[0001] La présente invention a pour objet une source d'ions à résonance cyclotronique des
électrons. Elle trouve de nombreuses applications, en fonction des différentes valeurs
de la gamme de l'énergie cinétique des ions extraits, dans les domaines : vaporisation
(sputte- ring) des couches minces, microgravure , implantation ionique, chauffage
par neutrons rapides du plasma des réacteurs à fusion, accélérateurs tandems, synchrocyclotron,
... etc.
[0002] Dans les sources d'ions à résonance cyclotronique électronique, les ions sont formés
en ionisant fortement un gaz ou une vapeur d'un matériau solide, contenu dans une
cavité hyperfréquence, grâce à l'action conjuguée d'un champ électromagnétique de
haute fréquence, établi dans la cavité, et d'un champ magnétique résultant régnant
dans ladite cavité. Le champ magnétique présente une amplitude B satisfaisant à la
condition de résonance cyclotronique électronique, B = f. 2π
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où m est la masse des électrons, e sa charge et f la fréquence du champ électromagnétique.
Cette résonance permet d'accélérer fortement les électrons formés qui,par impact sur
les atomes neutres du gaz ou de la vapeur, permettent d'ioniser fortement ces derniers.
[0003] Le fonctionnement d'une source à résonance cyclotronique a notamment été décrit dans
le brevet américain n° 4 417 178 déposé au nom du demandeur.
[0004] Jusqu'à présent, les réalisations des sources d'ions à résonance cyclotronique des
électrons, comme par exemple celle décrite par R. Geller, C. Jacquot et P. Sermet
dans les "Proceedings of the Symposium on ions sources and formation of ion beams",
Berckeley (Oct. 1974) et par F. Bourg, R.
Geller, B. Jacquot, T. Lamy, M. Pontonnier et J. C. Rocco dans "Nuclear Instruments
& Methods" North-Holland Publishing Company 196 (1982) pp. 325-329 sont basées sur
l'établissement d'un confinement du plasma à l'aide d'une configuration magnétique
en miroir. Dans la réalisation selon la première référence, la configuration magnétique
en miroir est obtenue par l'intermédiaire de trois groupes de bobines.
[0005] La figure 1 représente un diagramme, montrant la courbe du champ magnétique en fonction
de la distance suivant l'axe central de la source d'ions selon l'art antérieur en
superposition avec une représentation schématique de l'emplacement des éléments principaux
constituant cette source.
[0006] Comme le montre la figure 1, la courbe du champ magnétique 1 fournie par l'ensemble
des bobines a deux maxima aux endroits du premier groupe 2 et du troisième groupe
4 de bobines et un minimum entre ces deux maxima à l'endroit du deuxième groupe 3
de bobines, ce dernier groupe étant alimenté en contre-champ.
[0007] Les valeurs maximales sont plus grandes que la valeur B de l'induction magnétique
correspondant à la résonance cyclotronique , cette résonance étant atteinte entre
les deux maxima.
[0008] Le plasma est donc créé et confiné dans la zone de la source d'ions, qui se trouve
entre lesdits maxima du champ magnétique.
[0009] Les valeurs maximale et minimale de l'induction magnétique de cette source d'ions,
prise pour l'exemple, sont 4 200 et 3 200 Gauss respectivement.
[0010] La résonance cyclotronique des électrons s'effectue à 3 600 Gauss, la fréquence de
l'onde haute fréquence injectée étant fixée à environ 10 GHz.
[0011] Les ions créés dans le plasma sont enfin extraits par un système d'extraction 5,
constitué d'électrodes, qui se trouvent en aval du deuxième maximum du champ magnétique.
En outre, si, comme dans l'exemple décrit ci-dessus, le système d'extraction des ions
est placé en aval du deuxième maximum du champ magnétique, et si celui-ci est diminué,
le courant d'ions émis par la source diminue proportionnellement.
[0012] Pour obtenir un courant d'ions intense, on extrait donc les ions dans un champ magnétique
de même ordre de grandeur que le champ de la résonance cyclotronique.
