Brevet FR2667980A1 — publié le 19920417

"SOURCE D'ELECTRONS PRESENTANT UN DISPOSITIF DE RETENTION DE MATIERES". La présente invention concerne une source d'élec- trons à arc sous vide comportant une source de plasma présen- tant une anode et une cathode disposées en vis-à-vis de maniè- re à former un plasma à la suite de l'application d'une diffé- rence de potentiel appropriée entre l'anode et la cathode, un dispositif d'extraction des électrons et un dispositif de ré- tention de matières situé entre le dispositif d'extraction et la source de plasma. Une telle source d'électrons est connue de l'article "Grid-controlled plasma cathodes" de S HUMPRIES et collabora- teurs dans le "Journal of Applied Physics" vol N O 3 (Février 1985) p 700-713. Selon cette antériorité, le dispositif de rétention est constitué par une grille contrôleuse d'ions (ICG) qui est disposée au sein du plasma et au même potentiel électrique que la source de plasma, et le dispositif d'extraction comporte une cathode d'extraction K constituée par une grille polarisée positivement par rapport à la source de plasma ainsi qu'une anode A collectrice d'électrons La grille contrôleuse d'ions ICG a pour fonction de séparer les ions des électrons dans l'espace grille ICG cathode K, les électrons étant extraits ou non en fonction de la charge d'espace dans l'intervalle d'extraction située entre la cathode K et l'anode A. Une telle structure nécessite un fonctionnement pul- sé de la source de plasma et en particulier une condition de fonctionnement est que la longueur d'impulsion du plasma ne doit pas être trop grande par rapport à la longueur d'impul- sion recherchée par les électrons pour éviter de charger élec- triquement la grille et de conduire à des claquages. L'idée de base de l'invention est de découpler opti- quement et électriquement le plasma de la zone d'extraction afin d'éviter les inconvénients précités. La source d'électrons selon l'invention est dans ce but caractérisée en ce que le dispositif de rétention de ma- tières comporte, dans le sens d'extraction des électrons, un baffle amont et un baffle aval électriquement conducteurs et présentant des ouvertures en quinconce, de telle sorte que, lorsque les baffles sont portés à un potentiel donné, le plas- ma ne s'étende pas en aval du baffle aval On obtient ainsi, une rétention efficace des matières, à savoir des ions, neu- tralisés ou non, ainsi que des neutres et des micro-particules émis simultanément. Au moins une ouverture peut être une fente trans- versale par rapport au sens d'extraction des électrons. Au moins un baffle peut comporter autour d'au moins une ouverture, un bord replié du coté de la source de plasma. Ceci permet d'améliorer la rétention des ions du plasma, ainsi que des neutres et des micro-particules émis simultanément par l'arc sous vide Selon un mode préféré de réalisation du dis- positif de rétention de matières, le baffle amont et le baffle aval comportent desdits bords repliés, alignés dans le sens d'extraction des électrons. La largeur des ouvertures peut être supérieure ou égale à l'intervalle entre les ouvertures La distance entre les baffles peut être au moins égale à la largeur des ouvertu- res et à l'intervalle entre les ouvertures La quantité d'é- lectrons extraits croît en effet avec la largeur relative des ouvertures par rapport à leur intervalle, ainsi qu'avec la distance entre les baffles. Selon un mode de réalisation particulièrement avan- tageux en ce qui concerne l'homogénéité du faisceau d'élec- trons, sont prévues, dans le sens d'extraction des électrons, une électrode d'extraction amont et une électrode d'extraction aval sensiblement parallèles, lesquelles sont de préférence espacées d'une distance au moins égale au pas desdits baffles. Au moins une électrode d'extraction peut avantageu- sement être disposée dans le passage situé en aval des ouver- tures du baffle aval dans le sens d'extraction des électrons. On améliore ainsi le