Brevet FR2616587A1 — publié le 19881216

I-1 SOURCE D'IONS A OUATRE ELECTRODES. L'invention concerne une source d'ions à arc sous vide comportant une anode et une cathode disposées en vis à vis, polarisées à des potentiels différents et dont l'arc principal conduisant à la formation d'un plasma dirigé perpen- diculairement à la surface de la cathode est initié par la projection d'un autre plasma entre ladite anode et ladite.ca- thode pendant une courte durée par rapport à la longueur d'im- pulsion d'arc. Lorsqu'on fait jaillir un arc entre deux électrodes placées sous vide, le matériau des électrodes est localement vaporisé sous l'effet de l'échauffement. Il en résulte la for- mation d'un plasma, c'est-à-dire d'un mélange ions-électrons à charge totale nulle. L'émission de ce plasma projeté avec une énergie moyenne de quelques dizaines d'électrons-volts est faite à partir de points très brillants.et de très faibles dimensions appelés spots cathodiques et la quantité d'ions dans le plasma représente quelques pourcents (5 à 10 %) de la charge électri- que transportée par l'arc. La projection a la forme d'un cône. Les ions peu- vent être extraits au moyen d'une électrode d'accélération portée à une tension négative et d'une électrode d'extraction, cette dernière pouvant être par exemple le système anti-micro- projections de particules. Les sources d'ions sont utilisées pour créer des ions dans les séparateurs isotopiques, les spectromètres de masse, les implanteurs, les machines à plasma, les accéléra- teurs, les tubes à neutrons etc... Elles utilisent en général l'ionisation d'un gaz injecté dans un volume quasi fermé. 2 - Par rapport à de telles sources à décharge gazeuse comme la source Penning, les sources à arc sous vide présen- tent les avantages suivants: - faibles dimensions pour la production du plasma, - grand débit d'ions métalliques permettant l'utilisation de grandes surfaces d'extraction, - fonctionnement sous vide et par conséquent ne nécessitant pas des systèmes de pompage différentiel de grand débit pour diminuer la pression de gaz dans la zone d'accélération des ions. Les sources d'ions à arc sous vide du genre men- tionné dans le préambule sont de structure à trois électro- des: anode, cathode et gâchette de commande de l'arc. Un exemple de structure couramment utilisée est donné dans l'ar- ticle 'Metal Vapor Vacuum Arc Ion Source' par T.G.Brown et al., publié dans Review of Scientist Instruments, volume 57, No.6, juin 1986, pages 1069-1084. Le but de l'invention est d'accroître: - la facilité de commande électrique par un générateur suscep- tible d'être indépendant sous l'aspect polarisation électri- que, - la simplicité de montage de la cathode de la source d'ions, montage rendu indépendant de la gâchette, et qui ne nécessi- te plus de tolérances mécaniques réduites comme dans le do- cument référencé ci-dessus, - la durée de fonctionnement et la fiabilité de la source d'ions en augmentant la partie active des gâchettes et en les éloignant de la cathode, dont la surface est fortement érodée et souvent déformée par les spots cathodiques (risque de court-circuits consécutifs à des fusions locales ou à des métallisations excessives). A cet effet, la source d'ions de l'invention est remarquable en ce que la projection du plasma initial est ob- tenue au moyen de deux gâchettes autonomes, l'une dite gâchet- te cathodique pouvant être proche de l'anode, l'autre dite gâ- 261658 7 chette anodique pouvant être proche de la cathode et convena- blenent polarisées par rapport à ladite anode et à ladite ca- thode. - Ces gâchettes sont constituées par exemple, par la superposition de deux couronnes circulaires concentriques, sé- parées l'une de l'autre, l'anode et la cathode étant disposées dans la zone centrale desdites couronnes et symétriquement par rapport à leur axe. La description suivante en regard des dessins anne- xés,-le tout donné à titre d'exemple, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 montre en coupe le schéma de principe d'une source d'ions selon l'invention. La figure 2 montre un mode particulier de réalisa- tion d'une telle source. La figure 3 présente les schémas de quelques types d'électrodes d'extraction. Sur le schéma en coupe de la figure 1 une cathode 1 de forme cylindrique est disposée en face d'une anode. Cette anode peut être un disque métallique 2 percé d'une ouverture circulaire en son centre tel que représenté sur la figure la, ou une grille métallique 3 telle que repré- sentée sur la figure lb. Deux gâchettes autonomes superposées 4 et 5 en for- me de couronnes circulaires concentriques entourent la partie active de l'anode et la cathode. Ces couronnes sont consti- tuées - soit de deux électrodes métalliques, massives, toriques, sé- parées par un espace de faible dimension, - soit d'une couche métallique avec ou sans hydrure déposée sur un support isolant et sur laquelle on a tracé un sillon qui assure leur séparation, - soit d'une couche semiconductrice avec émission de plasma par conduction (par exemple couche de carbone) et délimitée de même par le tracé d'un sillon. Ces diverses électrodes (anode, cathode et gâchet- tes autonomes) sont