Brevet FR2556498A1 — publié le 19850614

Source d'ions multichargés à plusieurs zo- nes de résonance cyclotronique électronique. La présente invention a pour objet une sour- ce d'ions multichargés à plusieurs zones de résonance cyclotronique électronique. Elle trouve de nombreuses applications, en fonction des différentes valeurs de l'énergie cinétique des ions extraits, dans les domai- nes de l'implantation ionique, de la microgravure, et plus particulièrement dans l'équipement des accéléra- teurs de particules, utilisés aussi bien dans le do- maine scientifique que médical. Dans les sources à résonance cyclotronique électronique, les ions sont obtenus en ionisant, dans une enceinte fermée du genre cavité hyperfréquence un gaz, constitué par exemple de vapeurs métalliques, au moyen d'un plasma d'électrons fortement accélérés par résonance cyclotronique électronique. Cette résonance est obtenue grâce à l'action conjuguée d'un champ électromagnétique haute fréquence injecté dans l'en- ceinte, contenant le gaz à ioniser, et d'un champ ma- gnétique, régnant dans cette même enceinte, dont l'am- plitude B satisfait à la condition de résonance cyclo- tronique électronique suivante: B = f.2 e dans la- e quelle e représente la charge de l'électron, m sa mas- se, et f la fréquence du champ électromagnétique. Dans ce type de source, la quantité d'ions pouvant être produite résulte de la compétition entre deux processus: d'une part la formation des ions par impact électronique sur des atomes neutres constituant le gaz à ioniser et d'autre part la destruction de ces mêmes ions par recombinaison, simple ou multiple, lors d'une collision de ces derniers avec un atome neutre; cet atome neutre-peut provenir du gaz non encore ioni- sé ou bien être produit sur les parois de l'enceinte par impact d'un ion sur lesdites parois. Le problème dans ce type de source est donc de minimiser la destruction des ions formés, en évi- tant toute collision de ceux-ci avec un atome neutre. Pour remédier à cet inconvénient, on a envi- sagé de confiner, dans l'enceinte constituant la sour- ce, les ions formés ainsi que les électrons servant à leur ionisation. Ceci est réalisé en créant à l'inté- rieur de l'enceinte un ensemble de champs magnétiques locaux, radiaux et axiaux, définissant une nappe fer- mée dite "équimagnétique", n'ayant aucun contact avec les parois de l'enceinte et sur laquelle la condition de résonance cyclotronique électrique est satisfai- te: cette nappe représente le lieu des points o l'amplitude des champs magnétiques locaux présente la même valeur. Une telle source a été décrite dans un brevet français n 2 475 798 déposé le 13 février 1980 au nom du demandeur. Plus cette nappe équimagnétique est proche des parois de l'enceinte, plus son efficacité est grande car elle permet de limiter le volume de présen- ce des atomes neutres et donc la quantité de collision ions-atome neutre. Cependant, les risques pour cette nappe de toucher les parois internes de l'enceinte sont grands et il est alors préférable d'utiliser une deuxième nappe équimagnétique dont l'amplitude est accordée à une fréquence différente du champ électromagnétique, ce qui impose automatiquement l'emploi d'un deuxième générateur hyperfréquence. La présente invention a justement pour objet une source d'ions multichargés à résonance cyclotroni- que électronique permettant de minimiser les effets de recombinaison par collision des ions sur les atomes neutres tout en évitant l'emploi d'un deuxième généra- teur hyperfréquence. De façon plus précise, l'invention a pour objet une source d'ions multichargés comprenant une enceinte fermée contenant un gaz destiné à former un plasma confiné dans l'enceinte, des moyens pour engendrer dans l'enceinte un champ électromagnétique de haute fréquence, des moyens pour créer dans l'en- ceinte un ensemble de champs magnétiques locaux, ra- diaux et axiaux, définissant au moins une nappe équi- magnétique permettant le confinement du plasma créé par la résonance cyclotronique électronique dont on a satisfait la condition sur ladite nappe, ledit ensem- ble présentant un axe de symétrie, et des moyens pour extraire les ions par un orifice, pratiqué dans les parois de l'enceinte et situé sur l'axe de symétrie, la source