Brevet FR2947378A1 — publié le 20101231

Système magnétique formant des surfaces iso modules fermées à partir de structures magnétiques de type �cusp� et sources d'ions de type RCE mettant en oeuvre un tel système. Domaine de l'invention L'invention concerne un système pour engendrer un champ magnétique tel qu'il soit possible de créer des surfaces d'iso modules fermées et ceci dans le cadre d'une symétrie planaire et de structures magnétiques de type �cusp� ; L'invention a également pour objet une source d'ions de type RCE (Résonnance Cyclotronique Electronique) mettant en oeuvre un tel procédé. L'invention trouve des applications par exemple dans le domaine du traitement de surface par implantation ionique où ii est nécessaire d'obtenir de fort flux d'ions à moindre coût pour traiter des surfaces importantes en des temps compatibles avec les exigences de l'incustrie. Etat de la technique 20 De nombreux brevets décrivent l'existence de sources d'ions de type RCE selon leur taille et la composition des éléments qui permettent de créer la structure magnétique : aimant permanents, conducteurs ohmiques à température ambiante, conducteurs ohmiques supraconducteurs ou une 25 combinaison de ceux-ci (EP 0 527 082 (B1), EP 0 813 223 (A1), EP1272015 (A1)). On rappelle dans un premier temps quelles sont les composantes d'une source d'ions de type RCE selon le brevet (EP 0 527 082 (B1)). Les 30 principes de fonctionnement d'une source d'ions de type RCE peuvent être exposés comme suit : - La création des ions se fait par l'arrachement successif des électrons d'un atome ou d'un ion par les électrons énergétiques du plasma - Les électrons peuvent gagner de l'énergie lorsqu'une onde électromagnétique hyperfréquence (domaine du GHz) est envoyée dans une structure magnétique où la condition de résonnance suivante est remplie B = f.2itm/e (1) : elle s'appelle Résonnance Cylotronique Electronique - Les électrons et les ions doivent être confinés dans un miroir magnétique afin que les électrons puissent gagner de plus en plus d'énergie et que les ions soient ionisés avec un état de charge élevé. Une des grandes familles des sources d'ions de type RCE s'appuie sur le brevet (EP 0 527 082 (B1)). Le dispositif est composé d'une chambre à vide (vide d'environ dans la gamme 10-5 û 10 4 nrbar) où va être généré un plasma porté à un potentiel positif, d'une structure magnétique visant à confiner ce plasma, d'une partie injection par où est injecté l'onde électromagnétique hyperfréquence et les gaz à ioniser, d'une partie extraction qui permet d'extraire des ions et de créer ainsi un faisceau d'ions mono ou multi énergie. La figure 1 est un exemple typique d'une source d'ions de type RCE (plan de coupe selon l'axe MM') dont nous allons décrire les composantes dans les lignes suivantes. La structure magnétique est le résultat de la superposition : - D'un champ magnétique radial multipolaire présentant une amplitude minimale dans !a partie centrale de :a cavité (A4) - D'un champ magnétique axial à symétrie de révolution présentant différents gradients de champ selon ledit axe ;t surtout comportant un minimum (Al, A2 et A3). La somme de ces deux composantes permet de créer des lignes d'iso modules fermées dont une correspond à la condition de résonance (1) comme représentées sur la figure 2 b). Une autre caractéristique de cette structure magnétique est qu'elle présente 2 maxima (Bmaxl et Bmax2) et un minimum B (Bmin) qui joue un rôle important sur la qualité des gains en énergie des électrons d'un plasma RCE comme montré sur la figure 2.a) (T. Nakagawa, Review of Scientific Instruments, volume 75, Number 5, p 1394 û 1398 (2004)). Cette structure entoure directement la chambre à vide où est maintenu confiné le plasma (A9). La partie injection doit pouvoir permettre d'injecter une ou plusieurs ondes électromagnétiques hyperfréquences via un guide d'onde circulaire (A10) ou rectangulaire à l'aide d'une boîte qui permet de faire un accord d'impédance. Elle doit aussi permettre d'injecter les atomes à ioniser