Brevet FR2546358A1 — publié le 19841123

La présente invention a pour objet une source d'ions a résonance cyclotronique des électrons Elle trouve de nombreuses applications, en fonction des différentes valeurs de la gamme de l'énergie cinétique des ions extraits, dans les domaines: "sputtering" des couches minces, microgravure, implantation ionique, chauffage par neutres rapides du plasma des réacteurs. à fusion, accélérateurs tandems, synchrocyclotron, etc. Jusqu'à présent, les réalisations des sources d'ions à résonance cyclotronique des électrons, comme par exemple celle décrite par R Geller, C Jacquot et P Sermet dans les "Proceedings of the -Symposium on ions sources and formation of ion beams", Berckley (Oct 1974) et par F Bourg, R Geller, B Jacquot, T Lamy, M Pontonnier et J C Rocco dans "Nuclear- Instruments & Methods" North-Holland Publishing Company, 196 ( 1982) pp 325-329 sont basées sur l'établissement d'un confinement du plasma à l'aide d'une configuration magnétique en miroir Dans la réalisation selon la première référence, la configuration magnétique en miroir est obtenue par l'intermédiaire de trois groupes de bobines. La figure 1 représente un diagramme, montrant la courbe du champ magnétique en fonction de la distance suivant l'axe central de la source d'ions selon l'art antérieur en superposition avec une représentation schématique de l'emplacement des éléments principaux constituant cette source. Comme le montre la figure 1, la courbe du champ magnétique 1 fournie par l'ensemble des bobines a deux maxima aux endroits du premier groupe 2 et du troisième groupe 4 de bobines et un minimum entre ces deux maxima à l'endroit du deuxième groupe 3 de bobines, ce dernier groupe étant alimenté en contre- champ. Les valeurs maximales sont plus grandes que la valeur Br de l'induction magnétique correspon- dant à la résonance cyclotronique, cette résonance étant atteinte entre les deux maxima. Le plasma est donc créé et confiné dans la zone de la source d'ions, qui se trouve entre lesdits maxima du champ magnétique. Les valeurs maximale et minimale de l'in- duction magnétique de cette source d'ions, prise pour l'exemple, sont 4 200 et 3 200 Gauss respectivement. La résonance cyclotronique des électrons s'effectue à 3 600 Gauss, la fréquence de l'onde haute fréquence injectée étant fixée à environ 10 G Hz. Les ions créés dans le plasma sont enfin extraits par un système d'extraction 5, constitué d'électrodes, qui se trouvent en aval du deuxième maximum du champ magnétique En outre, si, comme dans l'exemple décrit ci-dessus, le système d'extraction des ions est placé en aval du deuxième maximum du champ magnétique, et si celui-ci est diminué, le courant d'ions émis par la source diminue proportion- nellement. Pour obtenir un courant d'ions intense, on extrait donc les ions dans un champ magnétique de même ordre de grandeur que le champ de la résonance cyclo- tronique. Si le faisceau d'ions est émis dans le champ magnétique créé par l'ensemble de bobines et si le champ magnétique est annulé brusquement en aval de la deuxième bobine de la source d'ions, les ions prennent de l'énergie transversale et le faisceau d'ions diverge, donc ses qualités optiques sont détruites Cet effet est décrit dans le théorème de Bush. Pour conserver les qualités optiques du faisceau en aval de la source d'ions, il faut alors maintenir constant le champ magnétique dans tout l'espace de glissement du faisceau d'ions jusqu'à l'endroit de son application ou de la transformation des ions en parti- cules neutres Pour l'exemple décrit ci-dessus, le champ à maintenir constant correspond à une induction de 3 600 Gauss environ, l'énergie électrique consommée par les bobines 6 créant ce champ magnétique est de l'ordre de 1 Mégawatt. Dans le cas d'utilisation des ions à basse énergie (inférieures à 1 ke V) le système d'extraction ne permet pas d'extraire les fortes densités Pour augmenter cette dernière, on peut comprimer le faisceau d'ions en aval de la source d'ions. Pour comprimer le faisceau d'ions, il faut augmenter le champ magnétique proportionnellement. L'augmentation de la densité du courant d'ions est donc limité par les problèmes techniques qui se posent, concernant la production des champs magnétiques de cet ordre de grandeur. En résumé, les sources d'ions selon l'état de la technique présentent les inconvénients prin- cipaux suivants: très haute consommation d'énergie de la configuration magnétique, l'augmentation de la densité du courant d'ions a faible énergie cinétique est problématique à cause de la nécessité d'un champ magnétique élevé. