Brevet FR2779315A1 — publié le 19991203

La présente invention concerne un dispositif destiné à créer un champ magnétique à l'intérieur d'une enceinte. Plus particulièrement, la présente invention concerne un dispositif destiné à créer un champ magnétique dans le but de confiner un plasma à l'intérieur d'une enceinte. Les plasmas sont des gaz ionisés, mélanges électriquement neutres d'ions et d'électrons, utilisés dans l'industrie, notamment, pour effectuer des dépôts très minces sur des surfaces. Le plasma peut être créé par diverses méthodes, par exemple, à partir d'atomes non ionisés que l'on amène, sous forme de vapeur, dans une enceinte o règne un champ magnétique ayant une configuration déterminée. Le terme de configuration prend en compte à la fois la géométrie spatiale du champ magnétique et son intensité en tout point de l'espace o il règne. La configuration du champ dépend principalement de la disposition des moyens générateurs de champ magnétique autour de l'enceinte. En les plaçant de manière appropriée, on parvient à obtenir dans l'enceinte un champ ayant la configuration désirée. Les atomes sont ionisés, par exemple, par des électrons énergétiques dits "chauffés par une onde haute fréquence se propageant dans l'enceinte et couplée avec le champ magnétique B régnant dans l'enceinte, selon la relation: B = (2nmf) / e o m et e sont respectivement la masse et la charge de l'électron et f la fréquence de l'onde haute-fréquence. Les électrons, arrachés aux noyaux des atomes sous l'effet de l'onde haute fréquence, sont soumis au champ magnétique B et décrivent alors des mouvements en spirale tout en se heurtant aux autres atomes environnants, provoquant ainsi leur ionisation. Les ions et électrons constituant le plasma ne pouvant décrire que des trajectoires en spirale, le plasma est ainsi confiné dans un volume restreint délimité par le champ magnétique B, c'est à dire que celui-ci sert, en quelque sorte, de récipient immatériel au plasma. Les chocs entre atomes et électrons accélèrent l'ionisation des atomes de gaz non ionisés ou déjà ionisés. Il et ainsi possible d'arracher plusieurs électrons à un même atome et de former des ions multi-chargés. Le champ magnétique régnant dans l'enceinte est produit par des aimants permanents ou des bobinages placés à l'extérieur de l'enceinte. En général, I'intensité du champ utilisé est comprise entre 0,01 T et plusieurs Teslas. Les champs générés par ces aimants ou bobinages ne permettent de créer un champ magnétique de configuration déterminée, que dans des volumes très restreints, de l'ordre de quelques litres. Lorsqu'il s'agit de créer des champs magnétiques dans des volumes plus importants, des bobinages de matériaux supraconducteurs sont utilisés. Ces bobinages doivent être refroidis jusqu'à des températures de l'ordre de 4 K, température de liquéfaction de l'hélium. Ces bobinages sont entourés de plusieurs enveloppes contenant de l'hélium liquide en quantité suffisante pour les maintenir à la température désirée. Ce dispositif de refroidissement oblige à disposer les bobines supraconductrices à une distance d'au moins 5 cm des parois de l'enceinte, ce qui gène considérablement l'établissement d'un champ magnétique de configuration arbitraire à l'intérieur de l'enceinte. Dans ces conditions, deux problèmes se posent: soit tout l'espace intérieur de l'enceinte ne peut être correctement magnétisé, c'est-à- dire que l'intensité du champ magnétique n'atteint pas la valeur désirée en tous les points de l'espace à l'intérieur de l'enceinte, soit l'intensité du champ est suffisamment élevée mais alors il est impossible d'obtenir la configuration désirée du champ à l'intérieur de l'enceinte. Le but de la présente invention est de résoudre les problèmes techniques posés par l'art antérieur. Ce but est atteint au moyen d'un dispositif destiné à créer un champ magnétique à l'intérieur d'une enceinte délimitée par une paroi et pourvue d'au moins un orifice d'entrée d'une matière à l'état atomique, en phase vapeur et d'au moins un orifice d'extraction d'ions, d'électrons ou de rayonnements électromagnétiques provenant de l'ionisation de cette matière, comprenant: - des moyens générateurs de champ magnétique susceptibles d'entourer au moins partiellement l'enceinte. Ces moyens générateurs de champ magnétique sont placés à une distance de la paroi de l'enceinte comprise entre quelques millimètres et une distance de l'ordre de la plus grande dimension de l'enceinte, et comprennent au moins un bobinage réalisé avec un matériau présentant des propriétés supraconductrices entre 16 K et 273 K ainsi qu'un système cryogénique destiné à maintenir lesdits moyens générateurs de champ magnétique à cette température. De préférence, les moyens générateurs de champ magnétique sont disposés à une distance de la paroi de l'enceinte