à partir de composés gazeux (A5), liquides ou solides. Elle doit aussi permettre la polarisation (M. Irnanaka, Effect of a biased electrode on operation of electron cyclotron resonance ion source using liquid He free superconduction solenoid colis, Review of Scientific Instruments, volume 73, Issue 2, p 592 û 594 (2002)) du plasma (A10) permettant ainsi d'en augmenter les performances en termes d'ions multichargés. Récemment une nouvelle structure magnétique a été brevetée (FR 2757310 (B1)) où il est possible de créer des lignes iso modules fermées sans la superposition magnétique décrite ci-dessus mais en utilisant seulement des structures magnétiques à symétrie axiale ou à symétrie de révolution. Cette nouvelle structure permet de construire une nouvelle famille de sources d'ions de type RCE. La partie extraction est composée d'une électrode dite électrode plasma (A8) faisant l'interface plasma/vide portée à un potentiel positif et d'une électrode à la masse dite électrode d'extraction (A6). La partie à la haute tension, composée par le corps de source, est séparée de la partie ligne à la masse par un isolant type alumine dans notre cas (A7). Ces deux électrodes sont séparées d'une distance d permettant ainsi à l'aide du champ électrique créé par ces deux électrodes d'accélérer les ions présents au niveau de l'interface plasma-vide du trou de l'électrode plasma et de générer ainsi un faisceau d'ions mono ou multi énergies. La plupart de ces sources d'ions trouvent leurs applications dans le domaine des accélérateurs de particules de plus ou moins grande taille (LHC/CERN Genève ; GANIL Caen ; ZERNIKE-LEIF Grôenigen, RIKEN, BERKELEY, MSU etc...) ainsi que dans les machines d'hadronthérapie et plus récemment dans l'implantation ionique. Les qualités requises pour la source d'ions sont sa stabilité (4I/I Dans le cadre de cette invention, nous nous plaçons dans le domaine de l'implantation ionique et plus particulièrement de l'utilisation de faisceaux d'ions multi énergies (FR2879625 (B1)) afin de modifier structurellement la surface des matériaux sur des profondeurs autour du pm pour améliorer leurs propriétés physiques (dureté, anticorrosion, faible coefficient de frottement, etc...). Lorsqu'on veut traiter de grandes surfaces ou réduire les temps de traitement de manière â les rendre compatibles avec les exigences industrielles, il est nécesscire d'optimiser l'intensité: d'un faisceau produit par rapport au volume d'encombrement drs la source d'ions de type RCE. Cette optimisation n'est pas possible avec les sources d ; l'état antérieur en raison de leur configuration géométrique spécifique qui no permet pas de concevoir une structure d'assemblage modulaire constituée de sources d'ions de type RCE agencées !es une contre les autres et partageant des moyens magnétiques communs. Exposé de l'invention L'invention a pour but de remédier aux inconvénients et problèmes des techniques exposées précédemment. Il est notamment visé par la présente invention de proposer un système magnétique de base permettant la création de surfaces iso modules fermées basées sur des structures magnétiques de type � cusp � et à symétrie planaire pour augmenter la production d'ions en terme d'intensité et de charge. La figure 3 en est un exemple. 4 aimants de forme parallélépipédique API, AP2, AP3 et AP4 sont situés dans un même plan (P) défini comme plan de référence (3.a et 3.b). Les orientations des aimantations magnétiques sont telles que les pôles similaires se font faces. La structure magnétique résultante est sur la figure 3.c. La figure 3.c est une représentation des surfaces iso modules fermées de la valeur du champ magnétique mais elle ne montre que la moitié de ces surfaces pour visualiser 3 surfaces iso modules : la surface intérieure est l'iso module 875 gauss (BV4) ; la surface intermédiaire est l'iso module 1000 gauss (BV5) et la surface extérieure est l'iso module 1500 gauss (BV6). Il est visé par la présente invention de permettre au système magnétique de partager des moyens magnétiques