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients Pour cela, elle prévoit une modi- fication de la configuration magnétique de confinement du plasma dans une source d'ions à résonance cyclo- tronique des électrons, qui permet l'extraction des ions dans un champ magnétique nettement inférieur à celui des sources d'ions de l'art antérieur. La présente invention a précisément pour objet une source d'ions à résonance cyclotronique des électrons comportant un système d'injection émettant une puissance hyperfréquence dans un récipient contenant un gaz ou une vapeur d'un matériau destiné à former un plasma, celui-ci est créé et confiné dans une configu- ration magnétique et-enfin les ions en étant extraits par un système d'extraction et elle se caractérise en ce que la configuration magnétique est constituée par 1 o deux groupes de bobines, le premier groupe est situé dans le plan défini par la fenêtre étanche de l'in- jecteur hyperfréquence et entoure celui-ci, fournissant le champ magnétique confinant le plasma, le deuxième groupe étant alimenté en contre-champ par rapport au premier groupe entoure le système d'extraction des ions. Selon un mode préféré de réalisation de la source d'ions, un troisième groupe de bobines, monté en aval du système d'extraction des ions et alimenté dans le même sens que le premier groupe, fournit un champ magnétique supérieur à celui du système d'extraction pour compresser le faisceau d'ions extraits. Selon une autre caractéristique, le champ magnétique fourni par l'ensemble des groupes de bobines a une valeur maximale, supérieure à celle de la réso- nance cyclotronique à l'endroit du premier groupe de bobines et le champ magnétique decroît jusqu'à une valeur minimale à l'endroit du deuxième groupe de bobines en passant par la valeur de l'induction magné- tique B correspondant à la résonance cyclotronique r entre ces deux groupes de bobines. Selon un autre mode de réalisation d'une source d'ions, la position du système d'extraction dans la source est choisie telle que le champ magné- tique faible à l'endroit de l'extraction est fourni seulement par le premier groupe de bobines. Selon encore un autre mode de réalisation d'une source d'ions, le système d'injection hyper- fréquence est constitué par plusieurs injecteurs hyper- fréquence et chacun de ces injecteurs est entouré par un groupe de bobines, ceux-ci étant situés dans les plans définis par les fenêtres étanches de chaque injecteur. Selon une autre caractéristique, la confi- guration magnétique du confinement du plasma comprend en supplément une configuration magnétique multipolaire constituée par des aimants permanents. Selon une autre caractéristique, le champ magnétique correspondant à la résonance cyclotronique est atteint à une distance de l'ordre de quelques cen- timètres en aval de la jonction entre l'injecteur hyper fréquence et la cavité de la source d'ions. Selon une autre caractéristique, l'injection du gaz est effectuée en amont du système d'extraction des ions et en son voisinage. Selon une autre caractéristique, le système d'extraction des ions est constitué par une seule électrode. Selon un mode de réalisation de la source de l'invention, le gaz destiné à former un plasma est du deutérium et le champ magnétique minimal à l'endroit du deuxième groupe de bobines est de l'ordre de quelques centaines de Gauss. Les caractéristiques de l'invention ressor- tiront mieux à l'aide de la description qui va suivre, donnée à titre explicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexes, sur lesquels: la figure 1, déjà décrite, représente un diagramme montrant la courbe du champ magnétique en fonction de la distance suivant l'axe central de la 6 2546358 source d'ions selon l'art antérieur en superposition avec une représentation schématique de l'emplacement de quelques éléments principaux constituant cette source, la figure 2 a représente schématiquement, une source d'ions à résonance cyclotronique des électrons selon l'invention en coupe dans le plan comprenant l'axe central de la source. la figure 2 b représente, en diagramme le profil du champ magnétique en fonction de la distance suivant l'axe central d'une source d'ions conforme à l'invention, la figure 3 représente schématiquement en coupe transversale suivant les flèches de la figure 2, la configuration hexapolaire du confinement magnétique supplémentaire du plasma. La figure 2 a représente schématiquement et d'une manière simplifiée, un exemple d'une réalisation d'une source d'ions à résonance cyclotronique des électrons en coupe transversale, comprenant l'axe central de la source. Dans une cavité 9 sous vide, de forme cylin- drique de révolution par exemple, l'une des extré mités porte un injecteur 8 d'une puissance hyperfré- quence et l'autre extrémité est reliée à l'endroit d'utilisation des ions Il est à noter que la cavité 9 peut avoir une forme quelconque suivant le caractère de la source d'ions Notamment, le système d'injection d'une puissance hyperfréquence 8 peut être constitué par plusieurs injecteurs hyperfréquence On introduit en 17 un gaz ou une vapeur destiné à former un plasma sous une pression faible de quelques 10-3 Torr en amont du système d'extraction