Brevet FR2572847A1 — publié le 19860509

Procédé et dispositif d'allumage d'une source d'ions hyperfréquence La présente invention s'applique au domaine des sources d'ions hyperfréquence, utilisables aussi en source d'électrons ou en générateur de plasma. Elle trouve de nombreuses applications, dans le domaine du "sputtering" de couches minces, de la microgravure, de l'implantation ionique, des irradia- teurs à électrons, du chauffage par faisceau de parti- cules neutres rapides du plasma des réacteurs à fusion, des accélérateurs "tandems", synchrocyclotrons et aus- si du nettoyage et des traitements de surface. Jusqu'à présent les réalisations des sources d'ions hyperfréquence se faisaient suivant le principe des sources d'ions à résonance cyclotronique des élec- trons. Dans de telles sources connues, on provoque L'ionisation d'un gaz neutre et l'apparition d'un plas- ma en combinant, dans une cavité HF, les effets syner- gétiques d'un champ électromagnétique hyperfréquence de fréquence F et d'un champ magnétique B constant de façon à obtenir la résonance entre cette dernière fré- quence et La pulsation w. eB des électrons dans leurs trajectoires circulaires autour des lignes de force du champ B. Cette condition s'écrit donc: F = 2eB for- mule dans Laquelle e et m sont la charge et la masse de l'électron, B le champ magnétique constant présent dans la cavité, et qui donne La relation liant F et B pour obtenir la résonance cyclotronique électronique au sein du plasma. Les électrons décrivent alors des trajectoi- res en spirale autour des lignes de force du champ B en absorbant de l'énergie du champ B et en acquérant ainsi une énergie cinétique maximale pour provoquer l'ionisa- tion par chocs des molécules de gaz neutre présentes dans la cavité HF de la source. De telles sources d'ions sont décrites notam- ment par R. Geller, C. Jacquot et P. Sermet dans les "Proceedings of the Symposium on ions sources and for- mation of ion beams", BerckeleY (Oct. 1974) et par F. Bourg, R. GeLler, B. Jacquot, T. Lamy, M. Pontonnier et J.C. Rocco dans "Nuclear Instruments and Methods" North-Holland Publishing Company, 196 (1982) pp. 325-329. Elle sont basées sur l'établisse- ment d'un confinement du plasma à l'aide d'une configu- ration magnétique en miroir avec des valeurs maximales du champ magnétique B supérieures à la valeur qui assu- re la résonance cyclotronique des électrons. Le fonctionnement correct de telles sources d'ions connues nécessite néanmoins certaines précau- tions spéciales et impose une consommation d'énergie électrique importante, notamment pour la création des champs magnétiques constants de création de la résonan- ce cyclotronique des électrons et d'extraction des ions. Ainsi, par exemple, dans une source d'ions connue de cette nature, les valeurs maximale et minima- le de l'induction magnétique sont de 0,42 et 0,32 Tesla respectivement et la résonance cyclotronique des élec- trons s'effectue à 0,36 Tesla, la fréquence de l'onde haute fréquence injectée étant fixée à environ 10 GHz. Les ions créés dans le plasma sont extraits par un système d'extraction, constitué d'électrodes portées à des potentiels continus et qui se trouvent en aval du maximum du champ magnétique. Dans ces condi- tions, le courant d'ions émis par la source diminue proportionnellement à la valeur du champ au lieu d'ex- traction et, pour obtenir un courant d'ions intense, il faut extraire les ions dans un champ magnétique au moins du même ordre de grandeur que le champ de la résonance cyclotronique. Cette nécessité est malheureusement incompa- tible avec une bonne qualité optique du faisceau d'ions extrait si on annule te champ magnétique avant l'impact des ions dans la zone d'utilisation. Dans ce cas en effet, les ions prennent de l'énergie transversale, le faisceau diverge et ses quaLités optiques sont amoin- dries, selon l'effet 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'es- pace de glissement du faisceau d'ions jusqu'à l'endroit de son application ou de l.a transformation des ions en particules neutres. Pour l'exemple décrit ci-dessus, le champ à maintenir constant correspond à une induction de 0,36 Tesla environ, et lapuissance électrique consom- mée par les bobines créant ce champ magnétique est de l'ordre de 1 Mégawatt. Dans le cas d'utilisation des ions à basse énergie (inférieures à 1 keV) 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 des ions obtenus est donc limitée par les problèmes techni- ques qui se posent, concernant la production des champs magnétiques de cet ordre de grandeur. En résumé, les sources d'ions selon l'état connu de la technique présentent les inconvénients principaux suivants: - d'abord la consommation