communs pour réduire les coûts, ceci sera détaillé dans le chapitre �Description détaillée des modes de réalisation de l'invention � par rapport à la figure 6. Il est encore visé par la présente invention de proposer un système magnétique modulaire qui permet d'optimiser la compacité du système de production d'ion. 5 Enfin il est visé par la présente invention de proposer un système magnétique modulaire s'adaptant à la géométrie de la pièce à traiter (linéaire, surfacique, volumique). L'invention a donc pour but la création de surfaces iso modules fermées basées sur des structures magnétiques de type �cusp� (M. Delaunay and R. Geller, Journal de Physique, Colloque Cl, supplément au n°1, Tome 50 p773 (1989)). L'intérêt initial de ces surface iso modules fermée est de permettre un bon confinement du plasma en évitant des interactions avec les parois de l'enceinte de la source permettant ainsi à un plus grand nombre d'électrons de gagner suffisamment d'énergie pour ioniser une à plusieurs fois les atomes et ions présents dans la plasma tout en diminuant les recombinaisons électroniques des ions. Ce dernier phénomène avec l'échange de charge sont les deux processus les plus contraignants car ils diminuent l'état de charge d'un ion ou le neutralisent. Cette surface a une valeur de module de champ magnétique B;so. Si cette valeur est compatible avec la relation Bis° = fsource2ttm/e (1) alors la condition de Résonnance Cyclotronique Electronique est remplie et permet ainsi de donner suffisamment d'énergie à des électrons pour ioniser le gaz présent. Cette surface fermée se trouvant dans un volume défini par l'enceinte de la source, il existe une valeur maximum où cette surface n'intercepte pas l'enceinte définissant alors une fréquence maximale de fonctionnement de la source. A l'opposé, il existe une surface iso module fermée minimale dont la valeur de champ définie une fréquence minimale de fonctionnement pour la source d'ions. Par conséquent, pour une structure magnétique donnée il existe un domaine en fréquence de fonctionnement de la source.30 Cette structure magnétique peut être réalisée soit à l'aide d'aimants permanents soit à l'aide de conducteurs ohmiques (à température ambiante ou supraconducteurs) ou par la combinaison des deux. Il est ainsi possible de créer une structure fixe selon l'invention avec les aimants permanents et par l'adjonction de conducteurs ohmiques d'augmenter la valeur maximum de la surface iso module décrite ci-dessus permettant ainsi d'augmenter la fréquence d'utilisation de la source d'ions et par la même les performances en terme de production d'états de charge de la source d'ions. Cette structure magnétique à symétrie planaire permet de créer des surfaces iso modules de grands volumes et surtout de grandes surfaces d'extraction. En combinant plusieurs de ces structures magnétiques, il est alors possible d'augmenter d'autant les surfaces d'extractions des sources RCE s'adaptant aux surfaces de traitement des pièces. Cette augmentation permet aussi d'obtenir des courants ioniques plus importants permettant ainsi de diminuer les temps de traitement des pièces à irradier. D'autre part, l'adjonction de systèmes magnétiques à taille et géométrie variable permet de créer des sources RCE adaptables aux géométries spécifiques des échantillons à irradier. Ainsi, par exemple, en superposant les systèmes magnétiques élémentaires et en choisissant avec soin les distances entre les systèmes, il est possible de créer des sources à extraction multiple. Ces extractions peuvent être dans la même direction comme à 90° ou 180° les uns des autres selon les différents modes de réalisation. Brève description des dessins - La figure 1 représente une source classique RCE selon l'art antérieur - La figure 2 représente le module du champ axial a) et les iso modules de champ magnétique b) selon le plan MM'. Deux zones de résonnances y sont notifiées : Bisomodule = 3570 gauss (BV1) (soit un fonctionnement à 10 GHz et Bisomodule = 3930 gauss (B`,/2) soit un for,c,tionnement à 