comprise, environ, entre 1 mm et 50 mm. Le dispositif utilisant des matériaux supraconducteurs entre 16 K et 273K, il est alors possible de s'affranchir du dispositif de réfrigération utilisant de l'hélium liquide. On peut par exemple, utiliser un système cryogénique du type "Cryocooler" qui permet non seulement le rapprochement des bobines, mais aussi, a l'avantage d'être moins encombrant, moins coûteux et d'utilisation plus souple et plus sûre qu'un système cryogénique à hélium. Le coût de l'installation en est ainsi fortement diminué et la sécurité de l'installation améliorée. Par exemple, un appareil utilisant un système cryogénique à hélium classique occupe en général un volume de 1 m3 et pèse plusieurs centaines de kilos. Au contraire un appareil utilisant un système cryogénique du type "Cryocooler" occupe un volume de quelques dizaines de litres seulement. De plus, I'utilisation de matériaux supraconducteurs permet de réduire considérablement la quantité d'électricité consommée réduisant ainsi le coût d'utilisation de tout appareil comportant le dispositif selon la présente invention. Un tel dispositif peut être utilisé, par exemple, pour confiner un plasma produit dans un autre dispositif. La très petite distance entre la paroi et les moyens générateurs permet d'établir, en tout point situé à l'intérieur d'une enceinte de volume quelconque, un champ magnétique de l'ordre 1 à 5 T suffisant pour de multiples applications. Avantageusement, ce dispositif comporte, en outre, un système d'injection des atomes dans l'enceinte et un système d'extraction des ions et électrons du plasma contenu dans l'enceinte. Un tel dispositif peut alors être intégré dans la structure de divers appareils. Avantageusement, ce dispositif comprendra, en outre, un système d'ionisation des atomes injectés dans l'enceinte. Avantageusement, le dispositif comprendra, en outre, un dispositif de guidage d'une onde haute fréquence à l'intérieur de ladite enceinte. Un tel dispositif permet alors de réaliser l'ionisation des atomes en engendrant une résonance cyclotronique électronique (ECR), comme exposé dans l'art antérieur. Cette méthode a l'avantage de ne pas utiliser de filament qui, en se consommant, réduisent la durée de vie du dispositif entier. Avantageusement, un tel dispositif peut comprendre, en outre, un système d'extraction permettant d'obtenir un faisceau large. Il pourra alors être utilisé, par exemple, pour la production de faisceaux larges, ou la réalisation d'un appareil destiné à traiter les surfaces à l'échelle industrielle. Le volume magnétisé par le dispositif selon la présente invention pouvant être très important, la pièce à traiter peut être immergée totalement dans le plasma. Son traitement est alors beaucoup plus facile et plus rapide qu'avec un faisceau qu'il faut déplacer à la surface de la dite pièce. Le dépôt ainsi effectué est parfaitement uniforme. Avantageusement le dispositif selon la présente invention comprend en outre, un système d'extraction des éléments lourds susceptibles d'être contenus dans le plasma. Le dispositif selon la présente invention peut également, selon un mode de réalisation particulier, comporter des organes de déplacement d'au moins une partie des moyens générateurs de champ magnétique. La présence de ces organes de déplacement permet de modifier simplement la configuration du champ magnétique régnant dans l'enceinte, par simple modification de la disposition des moyens générateurs de champ autour de ladite enceinte. Avantageusement, le dispositif selon la présente invention, comprend en outre des moyens de régulation de l'intensité du courant électrique parcourant au moins un bobinage. Ces moyens de régulations peuvent être, par exemple, de simples potentiomètres. Il est possible de combiner des moyens de régulation de l'intensité du courant dans le bobinage avec un ou plusieurs organes de déplacement dudit bobinage ou des autres moyens générateurs de champ magnétique. Une utilisation du dispositif selon la présente invention est la réalisation d'appareils destinés à la production de plasmas. Un autre exemple possible d'utilisation du dispositif selon l'invention est la réalisation d'un appareil destiné à la production de rayons X en utilisant la méthode ECR d'ionisation des atomes, précédemment exposée. Un troisième exemple d'application du dispositif selon l'invention est la mise en oeuvre d'un dispositif de traitement des surfaces. L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée qui suit, des modes de réalisation représentés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels: - la figure la représente un mode de réalisation particulier de la présente invention et la figure 1 b représente les différentes configurations qu'il est possible d'obtenir en utilisant le dispositif de la figure la; - la figure 2a représente