des-ions et en son voisinage. On applique un champ magnétique statique axial par l'intermédiaire de bobines qui entourent la cavité Il est aussi envisageable d'utiliser des aimants permanents entourant la cavité pour fournir le champ magnétique de confinement. Si la pulsation du champ hyperfréquence w est égale à la pulsation de résonance cyclotronique des électrons dans le champ magnétique, le plasma est alors crée. Dans un autre mode de réalisation d'une source d'ions, le plasma est créé à un autre endroit et in- jecté ensuite dans la cavité 9 Le plasma est confiné dans la configuration magnétique obtenue par l'intermédiaire de deux groupes de bobines 11, 12. Le premier groupe de bobines 11 est situé dans le plan défini par la fenêtre étanche 13 de l'injecteur hyperfréquence 8 et entoure celle-ci. Le deuxième groupe de bobines 12 est placé à une distance prédéterminée en aval du premier groupe de bobines et est alimenté en contre-champ par rapport au premier groupe. Comme le montre la figure 2 b, l'ensemble de ces deux groupes de bobines fournit un champ magnétique qui a une valeur maximale à l'endroit du premier groupe de bobines 11 Cette valeur est choisie supérieure à la valeur Br, correspondant à la réso- nance cyclotronique des électrons. Le champ magnétique décroît jusqu'à une valeur minimale à l'endroit du deuxième groupe de bobines 12. En passants le champ magnétique atteint la valeur du champ magnétique Br correspondant à la résonance cyclotronique On peut aussi choisir la, distance entre le premier groupe de bobines et le système d'extraction telle que le champ magnétique à l'endroit de l'extraction est fourni seulement par le premier groupe de bobines. Le profil du champ magnétique est choisi tel que la résonance cyclotronique des électrons s'effectue à quelques centimètres en aval de la jonction entre l'injecteur de la puissance hyperfréquence et la cavité. D'une part, la zone de résonance se trouve suffisamment loin de la fenêtre 13 pour que le plasma 10 créé à cet endroit ne diffuse guère vers celle-ci et donc ne risque pas de la détériorer. D'autre part, la résonance est suffisamment loin des parois de la cavité pour que la densité de plasma ne soit pas diminuée. Le nombre de bobines formant un groupe dépend du champ magnétique à fournir. Dans un mode préféré de la réalisation du confinement magnétique du plasma, on installe en supplément entre le premier 11 et le deuxième 12 groupes des bobines une configuration magnétique multipolaire. La figure 3 montre schématiquement en coupe transversale suivant la coupe A-A de la figure 2 a, une configuration hexapolaire du confinement magnétique supplémentaire Le plasma 10 est confiné par les lignes de force du champ magnétique créé par des aimants permanents 18 répartis en couronne autour de la partie cylindrique de la cavité qui entoure le plasma et dont les polarités sont alternées. Dans le cas o le gaz destiné à former un plasma est du deutérium, la fréquence de la pulsation du champ hyperfréquence étant d'environ 10 G Hz, la résonance cyclotronique des électrons se produit pour une induction Br = 3 600 Gauss. La valeur maximale de l'induction B à Max l'endroit du premier groupe des bobines est choisie de préférence aux environs de 4 000 Gauss et la valeur à l'endroit du deuxième groupe des bobines est de préférence de l'ordre de quelques centaines de Gauss Le système d'extraction des ions 14 est installé à l'intérieur des bobines formant le deuxième groupe. Il est à noter que dans la-source conforme à l'invention, cette valeur de l'induction magnétique a l'endroit du système d'extraction est inférieure - à 10 % de la valeur de l'induction Br correspondant à la résonance cyclotronique - Le système d'extraction peut être réalisé sous forme d'une seule électrode. Des essais avec une source d'ions selon l'invention ayant un tel positionnement du système d'extraction 14 ont montré qu'en contraste avec les expériences réalisées avec les sources d'ions selon l'art antérieur, ou le système d'extraction 5 (Fig 1) des ions est placé en aval d'un deuxième maximum du champ magnétique d'un confinement du plasma, le courant d'ions extraits n'est pas proportionnel à la valeur d'induction magnétique à l'endroit d'extrac- tion. Dans des conditions comparables, le courant d'ions émis par la source d'ions selon l'invention est double par rapport à celui d'une source conven- tionnelle. Si on augmente la puissance hyperfréquence par unité de volume, le courant d'ions augmente On peut alors extraire des courants d'ions plus grands, ou bien réduire les dimensions des cavités en largeur et en diamètre, ce qui entralne l'utilisation des "minicavités", à condition que la résonance cyclo- tronique soit dans la cavité, à quelques centimètres de la transition guide cavité. En outre, on constate que l'homogénéité radiale du faisceau extrait 16 est améliorée notablement, la stabilité du