Brevet FR2640807A1 — publié le 19900622

La présente invention concerne des dispositifs -électroniques à décharge gazeuse et à vide, et plus par- ticulièrement,elle a pour objet une cathode creuse pour source électronique et ionique à plasma. L'invention peut notamment s'appliquerdans des sources technologiques d'électrons et d'ions à plasma qui sont utilisées au soudage, au recuit, au brasage à faisceau électronique, à l'atomisation thermique des matériaux par faisceau électronique sous vide, ainsi que pour le-netto- yage de surfaces, pour la vaporisation de matériaux, pour le dépôt de films minces, pour le traitement de vernis photo-sensibles et pour la réalisation d'autres procédés en microélectronique, qui sont réalisés au moyen de fais- ceaux d'ions gazeux. Il existe une cathode creuse pour source électro- nique et ionique (SU, A, 456322) qui comporte un corps à cavité interne ayant un fond limitant la cavité d'un côté et possédant un orifice pour l'admission du gaz et un ori- fice pour la sortie du gaz. La paroi du corps o est pra- tiqué l'orifice de sortie délimite la cavité du côté oppo- sé. L'efficacité d'extraction des électrons et des ions dans la source munie d'une telle cathode est proportion- nelle à la part du courant de décharge qui est assurée par la cathode creuse. Cette part du courant de décharge aug- mente avec l'augmentation de la pression du gaz dans la cavité et avec la diminution du diamètre de la cavité in- terne et de l'orifice de sortie du corps. Le flux de gaz amené dans la cavité interne ne peut être assez grand pour assurer la rigidité diélectrique nécessaire de l'espace à haute tension o les électrons et les ions de la source électronique et ionique se déplacent avec accélération. La diminution du diamètre de la cavité interne et de l'ori- fice de sortie rend plus difficile l'amorçage de la déchar- ge. C'est pourquoi la cathode creuse connue n'assure pas une haute efficacité d'extraction des électrons ou des ions. Il existe également une cathode creuse d'une sour- ce électronique et ionique (SU, A, 551948) qui comporte un corps avec un fond, ayant un orifice pour l'admission du gaz et un orifice de sortie. La paroi du corps comportant un orifice de sortie délimite la cavité interne du corps, d'un côté. la cavité interne du corps a dans ce cas une forme cylindrique et elle est délimitée du côté opposé par le fond du corps. La cathodecreuse comporte également une douille en un matériau à haut taux d'émission secon- daire (iono-électronique et photo-électronique), par exem- ple,en magnésium. L'utilisation d'une telle douille ne permet d'augmenter qu'insuffisamment la part du courant de décharge produite par la cathode creuse, ne permet pas de réduire le diamètre de la cavité interne ni de l'orifice de sortie du corps, ni d'augmenter la pression du gaz dans la cavité interne. C'est pourquoi l'efficacité d'extraction des électrons et des ions assurée par une telle cathode creuse reste insuffisamment importante. L'invention vise à créer une cathode creuse pour une source électronique et ionique, dont l'exécution cons- tructive permettrait, grâce à l'augmentation de la pression dans la cathode creuse avec un flux de gaz amené dans la cathode creuse et ayant des paramètres reglés de façon à assurer l'observation de prescriptions concernant la rigi- dité diélectrique de l'espace haute tension ou les électrons se déplacent avec accélération, d'augmenter la part du cou- rant de décharge produite par la cathode creuse et d'assu- rer par cela l'augmentation de l'efficacité d'extraction des électrons ou des ions dans la source électronique et ionique à plasma. Le problème ainsi posé est résolu par le fait que, dans une cathode creuse pour source électronique et ionique à plasma qui comporte un corps ayant un orifice de sortie et un fond comportant un orifice pour l'admission du gaz et délimitant la cavité interne du corps d'un côté, la cavité interne du corps de forme cylindrique étant déli- mitée du côté opposé par la paroi du corps comportant l'ori- fice de sortie, selon l'invention, dans la cavité interne du corps de la cathode, à une distance égale aux deux tiers de la longueur de cette cavité, par rapport au fond du corps, est montée une