Brevet FR2965697A1 — publié le 20120406

La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour la formation d'un faisceau plasma. On sait que certaines techniques, telles que la gravure de dispositifs semi-conducteurs, la propulsion spatiale, la fusion magnétiquement confinée, la biotechnologie, ..., mettent en ceuvre des faisceaux plasma électriquement neutres, qui peuvent être obtenus par différentes méthodes. Une première méthode, la plus connue, mentionnée à titre de technique antérieure dans les documents WO 2004/002201, WO 2007/065915 et WO 2010/060887, consiste à extraire et à accélérer des ions positifs hors d'un plasma au moyen de grilles polarisées négativement, puis à neutraliser le flux desdits ions positifs ainsi obtenu par un faisceau d'électrons auxiliaire pour former un faisceau plasma électriquement neutre. Bien entendu, cette première méthode présente l'inconvénient de nécessiter une source auxiliaire d'électrons. Une seconde méthode est celle qui fait l'objet des documents WO 2007/065915 et WO 2010/060887 et qui consiste à extraire et à accélérer des ions positifs et des ions négatifs hors d'un plasma au moyen d'au moins deux grilles respectivement polarisées négativement et positivement et à combiner le flux desdits ions positifs et le flux desdits ions négatifs pour former un faisceau plasma électriquement neutre. Cette seconde méthode présente l'avantage d'une recombinaison extrêmement rapide des ions positifs et des ions négatifs (de l'ordre de 5x10-8 cm3/s), surtout si ceux-ci proviennent d'une même source, mais peut être délicate à mettre en ceuvre par suite de la présence simultanée de grilles de polarisations opposées. La présente invention a pour objet principal un procédé pour la formation d'un faisceau plasma apte à mettre en ceuvre aussi bien la première que la seconde méthode rappelées ci-dessus, sans pour cela nécessiter une source auxiliaire d'électrons ou la présence simultanée de grilles de polarisations opposées. A cette fin, selon l'invention, le procédé pour la formation d'un faisceau plasma par extraction et accélération de particules électriquement chargées, hors d'un plasma et à l'aide d'au moins une grille d'extraction et d'accélération soumise à une polarisation électrique, est remarquable en ce que l'on polarise ladite grille d'extraction et d'accélération avec des potentiels alternativement positifs et négatifs de façon que ledit faisceau plasma soit au moins approximativement électriquement neutre. Ainsi, ladite grille extrait du plasma et accélère alternativement les particules positives (c'est-à-dire les ions positifs) et les particules négatives (qui peuvent être des ions négatifs ou des électrons), lesdits particules positives et négatives se combinant ensuite pour former un faisceau plasma électriquement neutre. L'expérience a montré qu'une combinaison satisfaisante des particules positives et négatives était obtenue lorsque la fréquence de l'alternance des potentiels positifs et négatifs est une radiofréquence comprise entre quelques kHz et quelques MHz, c'est-à-dire lorsque la durée d'application d'un potentiel positif ou d'un potentiel négatif sur ladite grille d'extraction et d'accélération est comprise entre quelques ms et quelques µs. Dans le procédé conforme à la présente invention, le nombre des particules positives et négatives extraites et accélérées dépend de la durée et de l'amplitude des potentiels positifs et négatifs appliqués à ladite grille d'extraction et d'accélération. Il en résulte que, par réglage de la durée et/ou de l'amplitude des potentiels positifs et/ou des potentiels négatifs, on peut agir sur la qualité de la neutralité électrique du faisceau plasma. Avantageusement, un tel réglage est réalisé en temps réel, grâce par exemple à l'analyse de courants de grille ou au moyen d'une sonde externe observant ledit faisceau plasma. La suite alternée des potentiels positifs et négatifs peut présenter toute forme continue appropriée, par exemple sinusoïdale. Cependant, de préférence, elle se présente sous la forme d'une suite de créneaux rectangulaires à fronts raides, dans lesquels le temps de montée est de l'ordre du temps de transit des ions, ou plus rapide. Dans le cas où ledit plasma est pulsé, il est avantageux que cette suite alternée des potentiels positifs et négatifs soit synchronisée avec les pulsations du plasma et que les ions positifs soient extraits du plasma pendant les pulsations de celui-ci, alors que les particules négatives sont extraites dans les intervalles entre lesdites pulsations. La présente invention concerne de plus un dispositif pour la mise en ceuvre du procédé décrit ci-dessus. Un tel dispositif selon l'invention, qui