Brevet FR2639756A1 — publié le 19900601

SOURCE DE VAPEURS ET D'IONS. La présente invention concerne une source de vapeurs et d'ions, et notamment une source de vapeurs et d'ions métalliques. Dans l'art antérieur, les sources de vapeurs et d'ions métalliques résultent classiquement du bombardement d'une cible par un faisceau d'électrons. Ceci exige un appareil complexe et délicat, fonctionnant sous un vide élevé (de l'ordre de 10-3 Pascals) et de durée de vie limitée. Ainsi, un objet de la présente invention est de prévoir un autre type de source de vapeurs et d'ions de structure parti- culièrement simple et à durée de vie longue. Pour atteindre cet objet, la présente invention prévoit une source de vapeurs et d'ions comprenant, dans une enceinte à basse pression, une anode (masse), une cathode et des moyens d'application d'un champ magnétique, la cathode étant constituée d'une cavité équipotentielle munie d'une ouverture, un champ ma- gnétique étant appliqué orthogonalement au plan de l'ouverture et le matériau à ioniser étant disposé dans la cavité de cathode. Pour faire fonctionner cette source d'ions, on dispose initialement dans l'enceinte, et notamment dans la cavité de la cathode, un gaz porteur à basse pression et la cathode est portée à un potentiel négatif de l'ordre de quelques centaines de volts par rapport à l'anode (la masse). Il en résulte une ionisation du gaz porteur et un échauffement de la cathode. Par suite, le maté- riau à ioniser disposé dans la cathode se volatilise et est ioni- sé. Les vapeurs métalliques et les ions du matériau peuvent ensuite être projetés vers une cible disposée à un potentiel négatif par rapport au potentiel du plasma. Une fois le phénomène amorcé, on peut procéder à un pompage pour réduire la proportion de gaz por- teur qui devient inutile. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés plus en détail dans la description suivante c'un mode de réalisation particulier faite en relation avec la figure jointe. Comme l'illustre la figure, la présente invention pré- voit d'utiliser une cathode 10 munie d'une cavité interne et d'une ouverture de sortie 11. Cette cathode est enfernée dans une en- ceinte, par exemple une enceinte conductrice r1 à la masse que l'on appelera ci-après tantôt masse tantôt anode puisqu'elle constitue une anode par rapport à la cathode 10. Cette enceinte est munie de moyens de pompage 13 et de moyens 14 d'introduction d'un gaz, ce gaz étant par exemple de l'hélium, de l'argon, etc. Un aimant ou autre moyen d'application de champ magnéti- que A est prévu pour appliquer un champ magnétique B au niveau de l'ouverture 11 de la cathode orthogonalement au plan de celle-ci. rans la cavité 10 est disposé un matériau à ioniser, par exemple un métal 15 sous forme de poudre, de barreaux, de copeaux etc. Initialement, on évacue l'enceinte M et on y introduit un gaz porteur sous une pression de l'ordre de quelques dixièmes à quelques dizaines de pascals. Quand la cathode est portée à un po- tentiel négatif de quelques centaines de volts, un champ électri- que apparalt et, du fait de l'existence de la cavité, les lignes de champ électriques 16 s'incurvent vers l'intérieur de la cavité au niveau de l'ouverture, comme cela est représenté dans la figu- re. Ainsi, il existe des zones o le champ électrique E, du fait de la courbure des lignes de champ, est perpendiculaire au chanp magnétique appliqué B. Il en résulte la création d'un plasma pour des pressions gazeuses beaucoup plus faibles qu'en l'absence de tels champs électrique et magnétique croisés. En effet, ce sont les effets de bord (courbure du champ électrique due à la présence de l'ouverture dans la cavité) conjugués avec le champ magnétique croisé en certains emplacements qui sont à l'origine de la créa- tion du plasma. Il se forme ainsl pour des pressions de gaz porteur supérieures à quelques dixièmes de pascal une zone de plasma sen- siblement telle que délimitée par des pointillés dans la figure, au voisinage de l'ouverture 11. Il résulte de l'apparition de ce plasma un échauffement des parois de la cavité 10 et donc au matériau 15 qui se sublime ou s'évapore (selon qu'il se liquéfie ou non). I1 y a alors créa- tion de vapeurs de ce matériau. Ces vapeurs émergent par l'orifice 11 de la cavité et une proportion notable de celles-ci est ionisée par les électrons du plasma: il y a donc création d'ions du maté- riau 15 qui peuvent être collectés par une plaque 20 disposée en regard de l'ouverture de la cavité et portée à un potentiel nega- tif par rapport à la masse. Cette