d'énergie pour établir la configuration magnétique est très élevée, - ensuite, l'augmentation de la densité du courant d'ions à faible énergie cinétique est problèmatique à cause de la nécessité d'un champ magnétique élevé pour transporter ceux-ci en aval de l'extraction jusqu'au lieu d'utilisation. Pour pallier ces inconvénients, diverses so- lutions ont été proposées, comme par exemple celle dé- crite dans la demande de brevet français N 83 08401 du mai 1983 au nom du Commissariat à l'Energie Atomi- que. Dans cette demande de brevet français non pu- bliée, la configuration du confinement magnétique a été modifiée pour permettre l'extraction des ions dans un champ magnétique nettement inférieur à celui des sour- ces d'ions de l'art antérieur. Ceci a déjà entraîné une économie considérable de l'énergie nécessaire pour créer la configuration magnétique dans la source d'une part et d'autre part en aval de l'extraction, lors d'un transport à basse énergie du faisceau extrait. Toutefois, la source d'ions décrite dans ce brevet est toujours une source mettant en oeuvre le phénomène de résonance cyclotronique des électrons pour créer le plasma dans la cavité, et elle nécessite donc toujours dans cette cavité la présence d'un champ ma- gnétique supérieur ou au moins égal à celui qui crée la résonance cyclotronique des électrons. La présente invention a précisément pour objet un procédé d'allumage d'une source d'ions hyper- fréquence qui fonctionne sans recourir au phénomène de résonance cyclotronique des -électrons et, par consé- quent, sans la présence d'un champ magnétique constant régnant à cet effet dans la cavité HF. Ce procédé d'allumage d'une source d'ions hy- perfréquence utilisant de façon connue une cavité réso- nante alimentée par un gaz ou une vapeur d'un matériau destiné à former un plasma, un système d'injection dans la cavité d'une puissance hyperfréquence et un système d'extraction des ions du plasma hors de la cavité, se caractérise en ce que La cavité étant du type muLtimo- de, on crée, au sein du milieu à ioniser, des germes électroniques et l'on entretient Le plasma après son allumage à l'aide de la seule puissance hyperfréquence. La nouveauté essentielle apportée par la pré- sente invention réside dans le fait qu'il a été possi- ble de réaliser, contrairement à toutes les idées reçues et affirmées par les hommes de l'art depuis plus de vingt ans, une source d'ions hyperfréquence fonc- tionnant à l'aide d'une cavité résonnante sans faire appel au phénomène de la résonance cyclotronique élec- tronique, c'est-à-dire sans champ magnétique constant à l'intérieur de cette cavité. Autrement dit, le deman- deur a mis en évidence qu'il était possible une fois le plasma allumé, de le maintenir en activité uniquement à l'aide de la seule puissance hyperfréquence injectée dans la cavité résonnante. Ce résultat inattendu permet évidemment de réaliser des sources d'ions hyperfréquences beaucoup plus simples que celles de l'art antérieur et en parti- culier beaucoup-plus économiques en raison de la sup- pression de la consommation électrique importante que nécessitait jusqu'à ce jour la présence d'un champ ma- gnétique pour créer les conditions de résonance cyclo- tronique électronique. Selon l'invention, l'allumage de la source d'ions par création de germes électroniques au sein du milieu à ioniser, peut avoir lieu soit de façon unique lors de L'allumage initial, soit de façon répétitive, c'est-à-dire de temps à autre Lorsque la nécessité s'en fait sentir, soit même de façon permanente, ce qui est d'ailleurs rarement indispensable. Il est à noter qu'un seul allumage permet le fonctionnement de la source en régime pulseé, pour un temps de récurrence de L'ordre de 100 millisecondes. Selon les applications envisagées, une con- figuration magnétique axiale et/ou multipolaire peut être néanmoins nécessaire- et utilisée pour confiner et homogénéiser le -plasma, mais dans ce cas, les valeurs des champs magnétiques sont nettement inférieures à celles qui étaient autrefois nécessaires à la création des conditions de résonance cyclotronique des élec- trons. Selon une autre caractéristique du procédé d'allumage objet de l'invention, la création de germes électroniques au sein du milieu à ioniser est obtenue par ensemencement direct d'électrons. Selon une autre variante, la création de ces mêmes germes électroniques est obtenue par application temporaire et locale d'un champ magnétique d'intensité suffisante pour créer, dans un petit volume de la cavi- té, les conditions d'établissement d'une résonance cy- clotronique électronique qui provoque à son tour la création du plasma. Selon une autre variante du procédé d'alluma- ge objet de l'invention, la