[0013] Si le faisceau d'ions est émis dans le champ magnétique créé par l'ensemble de bobines
et si le champ magnétique est annulé brusquement en aval de la deuxième bobine de
la source d'ions, les ions prennent de l'énergie transversale et le faisceau d'ions
diverge, donc ses qualités optiques sont détruites. Cet effet est décrit dans le théorème
de Bush.
[0014] Pour conserver les qualités optiques du faisceau en aval de la source d'ions, il
faut alors maintenir constant le champ magnétique dans tout l'espace de glissement
du faisceau d'ions jusqu'à l'endroit de son application ou de la transformation des
ions en particules neutres. Pour l'exemple décrit ci-dessus, le champ à maintenir
constant correspond à une induction de 3 600 Gauss environ, l'énergie électrique consommée
par les bobines 6 créant ce champ magnétique est de l'ordre de 1 Mégawatt.
[0015] Dans le cas d'utilisation des ions à basse énergie l'inférieure à 1 keV) le système
d'extraction ne permet pas d'extraire les fortes densités. Pour augmenter cette dernière,
on peut comprimer le faisceau d'ions en aval de la source d'ions.
[0016] Pour comprimer le faisceau d'ions, il faut augmenter le champ magnétique proportionnellement.
[0017] L'augmentation de la densité du courant d'ions est donc limitée par les problèmes
techniques qui se posent, concernant la production des chamgs magnétiques de cet ordre
de grandeur.
[0018] En résumé, les sources d'ions selon l'état de la technique présentent les inconvénients
principaux suivants :
- très haute consommation d'énergie de la configuration magnétique,
- l'augmentation de la densité du courant d'ions à faible énergie cinétique est problématique
à cause de la nécessité d'un champ magnétique élevé.
[0019] La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients. Pour cela, elle
prévoit une modification de la configuration magnétique de confinement du plasma dans
une source d'ions à résonance cyclotronique des électrons, qui permet l'extraction
des ions dans un champ magnétique nettement inférieur à celui des sources d'ions-de
l'art antérieur.
[0020] La présente invention a précisément pour objet une source d'ions à résonance cyclotronique
des électrons comportant un système d'injection d'une puissance hyperfréquence dans
un récipient contenant un gaz ou une vapeur d'un matériau destiné à former un plasma,
celui-ci est créé et confiné dans une configuration magnétique, et un système d'extraction
des ions cette source se caractérisant en ce que la configuration magnétique est constituée
par deux groupes de bobines, le premier groupe, situé dans le plan défini par le fenêtre
étanche de l'injecteur hyperfréquence et entourant celui-ci, fournissant le champ
magnétique confinant le plasma, et le deuxième groupe, alimenté en contre-champ par
rapport au premier groupe, entourant le système d'extraction des ions.
[0021] Selon un mode préféré de réalisation de la source d'ions, un troisième groupe de
bobines, monté en aval du système d'extraction des ions et alimenté dans le même sens
que le premier groupe, fournit un champ magnétique supérieur à celui du système d'extraction
pour comprimer le faisceau d'ions extraits.
[0022] Selon une autre caractéristique, le champ magnétique fourni par l'ensemble des groupes
de bobines a une valeur maximale, supérieure à celle de la résonance cyclotronique
à l'endroit du premier groupe de bobines, et le champ magnétique décroît jusqu'à une
valeur minimale à l'endroit du deuxième groupe de bobines en passant par la valeur
de l'induction magnétique B correspondant à la résonance cyclotronique entre ces deux
groupes de bobines.
[0023] Selon un autre mode de réalisation d'une source d'ions, la position du système d'extraction
dans la source est choisie telle que le champ magnétique faible à l'endroit de l'extraction
est fourni seulement par le premier groupe de bobines.
[0024] Selon encore un autre mode de réalisation d'une source d'ions, le système d'injection
hyperfréquence est constitué par plusieurs injecteurs hyperfréquence et chacun de
ces injecteurs est entouré par un groupe de bobines, ceux-ci étant situés dans les
plans définis par les fenêtres étanches de chaque injecteur.
