Brevet FR2917753A1 — publié le 20081226

Dispositif multi-sources RCE pour le traitement de pièces par implantation ionique et procédé mettant en oeuvre un tel dispositif. Domaine de l'invention L'invention a pour objet un dispositif regroupant plusieurs sources RCE (Résonance Cyclotronique Electronique) pour créer un faisceau de 10 grande intensité permettant de réduire les temps de traitements de pièces par implantation. L'invention a également pour objet un procédé de traitement homogène d'une pièce mettant en oeuvre un tel dispositif. 15 L'invention trouve des applications par exemple dans les secteurs de l'automobile, l'aéronautique où la taille des pièces et les temps de traitements requis, impliquent une importante intensité faisceau. 20 Etat de la technique La source RCE se décompose en 3 parties : la partie injection dans laquelle on introduit le gaz à ioniser et l'onde hyperfréquence 25 la partie confinement magnétique dans laquelle est créée le plasma la partie extraction qui permet d'extraire et d'accélérer les ions du plasma 30 Ces dix dernières années, les progrès accomplis dans le domaine des aimants permanents constitués de terre rare, ont permis d'augmenter les5 2 champs de confinement magnétiques, donc d'accroître l'intensité des faisceaux produits par les sources RCE. En augmentant les intensités faisceaux on a pu trouver aux sources RCE des applications industrielles en rapport avec des temps de traitements 5 acceptables. Les sources RCE qui au départ avait un usage scientifique ont pu commencer à migrer dans l'industrie. Depuis la création des premières sources RCE dans les années 60, l'amélioration des performances ont porté sur les états de charges et sur leur intensité. Des lois empiriques ont montré que l'état de charge maximum et 10 l'intensité augmentent avec la fréquence de l'onde injectée dans la source. Cependant, le champ magnétique nécessaire doit être augmenté simultanément pour satisfaire les conditions de résonance et ainsi avoir un bon confinement. Au-delà d'une fréquence de 14 Ghz, la technologie actuelle exige l'utilisation de solénoïdes voire de bobines supraconductrices pour 15 satisfaire les conditions de résonance. Ce type de source est coûteux et consommateur en électricité. En dessous de 14 GHz, il est désormais possible de construire des sources RCE avec les aimants permanents actuels. Ce type de source présente l'avantage d'être robuste, fiable, peu consommatrice d'électricité et bon marché. Elles présentent des atouts 20 certains au regard de l'industrie. La course aux grandes intensités faisceaux connaît toutefois une limite physique: pour une fréquence donnée, l'augmentation de l'intensité d'un faisceau produit par une source RCE ne peut se faire que par une 25 augmentation du volume de la chambre plasma. Cela signifie qu'il faut augmenter les dimensions des aimants nécessaires au confinement, donc augmenter le poids de la source. Le rapport entre le poids de la source et l'intensité faisceau n'est pas proportionnel : il joue en défaveur des grosses sources. Par exemple, on peut obtenir un faisceau de 7 mA avec une source 30 RCE de 10 kg seulement alors qu'un faisceau de 15 mA est obtenu avec une 3 source de 70 kg. Pour multiplier l'intensité du faisceau par facteur 2, il faut multiplier le poids de la source par un facteur 7. On arrive à la conclusion que l'on ne peut pas augmenter indéfiniment l'intensité d'un faisceau en augmentant le poids d'une source. Exposé de l'invention L'invention a pour but de remédier aux limites, inconvénients et 10 problèmes techniques exposées précédemment. Il est notamment visé par la présente invention de proposer une tête multi-sources RCE permettant de réaliser des traitements avec un faisceau multi-taches de forte intensité, donc de réduire le temps de traitement. II est visé par la présente invention de permettre un traitement 15 homogène en réglant le pas d'avancement sur une fraction du petit axe d'une des taches du faisceau. II est visé par la présente invention de produire une intensité qui soit en rapport proportionnel avec la masse d'aimant permanents utilisée à cette fin. 20 Il est également visé par la présente invention de permettre l'inclinaison des sources dans le but de concentrer les faisceaux produits par chacune des sources en un faisceau multi-taches dans le plan support de la pièce. Il est enfin visé par la présente invention de proposer un tel dispositif 25 qui soit simplifié et peu coûteux pour permettre son utilisation dans un cadre industriel. La démarche inventive de la présente invention consiste à proposer un dispositif permettant de traiter de façon homogène des pièces avec une 30 forte intensité faisceau. Ce dispositif présente les caractéristiques suivantes : 4 • Configuration des sources RCE pour optimiser leur nombre. Pour cela on les dispose cote à cote sur un cercle. Si le cercle présente un