l'autre. Sur les figures la et lb, on a représenté un volume V magnétisé à l'aide de deux ferrites 1 et 2 possédant des p 8 les nord et sud ainsi qu'indiqué sur le dessin Dans le volume V, il en résulte par consé- quent, une induction B uniforme schématisée -par les flèches Selon l'invention, l'ensemble des deux ferri- tes 1 et 2, est mobile en rotation autour d'un axe 3 perpendiculaire à leur plan commun et passant par leur centre de symétrie, de façon à les rendre solidaires en rotation L'axe de rotation 3 est perpendiculaire à la direction générale du faisceau 4 entrant dans le système Lorsque les deux ferrites occupent la posi- tion 5 marquée en trait plein sur la figure la, la valeur de l'intégrale f Bdl est maximale et la trajec- -toire du faisceau à-la sortie est repérée par le chif- fre 6 t lorsqu'au contraire les ferrites 1 et 2 ayant tourné de 900 autour de l'axe 3 sont dans la position 7 représentée en pointillés sur la figure la, l'inté- grale f Bdl a la valeur minimale puisque la longueur 1 traversée est ellemême minimale, et la trajectoire du faisceau à la sortie est indiquée par la référence 8. On obtient ainsi par une simple rotation du système constitué par les deux ferrites 1 et 2, c'est-à-dire du volume V magnétisé, une déflexion qui peut varier d'un angle Au compris entre les déflexions extrêmes 6 et 8. Sur les figures 2 a et 2 b, on a représenté un autre exemple de mise en oeuvre du procédé objet de l'invention dans lequel le volume V magnétisé tourne autour d'un axe 3 perpendiculaire au faisceau incident 4 et parallèle au vecteur induction B Le dispositif représenté en coupe élévation sur la figure 2 a et en vue de dessus selon la coupe PA sur la figure 2 b, comporte essentiellement un circuit magnétique fixe 10 de section préférentiellement circulaire, dans lequel on fait circuler à l'aide d'une bobine ll comprenant un certain nombre N de spires, un courant I constant correspondant à une force magnéto-électrique de n I am- pères tours Ce circuit magnétique 10 comporte un en- trefer 1 l délimité par deux plans inclinés 12 et 13 appartenant à des pièces polaires 14 et 15 agencées de façon à pouvoir tourner de façon solidaire autour de l'axe de rotation 3 situé dans le plan de la figure 2 a La configuration de l'entrefer il conduit à l'ob- tention d'une induction magnétique B dirigée selon les flèches, mais non uniforme dans l'ensemble du volume V de l'entrefer Il puisque son intensité, c'est-à-dire le module du vecteur B, varie de façon inverse de l'épaisseur locale de l'entrefer En d'autres termes, dans la position des p 8 les 14 et 15 représentée sur la figure 2 a, l'induction B est minimale sur la face ex- terne située à gauche de l'entrefer et maximale sur la face interne située à droite de celui-ci Le faisceau de particules chargées dont on veut faire varier la déflexion dans le volume V étant situé en 4 de façon excentrée par rapport à l'axe 3, il suffit de faire tourner les pôles 14 et 15 autour de cet axe 3 pour que le module du vecteur B vu par ce faisceau 4 varie dans le temps, et provoquer ainsi une déflexion plus ou moins grande de ce faisceau 4 Sur la figure 2 b, on voit la déflexion minimale 16 correspondant à l'induc- tion B minimale et la déflexion maximale 17 correspon- dant à l'induction B maximale dans le volume V au ni- veau du faisceau 4 Les deux déflexions minimale 16 et maximale 17 sont distantes angulairement parlant d'un angle AE qui concrétise les limites de la variation de la déflexion de trajectoire que l'on peut imposer au faisceau entrant 4, par le dispositif des-figures 2 a et 2 b. Le dispositif des figures 3 a et 3 b est des- tiné à amplifier un balayage de faisceau initial obte- nu de façon connue par des moyens mécaniques ou élec- triques qui ne font pas partie de la présente inven- tion Ce dispositif a la particularité d'être entière- ment statique et il comporte essentiellement comme dans le cas précédent des figures 2 a et 2 b un circuit magnétique fixe 10 alimenté par une bobine 11 parcou- rue par un courant d'intensité I -et correspondant à une force magnéto-motrice de n I ampères tours. Comme dans le cas précédent, ce circuit magnétique 10 est muni d'un entrefer 11 défini par, les p 8 les magnétiques 14 et 15 délimités par les surfaces planes inclinées en regard 12 et 13, définissant dans l'entrefer 11 une induction magnétique B dont la di- rection est schématisée par les flèches et dont l'in- tensité, non uniforme, est variable d'une extrémité à l'autre de l'entrefer 11 La différence essentielle avec le dispositif précédent réside dans le fait que, dans l'exemple des figures 3 a et 3 b, les pièces polai- res 14 et 15 