[0025] Selon une autre caractéristique, la configuration magnétique du confinement du plasma
comprend en supplément une configuration magnétique multipolaire constituée par des
aimants permanents.
[0026] Selon une autre caractéristique, le champ magnétique correspondant à la résonance
cyclotronique est atteint à une distance de l'ordre de quelques centimètres en aval
de la jonction entre l'injecteur hyper fréquence et la cavité de la source d'ions.
[0027] Selon une autre caractéristique, l'injection du gaz est effectuée en amont du système
d'extraction des ions et en son voisinage.
[0028] Selon une autre caractéristique, le système d'extraction des ions est constitué par
une seule électrode.
[0029] Selon un mode de réalisation de la source de l'invention, le gaz destiné à former
un plasma est du deutérium et le champ magnétique minimal à l'endroit du deuxième
groupe de bobines est de l'ordre de quelques centaines de Gauss.
[0030] Les caractéristiques de l'invention ressortiront mieux à l'aide de la description
qui va suivre, donnée à titre explicatif et nullement limitatif, en référence aux
dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1, déjà décrite, représente un diagramme montrant la courbe du champ magnétique
en fonction de la distance suivant l'axe central de la source d'ions selon l'art antérieur
en superposition avec une représentation schématique de l'emplacement de quelques
éléments principaux constituant cette source,
- la figure 2a représente schématiquement, une source d'ions à résonance cyclotronique
des électrons selon l'invention en coupe dans le plan comprenant l'axe central de
la source.
- la figure 2b représente, en diagramme le profil du champ magnétique en fonction
de la distance suivant l'axe central d'une source d'ions conforme à l'invention,
- la figure 3 représente schématiquement en coupe transversale suivant les flèches
de la figure 2, la configuration hexapolaire du confinement magnétique supplémentaire
du plasma.
[0031] La figure 2a représente schématiquement et d'une manière simplifiée, un exemple d'une
réalisation d'une source d'ions à résonance cyclotronique des électrons en coupe transversale,
comprenant l'axe central de la source.
[0032] Dans une cavité 9 sous vide, de forme cylindrique de révolution par exemple, l'une
des extrémités porte un injecteur 8 d'une puissance hyperfréquence et l'autre extrémité
est reliée à l'endroit d'utilisation des ions. Il est à noter que la cavité 9 peut
avoir une forme quelconque suivant le caractère de la source d'ions. Notamment, le
système d'injection d'une puissance hyperfréquence 8 peut être constitué par plusieurs
injecteurs hyperfréquence. On introduit en 17 un gaz ou une vapeur destiné à former
un plasma sous une pression faible de quelques 10-
3 Torr en amont du système d'extraction des ions et en son voisinage.
[0033] On applique un champ magnétique statique axial par l'intermédiaire de bobines qui
entourent la cavité. Il est aussi envisageable d'utiliser des aimants permanents entourant
la cavité pour fournir le champ magnétique de confinement.
[0034] Si la pulsation du champ hyperfréquence w est égale à la pulsation de résonance cyclotronique
des électrons dans le champ magnétique, le plasma est alors créé.
[0035] Dans un autre mode de réalisation d'une source d'ions, le plasma est créé à un autre
endroit et injecté ensuite dans la cavité 9. Le plasma est confiné dans la configuration
magnétique obtenue par l'intermédiaire de deux groupes de bobines 11, 12.
[0036] Le premier groupe de bobines 11 est situé dans le plan défini par la fenêtre étanche
13 de l'injecteur hyperfréquence 8 et entoure celle-ci.
[0037] Le deuxième groupe de bobines 12 est placé à une distance prédéterminée en aval du
premier groupe de bobines et est alimenté en contre-champ par rapport au premier groupe.
[0038] Comme le montre la figure 2b, l'ensemble de ces deux groupes de bobines fournit un
champ magnétique qui a une valeur maximale à l'endroit du premier groupe de bobines
11. Cette valeur est choisie supérieure à la valeur B , correspondant à la réso- nance
cyclotronique des électrons.
[0039] Le champ magnétique décroît jusqu'à une valeur minimale à l'endroit du deuxième groupe
de bobines 12.