un mode de réalisation particulier, utilisé pour la production d'un plasma; la figure 2b représente un exemple de configuration du champ magnétique à l'intérieur de l'enceinte; - la figure 3a représente un second mode de réalisation de la présente invention, utilisé pour produire des ions multi-chargés; la figure 3b représente un exemple de configuration du champ utilisé; - la figure 4 représente schématiquement un troisième mode de réalisation utilisé dans un système de production de plasma larges et uniformes pour le traitement industriel de grandes surfaces; - la figure 5a représente schématiquement un quatrième mode de réalisation utilisé, par exemple, pour la fabrication d'un appareil destiné à produire des rayons X; la figure 5b représente un exemple d'une configuration préférée du champ magnétique utilisé dans ce dispositif; La figure la représente un mode particulier de réalisation permettant d'obtenir un champ magnétique B régnant dans une enceinte et ayant une géométrie cylindrique par rapport à un axe de symétrie z. Cinq bobinages, 20, 21, 22, 23 et 24 créent un champ magnétique axial Bz, c'est-à-dire parallèle à l'axe z. Placés au centre de ces bobines, se trouvent deux multipôles 26 et 28 destinés à créer un champ radial Br. Le champ magnétique résultant, régnant dans l'enceinte aura donc une composante radiale Br et une composante axiale Bz. Les bobinages 20, 21, 22, 23 et 24 sont contenus dans une enveloppe 30 reliée, par exemple, à un Cryocooler (non représenté sur la figure la), de manière à les maintenir à une température comprise entre 16K et 273K. Ces bobinages sont reliés à des potentiomètres permettant de réguler l'intensité du courant les traversant et donc de régler l'intensité de la composante axiale, ce qui permet de modifier la configuration du champ régnant dans l'enceinte 10. On peut également disposer chaque bobinage dans une enveloppe reliée à un dispositif cryogénique de type Cryocooler, par exemple. La figure lb représente les différentes configurations de la composante axiale qu'il est possible d'obtenir avec un tel dispositif, en variant l'intensité du courant parcourant les bobinages. Chaque courbe représente l'allure du module de la composante axiale du champ magnétique régnant dans l'enceinte en fonction de la position sur l'axe z. L'intensité maximale de cette composante est de l'ordre de quelques teslas et dépend de la fréquence de résonance cyclotronique. Les courbes 100, 101 et 102 présentent, toutes, deux maxima de valeurs différentes et une valeur minimale qui peut former un palier, comme c'est le cas sur la courbe 102. La courbe 103 est presque plane. Les courbes 104 et 105 ne comportent qu'une valeur maximale dont la position sur l'axe z est réglable par ajustement de l'intensité du courant dans les bobinages, par exemple, au moyen de potentiomètres. L'intensité du courant dans lesdites bobines sera, par exemple, de l'ordre de quelques centaines d'ampères. La figure 2a représente schématiquement un mode de réalisation de la présente invention. Cinq bobinages 20, 22, 24, 26 et 28 de matériaux supraconducteurs maintenus à une température comprise entre 16 K et 273 K sont disposés respectivement dans une enveloppe 30 reliée à un système cryogénique approprié 40, par exemple, un Cryocooler qui les maintient à une température de l'ordre de 30 K; l'enveloppe 30 étant elle-même à température ambiante. On peut également imaginer des enveloppes séparées pour chacun des bobinages reliées à des systèmes cryogéniques indépendants. Ces deux bobinages entourent l'enceinte 10 comportant un orifice d'entrée 12 de la matière sous la forme d'un gaz constitué d'atomes et un orifice de sortie 14 du plasma susceptible d'être engendré ou injecté dans l'enceinte 10. On peut également munir ce dispositif d'un système d'ionisation 46 des atomes introduits dans l'enceinte. Ce système d'ionisation est par exemple, soit un filament, soit un guide d'onde, soit un système optique permettant d'amener une onde haute fréquence dans l'enceinte 10. On peut également prévoir un nombre de bobinages approprié aux dimensions de l'enceinte à magnétiser. L'utilisation de matériaux supraconducteurs à des températures comprises entre 16 K et 273 K permet de placer les bobinages à une distance L de la paroi 11 de l'enceinte 10. Cette distance L est de l'ordre de quelques millimètres au lieu de quelques dizaines de centimètres pour des supraconducteurs classiques. Avantageusement, un système classique d'extraction 50 destiné à extraire les composants du plasma généré dans l'enceinte 10 et un système d'injection 52 compléteront le dispositif qui pourra alors recevoir un plasma ou des atomes à l'intérieur de l'enceinte 10. Si l'on génère un plasma en utilisant une résonance cyclotronique électronique, le champ a alors avantageusement la configuration