rendement d'extraction à potentiel égal. Les précédentes structures d'extraction conduisent à des émissions d'électrons à une énergie (exprimée en e V) pro- che de la tension d'extraction tout en lui restant inférieu- re Pour réduire cette énergie initiale et obtenir une meil- leure maîtrise du faisceau, il est avantageux de prévoir une électrode réductrice d'énergie des électrons disposée en aval du dispositif d'extraction dans le sens d'extraction des élec- trons, une telle réduction pouvant être alors obtenue en por- tant ladite électrode à un potentiel électrique inférieur à celui du dispositif d'extraction. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limi- tatif, en liaison avec les dessins qui représentent: la figure 1, une source d'électrons selon l'art antérieur (état général de la technique), la figure 2 correspondant à l'article de HUMPRIES et al précité la figure 3 a à 3 c, une source d'électrons selon un mode de réalisation de l'invention, la figure 3 b étant un détail de la fig 3 a montrant les lignes de champ, et la fig 3 c un détail de la fig 3 a en vu de préciser les dimensions. la fig 4 des diagrammes de courant et de tension en vue de l'extraction des électrons. la fig 5, 6 a, Gb et Gc des modes de réalisation des ou- vertures des baffles selon l'invention, les figures Gb et Gc représentant respectivement en vue de dessus et en coupe XX' un dispositif à symétrie cylindrique de révolution. la fig 7 et 8 des modes de connexion de source de plasma en parallèle en vue d'obtenir une émission d'électrons de gran- de section. et les fig 9 à 12 quatre variantes de l'invention présen- tant une extraction améliorée, la fig 12 correspondant à un mode de réalisation préféré. Selon la figure 1, une source d'électrons comporte une source d'ions comportant au moins une cathode 1 et une anode 2 (type diode) et éventuellement une gâchette 3 (type triode) ou bien un arc secondaire comme dans le brevet fran- çais 8708196 déposé le 12 juin 1987 par la Demanderesse et dé- livré le 24 novembre 1989 sous le numéro FR 2616587 (type té- trode) Pour le type diode, l'anode 2 et la cathode 1 sont très proches d'une de l'autre et l'initiation de l'arc de plasma P est simplement obtenue par application d'une tension anodique suffisante Pour le type triode, la gâchette 3, dont la position, la forme et le mode d'alimentation permettent l'amorçage d'un spot cathodique à l'origine de l'arc principal P, est proche de la cathode 1 alors que l'anode 2 en est éloi- gnée Pour le type tétrode, l'arc principal de plasma P est initié par injection d'un plasma provenant d'un arc secondaire de faible durée par rapport à l'arc principal P et dissipant une très faible énergie en regard de l'arc principal P. De même, ces sources de plasma peuvent être réali- sées sous forme de couches minces déposées sur des isolants, permettant en général des émissions instantanées importantes et plus reproductibles, mais avec un nombre de tirs de fonc- tionnement réduit. Les matériaux cathodiques utilisés sont dans le principe indifférents; leur choix est un compromis entre l'énergie nécessaire pour l'obtention d'un arc stable (influence du courant électronique recherché) la dissipation thermique des électrodes, en particulier de la cathode, et les problèmes de refroidissement, le temps d'établissement de l'arc et la vitesse de projec- tion du plasma (influence des températures de fusion des matériaux), l'aptitude à un traitement chimique ultérieur de nettoyage de la source, leur pureté, sous l'aspect désorption à chaud de gaz sus- ceptible de perturber la qualité du vide. Les électrons sont extraits du plasma P par un dispositif d'extraction d'électrons EE (par exemple une grille), le sens d'extraction (flèche F) étant perpendiculaire audit dispositif d'extraction EE En tant que de besoin, un dispositif FA de focalisation et d'accélération dirige les électrons vers une cible A. La fig 2 illustre le dispositif décrit dans la