comporte un générateur de plasma pourvu d'au moins une grille pour l'extraction et l'accélération de particules électriquement chargées hors dudit plasma, ainsi que des moyens de polarisation électrique de ladite grille, est remarquable en ce que lesdits moyens de polarisation électrique engendrent des potentiels alternativement positifs et négatifs permettant d'obtenir la neutralité électrique au moins approximative dudit faisceau plasma. De préférence, lesdits moyens de polarisation électrique comporte un commutateur rapide de type MOSFET, commutant alternativement deux polarités opposées. Lesdits moyens de polarisation électrique sont de préférence commandés par un capteur, tel qu'une sonde à induction ou un détecteur de courant de grille, délivrant un signal représentatif de la qualité de la neutralité électrique dudit faisceau plasma. Les potentiels positifs et négatifs utilisés pour la polarisation de ladite grille d'extraction et d'accélération s'élèvent à plusieurs centaines de volts, par exemple 400 volts. Le dispositif à générateur plasma conforme à la présente invention peut comporter de plus des moyens de synchronisation des moyens de polarisation électrique avec les pulsations du plasma. Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques désignent des éléments semblables. La figure 1 est le schéma synoptique d'un dispositif conforme à la présente invention. La figure 2 est le diagramme temporel de la polarisation électrique appliquée à la grille d'extraction et d'accélération du dispositif de la figure 1. La figure 3 est un diagramme du potentiel en fonction de la position x à travers le dispositif de la figure 1, en réponse à la polarisation électrique illustrée par la figure 2, les figures du potentiel marquées p+ apparaissant lors d'une haute tension positive et les lignes de potentiel marquées p- apparaissant lors d'une haute tension négative (la transition entre les hautes tensions positive et négative n'est pas représentée). La figure 4 est le schéma synoptique d'une variante de réalisation du dispositif conforme à la présente invention. La figure 5 est un diagramme temporel illustrant la polarisation électrique variable appliquée à la grille d'extraction et d'accélération du dispositif de la figure 4. La figure 6 est le schéma synoptique d'une autre variante de réalisation du dispositif conforme à la présente invention. La figure 7 est le diagramme temporel de la polarisation électrique appliquée à la grille d'extraction et d'accélération du dispositif de la figure 6. Le dispositif à générateur plasma I, conforme à la présente invention et représenté schématiquement sur la figure 1, comporte un cceur de plasma 1 alimenté en gaz ionisable A2 par une alimentation 2, ledit gaz A2 étant ionisé sous l'action d'un champ électrique continu à radiofréquence RF schématisé en 3. Ainsi, dans le cceur de plasma 1 est engendré un plasma continu comprenant des ions positif A+, des ions négatifs A- et des électrons e-. Le dispositif à générateur plasma 1 comporte une grille 4 au contact du plasma pour être apte à extraire et à accélérer les ions positifs A+ et les ions négatifs A- du plasma se trouvant dans la zone adjacente 5, après élimination des électrons e-, par exemple par un filtre magnétique 6. En aval de la grille d'extraction et d'accélération 4 est disposée une grille 7 mise à la masse ou à un potentiel légèrement négatif (par exemple de l'ordre de -10V). Entre les grilles 4 et 7 pourrait être disposée une grille intermédiaire 8 polarisée négativement. La grille 4 pourrait être remplacée par une électrode interne dans le cceur de plasma 1, les potentiels de polarisation étant alors appliqués à cette électrode interne et les grilles 8 et 7 étant utilisées comme auparavant. La grille d'extraction et d'accélération 4 est polarisée alternativement de façon positive et de façon négative par un dispositif de polarisation électrique 9, comprenant par exemple un commutateur rapide de type MOSFET apte à commuter rapidement deux polarités électriques opposées, sans dépassements de potentiel importants, « rapidement » signifiant de l'ordre du temps de transit des ions. Un exemple de signal de polarisation B à haute tension +FIT, -HT (par exemple de l'ordre de 400 V) apparaissant à la sortie du dispositif de polarisation 9 et appliqué à la grille 4, est représenté sur le diagramme de la figure 2, qui représente la tension (en ordonnées) en fonction du temps t (en abscisses). Le signal de polarisation B est constitué d'une suite alternée de créneaux rectangulaires positifs à fronts raides b+ (entre 0 et +FIT) et de créneaux rectangulaires négatifs à fronts raides b- (entre 0 et -FIT). La figure 3 illustre la répartition