représentée sur la figure 2b. Le champ magnétique possède au moins une valeur à laquelle on obtient la résonance cyclotronique électronique avec une géométrie de champ quelconque. Avantageusement, les bobinages sont disposés au plus près de la chambre à plasma afin de minimiser le volume magnétisé. La figure 3a représente schématiquement un appareil servant à générer des plasmas d'ions multi-chargés c'est-à-dire comportant plusieurs charges positives. Avantageusement, dans le cas d'une enceinte 10 présentant une géométrie à symétrie cylindrique, le dispositif comprend, en outre, un système de génération d'un champ magnétique multipolaire 60 comportant des bobinages supraconducteurs ou des aimants permanents et un système de guidage d'une onde haute fréquence (non représenté sur la figure 3a) à l'intérieur de l'enceinte 10 de façon à générer le plasma par résonance cyclotronique électronique. Les bobinages 20, 21 et 22 seront de préférence placés autour de l'enceinte 10 et placés à une distance I de l'ordre de quelques millimètres. Chaque bobinage est contenu dans une enveloppe 30, 31, 32 reliée à un système cryogénique. On peut également prévoir plusieurs systèmes cryogéniques, un pour chaque enveloppe. La figure 3b représente une configuration préférée du champ magnétique selon une section de la chambre selon un axe perpendiculaire à l'axe z situé au milieu de l'enceinte dans le cas d'un champ magnétique B présentant une symétrie cylindrique par rapport à cet axe z. On remarque que le module du champ magnétique B présente deux maximums B1 et B2 entourant une valeur minimale B3 intermédiaire à ces deux maxima. La valeur de ces maxima est supérieure à la valeur BECR pour laquelle on obtient la résonance cyclotronique. Cette valeur BECR dépend de la nature des atomes utilisés et de l'onde haute fréquence amenée dans l'enceinte 10. La valeur minimale B3 est inférieure à BECR. Ce type de configuration du champ magnétique n'est donné qu'à titre indicatif; il est évidemment possible d'établir un champ magnétique de configuration arbitraire à l'intérieur de l'enceinte 10. La figure 4 représente un mode de réalisation de la présente invention destiné à traiter des surfaces à l'aide plasmas larges et uniformes en densité. Sur la figure 4, pour simplifier, une seule bobine 20 a été représentée. Cette bobine 20 est contenue dans une enveloppe 30 reliée à un système cryogénique approprié, la maintenant à une température entre 16 K et 273 K. Le système d'extraction 70 comporte une grille 74 de façon à produire un faisceau de plasma large qui sera appliqué sur un substrat S fixe ou mobile sous le dispositif. La surface à traiter du substrat S est située à une distance réglable R, de l'ordre de plusieurs dizaines de centimètres, par exemple. On peut également imaginer de plonger directement la surface à traiter dans le plasma. Le système de guidage de l'onde comporte plusieurs guides d'onde 200, 201, 202, 203, 204, 205, 206, et 207 disposés tout le long de l'enceinte 10 et destinés à y amener une onde de fréquence supérieure à 900Mhz, avec une distribution uniforme de la densité de puissance de cette onde H.F.. Le champ magnétique B régnant dans l'enceinte 10 est intense et uniforme de préférence son intensité est supérieure à 0,01 T. Le volume magnétisable pouvant être extrêmement grand, il est possible d'extraire des faisceaux longs et larges représentant une surface d'environ 1 m2. Il est alors possible de traiter de très grandes surfaces rapidement et d'obtenir un dépôt régulier. La figure 5a représente schématiquement un quatrième mode de réalisation de la présente invention qui peut être utilisé pour la production de rayons X. Le dispositif comprend un système de guidage 58 d'une onde de fréquence supérieure, de préférence, à 2,45 Ghz, à l'intérieur de l'enceinte 10. Les moyens générateurs comportant plusieurs bobinages, 20, 21, 22, 23, 24 sont disposés le long de l'axe z. Le champ magnétique généré dans l'enceinte, en supposant qu'il présente une géométrie axi- cylindrique, pour simplifier sa représentation, a une configuration de préférence semblable à celle représentée sur la figure 5b. Le module du champ magnétique présente le long de l'axe de symétrie z deux maxima B1 et B2, à des valeurs supérieures à RECR et un palier, B3, dont la valeur est égale à RECR. Les atomes confinés entre ces deux maxima subissent des chocs entre eux et avec les électrons qui leur ont été arrachés. Un électron fortement lié au noyau est arraché à l'atome, un électron situé près du noyau mais moins lié à celui-ci que l'électron précédemment arraché vient combler le vide laissé par l'électron précédant. Ce passage s'effectue avec une émission de photons à haute énergie comme les rayons X. Ce type de dispositif permet également d'obtenir un champ magnétique de géométrie arbitraire dans