étant caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens pour diminuer, en dehors du volume occupé par le plasma confiné, l'amplitude des champs magnéti- ques axiaux locaux situés à proximité et légèrement en amont de l'orifice d'extraction dans n petites zones situées en dehors de l'axe de symétrie d'une part, et d'autre part, d'une façon plus globale dans tout le volume situé en aval dudit orifice; cette diminution permet de faire apparaître dans les n zones, de nou- velles résonances cyclotroniques électroniques ioni- santes. Selon un mode préféré de réalisation du dis- positif de l'invention, les champs radiaux locaux étant créés au moyen de plusieurs barreaux aimantés, disposés symétriquement autour de l'enceinte et cons- titués chacun de plusieurs aimants élémentaires, les aimants élémentaires terminaux desdits barreaux, si- tués au niveau de l'orifice d'extraction, présentant une même polarité, constituent en partie les moyens de diminution de l'amplitude des champs magnétiques axiaux locaux. De préférence, les barreaux aimantés sont réalisés en SmCO5, ce matériau présentant des proprié- tés remarquables d'anisotropie macroscopique et une grande rigidité magnétique. De façon à augmenter ou moduler dans l'espa- ce l'effet de la décroissance des champs magnétiques axiaux un blindage en fer accolé à l'enceinte exté- rieurement à celle-ci et au niveau de l'orifice d'ex- traction peut être avantageusement prévu. Ce blindage présente un axe de symétrie confondu avec celui dudit ensemble de champs magnétiques. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, donnée à titre illustratif mais non limita- tif en référence aux figures annexées, dans lesquel- les: - la figure 1 représente schématiquement, en coupe longitudinale, une source d'ions conformément à l'invention, - la figure 2 représente schématiquement une coupe transversale, au niveau de l'orifice d'extrac- tion des ions de la source de la figure 1, - la figure 3 est une vue schématique compa- rable à la figure 1 illustrant la répartition des champs magnétiques locaux, et - la figure 4 est une vue schématique illus- trant l'influence supplémentaire d'un blindage en fer sur les variations d'amplitude des champs magnétiques axiaux selon l'axe de symétrie de la source. Sur la figure 1, on a représenté schémati- quement, en coupe longitudinale, une source d'ions à résonance cyclotronique électronique. Cette source comprend une enceinte fermée de confinement 2 qui constitue une cavité résonnante. Cette enceinte 2 est réunie au moyen d'une canalisation 4 à une pompe à vide 5 permettant de créer un vide poussé dans l'en- ceinte. Cette enceinte 2 peut être excitée par un champ électromagnétique hyperfréquence produit par un générateur 6, ce champ étant introduit dans l'enceinte au moyen d'un guide d'ondes 8. Une conduite 10 permet d'introduire dans l'enceinte 2 un gaz ionisable. Des bobines telles que 12, disposées autour de l'enceinte 2 permettent de créer dans ladite en- ceinte des champs magnétiques locaux, symbolisés par des flèches 16 et parallèles à un axe 18, qui peut être par exemple l'axe de symétrie de l'enceinte 2. De même, des barreaux aimantés 20, disposés tout autour de ladite cavité, permettent de créer des champs ma- gnétiques locaux, symbolisés par les flèches 22 et si- tués radialement par rapport à l'axe 18. L'ensemble des champs magnétiques locaux, radiaux et axiaux, ayant pour axe de symétrie l'axe 18, permettent de définir des nappes "équimagnétiques" fermées telles que 23 (lieu des points o l'amplitude des champs ma- gnétiques locaux présente la même valeur), n'ayant au- cun contact avec les parois de l'enceinte 2. Sur une de ces nappes internes, la condition de résonance cy- clotronique électronique est satisfaite, condition explicitée précédemment. L'existence d'une telle nappe résonnante permet (voir brevet cité précédemment) d'ioniser for- tement le gaz contenu dans l'enceinte 2 donnant ainsi naissance à un plasma d'électrons très energétiques. Cette nappe permet aussi de confiner les ions et les électrons produits par ionisation du gaz. Grace à.ce confinement, les électrons créés ont le temps de bom- barder plusieurs fois un même ion et de l'ioniser to- talement. Cette nappe résonnante permet encore, et