[0040] En passant, le champ magnétique atteint la valeur du champ magnétique B
r correspondant à la résonance cyclotronique. On peut aussi choisir la distance entre
le premier groupe de bobines et le système d'extraction telle que le champ magnétique
à l'endroit de l'extraction est fourni seulement par le premier groupe de bobines.
[0041] Le profil du champ magnétique est choisi tel que la résonance cyclotronique des électrons
s'effectue à quelques centimètres en aval de la jonction entre l'injecteur de la puissance
hyperfréquence et la cavité.
[0042] D'une part, la zone de résonance se trouve suffisamment loin de la fenêtre 13 pour
que le plasma 10 créé à cet endroit ne diffuse guère vers celle-ci et donc ne risque
pas de la détériorer.
[0043] D'autre part, la résonance est suffisamment loin des parois de la cavité pour que
la densité de plasma ne soit pas diminuée.
[0044] Le nombre de bobines formant un groupe dépend du champ magnétique à fournir.
[0045] Dans un mode préféré de la réalisation du confinement magnétique du plasma, on installe
en supplément entre le premier 11 et le deuxième 12 groupes de bobines une configuration
magnétique multipolaire.
[0046] La figure 3 montre schématiquement en coupe transversale suivant la coupe A-A de
la figure 2a, une configuration hexapolaire du confinement magnétique supplémentaire.
Le plasma 10 est confiné par les lignes de farce du champ magnétique créé par des
aimants permanents 18 répartis en couronne autour de la partie cylindrique de la cavité
qui entoure le plasma et dont les polarités sont alternées.
[0047] Dans le cas où le gaz destiné à former un plasma est du deutérium, la fréquence de
la pulsation du champ hyperfréquence étant d'environ 10 GHz, la résonance cyclotronique
des électrons se produit pour une induction B = 3 600 Gauss.
[0048] La valeur maximale de l'induction B
max à l'endroit du premier groupe des bobines est choisie de préférence aux environs
de 4 000 Gauss et la valeur à l'endroit du deuxième groupe des bobines est de préférence
de l'ordre de quelques centaines de Gauss.
[0049] Le système d'extraction des ions 14 est installé à l'intérieur des bobines formant
le deuxième groupe.
[0050] Il est à noter que dans la source conforme à l'invention, cette valeur de l'induction
magnétique à l'endroit du système d'extraction est inférieure à 10 % de la valeur
de l'induction B
r correspondant à la résonance cyclotronique.
[0051] Le système d'extraction peut être réalisé sous forme d'une seule électrode.
[0052] Des essais avec une source d'ions selon l'invention ayant un tel positionnement du
système d'extraction 14 ont montré qu'en contraste avec les expériences réalisées
avec les sources d'ions selon l'art antérieur, où le système d'extraction 5 (Fig.
1) des ions est placé en aval d'un deuxième maximum du champ magnétique d'un confinement
du plasma, le courant d'ions extraits n'est pas proportionnel à la valeur d'induction
magnétique à l'endroit d'extraction.
[0053] Dans des conditions comparables, le courant d'ions émis par la source d'ions selon
l'invention est double par rapport à celui d'une source conventionnelle.
[0054] Si on augmente la puissance hyperfréquence par unité de volume, le courant d'ions
augmente. On peut alors extraire des courants d'ions plus grands, ou bien réduire
les dimensions des cavités en largeur et en diamètre, ce qui entraîne l'utilisation
des "minicavités", à condition que la résonance cyclotronique soit dans la cavité,
à quelques centimètres de la transition guide-cavité.
[0055] .En outre, on constate que l'homogénéité radiale du faisceau extrait 16 est améliorée
notablement, la stabilité du plasma 10 créé dans cette configuration magnétique selon
l'invention est plus grande que celle de l'art antérieur.
[0056] Le faisceau extrait de la source d'ions peut être comprimé, en aval des électrodes
d'extraction, par l'application d'un champ magnétique supérieur à celui appliqué au
système d'extraction 14. La densité du courant d'ions augmente proportionnellement
au champ magnétique appliqué.