diamètre suffisant on pourra mettre une source supplémentaire au centre. • Orientation des sources RCE pour reproduire un faisceau convergent multi-taches ellipsoïdales dans le plan de la cible. Pour effectuer un traitement homogène le pas d'avancement de la pièce dans le plan de traitement doit correspondre à une fraction du petit axe ellipsoïdal de la tache, par exemple 30% Le nombre de passe est calculé pour atteindre la concentration d'ion implanté requise. On évitera si possible le recouvrement des taches pour empêcher tout risque d'échauffement. • Simplification de l'alimentation HF. Une même alimentation HF est partagée entre toutes les sources RCE : il faut dans ce cas que le nombre de sources RCE soit pair. On utilisera des guides d'ondes diviseurs de puissance, des guides d'ondes coudés et des guides d'ondes flexibles. • Simplification de l'alimentation en gaz. Une vanne d'injection commune (9) alimente en gaz toutes les sources RCE. Le gaz provient d'une même bouteille. • Simplification du système HT. Une même alimentation HT est partagée entre toutes les sources. Avec une alimentation HT commune, si un claquage survient dans l'une des sources les autres s'arrêtent. L'avantage est que l'on évite ainsi une inhomogénéité du traitement engendrée par l'extinction d'une fraction du faisceau multi-taches. Le dispositif est représenté sur la figure 1 et 2. Il comporte une tête multi-sources 5 sur laquelle sont connectées plusieurs sources 1, 2, 3 et 4 délivrant des ions, des premiers moyens de réglages 7, 8 et 9 du faisceau d'ions initial extrait de chaque source et des deuxièmes moyens de réglages 5' des faisceaux d'ions initiaux f1, f2, f3 et f4 pour les concentrer en un faisceau d'implantation f'. Selon la présente invention, un tel dispositif est principalement 5 reconnaissable en ce que lesdites sources 1, 2, 3 et 4 reliées à la tête 5 sont des sources à résonance cyclotronique électronique produisant chacune des ions multi-énergies dépendant des moyens de réglages précédemment énoncés. L'implantation des ions du faisceau d'implantation est effectuée simultanément à une profondeur contrôlée par l'alimentation haute tension 7 commune à toutes les sources. En outre, le dispositif de l'invention présente un avantage très intéressant par rapport à l'implantation effectuée avec une seule source RCE. II permet de diviser le temps de traitement des pièces par le nombre de sources utilisées. Les moyens de réglage 5' permettent d'incliner les différentes sources selon un angle d'incidence identique par rapport au plan support de la pièce afin de regrouper chacune des taches faisceau f1, f2, f3 et f4 dans une zone faisceau multi-taches f . Pour effectuer un traitement homogène, le déplacement de la pièce s'effectue à vitesse constante avec un pas d'avancement correspondant à une fraction du petit axe d'une tache du faisceau multi-taches. Le nombre de passes est calculé pour atteindre la concentration requise. Lors de son déplacement le faisceau débordera la zone de traitement homogène donnant lieu à une zone intermédiaire qui présente une concentration dégressive entre zone traitée homogène et zone non traitée. La largeur de cette zone correspond au diamètre du faisceau multi-taches.30 REVENDICATIONS 1 û Dispositif d'implantation d'ions caractérisé par le regroupement de plusieurs sources à résonance cyclotronique électronique (1, 2, 3, 4) produisant des ions multi-énergies pour les implanter dans une pièce (6). 2 û Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les sources à résonance cyclotronique sont disposées sur un cercle et orientées en direction du plan support de la pièce selon des angles d'incidence identiques. 3 û Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les sources à résonance cyclotronique sont alimentées avec une alimentation 15 HF (8) commune. 4 û Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les sources à résonance cyclotronique sont alimentées avec une vanne d'injection gaz (9) commune. 5 û Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les ions 20 multi-énergies des faisceaux initiaux (fi, f2, f3, f4) sont implantés simultanément à une profondeur contrôlée par une alimentation haute tension (7) commune aux sources. 6 û Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de réglages (5') des faisceaux initiaux (fi, f2, f3, f4) émis par les 25 sources RCE pour les faire converger en un faisceau d'implantation multiénergies et multi-taches (f') dans le plan support de la pièce. 7 û Procédé de traitement homogène d'une pièce par implantation ionique mettant en oeuvre un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le faisceau d'ions mufti- 30 énergies et multi-taches se déplace de façon relative par rapport à la pièce7 (6) à une vitesse constante et selon un pas d'avancement correspondant à une fraction du plus petit axe d'une des taches du faisceau multi-taches.