c'est fondamental, un pompage ionique in situ très ef- ficace qui limite ipso facto les collisions destruc- trices d'échange de charge ions-atomes neutres à l'in- térieur même du volume limité par cette nappe réson- nante. Les ions fortement chargés ou multichargés ainsi formés peuvent ensuite être extraits de l'en- ceinte 2, comportant à cet effet un orifice d'extrac- tion 24 situé sur l'axe de symétrie 18, par exemple au moyen d'une électrode 26 portée à un potentiel négatif à l'aide d'une source d'alimentation 28. Les ions ain- si extraits de l'enceinte 2 peuvent ensuite être sé- lectionnés suivant leur degré d'ionisation à l'aide de tout moyen connu utilisant un champ magnétique et/ou un champ électrique. Afin de minimiser les effets destructeurs des collisions d'échange de charge précédemment dé- crits, mais cette fois entre la nappe résonnante et l'orifice d'extraction, l'invention propose de dimi- nuer l'amplitude des champs magnétiques axiaux locaux situés à proximité de l'orifice d'extraction 24 et plus précisément en aval de celui-ci, et légèrement en amont à proximité de l'axe de symétrie 18. Cette dimi- nution des champs magnétiques axiaux locaux doit être effectuée en dehors du volume occupé par le plasma d'électrons, confiné à l'intérieur de la nappe équima- gnétique telle que 23, la plus extérieure et non in- terceptée par la paroi, afin d'éviter toute modifica- tion de cette nappe aussi bien dans sa forme que dans son emplacement. Cette diminution peut être réalisée de façon avantageuse en utilisant des barreaux aimantés 20 constitués de plusieurs aimants élémentaires accolés , réalisés de préférence en SmCO5, les aimants élé- mentaires terminaux 30a des différents barreaux 20, situés au niveau de l'orifice d'extraction 24 présen- tant une même polarité, ici une polarité nord (N), comme représenté sur les figures 1 et 2. Dans les sources d'ions de l'art antérieur, les polarités des aimants élémentaires terminaux 30a étaient en alter- nance soit nord soit sud. La polarité uniforme des aimants élémentaires 30a doit présenter le même nom ou polarité (figure 1) que celui de la face des bobines 12 situées à proximité desdits aimants, c'est-à-dire à proximité de l'orifice d'extraction 24. Cette polarité uniforme des éléments 30a permet la formation de plusieurs calottes 32 équima- gnétiques, sur lesquelles la condition de résonance cyclotronique électronique est satisfaite. Les dimen- sions, donc l'efficacité de ces calottes 32 peuvent être modifiées en faisant varier légèrement l'amplitu- de des champs locaux radiaux produits par les bobines 12. Le nombre de calottes équimagnétiques 32 dé- pend du nombre de barreaux aimantés 20. L'emploi de 2n barreaux aimantés, permet la formation de n calottes équimagnétiques. Dans le cas représenté sur la figure 2, on a pris n égal à trois. Ces calottes 32 situées dans la zone d'extraction des ions permettent de mini- miser la recombinaison des ions avec les atomes neu- tres produits notamment sur les parois de l'enceinte proches de l'orifice d'extraction. En effet, ces calottes obtenues par décrois- sance locale des champs magnétiques axiaux permettent, du fait de la résonance cyclotronique électronique réalisée sur leur surface, de créer localement des plasmas d'électrons assez énergétiques pour ioniser au moins une fois les atomes neutres normalement présents au niveau de l'orifice d'extraction 24. Sur la figure 2, les régions 32 représentent les zones dans lesquelles est réalisée la diminution des champs magnétiques locaux axiaux, conformément à l'invention. Toujours sur cette figure 2, la zone 33 ha- churée représente la zone de formation des atomes neu- tres responsables de l'échange de charge destructeur des ions. La possibilité de diminuer l'amplitude des champs magnétiques locaux axiaux 16 (figure 1) au ni- veau de l'orifice d'extraction 24 en jouant sur la structure des barreaux aimantés 20 qui engendrent les champs magnétiques locaux radiaux 22 tient au fait que ces barreaux aimantés engendrent à leur extrémité, compte tenu des fuites magnétiques inévitables, des composantes magnétiques axiales. Sur la figure 3, on a représenté les lignes de force magnétiques des champs de fuite axiaux engen- drés aux extrémités des barreaux