de potentiel en fonction de l'abscisse longitudinal x à travers les zones 1, 6, 5 et sur les grilles 4 et 7 (la grille 8 étant supposée supprimée) lors de l'application, sur la grille 4, de chaque créneau positif b+ (ligne p+) et de chaque créneau négatif b-(ligne p-). A l'apparition soudaine d'un créneau positif b+ sur la grille 4 au contact du plasma de la zone 5, il se forme une gaine négative qui accélère les ions positifs A+ et bloque les ions négatifs A-. Inversement, à l'apparition soudaine d'un créneau négatif b- sur ladite grille 4, il se forme une gaine positive qui accélère les ions négatifs A- et bloque les ions positifs A+. A la sortie du générateur 1 apparaissent donc alternativement (mais presque simultanément) des ions positifs A+ et des ions négatifs A-, qui se combinent et forment le faisceau plasma PB électriquement neutre. Le dispositif à générateur plasma 1 conforme à la présente invention, illustré par les figures 1 à 3, produit autant d'ions positifs A+ que d'ions négatifs A- et i1 est supposé qu'aucun électron ne se trouve dans la zone 5 adjacente à l'électrode d'extraction et d'accélération 4. II en résulte que tous les créneaux positifs de polarisation b+ présentent des amplitudes a et des durées d égales, qu'il en est de même pour les créneaux négatifs b- et que ces derniers sont identiques auxdits créneaux positifs, à la polarité près. Cependant, il est fréquent, comme cela est illustré par la figure 4, que, pour différentes causes (par exemple parce que le filtre 6 n'est pas parfait), des électrons e- se retrouvent dans la zone 5 adjacente à la grille d'extraction et d'accélération 4 et, donc, à la sortie du dispositif à générateur plasma. Sur cette figure 4, le dispositif à générateur plasma II qui y est représenté est pour l'essentiel semblable au dispositif 1 des figures 1 à 3 (i1 comporte les mêmes éléments 1 à 8), mais i1 permet d'assurer la neutralité électrique du faisceau plasma PB dans le cas où des électrons e- apparaissent à sa sortie. Pour cela, le dispositif de polarisation électrique 9, engendrant les créneaux rectangulaires fixes de la figure 2, est remplacé par un dispositif de polarisation électrique commandable 11 (également à commutateur MOSFET), apte à engendrer une suite B' de créneaux rectangulaires positifs b' + et négatifs b'- d'amplitude a' et de durée d' variables. De plus, le dispositif II comporte une sonde 12, par exemple du type à induction, apte à détecter un défaut de neutralité électrique du faisceau PB et à agir sur le dispositif de polarisation électrique Il pour que celui-ci fasse varier l'amplitude a' et/ou la durée d' des créneaux positifs b' + et/ou des créneaux négatifs b'-, afin de faire disparaître ce défaut de neutralité. Ainsi, la neutralité électrique du faisceau plasma PB est assurée en temps réel. Sur la figure 5, on a représenté une suite de tels créneaux b' + et b'- d'amplitude a' et de durée d' différentes, adaptées à la neutralisation électrique du faisceau plasma PB. En variante, la sonde 12 peut être remplacée par un détecteur de courant électrique 13, surveillant, par exemple, la présence d'un éventuel courant dans la grille 7. De plus, afin d'améliorer encore plus la neutralité électrique du faisceau plasma PB, dans le générateur plasma II de la figure 4, le champ 2965697 s électrique d'ionisation RF est pulsé à une fréquence bien plus faible que la fréquence d'allumage et, comme symbolisé par la ligne 10 de la figure 4, le fonctionnement du dispositif de polarisation électrique 11, c'est-à-dire l'émission du signal de polarisation B', est synchronisé avec ledit champ 5 électrique d'ionisation pulsé RF, de façon que les ions positifs A+ soient extraits du plasma pendant les pulsations de celui-ci et que les ions négatifs A- soient extraits dans les intervalles entre lesdites pulsations, les électrons e- dans la zone 5 étant rapidement perdus pendant ces intervalles. 10 Le dispositif à générateur plasma III, conforme à la présente invention et représenté schématiquement sur la figure 6, comporte un cceur de plasma 21 alimenté en gaz électropositif X par une alimentation 22. Ce gaz électropositif X est ionisé par un champ électrique à radiofréquence RF schématisé en 23 et produit des ions positifs X+ et des 15 électrons e-. Les particules chargées, c'est-à-dire les ions positifs X+ et les électrons e-, sont extraites et accélérées par une grille 24, au contact du plasma. Une grille (ou un jeu de grilles) 25, mise à la masse ou à un potentiel légèrement négatif, coopère avec la grille 24. Cette grille d'extraction et d'accélération 24 est polarisée par un 20 dispositif de polarisation électrique 26, du type du dispositif 9 décrit ci-dessus, émettant