pu- blication de S HUMPHRIES et collaborateurs, et selon lequel une grille de contrôle des ions (ICG), est disposée dans le plasma P et au même potentiel que celui-ci Une cathode d'ex- traction K faisant fonction de grille d'extraction étant pola- risée positivement par rapport à la grille (ICG), la différen- ce de potentiel ainsi créée empêche les ions de pénétrer dans l'espace d'extraction, c'est-à-dire l'espace situé entre la cathode K et une anode cible A En l'absence d'un potentiel d'extraction, les électrons sont empêchés de franchir l'espace d'extraction A-K Une condition sur la densité de courant ex- trait est que la largeur de l'espace dans lequel intervient la séparation entre les ions et les électrons est sensiblement égale ou supérieure à la moitié de la largeur des ouvertures de la grille d'extraction K Une autre condition est que la longueur des impulsions produisant le plasma ne peut être très supérieure à la longueur d'impulsion désignée pour les élec- trons, ce pour éviter de charger électriquement la grille d'extraction K et pour réduire la probabilité de claquage En d'autres termes, à une impulsion de plasma ne peut correspon- dre qu'une seule extraction d'électrons. Selon les figures 3 a à 3 c et 5, le plasma cathodi- que (ou anodique) est isolé optiquement par deux baffles 10 et 20, comportant, dans le sens d'extraction desélectrons (flèche F) un baffle amont 10, et un baffle aval 20, portés à la masse ou potentiel d'anode (pour un plasma cathodique), et pourvu d'ouvertures respectivement 16 et 26 en quinconce les unes par rapport aux autres Le plasma, en l'absence de toute tension d'extraction, est intercepté par les baffles et ne peut péné- trer en aval du baffle aval 20 Dans le cas de la figure 2 (art antérieur), la grille ICG est disposée au sein du plasma P, qui s'étend toujours en aval de celle-ci jusqu'à parvenir à proximité de la cathode d'extraction K Au contraire, dans le cas de l'invention, le plasma P est arrêté par les baffles et ne peut s'étendre en aval de ceux-ci L'électrode d'extraction est, quelles que soient les conditions de fonctionnement, dégagée de toute pollution par le plasma P qui peut donc être maintenu en continu pendant toute la durée nécessaire à l'ob- tension du nombre désiré d'extractions d'électrons En outre, une telle structure de baffle à au moins deux niveaux permet également l'interception des micro-projections émises par la cathode 1 La figure 4 montre, en a le profil du courant Iarc de la source de plasma, en b le potentiel d'extraction (plu- sieurs impulsions, pour un seul allumage du plasma), et en c le courant Iext des électrons extraits Pour une tension d'extraction Vext (de quelques k V) à profil en plateaux plats, le courant Iext présente, de manière classique, des plateaux à pente négative. La figure 3 b montre les lignes d'équipotentielles entre les surfaces 12 de séparation qui délimitent le contour du plasma et selon lesquelles les électrons sont extraits Ces surfaces 12 sont fonction de la tension d'extraction et de la densité, en charges électriques, du plasma émis Les surfaces 12 sont situées entre les deux baffles 10 et 12, selon une di- rection générale perpendiculaire à ceux-ci et sensiblement d'un bord à l'autre des ouvertures 16 et 26 Les équipoten- tielles ( 22 à 25) évoluent entre une forme ( 22) présentant une première partie parallèle au baffle 20 et une deuxième partie nettement rentrante dans l'espace inter-baffles en de- hors du plasma P, une forme ( 23) plus en aval des baffles et également à deux parties, la deuxième étant moins rentrante dans l'espace interbaffles, une forme ( 24) encore plus en aval et qui est pratiquement plane, ce qui permet de diriger les électrons essentiellement selon la direction d'extraction F (ils ont été en effet extraits essentiellement perpendicu- lairement à cette direction), et enfin une forme ( 25) sensi- blement sinusoïdale au voisinage de la grille d'extraction 30. La figure 3 c montre