aimantés 20. Ces li- gnes de force magnétiques portent la référence 34. L'emploi d'aimants élémentaires terminaux 30a de même polarité (nord) au niveau de l'orifice d'extraction 24 permet, compte tenu du sens de circulation de la ligne de champ de fuite axial 34a, de diminuer fortement et localement les champs magnétiques axiaux créés princi- palement par les bobines 12, à proximité et légèrement en amont de l'orifice d'extraction, en dehors de l'axe de symétrie d'une part, et d'autre part, d'une façon plus globale, dans tout le volume situé en aval dudit orifice. Les zones de champs magnétiques axiaux fai- bles, au niveau de l'orifice 24, portent la référence 35. De même, l'emploi de ces aimants élémentai- res terminaux 30a permet, compte tenu du sens de cir- culation de la ligne de champ de fuite axial 34b, d'augmenter le champ magnétique axial créé par les bo- bines 12, en amont et assez loin de l'orifice d'ex- traction. Cette augmentation globale du champ magnéti- que axial permet d'éloigner la nappe équimagnétique résonnante 23 de la zone d'extraction des ions et donc de diminuer le risque de voir cette nappe toucher les parois de l'enceinte. Afin d'augmenter ou moduler dans l'espace, l'effet de la décroissance des champs magnétiques axiaux déjà obtenus par les aimants 30a, un blindage 36 en fer tel que représenté sur la figure 4, peut être accolé à l'enceinte 2, extérieurement à celle-ci et au niveau de l'orifice d'extraction 24. Ce blindage 36 en fer présente un axe de symétrie confondu avec l'axe 18. Ce blindage 36 permet d'accentuer la diminu- tion des champs magnétiques axiaux locaux en aval de l'orifice 24 et notamment le champ magnétique local axial situé sur l'axe 18. Ce blindage 36 contribue ainsi à la formation et au positionnement des calottes équimagnétiques résonnantes 32. Il est cependant à no- ter que l'emploi de ce blindage 36 seul, c'est-à-dire en l'absence d'aimants élémentaires terminaux 30a de même polarité, ne permettrait pas la formation des ca- lottes équimagnétiques résonnantes. Les courbes a et b représentées sur la figure 4 illustrent respectivement l'amplitude des champs magnétiques sur l'axe 18 sans blindage 36 et avec blindage. REVENDICATIONS 1. Source d'ions multichargés comprenant une enceinte fermée (2) contenant un gaz destiné à former un plasma confiné dans l'enceinte, des moyens (6) pour engendrer dans l'enceinte (2) un champ élec- tromagnétique de haute fréquence, des moyens (12, 20) pour créer dans l'enceinte un ensemble de champs ma- gnétiques locaux, radiaux (22) et axiaux (16), défi- nissant des nappes équimagnétiques (23) permettant le confinement du plasma créé par la résonance cyclotro- nique électronique dont on a satisfait la condition sur l'une d'elles, ledit ensemble présentant un axe de symétrie (18), et des moyens (26) pour extraire les ions par un orifice (24), pratiqué dans la paroi de l'enceinte (2) et situé sur l'axe de symétrie (18), caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens (30a, 36) pour diminuer, en dehors du volume (23) occupé par le plasma confiné, l'amplitude des champs magnétiques axiaux locaux situés à proximité et légèrement en amont de l'orifice d'extraction (24), dans n petites zones (32) situées en dehors de l'axe de symétrie d'une part, et d'autre part, d'une façon plus globale dans tout le volume situé en aval dudit orifice. 2. Source d'ions selon la revendication 1, caractérisée en ce que les champs radiaux locaux (22) étant créés au moyen de plusieurs barreaux aimantés (20), disposés syétriquement autour de l'enceinte (2) et constitués chacun de plusieurs aimants élémentaires (30), les aimants élémentaires terminaux (30a) desdits barreaux, situés au niveau de l'orifice (24) présen- tant une même polarité (N), constituent en partie les moyens de diminution de l'amplitude des champs magné- tiques axiaux locaux (16). 3. Source d'ions selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comprend un blindage en fer (36) présentant un axe de symétrie confondu avec celui dudit ensemble, ce blindage (36) étant accolé à l'en- ceinte (2), extérieurement à celle-ci et au niveau de l'orifice (24). 4. Source d'ions selon la revendication 2, caractérisée en ce que les barreaux aimantés (30) sont réalisés en SmCO5.