Brevet FR2730858A1 — publié le 19960823

La présente invention concerne un dispositif à résonance cyclotron électronique pour créer un faisceau d'ions. Plus particulièrement, l'invention concerne une source d'ions qui comporte des moyens d'alimentation en gaz, en puissance micro-onde et en tension électrique. On sait traiter des surfaces pour les nettoyer ou pour y déposer des couches minces en utilisant des faisceaux d'ions obtenus par ionisation d'un gaz. A cet effet, on immerge, dans une enceinte à vide, une surface à traiter ainsi qu'un dispositif apte à projeter un faisceau d'ions sur ladite surface. Dans les dispositifs connus de ce type, le gaz est acheminé dans une chambre d'ionisation où il subit simultanément l'action d'un champ électrique variable à très haute fréquence et d'un champ magnétique permanent, dans des conditions telles qu'il se trouve en résonance cyclotron électronique, ce qui accroît le rendement d'ionisation du gaz. Un des inconvénients majeurs des dispositifs connus réside dans le fait que le gaz n'est pas convenablement localisé dans la chambre d'ionisation, de sorte qu'il ne subit qu'une ionisation partielle. Par ailleurs, dans les dispositifs connus, la puissance électrique qui est nécessaire à l'excitation du gaz est fournie par un générateur de micro-ondes dont la puissance doit être couplée au plasma de manière à ce qu'il ne se produise que très peu de déperditions par rayonnement à l'extérieur du dispositif. Or, un tel couplage est difficile à réaliser dans la mesure où le générateur de micro-ondes présente un potentiel moyen nul, tandis que la chambre d'ionisation est portée à un potentiel d'extraction généralement compris entre 0 et 5000 Volts, afin d'en extraire les ions formés par excitation du gaz. Pour assurer la sécurité des utilisateurs des dispositifs connus, il est donc nécessaire de recourir à des moyens sophistiqués et coûteux, du fait qu'une partie de la ligne de transmission des micro-ondes est portée à la tension d'extraction. La présente invention vise à fournir un dispositif simple et économique qui résout notamment les inconvénients rappelés ci-dessus et qui est en outre compact et fiable. La présente invention a pour objet un dispositif à résonance cyclotron électronique pour créer un faisceau d'ions comportant une chambre d'ionisation, une antenne logée dans la chambre d'ionisation, des moyens d'amenée de gaz à l'intérieur de la chambre d'ionisation et une ligne coaxiale de transmission pour véhiculer un signal électrique depuis un générateur de micro-ondes jusqu'à ladite antenne, caractérisé par le fait que les moyens d'amenée de gaz comprennent l'antenne qui se présente à cet effet sous la forme d'un corps creux fermé, et comportent un conduit dont l'orifice d'entrée se situe à l'extérieur du dispositif, et dont l'orifice de sortie débouche à l'intérieur de l'antenne, ainsi que des orifices ménagés dans la paroi de l'antenne, permettant à un gaz introduit dans le conduit de se répandre dans la chambre d'ionisation, à l'intérieur d'une zone de résonance cyclotron électronique. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le conduit est électriquement conducteur et lune de ses extrémités est raccordée électriquement à l'antenne, son autre extrémité étant reliée électriquement à la paroi de la chambre d'ionisation en un point qui est éloigné de la ligne coaxiale de transmission d'une distance multiple impair du quart de la longueur d'onde dans le vide de la micro-onde. Dans ce mode de réalisation, l'antenne ne se trouve pas en contact direct avec la paroi de la chambre d'ionisation, mais elle est placée au même potentiel électrique que la paroi de la chambre d'ionisation, en y étant reliée par l'intermédiaire du conduit électriquement conducteur. La liaison électrique ainsi indirectement établie entre l'antenne et la paroi de la chambre d'ionisation est transparente pour les micro-ondes, de sorte que la transmission des micro-ondes vers l'antenne n'est pas perturbée. Dans un mode de réalisation de l'invention, la ligne coaxiale de transmission comprend un système de couplage constitué par deux condensateurs, le premier étant ménagé sur le conducteur central de la ligne coaxiale, et ayant une longueur égale à un multiple impair du quart de la longueur d'onde dans le diélectrique de ce condensateur de la micro-onde, et le second étant ménagé sur le conducteur externe de la ligne coaxiale, et ayant une longueur égale à un multiple impair du quart de la longueur d'onde dans le vide de la micro-onde.Le condensateur prévu sur le conducteur central laisse passer le signal électrique issu du générateur de micro-ondes tout en assurant un isolement galvanique entre les parties de la ligne de transmission situées de part et d'autre dudit condensateur, tandis que le condensateur prévu sur le conducteur externe assure également un isolement galvanique et constitue une barrière, vis-à-vis de l'extérieur, qui empêche le rayonnement des