[0057] La réalisation de ce champ magnétique est effectuée par l'intermédiaire d'un troisième
groupe 15 de bobines, comme indiqué sur la figure 2. Le champ magnétique à l'endroit
d'extraction des ions étant très faible pour garder ou augmenter la qualité optique
du faisceau d'ions en amont de la source d'ions, il suffit alors de prévoir des bobines
destinées à fournir un champ magnétique nettement inférieur à celui utilisé dans les
sources selon l'art antérieur.
[0058] Pour des exemples donnés ci-dessus, la consommation d'énergie de ces bobines est
réduite d'un facteur supérieur à dix ; il s'effectue donc une économie d'énergie importante.
[0059] Selon un autre aspect concernant la qualité optique du faisceau d'ions, on peut même
annuler le champ magnétique bien avant l'endroit de son application, sans dégrader
sa qualité optique.
[0060] L'effet décrit dans le théorème de Bush devient négligeable, car le champ magnétique
est relativement faible.
[0061] Il en résulte une nouvelle économie d'énergie très importante côté aval de la source
d'ions et l'encombrement est réduit grâce à la suppression de nombreuses bobines.
1. Source d'ions à résonance cyclotronique des électrons (7) comportant un système
d'injection (8) émettant une puissance hyperfréquence dans un récipient (9) contenant
un gaz ou une vapeur d'un matériau destiné à former un plasma (10), celui-ci étant
créé et confiné dans une configuration magnétique, et un système d'extraction (14)
des ions, caractérisé en ce que la configuration magnétique est constituée par deux
groupes de bobines (11, 12), le premier groupe (11), situé dans le plan défini par
la fenêtre étanche (13) de l'injecteur (8) hyperfréquence et entoure celui-ci, fournissant
le champ magnétique confinant le plasma, et le deuxième groupe (12), alimenté en contre-champ
par rapport au premier groupe, entourant le système d'extraction (14) des ions.
2. Source d'ions selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'un troisième groupe
de bobines (15) monté en aval du système d'extraction des ions (14) est alimenté dans
le même sens que le premier groupe, fournit un champ magnétique supérieur à celui
du système d'extraction pour comprimer le faisceau d'ions extraits (16).
3. Source d'ions selon la revendication 1, caractérisée en ce que le champ magnétique
fourni par l'ensemble des groupes de bobines (11, 12) a une valeur maximale, supérieure
à celle de la résonance cyclotronique, à l'endroit du premier groupe (11) de bobines
et le champ magnétique décroît jusqu'à une valeur minimale à l'endroit du deuxième
groupe (12) de bobines en passant par la valeur de l'induction magnétique Br correspondant à la résonance cyclotronique, entre les deux groupes (11, 12) de bobines.
4. Source d'ions selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en
ce que la position du système d'extraction dans la source est choisie telle que le
champ magnétique faible à l'endroit de l'extraction est fourni seulement par le premier
groupe de bobines.
5. Source d'ions selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en
ce que le système d'injection hyperfréquence est constitué par plusieurs injecteurs
(8) hyperfréquence et en ce que chacun de ces injecteurs est entouré par un groupe
de bobines (11), ceux-ci étant situés dans les plans définis par les fenêtres étanches
(13) de chaque injecteur (8).
6. Source d'ions selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en
ce que la configuration magnétique du confinement du plasma comprend en supplément
une configuration multipolaire constituée par des aimants permanents (18).
7. Source d'ions selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en
ce que le champ magnétique correspondant à la résonance cyclotronique est atteint
à une distance de l'ordre de quelques centimètres en aval de la jonction du système
d'injection hyperfréquence (8) avec la cavité (9) de la source d'ions.
8. Source d'ions selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en
ce que l'injection du gaz (17) est effectuée en amont du système d'extraction des
ions et en son voisinage.
9. Source d'ions selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en
ce que le système d'extraction (14) des ions est constitué par une seule électrode.
10. Source d'ions selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en
ce que le gaz destiné à former un plasma est du deutérium et en ce que le champ magnétique
à l'endroit du deuxième groupe (12) de bobines est de l'ordre de quelques centaines
de Gauss.