sont fixes et que c'est le faisceau 4 lui- même que l'on fait se déplacer dans le plan de la figure 3 a d'un angle al limité a quelques degrés, mais qui se trouve amplifié dans le système puisque l'angle a 2 délimité par les déviations extrêmes 16 et 17 du faisceau de particules chargées est beaucoup plus grand que l'angle al d'ouverture de balayage initial. Ainsi, lorsque le faisceau 4, avant son entrée dans le système des figures 3 a et 3 b, oscille d'un angle ail de quelques degrés, le faisceau sortant balaye l'espace compris entre les faisceaux limites 16 et 17 se dépla- çant ainsi d'un angle a 2 très supérieur à l'angle al de balayage initial (a 2 souvent supérieur à 1 Oal). Ce dispositif peut être utile lorsque l'on veut obtenir, à partir de moyens mécaniques ou élec- triques connus provoquant un balayage initial faible, une déflexion angulaire beaucoup plus importante et automatique d'un faisceau de particules chargées. Le dispositif des figures 4 a et 4 b montre un autre exemple de mise en oeuvre du procédé objet de l'invention et comporte essentiellement comme on le voit sur la figure 4 a, dans un volume V mobile en rotation autour d'un axe 3, deux zones contiguës et d'égal volume 20 et 21 dans lesquelles l'induction B est de même direction, de même intensité, mais de sens opposés, dans l'une des zones par rapport à l'autre. Ceci est obtenu facilement par exemple à l'aide de quatre ferrites dont les pôles nord et sud sont répar- tis comme indiqué sur la figure 4 a Si l'on regarde maintenant en se référant à la vue de dessus représen- tée sur la figure 4 b ce qui se passe lorsqu'un fais- ceau de particules chargées 4 entre dans le système, on comprend que ce faisceau est dévié dans chacune des zones 20 et 21 en sens opposé, ce qui conduit pour une première position du système des quatre ferrites 22, 23, 24 et 25 à la trajectoire extrême 16 et pour la position de ces mêmes quatre ferrites après un demi- tour de rotation autour de l'axe 3 à la trajectoire extrême 17 On conçoit donc que pour les positions intermédiaires du volume V, la déflexion de la trajec- toire du faisceau se situe entre les trajectoires ex- trêmes précédentes 16 et 17. Dans tous les exemples décrits précédemment en se référant aux différentes figures, on voit donc que la variation de déflexion de la trajectoire du faisceau de particules chargées est obtenue par des moyens magnétiques faisant varier l'intégralef Bdl vue par le faisceau dans le volume V sans qu'il y ait aucunement consommation de puissance réactive ni perte par hystérésis ou courant de Foucault puisque les champs magnétiques sont obtenus soit par des aimants permanents soit par des circuits électromagnétiques alimentés par des courants constants. REVENDICATIONS 1 Procédé pour faire varier la déflexion de la trajectoire ( 4) d'un faisceau de particules char- gées sur un chemin de longueur 1 dans un volume d'es- pace V o existe une induction magnétique B (xy,z), caractérisé en ce que l'on crée un déplacement relatif de ce volume V par rapport au faisceau de façon à faire varier la grandeur f Bdl calculée le long du chemin et caractéristique de la déflexion subie par le faisceau lors de sa traversée de ce volume V. 2 Procédé selon la revendication 1, carac- térisé en ce que l'induction magnétique est créée par au moins un aimant permanent 3 Procédé selon la revendication 1, carac- térisé en ce que l'induction magnétique est créée par un circuit magnétique ( 10) doté d'un entrefer ( 11) dé- finissant le volume V et magnétisé par un nombre cons- tant d'ampères-tours. 4 Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 3, caractérisé en ce que l'induction magnétique est uniforme dans un volume V en forme de parallélépipède rectangle que l'on fait tourner autour d'un axe ( 3) perpendiculaire à deux de ses faces et à la direction du faisceau ( 4). Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 3, caractérisé en ce que l'induction magnétique étant non uniforme dans le volume V, on fait tourner ce dernier autour d'un axe culaire au faisceau et parallèle à l'induction. 6 Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 3, caractérisé en ce que le volume V est fixe dans l'espace, l'induction est non uniforme et l'on fait se déplacer le faisceau ( 4) par rapport au volume V avant son entrée dans celui-ci. 7 Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 3, caractérisé en ce que le volume V est mobile-en rotation autour d'un axe ( 3) perpendiculaire au faisceau ( 4) et comprend deux zones adjacentes ( 20, 21) et sensiblement égales dans lesquelles 1 'induction, parallèle à l'axe de rotation ( 3), est de sens opposé de l'une à l'autre.