l'enceinte 10. Chaque mode de réalisation précédemment exposé peut comporter en outre, des organes de déplacement d'au moins une partie des moyens générateurs de champ magnétique. Il est alors possible de moduler la configuration du champ magnétique régnant dans l'enceinte en déplaçant les moyens générateurs de champ magnétique. On peut ainsi modifier, en tout point situé à l'intérieur de l'enceinte, la direction du vecteur champ magnétique ainsi que son intensité. Selon un mode particulier de réalisation, les bobinages sont fixés sur des organes de déplacement, par exemple en translation le long de la chambre à plasma, comportant par exemple des vis permettant un déplacement précis des bobinages. Ceci permet de moduler la configuration du champ magnétique B régnant dans l'enceinte. On peut également munir simultanément le dispositif de potentiomètres destinés à réguler l'intensité du courant parcourant les bobinages. Les moyens générateurs étant proches de la paroi, il est facile de modifier avec finesse et précision la configuration du champ magnétique régnant dans l'enceinte, c'est-à-dire, son intensité et sa géométrie. On peut ainsi créer, dans un volume quelconque, un champ magnétique de géométrie quelconque. Dans le cas des dispositifs générant des plasmas par résonance cyclotronique électronique, la modulation du champ magnétique présente plusieurs avantages. La chambre a en effet des dimensions dépendant de l'onde haute fréquence qui ionise les atomes. Le champ magnétique est également couplé à cette onde. Le fait de pouvoir moduler l'intensité du champ B permet d'utiliser des ondes de fréquences différentes et d'obtenir ainsi la résonance cyclotronique électronique pour plusieurs sortes d'ions provenant d'éléments différents. La forme des bobinages peut être variable, à savoir, par exemple, circulaire ou carrée, en fonction du champ à créer dans l'enceinte 10. La configuration magnétique du champ détermine également le type d'ions formé. Le dispositif selon la présente invention permet donc de produire différentes configurations de champs adaptées à la formation de différents types d'ions. REVENDICATIONS 1. Dispositif destiné à créer un champ magnétique (B) à l'intérieur d'une enceinte (10) délimitée par une paroi (11) et pourvue d'au moins un orifice d'entrée (12) d'une matière à l'état atomique, en phase vapeur et d'au moins un orifice d'extraction d'ions, d'électrons ou de rayonnements électromagnétiques (14) provenant de l'ionisation de cette matière, comprenant notamment: - des moyens générateurs de champ magnétique (20, 21, 22, 24, 26, 28) susceptibles d'entourer au moins partiellement ladite enceinte (10), caractérisé en ce que lesdits moyens générateurs de champ magnétique sont placés à une distance (L, I) de la paroi de ladite enceinte (10), comprise entre quelques millimètres et une distance de l'ordre de la plus grande dimension de l'enceinte, et comprennent au moins un bobinage réalisé avec un matériau présentant des propriétés supraconductrices entre 16 K et 273 K ainsi qu'un système cryogénique (40) destiné à maintenir lesdits moyens générateurs de champ magnétique à cette température. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens générateurs de champ magnétique (20, 22, 24, 26, 28) sont placés à une distance comprise entre, environ, 1 mm et 50 mm de la paroi (11) de ladite enceinte (10). 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre: - un système d'injection (52) des atomes dans ladite enceinte (10), - un système d'extraction (50) des ions et électrons du plasma formé dans ladite enceinte (10). 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un dispositif d'ionisation (46) des atomes injectés dans ladite enceinte (10). 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un dispositif de guidage (46) d'une onde haute fréquence à l'intérieur de ladite enceinte. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, - un système d'extraction (74) permettant d'obtenir un faisceau large. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend en outre - un système d'extraction des éléments lourds susceptibles d'être contenus dans le plasma. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des organes de déplacement d'au moins une partie des moyens générateurs de champ magnétique. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens de régulation de l'intensité du courant électrique parcourant ledit bobinage. 10. Utilisation du dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 pour réaliser un appareil destiné à la production de plasmas. 11. Utilisation du dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 pour réaliser un appareil destiné à la production de rayons X 12. Utilisation du dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 pour réaliser un appareil destiné au traitement des surfaces.