Brevet FR2613897A1 — publié le 19881014

- 1 - DISPOSITIF DE SUPPRESION DES MICRO-PROJECTIONS DANS UNE SOURCE D'IONS A ARC SOUS VIDE. L'invention concerne un dispositif de suppression des projections de micro-gouttelettes de matière émises par une source d'ions à arc sous vide comportant une cathode émis- sive d'un plasma, une anode, une gâchette anodique et/ou ca- thodique et éventuellement une grille d'extraction des ions, polarisées à des potentiels appropriés. 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. Le gaz ionisé donne naissance à un plasma formé d'un mélange ions-électrons à charge totale nulle. L'arc est initié par la projection d'un plasma auxiliaire entre l'anode et la cathode au moyen d'une gâchette autonome pendant une courte durée par rapport à la longueur de l'impulsion d'arc. L'émission de ce plasma projeté avec une énergie moyenne de quelques dizaines d'électrons-volts est faite à partir de points très brillants de très faibles dimensions ap- pelés spots cathodiques et suivant des cônes dont l'angle est voisin de 30 . Cette émission de plasma est accompagnée, pour cer- tains matériaux, d'une projection de micro-gouttelettes de ma- tière en fusion; cette émission n'est pas isotrope et est si- tuée en majorité dans un angle solide proche de la surface de la cathode. L'invention vise à l'élimination partielle ou tota- le de cette émission de micro-gouttelettes susceptibles de nuire à la qualité de la couche recherchée ou au bon fonction- nement de l'appareillage équipé de cette source. Conformément à l'invention, cette élimination est effectuée par des moyens de récupération desdites micro-gout- - 2 - telettes constitués par des réceptacles polarisés ou non, ou par des moyens de séparation desdites micro-gouttelettes du plasma, chacun desdits moyens assurant une élimination par- tielle des micro-projections et leur élimination totale étant assurée par une quelconque combinaison desdits moyens. Dans le cas o la suppression des micro-projections émises dans l'angle solide proche de la surface de la cathode est suffisante, les réceptacles sont constitués par des pièces en creux disposées dans la zone d'émission maximale des micro- projections (directions formant un petit angle avec le plan d'émission du plasma), lesdites pièces en creux ayant subi un traitement de surface approprié permettant une bonne adhérence des micro-projections, cette adhérence pouvant être améliorée par une polarisation des réceptacles par rapport à la source. Si l'on souhaite une élimination plus complète des micro-projections, les réceptacles sont en forme de grilles disposées au niveau ou au-delà de l'anode et de façon à éviter une vue directe de la cathode à partir de l'extraction. Les moyens de séparation des micro-gouttelettes du plasma sont constitués par des bobines d'induction fournissant un champ magnétique de confinement du plasma qui limite sa diffusion radiale suivant un trajet rectiligne ou toroidal, ledit plasma se dilatant à nouveau à la sortie dudit disposi- tif, en l'absence de champ magnétique. 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 la zone d'émission maximale des micro-projections. La figure 2 représente un mode de récupération des micro-gouttelettes dans leur zone d'émission maximale. La figure 3 représente un mode de récupération des micro-gouttelettes au moyen d'un système de grilles anti-pro- jection dans la zone d'émission du plasma. -3- La figure 4 illustre l'utilisation de la grille an- ti-projection comme grille d'extraction des ions. La figure 5 représente un mode de séparation des micro-gouttelettes du plasma au moyen d'un champ magnétique OS sur un trajet du plasma rectiligne (figure Sa) et toroïdal (figure 5b). Les éléments identiques de ces figures sont affec- tés des mêmes signes de référence. La figure 1 montre un plasma 1 émis par une cathode 2 entre ladite cathode et une anode 3. La zone d'émission ma- ximale 4 des micro-gouttelettes 5, voisine du plan d'émission du plasma est limitée par ce plan d'une part et par un cône dont la trace sur le plan de la figure est indiquée en traits mixtes d'autre part. Sur la figure 2, la cathode 2 de forme cylindrique est entourée d'un manchon de même forme constituant la gâchet- te anodique 6. La récupération des micro-projections est ef- fectuée dans la zone d'émission maximale définie sur la figure i à l'aide de réceptacles constitués par des pièces en creux 7 isolées de la gâchette 6 et de l'anode 3 au moyen des pièces 8 et 9 respectivement. Ces pièces en creux servent de récipient aux projections et permettent, par un traitement de surface approprié, une bonne adhérence qui peut être améliorée par une polarisation limitée du réceptacle par rapport à la source et de sens opposé à la charge électrique des