création des mêmes germes électroniques au sein du milieu à ioniser est obtenue par application temporaire d'une surpression dans la cavité. La présente invention a également pour objet un dispositif d'allumage d'une source hyperfréquence mettant en oeuvre le procédé précédent de façon parti- culièrement simple et à l'aide de moyens en soi connus et d'emploi facile. Dans un premier mode de mise en oeuvre de l'invention, ce dispositif d'allumage d'une source d'ions hyperfréquence utilisant de façon connue une ca- vité résonnante multimode alimentée par un gaz ou une vapeur d'un matériau destiné à former un plasma, un système d'injection dans la cavité d'une puissance hy- perfréquence et un système d'extraction des ions du plasma hors de la cavité, se caractérise en ce qu'il est constitué d'un électroaimant ceinturant la paroi externe de la cavité, à quelques centimètres en aval du système d'injection et dont la carcasse magnétique est appliquée sur cette cavité. Grâce à cet électroaimant situé contre la paroi de la cavité, on met en oeuvre le procédé d'allu- mage qui consiste à créer dans un petit volume de la cavité, de façon temporaire et locale, les conditions d'établissement d'une résonance cyclotronique électro- nique qui provoque à son tour la création du plasma. Selon d'autres modes de mise en oeuvre du dispositif d'allumage d'une source d'ions hyperfré- quence objet de l'invention, on utilise pour la créa- tion de germes électroniques au sein du milieu à ioni- ser un des moyens choisi dans le groupe comprenant les filaments chauffés, les pointesà émission de champ, les sources d'étincelles, les jauges d'ionisation, le dispositif choisi étant appliqué dans la cavité ou au travers de sa paroi. Enfin, selon l'invention, chacune des trois dimensions de la cavité résonnante, longueur, largeur et hauteur, doit être supérieure au petit côté ou au diamètre du guide d'ondes du système d'injection de la puissance haute fréquence de la cavité. Cette condition s'est révélée effectivement nécessaire pour pouvoir obtenir l'allumage et l'autoentretien d'un plasma dans une cavité résonnante multimode ayant cette forme par- ticulière mais de fait très fréquemment utilisée. Bien entendu, les sources d'ions hyperfré- quence mettant en oeuvre le procédé d'allumage, objet de l'invention, peuvent être d'une nature quelconque connue et notamment comporter, comme les autres sour- ces, les variantes ou perfectionnements de détail rap- pelés ci-dessous. C'est ainsi par exemple qu'une telle source peut comporter une configuration magnétique située en aval du système d'extraction des ions du plasma ou des électrons pour réaliser dans de bonnes conditions, le transport du faisceau extrait et même pour obtenir sa compression radiale. Dans d'autres variantes, le système d'ex- traction des ions ou des électrons peut être constitué par une seule électrode portée à un potentiel détermi- né. Enfin, selon d'autres caractéristiques, qui s'utilisent de façon préférentielle mais non obligatoi- re, le dispositif d'allumage de la source d'ions hyper- fréquence est situé à une distance de l'ordre de quel- ques centimètres en aval de la zone de jonction entre l'injecteur hyperfréquence et la cavité de la source d'ions. Cet emplacement s'est révélé effectivement avantageux pour obtenir un bon allumage dans des condi- tions d'efficacité maximales. De la même façon, il est avantageux de placer l'injection du gaz ou de La vapeur du matériau que l'on désire ioniser en amont du système d'extraction des ions ou des électrons et dans son voisinage, c'est-à- dire à une distance relativement faible de ce dernier. De toute façon, la présente invention sera mieux comprise en se référant à la description qui va suivre donnée à titre explicatif et nullement limita- tif, d'un exemple de mise en oeuvre d'une source d'ions utilisant le procédé selon l'invention. Cette descrip- tion sera faite en référence aux dessins annexes sur lesquels: - la figure 1 représente en coupe selon l'axe une source d'ions à cavité résonnante hyperfréquence équipée du dispositif d'allumage selon l'invention, - la figure 2 représente une source identique à celle de La figure 1 sur laquelle on a placé en aval du faisceau une bobine supplémentaire de compression du plasma, - la figure 3 montre un exemple de source d'ions munie d'un dispositif d'allumage sous forme d'une pointe à émission de champ. Sur la figure 3a, on a représenté une coupe selon l'axe Z de la source 1o d'ions et sur la figure 3b une coupe transversale selon aa du même dispositif, - la figure 4 montre un exemple de source d'ions munie de filament chauffé. Selon l'invention, la figure 1 représente schématiquement et d'une manière