plasma 10 créé dans cette configuration magnétique selon l'invention est plus grande que celle de l'art antérieur. Le faisceau extrait de la source d'ions peut être compressé, en aval des électrodes d'extraction, par l'application d'un champ magnétique supérieure à celui appliqué au système d'extraction 14 La densité du courant d'ions augmente proportionnellement au champ magnétique appliqué. La réalisation de ce champ magnétique est effectuée par l'intermédiaire d'un troisième groupe 15 de bobines, comme indiqué sur la figure 2 Le champ magnétique à l'endroit d'extraction des ions étant très faible pour garder ou augmenter la qualité optique du faisceau d'ions en amont de la source d'ions, il suffit alors de prévoir des bobines destinées à fournir un champ magnétique nettement inférieur à celles utilisées dans les sources selon l'art antérieur. Pour des exemples donnés ci-dessus, la consommation d'énergie de ces bobines est réduite d'un facteur supérieur à dix; il s'effectue donc une économie d'énergie importante. Selon un autre aspect concernant la qualité optique du faisceau d'ions, on peut même annuler le champ magnétique bien avant l'endroit de son application, sans dégrader sa qualité optique. L'effet décrit dans le théorème de Bush devient négligeable, car le champ magnétique est relativement faible. Il en résulte une nouvelle économie d'énergie très importante côté aval de la source d'ions et l'en- combrement est réduit grâce à la suppression de nom- breuses bobines. REVENDICATIONS 1 Source d'ions à résonance cyclotronique des électrons ( 7) comportant un système d'injection ( 8) émettant une puissance hyperfréquence dans un réci- pient ( 9) contenant un gaz ou une vapeur d'un matériau destiné à former un plasma ( 10), celui-ci étant créé et confiné dans une configuration magnétique et enfin les ions en étant extraits par un système d'extrac- tion ( 14), caractérisée en ce que la configuration magnétique est constituée par deux groupes de bobines ( 11, 12), le premier groupe ( 11) est situé dans le plan défini par la fenêtre étanche ( 13) de l'injecteur ( 8) hyperfréquence et entoure celui-ci, fourniss sant le champ magnétique confinant le plasma, le deuxième groupe ( 12) étant alimenté en contre-champ par rapport au premier groupe entoure le système d'extraction ( 14) des ions. 2 Source d'ions selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'un troisième groupe de bobines ( 15) monté en aval du système d'extraction des ions ( 14) est alimenté dans le même sens que le premier grouper fournit un champ magnétique supérieur à celui du système d'extraction pour compresser le faisceau d'ions extraits ( 16). 3 Source d'ions selon la revendication 1, caractérisée en ce que le champ magnétique fourni par l'ensemble des groupes de bobines ( 11, 12) a une valeur maximale, supérieure à celle de la résonance cyclotronique, à l'endroit du premier groupe ( 11) de bobines et le champ magnétique décroît jusqu'à une valeur minimale à l'endroit du deuxième groupe ( 12) de bobines en passant par la valeur de l'induction magnétique Br correspondant à la résonance cyclotro- nique, entre les deux groupes ( 11, 12) de bobines. 4 Source d'ions selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la position du système d'extraction dans la source est choisie telle que le champ magnétique faible à D l'endroit de l'extraction est fourni seulement par le premier groupe de bobines. Source d'ions selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le système d'injection hyperfréquence est constitué par plusieurs injecteurs ( 8) hyperfréquence et en ce que chacun de ces injecteurs est entouré par un groupe de bobines ( 11), ceux-ci étant situés dans les plans définispar les fenêtres étanches ( 13) de chaque injecteur ( 8). 1 S 6 Source d'ions selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la confi- guration magnétique du confinement du plasma comprend en supplément une configuration multipolaire constituée par des aimants permanents ( 18). 7 Source d'ions selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le champ magnétique correspondant a la résonance cyclotronique est atteint à une distance de l'ordre de quelques centimètres en aval de la jonction du système d'in- jection hyperfréquence ( 8) avec la cavité ( 9) de la source d'ions. 8 Source d'ions selon l'une-quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que l'injection du gaz ( 17) est effectuée en amont du système d'extraction des ions et en son voisinage. 9 Source d'ions selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que le système d'extraction ( 14) des ions est constitué par une seule électrode. Source d'ions selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que le gaz destiné à former un plasma est du deutérium et en ce que le champ magnétique à l'endroit du deuxième groupe ( 12) de bobines est de l'ordre de quelques centaines de Gauss.