micro-gouttelettes. Pour des utilisations nécessitant une absence tota- le des micro-projections, il faut adjoindre au système 7 de la figure 2 un système de réceptacles en forme de grilles placées dans la zone de projection du plasma, tel que représenté en 10 sur la figure 3. Ces grilles sont disposées au niveau ou au- delà de l'anode 3 et de façon à éviter une vue directe de la cathode à partir de l'extraction; elles peuvent être faible- ment polarisées pour assurer une capture plus efficace en te- nant compte de la charge électrique des micro-gouttelettes. -4 Les micro-projections sont interceptées par ces grilles sur lesquelles elles sont fixées par collage si leur surface a reçu un traitement favorisant l'adhésion ou mainte- nues par gravité si leur section a une forme de goulotte (cas représenté sur la figure 3). La transparence de ces grilles au plasma est faible car seuls les ions 11 ayant une diffusion radiale suffisante sont susceptibles d'être extraits (voir figure 4). On améliore sensiblement cette transparence en uti- lisant les grilles anti-projection comme surface d'extraction pour le plasma ayant diffusé à travers le système de récupéra- tion des micro-gouttelettes. Dans ce cas, les grilles anti- projections sont évidemment disposées au-delà de l'anode. Un moyen de séparation des micro-gouttelettes des ions est représenté sur les figures 5a et 5b. Il consiste en l'application d'un champ magnétique de confinement du plasma fourni par les bobines d'induction 12a et 12b. Le volume 1 du plasma (pour une induction B = O) se réduit alors à 13 (pour une induction B = BO) sur la figure 5a pour laquelle la dispo- sition des bobines 12 a assuré un trajet rectiligne du plas- ma. Les micro-gouttelettes sont alors récupérées par le systè- me 7 et par le système 16 décrits ci-dessus. Sur la figure 5b la disposition des bobines 12b as- sure un trajet toroïdal du plasma. Les chicanes 14 réparties le long des parois suivant ce trajet assurent la récupération des micro-projections. A la sortie de ce système et en l'absence de champ magnétique, le plasma se dilate à nouveau en 15 et on retrouve les mêmes éléments que ceux existant à la sortie de l'anode d'une structure dépourvue dudit moyen de séparation. -5 - REVENDICATIONS: 1. Dispositif de suppression des projections de micro- gouttelettes de matière émises par une source d'ions à arc sous vide comportant une cathode émissive d'un plasma, une anode, une gâchette anodique et/ou cathodique et éventuelle- ment une grille d'extraction des ions, polarisées à des poten- tiels appropriés, caractérisé en ce que l'élimination des mi- cro-projections est effectuée par des moyens de récupération desdites micro-gouttelettes constitués par des réceptacles po- larisés ou non, ou par des moyens de séparation desdites mi- cro-gouttelettes du plasma, chacun desdits moyens assurant une élimination partielle des micro-projections et leur élimina- tion totale étant assurée par une quelconque combinaison des- dits moyens. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits réceptacles sont constitués par des pièces en creux disposées dans la zone d'émission maximale des micro- projections (directions formant un petit angle avec le plan d'émission du plasma), lesdites pièces en creux ayant subi un traitement de surface approprié permettant une bonne adhérence des micro-projections, ladite adhérence pouvant être améliorée par une polarisation limitée desdits réceptacles par rapport à la source. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits réceptacles sont en forme de grilles disposées au niveau ou au-delà de l'anode et de façon à éviter une vue directe de la cathode à partir de l'extraction. 4. Dispositif selon la revendicaton 3, caractérisé en ce que lesdits réceptacles en forme de grilles ont un état de surface favorisant l'adhésion afin d'assurer la fixation des micro-projections par collage. 5. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits réceptacles en forme de grilles ont une section en goulotte afin de favoriser le maintien des micro-projec- tions par gravité. 6. Dispositif selon l'une des revendications 3 à 5 dans lequel lesdits réceptacles en forme de grilles sont dis- posés au-delà de l'anode, caractérisé en ce que lesdites gril- les d'anti-projections peuvent servir de surface d'extraction pour le plasma ayant diffusé à travers le système de récupéra- tion des micro-gouttelettes. 7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de séparation des micro-gouttelettes du plasma sont constitués par des bobines d'induction fournissant un champ magnétique de confinement du plasma qui limite sa diffusion radiale suivant un trajet rectiligne ou toroïdal, ledit plasma se dilatant à nouveau à la sortie dudit disposi- tif, en l'absence de champ magnétique.