micro-ondes. Cette solution permet ainsi d'amener la puissance micro-onde dans la ligne de transmission maintenue à un potentiel moyen nul jusqu'au voisinage de la chambre d'ionisation. Dans le but de mieux faire comprendre l'invention, on va en décrire maintenant un mode de réalisation donné à titre d'exemple non limitatif, en référence à la figure unique annexée qui représente un dispositif selon l'invention, vu en coupe. Ce dispositif comporte un élément de connecteur coaxial 1 qui est destiné à être assemblé avec un autre élément de connecteur coaxial (non représenté), relié à un câble coaxial (non représenté) issu d'un générateur de micro-ondes (non représenté). Le contact central 2 de l'élément de connecteur coaxial 1 est prolongé par une ligne électrique formée d'un premier conducteur central 3 et d'un second conducteur central 4. Ces deux conducteurs centraux sont accouplés à leurs extrémités grâce à un évidement axial 5 ménagé à l'extrémité du premier conducteur central 3 et à une broche en saillie 6 de l'extrémité correspondante du second conducteur central 4, laquelle broche 6 pénètre dans l'évidement 5 du premier conducteur central, un diélectrique 7 réalisant un isolement galvanique entre ces deux conducteurs centraux. Les extrémités des deux conducteurs centraux ainsi accouplés forment un premier condensateur au sens de l'invention. La longueur de recouvrement entre la broche 6 et l'évidement 5 est égale à un multiple impair du quart de la longueur d'onde dans le diélectrique 7 de la micro-onde fournie par le générateur de micro-ondes. Chaque conducteur central est logé dans une cavité cylindrique 8,9 ménagée, pour le premier conducteur central 3, dans un premier corps cylindrique 10, formant conducteur externe, solidaire de la partie externe de l'élément de connecteur 1, et, pour le second conducteur central 4, dans un second corps cylindrique 11, formant conducteur externe, solidaire d'une chambre d'ionisation 12. Le second corps cylindrique 11 comporte une paroi tubulaire lla qui entoure le premier corps cylindrique 10 sur une hauteur 10a égale à un multiple impair du quart de la longueur d'onde dans le vide de la micro-onde. Cet agencement constitue un second condensateur au sens de l'invention, et forme avec le premier condensateur 5, 6, 7 un système de couplage qui permet de transmettre l'énergie micro-onde depuis la ligne coaxiale de transmission vers la chambre d'ionisation 12. Un espace annulaire 13 est laissé vide entre chaque conducteur central 3,4 et la paroi intérieure de la cavité cylindrique 8,9 correspondante. Le second conducteur central 4 s'étend jusqu'à une antenne 14 logée dans la chambre d'ionisation 12 et se présentant sous la forme d'un corps creux cylindrique fermé. Une bague en alumine 15 est prévue à la base de l'antenne 14 pour, d'une part, éviter un contact électrique direct entre la paroi de la chambre d'ionisation 12 et l'antenne 14 et d'autre part, maintenir une étanchéité au gaz entre le volume intérieur de la chambre d'ionisation 12 et l'espace annulaire 13 laissé libre autour du second tube 4. L'antenne 14 est munie à son extrémité inférieure d'une pluralité d'orifices pourvus de tubes capillaires 16 qui font communiquer l'intérieur de l'antenne avec la chambre d'ionisation. Un conduit 17 coudé, électriquement conducteur, débouche d'une part à l'intérieur de l'antenne 14, d'autre part à l'extérieur du dispositif. Un manchon électriquement conducteur 18, réalisé d'un seul tenant avec le corps cylindrique 11 solidaire de la chambre d'ionisation, entoure le tube coudé 17 dans sa partie débouchant vers l'extérieur. Lorsqu'un gaz est introduit dans le conduit coudé 17, il diffuse dans la chambre d'ionisation 12 au travers des tubes capillaires 16 qui ont pour fonction de diriger le gaz vers la zone de résonance cyclotron électronique 19, schématisée en trait interrompu, en le répartissant de façon la plus homogène possible dans cette zone 19. Le conduit coudé 17 comporte une branche 17a coaxiale au second conducteur central 4 et située à l'intérieur de ce dernier, et une branche 17b perpendiculaire audit second conducteur central 4, située dans le manchon 18. Un disque 20, électriquement conducteur, relie le conduit coudé 17 au manchon 18 et établit ainsi indirectement une connexion électrique entre l'antenne 14 et la chambre d'ionisation 12. Dans la branche 17b du conduit 17, la distance qui sépare le disque 20 du second tube 4 est égale à un multiple impair du quart de la longueur d'onde dans le vide de la micro-onde, de sorte que la liaison électrique qui est établie par le disque 20 entre le conduit électrique 17 et le manchon 18 est transparente pour les micro-ondes. Ainsi, cette liaison électrique a pour seul effet d'égaliser les potentiels de la chambre d'ionisation et de l'antenne. De cette manière, on évite la formation de gaines d'ions trop importantes dans la chambre d'ionisation 12, en particulier autour de l'antenne 14. Un ensemble de grilles