une forme ( 14) pratiquement idéale de la surface de séparation 12, avec un creusement très marqué ce qui augmente nettement la surface d'extraction, et donc le rendement d'extraction Il est à noter que le dispositif à double baffle permet de concevoir facilement une géométrie présentant une surface d'extraction supérieure à celle de l'art antérieur, c'est-à-dire à la surface de la grille d'extraction D'autre part, la retenue du plasma et de matière dans les baffles, et surtout dans le baffle aval ( 20) est favorisée par la présence de bords repliés 21 (et/ou 11), d'une distance respectivement d 1 (et/ou d 2) vers l'amont. Les paramètres influant sur l'extraction sont l'é- cartement h entre les baffles 10 et 20, la largeur 11 des in- tervalles entre ouvertures du baffle amont 10, la largeur 12 des ouvertures 16 du baffle amont 10, étant entendu que le baffle aval 20 est le "négatif" du baffle amont 10. La quantité d'électrons extraits croît dans le même sens que h inversement à l'évolution de 12 et de 11 c'est-à-dire avec le nombre de cellules. Par ailleurs, le champ électrique appliqué est dé- terminant quant à la quantité d'électrons extraits Deux posi- tions extrêmes ( 30 A électrodes d'extraction non en aval des bords des ouvertures; 30 B: électrodes d'extraction au centre des ouvertures et des intervalles entre elles) pour des pola- risations identiques correspondent au maximum d'extraction ( 30 A) et minimum ( 30 B), sachant que l'interception par l'élec- trode d'extraction est maximale en ( 30 A). Le rendement maximal idéal correspond à 11 et à la forme 14 de ménisque de plasma de la figure 3 c. Les structures de configuration préférées des baf- fles découlent de ces considérations: structures linéaires avec h 1 4 12 et h > 12 avec les électrodes d'extraction constituées par des fils (ou barres) proches de l'alignement des bords relevés ( 11 et 21) des baffles 10 et 20, et légèrement masquées par le baffle 20 (figures 3 a et 3 b). structures à ouvertures circulaires ( 16 ', 26 ') (fig Ga), pour des faisceaux cylindriques (de révolution ou non) et plus particulièrement lorsque l'homogénéité doit présenter une symétrie axiale (figures Gb et 6 c): aux figures 6 b et 6 c, les baffles amont 10 et aval 20 deviennent des anneaux à bords relevés 10 ' et 20 ', reliés entre eux sur des rayons pour assurer le maintien mécanique (à la figure 6 b, les anneaux 16 ' sont représentés en pointillés). Pour deux anneaux (baffles 10 ' et 20 ') de rang i et i-1, on aura: R 1 o',i Rlo',(i-1) R 20 ',i R 20 ',i-1 Selon les figures 7 et 8, une source de grande di- mension est obtenue en mettant en parallèle N sources de plas- ma (massives ou en couches) réparties de façon à assurer une densité homogène de plasma sur les baffles 10 et 20 (ou 10 ' et ') Ces sources sont alimentées soit individuellement à par- tir d'une source (-HT) à travers une résistance R pour chacune (fig 7), soit collectivement à travers une seule résistance R/n (fig 8). Selon les figures 9 et 10, on met en oeuvre deux grilles d'extraction, référencées 30 et 31, situées l'une der- rière l'autre La deuxième grille d'extraction 31, au même po- tentiel que la première fait écran aux tensions d'accélération des électrons et permet un transit libre de ceux-ci sur une distance D supérieure au pas (h 1 + 12) des baffles d'extrac- tion Ceci permet un chevauchement entre les faisceaux ex- traits d'ouvertures 26 contigues du baffle aval 20 et atténue les distortions de densité Selon la figure 9, la grille d'ex- traction amont est située près du baffle aval 20, alors que selon la figure 10, elle en est écartée. Selon les figures 11 et 12, une grille réductrice d'énergie des électrons est présente (référence 40) en aval de la ou des grilles d'extraction ( 30, 31) La grille 40 est por- tée à un potentiel inférieur à celui de la ou des grilles d'extraction ( 30, 31) A la figure 11, seule est présente la grille d'extraction 30 A la figure 12, la grille 40 