plaque reçoit donc les ions et les vapeurs du matériau tandis que les électrons sont repoussés par le potentiel négatif vers la masse. On notera que le potentiel du plasma n'est pas le poten- tiel de la cathode 10 mais que, si le potentiel de cette cathode est par exemple de -500 volts, le potentiel du plasma pourra être de quelques dizaines de volts. Ainsi, selon l'énergie d'impact que l'on veut conférer aux ions sur la plaque 20, celle-ci sera portée à un potentiel variable entre une centaine et un millier de volts environ. Si la pression de vapeur du matériau dans la cavité atteint une pression de l'ordre du Pascal, on peut interrompre l'arrivée des gaz 14 qui provoquent la création initiale du plasma tout en continuant le pompage par la pompe 13. La d&charge se maintient puisque, dans ces conditions, ce sont les vapeurs du matPriau 15 qui jouent le rôle du gaz initial. Il existe donc un plasma auto-maintenu à l'intérieur de la cavité. On obtient ainsi une source de vapeurs et d'ions auto- entretenue par la présence du matériau 15, cette source fonction- nant sous un vide de l'ordre du dixième à la dizaine de pascals. Le matériau 15 sera par exemple un métal. Dans le cas o la cathode est à un potentiel de -500 volts et la plaque 20 à un potentiel de l'ordre de 1200 volts, on a obtenu avec du cuivre 3 ampères d'ions Cu+ accélérés à 1200 volts sur une surface de 50 cm2. La vitesse de dépôt des atomes de cuivre sur la plaque 20 était de 20 micromètres/mn, l'o l'on peut déduire que 25 pour cent des atomes de cuivre évaporés étaient ionisés. Cette possibilité d'obtenir une source auto-entretenue par la présence d'un métal et fonctionnant sous vide (en l'absence de gaz porteur) se présente pour environ 60 % des métaux (ceux dont la pression de vapeur saturante est supérieure à quelques pascals à des températures inférieures à 1600-1700 C, qui sont des températures existant normialement à l'intérieur de la cavité de cathode). Le procédé selon la présente invention présente de nom- breux avantages parmi lesquels on peut mentionner: - une grande vitesse de dép8t équivalente à celle que l'on atteint par évaporation sous vide, - un taux d'ionisation élevé des vapeurs métalliques (jusqu'à 25 % alors que les techniques classiques de dép8t ionique atteignent des taux d'ionisation de l'ordre de 1 à 2 %), - la possibilité de fonctionner en l'absence de gaz por- teur pour 60 % des métaux, ce qui réduit le taux de pollution. Il résulte du nombre d'ions important que l'on peut im- planter sur une cible 20 une excellente adhérence du dép t. En raison de sa grande simplicité le dispositif selon la présente invention peut présenter une durée de vie longue. En ou- tre, aucune considération fondamentale ne limite les dimensions dJ dispositif et l'on peut envisager de bombarder la cible 20 sur une grande longueur si l'ouverture 12 est une fente de grande étendue. La présente invention est susceptible de nombreuses va- riantes. Le matériau constituant la cathode et l'enceinte de masse sera choisi non réactif aux températures de fonctionnement, ce qui est par exemple le cas du tungstène. L'enceinte pourra prendre di- verses formes et pourra par exemple être associée à une grille de masse disposée en face de l'ouverture 11 pour favoriser la forma- tion initiale du plasma. Divers systèmes de grilles ou d'ouver- tures portés à des potentiels différents pourront être prévus pour accélérer et/ou focaliser les ions projetés sur la cible. REVE]NDIC TIONS 1. Source de vapeurs et d'ions comprenant dans une en- ceinte à basse pression une anode (M), une cathode (K) et des moyens d'application d'un champ magnétique, caractérisée en ce que: - la cathode (K) est constituée d'une cavité équipoten- tielle (10) munie d'une ouverture (11), - un champ magnétique (B) orthogonal au plan de l'ouver- ture est appliqué au niveau de celle-ci, et - le matériau à ioniser est disposé dans la cavité de cathode. 2. Source d'ions selon la revendication 1, caractérisée en ce que le matériau à ioniser est un métal. 3. Source d'ions selon la revendication 1, caractérisée en ce que la pression de l'enceinte est de l'ordre de quelques dixiemes de Pascal, cette pression étant initialement assurée par un gaz porteur et ensuite par le matériau à ioniser lui-même. 4. Source d'ions selon la revendication 1, caractérisée en ce que la cathode est à un potentiel négatif de quelques cen- taines de volts. 5. Source d'ions selon l'une quelconque des revendica- - tions 1 à 4, caractérisée en ce que ladite ouverture est une fente de grande longueur.