d'extraction 21 est placé à la sortie de la chambre d'ionisation. Pour maintenir coaxialement les deux corps cylindriques 10 et 11, par rapport aux conducteurs centraux 3 et 4 qui sont alignés grâce au premier condensateur 5,6,7, des billes diélectriques 22 sont disposées en anneaux à la périphérie de chaque conducteur central. Des supports de billes 23 sont prévus à cet effet dans les premier et second corps 10 et 11 pour immobiliser les billes 22 en appui contre les conducteurs 3 et 4. Bien que ces supports 23 s'étendent sur toute la périphérie des conducteurs centraux, seule une partie en a été représentée sur le dessin dans un but de clarté. L'ensemble du dispositif est destiné à être placé à l'intérieur d'une enceinte à vide (non représentée) dans laquelle est établi un vide secondaire ou un ultra-vide. Le gaz est introduit dans la chambre d'ionisation 12 au travers du conduit coudé 17 et de l'antenne 14, à une pression comprise entre 10 et 10 5 Torr. La configuration en deux corps 10 et 11 du dispositif permet la rotation de la chambre d'ionisation 12 par rapport à son axe, le premier corps 10 restant fixe tandis que le second corps 11, solidaire de la chambre d'ionisation, tourne avec cette dernière. Le système de couplage à deux condensateurs, qui présente une forme de révolution, sert alors également de pièce de liaison rotative assurant le continuité de la ligne électrique en dépit des mouvements de rotation de la chambre d'ionisation 12. Le fait de pouvoir orienter la chambre d'ionisation peut constituer un avantage considérable pour des surfaces à traiter particulières. Afin de tirer profit de cette possibilité, on prévoit ainsi un ensemble de grilles d'extraction 21 inclinées de sorte que la rotation de la chambre d'ionisation se traduise par un changement d'orientation du faisceau d'ions. Pour alimenter le dispositif en gaz, on utilise avantageusement un conduit souple de manière à permettre le débattement angulaire de la branche 17b du conduit perpendiculaire au second tube 4. I1 est bien entendu que le mode de réalisation qui vient d'être décrit ne présente aucun caractère limitatif et qu'il pourra recevoir toutes modifications désirables sans sortir pour cela du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif à résonance cyclotron électronique pour créer un faisceau d'ions comportant une chambre d'ionisation, une antenne logée dans la chambre d'ionisation, des moyens d'amenée de gaz à l'intérieur de la chambre d'ionisation, et une ligne coaxiale de transmission pour véhiculer un signal électrique depuis un générateur de micro-ondes jusqu'à ladite antenne, caractérisé par le fait que les moyens d'amenée de gaz comprennent l'antenne (14) qui se présente à cet effet sous la forme d'un corps creux fermé et comportent un conduit (17) dont l'orifice d'entrée se situe à l'extérieur du dispositif, et dont l'orifice de sortie débouche à l'intérieur de l'antenne (14), ainsi que des orifices (16) ménagés dans la paroi de l'antenne (14) permettant à un gaz introduit dans le conduit de se répandre dans la chambre d'ionisation (12) à l'intérieur d'une zone de résonance cyclotron électronique (19). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les orifices de l'antenne (14) sont munis de tubes capillaires (16). 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le conduit (17) est électriquement conducteur et que l'une de ses extrémités est raccordée électriquement à l'antenne (14), son autre extrémité étant reliée électriquement à la paroi de la chambre d'ionisation (12) en un point qui est éloigné de la ligne coaxiale de transmission (3,4) d'une distance multiple impair du quart de la longueur d'onde dans le vide de la micro-onde. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la ligne coaxiale de transmission (3,4) comprend un système de couplage constitué par deux condensateurs, le premier (5,6,7) étant ménagé sur le conducteur central (3,4) de la ligne coaxiale et ayant une longueur égale à un multiple impair du quart de la longueur d'onde dans le diélectrique (7) de ce condensateur de la micro-onde, et le second (10a,11a) étant ménagé sur le conducteur externe (10,11) de la ligne coaxiale et ayant une longueur égale à un multiple impair du quart de la longueur d'onde dans le vide de la micro-onde. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que la ligne coaxiale de transmission est constituée par deux conducteurs centraux (3,4) accouplés et maintenus en alignement par le premier condensateur (5,6,7) et par deux corps cylindriques (10,11) formant conducteurs externes accouplés par le second condensateur (10a,11a) et maintenus coaxialement par des billes (22) disposées en anneaux à la périphérie de chaque conducteur central (3,4). 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que le premier (5,6,7) et le second (10a,11a) condensateurs présentent une forme de révolution qui permet au second corps (11) de tourner par rapport au premier corps (10).