membrane électriquement isolée du corps, dont l'épaisseur et le diamètre de son orifice sont compris entre des valeurs limites égales à 0,3 et 0,4 fois le diamètre de la cavité interne de forme cylindrique. Une telle cathodecreuse pour source électronique et ionique à plasma permet d'augmenter l'efficacité d'extrac- tion des électrons ou des ions, ce qui augmente le délai d'utilisation de la source électronique et ionique à plasma, et diminue la consommation d'énergie électrique. Outre cela, cette cathode creuse assure une densité élevée du courant d'émission des électrons ou des ions ce qui, lors de l'uti- lisation de la source pour le soudage à faisceau électroni- que, permet d'améliorer la qualité des soudures, et lors de l'utilisation de la source pour l'atomisation de maté- riaux et le dépôt de films minces par faisceaux Électroni- ques ou ioniques, augmente la vitesse du processus techno- logique ainsi que le rendement de l'équipement. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaîtront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre d'un mode de réalisation donné uniquement à titre d'exemple non limitatif, avec références aux dessins non limitatifs an- nexés dans lesquels: - la figure 1 montre schématiquement une cathode creuse pour source électronique et ionique à plasma dans l'ensembe d'une telle source, selon l'invention; et - la figure 2 représente la courbe de répartition de la densité du plasma dans la cavité interne du corps d'une cathode creuse selon l'invention. La cathode creuse 1 de la figure 1 pour une source électronique et ionique à plasma comporte un corps 2 ayant un fond 3 comportant un orifice 4 pour l'admission du gaz. Le gaz est amené dans la cathode creuse 1 dans le sens de la flèche A. Le fond 3 du corps 2 délimite la cavité interne du corps 2, d'un côté. La cavité interne a une forme cylin- drique. Sur la figure, D1 désigne le diamètre de la cavité interne du corps 2 et test la longueur de cette cavité. A l'aide d'un isolateur 5, est placé, dans la cavi- té interne du corps 2, en étant isolée du corps 2, une mem- brane 6 avec un orifice dont le diamètre D2 est compris entre des valeurs limites égales à 0,3 et 0,4 fois le dia- mètre D1 de la surface interne du corps 2. L'épaisseur h de la membrane 6 est comprise entre des valeurs limites égales à 0,3 et 0,4 fois le diamètre D1 de la cavité inter- ne du corps 2. La membre 6 est disposée, par rapport au fond 3, à une distance 2 égale aux deux tiers de la lon- gueur il de la cavité. La cavité interne du corps 2 est délimitée du côté opposé par la paroi du corps 2 qui com- porte un orifice de sortie 7. Sur la figure 1, d'autres éléments de la source électronique et ionique à plasma sont représentés: une anode 8 de la chambre de décharge, une électrode émettrice 9 avec un canal d'émission 1 et une électrode accélératrice 10. La connexion électrique de l'électrode émettrice 9 à la cathode creuse i n'est pas montrée. L'espace dans lequel les électrons et les ions se déplacent avec accélération est formé par l'électrode émettrice 9 et l'électrode accélératrice 10. Dans l'espace entre l'orifice de sortie 7 du corps 2 de la cathode 1 et l'électrode émettrice 9, agit un champ magnétique dont le sens de l'induction est montré par la flèche B. La flèche C montre la direction du mouvement des électrons provenant de la cathodecreuse 1, pendant la déchar- ge. La figure 2 montre une courbe de répartition de la densité du plasma dans la cavité interne du corps 2 de la cathode creuse i de la figure 1. Sur la figure 2, n est la densité du plasma, et E et F sont les points délimitant le domaine à densité minimale n du plasma. La cathode creuse 1 de la figure i pour une source électronique et ionique à plasma fonctionne de la façon suivante. On applique une tension continue entre la cathode creuse 1 et l'électrode émettrice 9 qui lui est connectée électriquement et l'anode 8. La borne positive de la source de courant continu est branchée sur l'anode 8 et la borne négative sur la cathode creuse 1 et l'électrode émettrice 9 (la source de tension continue n'est pas représentée). La décharge s'amorce alors dans l'espace délimité par l'anode 8, l'électrode émettrice 9 et l'orifice de sortie 7 de la