11 GHz. La dernière iso module fermée à une valeur d'envire,n 6000 gauss (BV3) ce qui donne un rapport miroir de 1.68 et 1.52 respectivement. - La figure 3 représente un système magnétique a) et b) composés de 4 aimants permanents selon la présente invention (API, AP2, AP3 et AP4). La figure 3.c représente les iso modules fermés de 875 gauss (BV4), 1000 gauss (BV5) et 1500 gauss (BV6); seule la moitié de la structure est représentée - La figure 4 représente un assemblage magnétique a) et b) composé de deux systèmes magnétiques de la figure 3 permettant ainsi d'obtenir des surfaces iso modules fermés supérieures (figure 4.c) à celles obtenues avec deux systèmes magnétiques isolées M1 et M2 de la figure 3 - La figure 5 représente une source d'ions utilisant des systèmes magnétiques selon l'invention - La figure 6.a et 6.b représente une possibilité d'extension de l'assemblage magnétique dans le plan de référence avec mise en commun des moyens magnétiques. La figure 6.c représente les iso modules fermés de 875 gauss (BV4), 1000 gauss (BV5) et 1500 gauss (BV6); seule la moitié de la structure est représentée - La figure 7 représente une possibilité d'extension de la structure magnétique dans le plan perpendiculaire au plan de référence Description détaillée de modes de réalisation de l'invention La figure 4 est un exemple de combinaison de deux systèmes magnétiques selon l'invention permettent ainsi d'augmenter les surfaces des iso modules fermées. Appelons M1 et M2 deux systèmes magnétiques selon l'invention. Chacun produisent une certaine surface S1 et S2 pour un iso module donnée comme on peut le voir sur L figure 3c. En les plaçant judicieusement l'une au dessus de l'autre, il est alors possible d'obtenir une surface iso module fermée S3 dont la valeur est supérieure à S1+S2. Dans cet exemple comme dans ceux présentés sur les autres figures, les structures magnétiques sont générées à l'aide d'aimants permanents. L'utilisation de conducteurs ohmiques à température ambiante ou supraconducteurs permet d'obtenir les mêmes résultats. La figure 5 est le premier exemple d'application de l'invention à une source RCE. Les systèmes magnétiques M1 et M2 sont deux systèmes magnétiques selon l'invention utilisant des aimants permanents. En positionnant judicieusement ces deux systèmes magnétiques, il est possible de créer des surfaces iso modules fermées dont la surface est supérieure aux deux surfaces prises séparément. Ceci ayant pour intérêt de créer une surface résonnante agrandie avec un ensemble de moyens magnétiques minimum. Ces systèmes M1 et M2 entourent une enceinte à vide B4 où va se trouver confiner le plasma. Cette enceinte pourra être refroidie ou non selon la puissance de l'onde hyperfréquence injectée et du type d'aimant permanents utilisés. Il est possible de superposer à cette structure magnétique un champ magnétique variable créé à l'aide de conducteurs ohmiques à température ambiante ou de conducteurs ohmiques supraconducteurs. Ainsi les aimants permanents permettent de créer la structure magnétique selon l'invention et l'autre champ magnétique permet d'en moduler les valeurs pour, par exemple, augmenter la fréquence de fonctionnement de la source d'ions. Sur la figure 5 est placée une coupe de 3 surfaces iso modules dans le plan perpendiculaire au plan de référence des deux systèmes magnétiques : on obtient alors des lignes iso modules. Celle qui est la plus intérieure à l'enceinte B4 correspond à une valeur de 875 gauss (BV4). Celle-ci, au regard de la relation 1, permet de déterminer une des fréquences de fonctionnement de la source soit 2.45 GHz. Celle qui se trouve après vaut 1000 gauss correspondant à une fréquence de fonctionnement de 2.8 GHz et pour la plus extérieure, sa valeur est de 1500 gauss (BV6). Cette dernière ligne iso module va être le lieu d'interception entre le plasma et le faisceau d'ions créé grâce au système d'extraction. Celui-ci est composé de l'électrode plasma B6 porté au potentiel de la source et d'une électrode à la masse dite électrode