un signal B" constitué par une suite de créneaux positifs b" + et de créneaux négatifs b"-. De façon semblable à ce qui a été décrit ci-dessus à propos du dispositif I, les ions positifs X+ sont extraits et accélérés pendant les 25 créneaux positifs b" + et les électrons e- sont extraits et accélérés pendant les créneaux négatifs b"-. Etant donné les différences de masse et de mobilité entre les ions positifs X+ et les électrons e-, la durée et l'amplitude des créneaux négatifs b"- sont très inférieures à celles des créneaux positifs b" +, comme cela est illustré sur la figure 7. Ainsi, à la sortie du dispositif à générateur plasma III apparaissent des ions X+ et des électrons e- qui, en se combinant, forme un faisceau plasma PB électriquement neutre, sans l'aide d'une source d'électrons auxiliaire. Bien entendu, comme précédemment, ce dispositif de polarisation électrique 26 peut être apte à émettre des créneaux positifs b"+ et des créneaux négatifs b"- d'amplitude et de durée variables (tout comme le dispositif de polarisation Il), afin de pouvoir coopérer avec un capteur 12 ou 13 et assurer la neutralité électrique du faisceau PB en temps réel. REVENDICATIONS1. Procédé pour la formation d'un faisceau plasma (PB) par extraction et accélération de particules électriquement chargées, hors d'un plasma et à l'aide d'au moins une grille d'extraction et d'accélération (4, 24) soumise à une polarisation électrique, caractérisé en ce que l'on polarise ladite grille d'extraction et d'accélération (4, 24) avec des potentiels alternativement positifs et négatifs de façon que ledit faisceau plasma soit au moins approximativement électriquement neutre. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fréquence de l'alternance des potentiels positifs et négatifs est une radiofréquence comprise entre quelques kHz et quelques MHz. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la neutralité électrique dudit faisceau plasma est obtenue au moins en partie par réglage de la durée d'application desdits potentiels positifs et/ou négatifs sur ladite grille d'extraction et d'accélération (4, 24). 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la neutralité électrique dudit faisceau plasma est obtenue au moins en partie par réglage de l'amplitude desdits potentiels positifs et/ou négatifs sur ladite grille d'extraction et d'accélération (4, 24). 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la suite alternée des potentiels positifs et négatifs forme une courbe continue. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite courbe continue est formée de créneaux rectangulaire à fronts raides, alternativement positifs et négatifs.Il 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le plasma est pulsé, caractérisé en ce que la suite alternée des potentiels positifs et négatifs est synchronisée avec les pulsations du plasma, les ions positifs étant extraits du plasma pendant lesdites pulsations, alors que les particules négatives sont extraites dans les intervalles entre lesdites pulsations. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit plasma est exclusivement constitué d'ions positifs et d'électrons. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit plasma comporte des ions positifs et des ions négatifs. 10. Dispositif pour la formation d'un faisceau plasma (PB) comportant un générateur de plasma pourvu d'au moins une grille (4, 24) pour l'extraction et l'accélération de particules électriquement chargées hors dudit plasma, ainsi que des moyens de polarisation électrique (9, Il, 26) de ladite grille, caractérisé en ce que lesdits moyens de polarisation électrique engendrent des potentiels alternativement positifs et négatifs permettant d'obtenir la neutralité électrique au moins approximative dudit faisceau plasma. 1 1 . Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que lesdits moyens de polarisation électrique (9, Il, 26) comportent un commutateur rapide de type MOSFET. 12. Dispositif selon l'une des revendications 10 et 11, caractérisé en ce que lesdits moyens de polarisation électrique (9, Il, 26) sont commandés par un capteur (12, 13) délivrant un signal représentatif de la qualité de la neutralité électrique dudit faisceau plasma. 13. Dispositif selon l'une des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que lesdits moyens de polarisation électrique (9, Il, 26) délivrent des potentiels positifs et négatifs de l'ordre de 400 volts. 14. Dispositif selon l'une des revendications 10 à 13, dans lequel le plasma est pulsé, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (10, 27) de synchronisation desdits moyens de polarisation électrique (9, Il, 26) avec les pulsations dudit plasma. 15 20