cathode creuse 1. Dans cet espace se forme ini- tialement un plasma. A l'augmentation de la tension conti- nue, le courant de décharge augmente et la densité n du 1O plasma croit. La valeur prédéterminée de la densité n étant atteinte, le plasma pénètre par l'orifice de sortie 7 de la cathode creuse 1 dans la cavité interne du corps 2 et il stimule une émission secondaire d'électrons, des parois internes du corps 2 de la cathode creuse 1 ainsi que des processus d'ionisation. Ainsi, la décharge se propage dans la cathode creuse 1 dans la cavité interne du corps 2 de laquelle le plasma se forme. A partir de ce moment, une partie du courant de décharge est assurée par la cathode creuse 1. Comme la membrane 6 résiste fortement au flux du gaz amené suivant la flèche A dans la cathode 1, la pres- sion entre la membrane 6 et le fond 3 du corps 2 augmente. La part du courant de décharge assurée par la cathode 1 est essentiellement assurée par les électrons qui sortent de la cavité interne du corps 2 de la cathode 1 à travers l'orifice de sortie 7. Le sens du déplacement de ces élec- trons est montré par la flèche C. En se déplaçant dans un champ magnétique, les électrons passent par l'orifice d'émission dans l'électrode émettrice 9 et ensuite dans l'espace entre l'électrode 9 et l'électrode acélératrice 10. Ainsi, l'augmentation de la part du courant de décharge assurée par la cathode 1 et obtenue par l'augmentation de la pression dans cette cathode, elle-même obtenue par l'installation de la membrane 6, assure une haute effica- cité d'extraction des électrons lorsqu'un potentiel posi- tif par rapport à l'électrode émettrice 9 est appliqué à l'électrode accélératrice 10. La courbe de répartition de la densité n du plasma dans la cavité du corps 2 de la cathode lest représentée à la figure 2. L'augmentation de la densité n du plasma près de l'orifice de sortie 7 indique que, dans la cavité inter- ne, au voisinage de l'orifice de sortie 7, il existe un champ électrique interdisant le mouvement de retour des électrons dans la cavité interne. C'est pourquoi, lorsqu'un potentiel négatif par rapport à l'électrode émettrice 9 est appliqué à l'électrode accélératrice 10, et qu'il se produit une émission d'ions, les électrons sortant de la cavité interne du corps 2 ne se déplacent que vers l'anode 8, transversalement par rapport au champ magnétique qui empêche ce déplacement. Par suite, la densité n du plasma sur l'axe de la cathode creuse l,près de son orifice de sortie 7, ainsi qu'au voisinage de l'orifice de l'électrode émettrice 9, augmente sensiblement. Dans ces conditions, plus la part du courant de décharge assurée par la cathode creuse 1 est grande, plus la densité i du plasma sur l'axe de la cathode creuse 1 est importante, plus le courant d'émission des ions est fort et meilleure estl'efficacité d'extraction des ions. Ainsi, l'augmentation de la part du courant de décharge assurée par la cathode creuse 1 par suite de l'augmentation de la pression dans la zone entre le fond 3 du corps 2 de la cathode creuse et la membrane 6 entraîne une augmentation de l'efficacité d'extraction des ions. L'augmentation de la pression dans la cavité interne du corps 2 entre son fond 3 et la membrane 6 n'influe pas sur le mouvement des électrons et des ions dans la cavité interne et n'empire pas les conditions d'amorçage et d'en- tretien de la décharge. Ce fait est dû à ce qui suit. Une faible partie des ions et des électrons du plasma tombant sur la membrane isolée 6 la chargent jusqu'à un potentiel égal à celui du plasma. Par conséquent, dans l'orifice de la membrane 6,il n'y a pas de chute de potentiel et la chemise ionique de la cathode au voisinage des parois in- ternes du corps 2 est de 0,3D1. La zone occupée par le plas- ma dans la cavité interne du corps 2 est délimitée par ces chemises ioniques de cathode et est de 0,3 à 0,4Dl. Comme les électrons se déplacent vers l'orifice de sortie 7 essentiellement dans la zone occupée par le plasma, le dia- mètre D2 de l'orifice de la membrane 6 est choisi égal au diamètre de la zone occupée par le plasma. Ainsi, le dia- mètre D2 de l'orifice de la membrane 6 est compris entre des valeurs limites égales à 0,3 et 0,4 fois le diamètre D1 de la