est asso- ciée aux deux grilles d'extraction 30 et 31, d'o optimisation à la fois de l'extraction et de l'énergie des électrons. Le potentiel de la grille 40 peut être ajusté entre la tension du dispositif d'extraction ( 30, 31) et la tension de polarisation des baffles ( 10, 20). REVENDICATIONS 1 Source d'électrons à arc sous vide comportant une source de plasma présentant une anode et une cathode disposées en vis-à-vis de manière à former un plasma à la suite de l'ap- plication d'une différence de potentiel appropriée entre l'a- node et la cathode, un dispositif d'extraction des électrons et un dispositif de rétention de matières situé entre le dis- positif d'extraction et la source de plasma caractérisé en ce que le dispositif de rétention de matières comporte, dans le sens (F) d'extraction des électrons, au moins un baffle amont ( 10) et un baffle aval ( 20) électriquement conducteurs et pré- sentant des ouvertures ( 16, 26) en quinconce, de telle sorte que, lorsque les baffles ( 10, 20) sont portés à un potentiel donné, le plasma ne s'étende pas en aval du baffle aval ( 20). 2 Source d'électrons selon la revendication 1 carac- térisée en ce qu'au moins une ouverture ( 16, 26) est une fente transversale par rapport au sens d'extraction des électrons. 3 Source d'électrons selon une des revendications 1 ou 2 caractérisée en ce qu'au moins un baffle ( 10, 20) compor- te autour d'un au moins une ouverture ( 16, 26), un bord ( 11, 21) replié du côté de la source de plasma. 4 Source d'électrons selon la revendication 3 carac- térisée en ce que le baffle amont ( 10) et le baffle aval ( 20) comportent desdits bords repliés ( 11, 21), alignés dans le sens (F) d'extraction des électrons. Source d'électrons selon une des revendications précédentes caractérisée en ce que la largeur des ouvertures ( 26) du baffle aval ( 20)est supérieure ou égale à l'intervalle entre les ouvertures ( 26). 6 Source d'électrons selon une des revendications précédentes caractérisée en ce que la distance (h) entre les baffles est au moins égale à la largeur des ouvertures et à l'intervalle entre les ouvertures. 7 Source d'électrons selon une des revendications précédentes caractérisée en ce que le dispositif d'extraction comporte au moins une électrode d'extraction ( 30). 1 1 8 Source d'électrons selon la revendication 7 carac- térisée en ce qu'au moins une électrode d'extraction ( 30) comporte des fils conducteurs parallèles. 9 Source d'électrons selon une des revendications 7 ou 8 caractérisée en ce qu'au moins une électrode d'extraction ( 30) comporte une grille conductrice. Source d'électrons selon une des revendications 7 à 9 caractérisée en ce qu'elle comporte, dans le sens d'extrac- tion des électrons, une électrode d'extraction amont ( 30) et une électrode d'extraction aval ( 31), sensiblement parallèles. 11 Source d'électrons selon la revendication 10 carac- térisée en ce que les électrodes d'extraction amont ( 30) et aval ( 31) sont espacées entre elles d'une distance au moins égale au pas des ouvertures ( 16, 26) desdits baffles ( 10, 20). 12 Source d'électrons selon une des revendications 7 à 11 caractérisée en ce qu'au moins une électrode d'extraction est disposée dans le passage situé en aval des ouvertures ( 26) des baffles aval ( 20) dans le sens (F) d'extraction des électrons. 13 Source d'électrons selon une des revendications précédentes caractérisée en ce qu'elle comporte une électrode réductrice d'énergie des électrons ( 40), disposée en aval du dispositif d'extraction des électrons ( 30, 31), de manière à diminuer l'énergie des électrons extraits lorsqu'elle est portée à un potentiel électrique inférieur à celui du dispositif d'extraction ( 30, 31). 14 Source d'électrons selon la revendication 13 carac- térisée en ce qu'elle comporte des moyens pour ajuster le po- tentiel de la grille réductrice d'énergie ( 40) entre la tension du dispositif d'extraction et la tension de polarisation des baffles ( 10, 20).