d'extraction B7. La différence de potentiel entre ces deux éléments permet de créer un champ électrique permettant d'accélérer les ions se présentant à la surface de l'électrode plasma. Dans cette réalisation, il existe une large surface plane où les vecteurs du champ magnétique sont dirigés selon l'axe zz' avec des modules comparables d'où une bonne homogénéité du faisceau d'ions B5 extrait. II est possible de mettre des électrodes supplémentaires pour faire des extractions de type accélération û décélération ou décélération û accélération selon les besoins des traitements à effectuer. L'électrode plasma peut soit être une fente soit un trou soit un ensemble de trous formant ainsi un ensemble de petits faisceaux d'ions se recombinant en un seul. Dans ce dernier cas, en donnant des formes convexe ou concave aux électrodes plasma et d'extraction, il sera possible de faire directement des faisceaux convergents ou divergents. De même, en inclinant l'électrode d'extraction par rapport à l'électrode plasma, il sera possible de donner un angle au faisceau d'ions B5 selon les besoins des irradiations à réaliser. Un ensemble de moyens B1 permet l'injection de l'onde hyperfréquence dans l'enceinte sous vide inférieur à 10.3 mbar. Dans cette exemple, c'est un guide d'onde relié directement à la chambre d'ionisation qui permet de transporter la puissance de l'onde hyperfréquence jusqu'au plasma. Celui-ci peut être remplacé par une structure à une ou plusieurs antennes (F. Boukari, RSI 65 (4) p1097 (1994) ; L. Wartski et al., RSI 72 (10) p3816 (2001)) pour exciter le plasma. D'autre part, un autre avantage est la possibilité d'avoir plusieurs injections d'ondes hyperfréquences avec des fréquences identiques ou différentes. Ainsi la condition de Résonnance Cyclotronique Electronique est remplie pour plusieurs fréquences de fonctionnement de cette source d'ions permettant d'augmenter l'énergie moyenne des électrons et par la même l'état de charge moyen des ions du plasma. Pour l'injection des atomes à ioniser, un ensemble de moyens B2, B3 permet l'injection de particules neutres vers l'enceinte à vide B4. Ces moyens peuvent être soit isolés électriquement de l'enceinte soit portés au même potentiel. Ces particules neutres peuvent provenir soit d'une bouteille de gaz soit, pour les éléments condensables, d'un système permettant de vaporiser ces éléments pour les injecter par la suite dans l'enceinte à vide. Un autre intérêt de cette source est la possibilité d'extraire plusieurs faisceaux d'ions en même temps à 90° ou 180° les uns des autres pour optimiser ainsi les surfaces à irradier. La figure 5 représente l'injection de l'onde hyperfréquence selon zz' et l'extraction du faisceau selon zz' également. Il est possible de garder la même configuration d'injection de l'onde hyperfréquence et d'extraire des faisceaux d'ions entre les systèmes M1 et M2. De même, il est envisageable d'injecter l'onde hyperfréquence entre les systèmes M1 et M2 et d'extraire, par exemple, deux faisceaux d'ions selon zz' mais de sens opposé. La figure 6 est un exemple d'assemblage de quatre systèmes magnétiques visés dans la figure 4. Un de ces assemblages magnétique a été illustré pour réaliser la source d'ions de la figure 5. Ce qui signifie ici, qu'il sera possible de réaliser deux sources d'ions avec des performances identiques. Le but de la figure 6 est d'illustrer la mise en commun de moyens magnétiques. II y a un premier assemblage M'l correspondant à l'assemblage magnétique exposé dans la figure 4 et un second assemblage M'2 correspondant aussi à l'assemblage magnétique exposé dans la figure 4 mais allégé de deux aimants qui vont être justement les aimants mis en commun (type API de la figure 3) sur la figure 6. Ainsi, il est possible d'utiliser 14 aimants pour faire par cette combinaison deux sources au lieu de 16. En additionnant à cet assemblage un nouvel assemblage magnétique M'3 avec les orientations magnétiques adéquates, une troisième source est créée. Il est possible d'en ajouter autant que nécessaire