simplifiée un exemple de réalisation d'une source d'ions, d'électrons ou de plasma, à hyperfréquence, en coupe transversale compre- nant l'axe central Z de la source. Dans une cavité 9 sous vide, de forme cylin- drique de révolution par exemple, l'une des extrémités porte un injecteur 8 d'une puissance hyperfréquence au travers d'une fenêtre 13 et l'autre extrémité est re- liée à l'endroit d'utilisation des ions, des électrons ou du plasma. Selon l'invention, et comme représenté su! les figures 1 et 2, le guide d'ondes 15, qui est de révolution, a un diamètre inférieur à celui de la cavi- té 9. Il est à noter que la cavité 9 peut avoir une forme quelconque suivant la nature de l'utilisation. Notamment, le système d'injection d'une puissance hy- perfréquence 8 peut être constitué par plusieurs injec- teurs hyperfréquence en parallèle. Conformément à l'invention, les dimensions relatives d'une source telle que celle des figures 1 et 2, vis-à-vis du système injecteur HF ne sont pas quel- conques lorsque La cavité 9 est parallélépipédique. Dans ce cas, les dimensions des trois côtés de la cavi- té 9 doivent être supérieures au diamètre ou au petit coté du guide d'ondes qui injecte la puissance HF en 13, si l'on veut pouvoir allumer et surtout maintenir le plasma 10 en activité sans recourir à une résonance cyclotronique des électrons de ce plasma. On introduit en 17 un gaz ou une vapeur des- tinée à former un plasma sous une pression faible de quelques 103 à 102 Torr en amont du système 14 d'ex- traction des ions et en son voisinage. En fonctionnement multimode de la cavité, il existe en effet un gradient de pression dans la source, cette pression allant en croissant depuis la fenêtre 13 jusqu'à- l'extraction, d'o le choix d'introduire Le gaz à ioniser au voisinage de l'extraction. Dans un autre mode de réalisation, le plasma peut être créé à un autre endroit et injecté ensuite dans la cavité 9. Le système d'allumage 7 est constitué dans cet exemple par un électroaimant circulaire entourant la paroi 9 et comportant une bobine 11 annulaire et une carcasse de fer doux 12 appliquée contre la paroi 9. Cet électroaimant est capable d'allumer la décharge par une impulsion de champ en créant localement et tempo- rairement dans la cavité-un champ magnétique réalisant les conditions de résonance cyclotroniques des élec- trons, et le plasma s'allume en 10. Le système d'ex- traction des ions ou des électrons est représenté ici sous la forme d'une seule électrode 14. 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, ce qui permet l'utilisation de "minicavités" à faible consommation de puissance hyperfréquence. il De toute façon, l'absence dans une source d'ions de ce type du champ magnétique élevé de création et d'entretien d'un phénomène de résonance cyclotroni- que électronique conduit à une économie très importante d'énergie, avantage majeur de la présente invention. Enfin, le faisceau extrait de la source peut être comprimé, en aval des électrodes d'extraction par l'application d'un champ magnétique supplémentaire, c'est le cas par exemple de la bobine 15 sur l'exemple de la figure 2. A titre d'exemple de mise en oeuvre, une source d'ions selon l'invention a fonctionné, sans champ magnétique de résonance cyclotronique dans les conditions suivantes: - oscillateur 2,45 GHz, - puissance HF fixe 1 kW, volume de la source 1 dm, J4 - gaz N2 - P 5.10 mbar -densité électronique ne 2.1011/cm3 - température électronique Te = 6eV; la densité de coupure est ne = 7.10 10, valeur que l'on e, ne peut atteindre dans une source RCE monomode à cette fréquence et pour ce gaz. Sur la figure 3, on voit une source d'ions selon l'invention, munie d'un éclateur 18 de forme quelconque, pointue de préférence, isolé par rapport à la source d'ions 9 par un isolateur 19 et polarisé grâ- ce à une alimentation 20 par rapport à cette même sour- ce d'ions 9. Cette alimentation 20 peut être alternative (simple transformateur) ou continue dans ce cas la pointe 18 est portée à un potentiel négatif par rapport à la source 9. La différence de potentiel (alternative ou continue) est de l'ordre de quelques kilovolts mais eLle dépend de la pression et de La distance d entre La pointe et La paroi La plus éloignée de la source. Lors- que la source d'ions 9 est rectangulaire,-il est préfé- rable de mettre la pointe sur le petit côté de cette source 9 (figure 3b). Cet allumeur marche suivant le principe de la décharge luminescente ("glow" dischar- ge). Dans une variante de mise en oeuvre, on peut met- tre deux pointes et appliquer la différence de poten- tiel entre les deux pointes. Une source conforme à la figure 3 fonctionne bien par exemple avec les paramè- tres suivants: - P_' 5.10-4 