convenablement polarisées par des sources non représentées. L'initiation d'un arc entre les gâchettes 4 et 5 engendre un plasma 6 dit plasma de commande. Le plasma de commande se comporte comme un conducteur électrique de forme extensible; lors de son passage entre la cathode et l'anode de la source d'ions, il y a court-circuit entre ces deux élec- trodes: les électrons du plasma de commande sont attirés par l'anode et les ions par la cathode. En fait, physiquement, le processus est le suivant: les électrons du plasma ont une mo- bilité très supérieure aux ions et le plasma de commande (par respect de sa neutralité globale électrique) va prendre le po- tentiel de l'anode 2 ou 3. Dans ces conditions, il apparaît entre la plasma et la cathode 1 la différence de potentiel ap- pliquée à la source d'ions et les ions du plasma sont extraits en créant une gaine cathodique dont la hauteur sera fonction de la densité ionique du plasma. Le champ électrique résultant sur la cathode est très élevé et, suivant les paramètres de réglage de la gâchette (courant gâchette, durée d'applica- tion: quelques centaines de nanosecondes à quelques microse- condes, distance gâchette cathode-anode), il peut y avoir (ou non) amorçage de l'arc. Dans ces conditions, si le courant d'électrons entre anode et cathode est suffisamment élevé pour échauffer et vaporiser localement la cathode, la vapeur métal- lique ainsi produite est ionisée par les électrons et il se forme un plasma cathodique 7 à partir de points très brillants et de très faibles dimensions (spots cathodiques). L'amorçage d'arc entre les deux gâchettes facilite notablement la comman- de de la source conformément & l'invention. La figure 2 montre un mode de réalisation avanta- geux de l'invention. Une pièce métallique 8 percée d'une ouverture cen- trale 9 sert de support à l'ensemble du dispositif. Sur cette pièce est monté le support 10 de l'anode 2 servant également à sa polarisation. Une couronne isolante 11 solidaire du support assure la fixation des gâchettes 4 et 5. La cathode 1 mon- tée sur une tige métallique 12 traversant l'ouverture centrale 9 est réglable longitudinalement au moyen du soufflet 13; el- le est isolée des gâchettes par la couronne 14 également soli- -5- daire du support 8. La sortie 15 de polarisation des gâchettes est effectuée à travers une autre ouverture 16 pratiquée de même dans le support 8. Le plasma cathodique 7 est engendré comme indiqué ci-dessus. La figure 3 présente quelques exemples d'électrode d'extraction, limitant le volume d'expansion du plasma catho- dique 7; la forme et la structure de cette électrode sont fonction du mode d'accélération des ions retenu, comme le font apparaître les schémas ci-dessous: - figure 3a: structure à simple orifice de type ponctuel 17 conduisant à des faisceaux extraits limités en débit et pro- jetés sur une cible 19 à travers-une électrode d'accéléra- tion 18, - figure 3b: structure à grille simple de grande transparence 20 utilisée par exemple pour le bombardement d'une électrode 19, - figure 3c: structure à un (ou plusieurs) orifice(s) d'ex- traction 21 de forme compatible avec les électrodes d'accé- lération 22 et conduisant à une définition du (ou des) fais- ceau(x) extrait(s) parfaitement maîtrisée, - figure 3d: structure type 'nid d'abeille' 23 permettant d'atténuer à l'extraction les variations de densité des flux de plasma cathodique. Ces types de structure peuvent être appliqués en particulier au mode de réalisation de la source d'ions repré- senté à titre d'exemple sur la figure 2. REVENDICATIONS: 1. Source d'ions à arc sous vide comportant une anode et une cathode disposées en vis à vis, polarisées à des poten- tiels différents et dont l'arc principal conduisant à la for- mation d'un plasma dirigé perpendiculairement à la surface de la cathode est initié par la projection d'un autre plasma en- tre ladite anode et ladite cathode pendant une courte durée par rapport à la longueur d'impulsion d'arc, caractérisée en ce que la projection de cet autre plasma est obtenue au moyen de deux gâchettes autonomes, l'une dite gâchette cathodique, l'autre dite gâchette anodique et convenablement polarisées par rapport à ladite anode et à ladite cathode. 2. Source d'ions selon la revendication 1, caractéri- sée en ce que ladite gâchette anodique et ladite gâchette ca- thodique sont constituées par la superposition de deux couron- nes circulaires concentriques et séparées l'une de l'autre. 3. Source d'ions selon les revendications 1 à 2, ca- ractérisée en ce que lesdites couronnes sont constituées de deux électrodes métalliques, massives, toriques, séparées par un espace de faible dimension. 4. Source d'ions selon les revendications 1 à 2, ca- ractérisée en ce que lesdites couronnes sont constituées d'une couche métallique avec ou sans hydrure déposée sur un support isolant et délimitées par un sillon tracé sur ladite couche. 5. Source d'ions selon les revendications 1 à 2, ca- ractérisée en ce que lesdites couronnes sont constituées d'une couche semiconductrice avec émission de plasma par conduction (par exemple couche de carbone) et délimitées par un sillon tracé sur ladite couche.