selon l'intensité d'ions nécessaire au traitement de la pièce. La figure 7 est une extension de ce qui a été montré dans la figure 4. L'extension se fait dans le plan perpendiculaire au plan de référence du système magnétique. Les systèmes magnétiques M1, M2, M3 et M4 sont empilés judicieusement les uns au dessus des autres. Cette combinaison va permettre de générer de grandes surfaces iso modules fermées. Dans ce cas, une seule source d'ions est créée où il faudra optimiser le nombre d'injection de l'onde hyperfréquence et où il est possible, par exemple, d'irradier des bandes sur deux côtés opposés de la source selon l'axe BB'. Ces quelques exemples ci-dessus montrent la puissance de l'assemblage des systèmes magnétiques selon l'invention. II est alors aisé de créer des sources d'ions dont les formes pourront parfaitement s'adapter aux pièces à irradier. Non seulement il est possible de faire ces assemblages en 2D mais aussi en 3D selon la géométrie des pièces qui devront être traitées. REVENDICATIONS1 û Système magnétique à structure magnétique de type �cusp� et à symétrie planaire permettant de créer un champ magnétique caractérisé en ce que celui-ci présente au moins une surface iso module fermée. 2 û Système magnétique selon la revendication 1 caractérisé en ce que le champ magnétique peut être créé à l'aide d'aimants permanents 3 û Système magnétique selon la revendication 1 caractérisé en ce que le champ magnétique peut être créé à l'aide de conducteurs ohmiques à température ambiante ou de conducteurs ohmiques supraconducteurs. 4 û Système magnétique selon la revendication 1 caractérisé en ce que champ magnétique peut être créé par la superposition d'aimant permanents et de conducteurs ohmiques à température ambiante. 5 û Système magnétique selon la revendication 1 caractérisé en ce que champ magnétique peut être créé par la superposition d'aimant permanents et de conducteurs ohmiques supraconducteurs. 6 û Assemblage de systèmes magnétiques selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que les systèmes magnétiques peuvent être combinés les uns avec les autres dans le sens du vecteur perpendiculaire au plan de référence du système magnétique de base pour augmenter les surfaces iso modules fermées. 7 û Source d'ions de type RCE caractérisée en ce qu'elle utilise un système magnétique selon l'une des revendications 1 à 5 ou un assemblage de systèmes magnétiques selon la revendication 6 permettant de créer une source d'ions de type RCE ayant les composantes suivantes : - une enceinte sous vide de préférence inférieur à 10-3 mbar intérieure à l'ensemble magnétique où un plasma peut être confiné, - au moins un système d'injection d'ondes hyperfréquences supérieur à 1 Ghz utilisant soit un guide d'onde soit une antenne rayonnante des moyens de réglage (7û 11) du faisceau d'ions, - au moins un système d'injection de gaz dans l'enceinte sous vide, - au moins un système d'extraction composé d'au moins une électrode plasma et une électrode d'extraction soumises à une différence de potentiel pour extraire le faisceau d'ions.8 ù Assemblage de sources RCE selon la revendication 7 caractérisé en ce qu'il est constitué par une juxtaposition de sources RCE dans le plan de référence partageant entre elles des moyens magnétiques adjacents. 9 ù Source d'ions selon la revendication 7 caractérisé en ce que les systèmes d'injections hyperfréquence sont répartis en différent points de la source d'ions. ù Source d'ions selon la revendication 7 caractérisé en ce que les systèmes d'extraction sont répartis en différent points de la source d'ions. 11 ù Source d'ions selon la revendication 7 caractérisé en ce que les 10 systèmes d'injection d'onde hyperfréquence fonctionnent à des fréquences identiques ou différentes en respectant la condition de Résonance Cyclotronique Electronique. 12 ù Source d'ions selon la revendication 7 caractérisé en ce que les systèmes d'extraction sont de forme plane, convexe ou concave permettant 15 de créer des faisceaux convergents ou divergents. 20 25 30 35