mbar, - d 5 cm, - V alternatif 3000 volts, - durée des impulsions.S 1 s. Sur la figure 4, la source 9 comporte, en tant qu'élément créateur du germe d'ensemencement du plasma un filament 21 en métal réfractaire (W, Mo, Ta) émettant des électrons. Ce filament 21 traverse la pa- roi 9 de la source dans un isolant 22; l'alimentation 23 de chauffage du filament est continue ou alternati- ve. Des valeurs courantes des paramètres de fonc- -4 tionnement sont: P -- 5.10 mbar avec un filament 21 ayant quelques mm de surface porté à environ 2000 C pendant 1 seconde environ. En conclusion, on peut dire, d'une part que * ta diminution, voire la suppression totale du champ ma- gnétique de confinement au niveau de la source entraîne une économie d'énergie très importante dans le cas de l'utilisation de bobines ou un gain important sur les investissements dans le cas de t'utilisation d'ai- mants; il en résulte, d'autre part, que, grâce à ces gains d'énergies hyperfréquence et magnétique, les sources selon l'invention trouvent des applications im- portantes sur des plate-formes à haute tension (Van de Graaf, synchrocyclotrons, etc...), ce qui n'était pas le cas des sources traditionnelles à résonance cyclo- troniques des électrons. RÉPUBLIQUE FRAN AISE 2 572 848 INSTITUT NATIONAL DE LA PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLE PARIS Ce numéro n'a donné lieu à aucune publication on N co cc N u_ REVENDICATIONS 1. Procédé d'allumage d'une source d'ions hy- perfréquence utilisant de façon connue une cavité ré- sonnante (9) alimentée par un gaz ou une vapeur d'un matériau destiné à former un plasma, un système d'in- jection (8) dans la cavité d'une puissance hyperfré- quence et un système d'extraction (14) des ions du plasma hors de la cavité, caractérisé en ce que la cavité étant du type multimode, on crée, au sein du milieu à ioniser, des germes électroniques et l'on en- tretient le plasma après son allumage à l'aide de la seule puissance hyperfréquence. 2. Procédé d'allumage selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que la création de germes électroniques au sein du milieu à ioniser a lieu de façon unique lors de l'allumage initial. 3. Procédé d'allumage selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que la création de germes électroniques au sein du milieu à ioniser a lieu de façon répétitive. 4. Procédé d'allumage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la création de germes électroniques au sein du milieu à ioniser est obtenue par ensemencement direct d'éLec- trons. 5. Procédé d'allumage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la création de germes électroniques au sein du milieu à ioniser est obtenue par application temporaire et loca- le d'un champ magnétique d'intensité suffisante pour créer, dans un petit volume de la cavité, les condi- tions d'établissement d'une résonance cyclotronique électronique qui provoque à son tour la création du plasma. 6. Procédé d'allumage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la création de germes électroniques au sein du milieu à ioniser est obtenue par application temporaire d'une surpression dans la cavité. 7. Dispositif d'allumage d'une source d'ions hyperfréquence utilisant de façon connue une cavité résonnante multimode (9) alimentée par un gaz ou une vapeur d'un matériau destiné à former un plasma, un système d'injection (8) dans la cavité d'une puissance hyperfréquence et un système d'extraction (14) des ions du plasma hors de la cavité, caractérisé en ce qu'il est constitué d'un électroaimant (11, 12) ceinturant la paroi externe de la cavité, à quelques centimètres en aval du système d'injection (8) et dont la carcasse magnétique (12) est appliquée sur la paroi (9) de cette cavité. 8. Dispositif d'allumage d'une source d'ions hyperfréquence utilisant de façon connue une cavité ré- sonnante multimode (9) alimentée par un gaz ou une va- peur d'un matériau destiné à former un plasma, un sys- tème d'injection (8) dans la cavité d'une puissance hy- perfréquence et un système d'extraction (14) des ions du plasma hors de la cavité, caractérisé en ce qu'il - est choisi dans le groupe comprenant les filaments chauffés, les pointes à émission de champ, les sources d'étincelles, les jauges d'ionisation, le dispositif choisi étant appliqué dans la cavité ou au travers de sa paroi. 9. Dispositif d'allumage d'une source d'ions hyperfréquence selon l'une quelconque des revendica- tions 7 et 8, caractérisé en ce que les trois dimen- sions de la cavité résonnante multimode, longueur, lar- geur et hauteur, sont chacune supérieure au petit côté ou au diamètre du guide d'ondes du système d'injection de la puissance haute fréquence dans la cavité.