cavité interne du corps 2 de forme cylindrique. La valeur du diamètre D2 de l'orifice de la membrane 6 influe sur la valeur de la pression dans une zone de la cavité interne du corps 2, par exemple son augmentation. La longueur de cette zone est égale à 22' Pour un diamètre D2 inférieur à O,3Dl, il y a une compression du plasma, une chute du potentiel près de l'orifice de la membrane 6 et une diminution de l'intensité des processus d'émission et d'ionisation dans la zone entre le fond 3 et la membrane 6, ce qui provoque la diminution de la part du courant de décharge assurée par la cathode 1. Lorsque le diamètre D2 est supérieur à 0,4D1, la pression du gaz diminue dans la zone entre le fond 3 du corps 2 et la membrane 6, ce qui provoque également la diminution de la part du courant de décharge assurée par la cathode 1. Ainsi, pour un diamètre D2 supérieur à 0,4D1 et un diamètre D2 inférieur à 0,3D1, l'efficacité d'extraction des électrons ou des ions dans la source électronique et ionique à plasma diminue. La courbe de répartition de la densité n du plasma de la figure 2 démontre que les processus d'émission et d'ionisation dans la cavité interne, qui entretiennent la décharge, se déroulent essentiellement dans la zone de la cavité interne adjacente au fond 3 du corps 2 de la cathode 1 et dont la longueur est égale aux deux tiers de la lon- gueur 1 de la cavité interne du corps 2. C'est pour- quoi il est utile d'augmenter la pression uniquement dans cette partie de la cavité du corps 2 et d'installer la membrane 6 à une distance R2 par rapport au fond 3 qui est égale aux deux tiers de la longueur i1 de la cavité interne. Pour une distance J2 inférieure à 2/3 et supérieure à 2/3, l'efficacité d'extraction des élec- trons et des ions diminue. L'épaisseur h de la membrane 6 est choisie en partant de la condition qu'elle ne limite pas la section du plasma dans la cavité interne du corps 2, c'est-à-dire qu'elle ne doit pas dépasser les limites de la chemise ionique de la cathode épousant la paroi interne du corps 2. A un diamètre D2 de l'orifice de la membrane 6 compris entre 0,3 et 0,4 fois le diamètre D1, cette condi- tion est remplie dans les limites de la zone à densité n mini- male du plasma, c'est-à-dire entre les points E et F de la figure 2. Comme l'étendue de cette zone est de 0,3 à 0,4Di, l'épaisseur h de la membrane est choisie entre 0,3 et 0,4 fois le diamètre D1. Pour une telle épaisseur h, l'installation de la membrane 6 ne provoque aucune compres- sion du plasma dans la cavité interne du corps 2. Cela ex- clut la chute du potentiel près de l'orifice de la membrane 6 ainsi que l'altération des conditions d'entretien de la décharge, ce qui pourrait diminuer la part du courant de décharge assurée par la cathode creuse 1 et par conséquent l'efficactié d'extraction des électrons et des ions dans la source électronique et ionique à plasma. Ainsi, la présente invention permet, à un flux de gaz, dont les paramètres sont déterminés par les pres- criptions concernant la rigidité diélectrique de l' espace à haute tension o les électrons et les ions de la source électronique et ionique à plasma se meuvent avec accéléra- tion, lequel flux de gaz est amené dans la cathode creuse, d'augmenter la pression du gaz dans cette cathode et de cette façon d'augmenter l'efficacité d'extraction des élec- trons ou des ions dans la source électronique et ionique à plasma. R E V E N D I C A T I O N Cathode creuse pour source électronique et ioni- que à plasma, du type comportant un corps avec un orifice de sortie et un fond, dans lequel est pratiqué un orifice d'admission du gaz, et qui limite la cavité interne du corps d'un côté, ladite cavité interne du corps de forme cylindrique étant limitée du côté opposé par une paroi du corps avec un orifice de sortie, caractérisée en ce que la cavité interne du corps (2) comporte, à une distance ( 2) par rapport au fond (3) du corps (2) égale aux deux tiers de la longueur ( /1) de la cavité interne, une mem- brane (6) isolée électriquement du corps (2), l'épaisseur (h) de la membrane (6) et le diamètre (D2) de son orifice étant compris entre des valeurs limites de 0,3 et de 0,4 fois le diamètre (Dl) de la cavité interne de forme cylin- drique.