EP0184475B1 - Procédé et dispositif d'allumage d'une source d'ions hyperfréquence - Google Patents

Procédé et dispositif d'allumage d'une source d'ions hyperfréquence Download PDF

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EP0184475B1
EP0184475B1 EP85402076A EP85402076A EP0184475B1 EP 0184475 B1 EP0184475 B1 EP 0184475B1 EP 85402076 A EP85402076 A EP 85402076A EP 85402076 A EP85402076 A EP 85402076A EP 0184475 B1 EP0184475 B1 EP 0184475B1
Authority
EP
European Patent Office
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cavity
plasma
high frequency
ultra
ionized
Prior art date
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Expired
Application number
EP85402076A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP0184475A1 (fr
Inventor
René Gualandris
Paul Ludwig
Jean-Claude Rocco
François Zadworny
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat à l'Énergie Atomique et Aux Énergies Alternatives
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP0184475A1 publication Critical patent/EP0184475A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP0184475B1 publication Critical patent/EP0184475B1/fr
Expired legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J27/00—Ion beam tubes
    • H01J27/02—Ion sources; Ion guns
    • H01J27/16—Ion sources; Ion guns using high-frequency excitation, e.g. microwave excitation

Definitions

  • the present invention applies to the field of microwave ion sources, which can also be used as an electron source or as a plasma generator.
  • Such ion sources are described in particular by R. Geller, C. Jacquot and P. Sermet in the "Proceedings of the Symposium on ions sources and formation of ion beams", Berckeley (Oct. 1974) and by F. Bourg, R. Geller, B. Jacquot, T. Lamy, M. Pontonnier and JC Rocco in "Nuclear Instruments and Methods" North-Holland Publishing Company, 196 (1982) pp. 325-329. They are based on the establishment of a plasma confinement using a magnetic mirror configuration with maximum values of the magnetic field B greater than the value which ensures the cyclotronic resonance of the electrons.
  • the maximum and minimum values of the magnetic induction are 0.42 and 0.32 Tesla respectively and the cyclotron resonance of the electrons is carried out at 0.36 Tesla, the frequency of the injected high frequency wave being fixed at around 10 GHz.
  • the ions created in the plasma are extracted by an extraction system, made up of electrodes brought to continuous potentials and which are downstream of the maximum of the magnetic field. Under these conditions, the ion current emitted by the source decreases in proportion to the value of the field at the place of extraction and, to obtain an intense ion current, it is necessary to extract the ions in a magnetic field at least of the same order. larger than the field of cyclotron resonance.
  • the magnetic field must therefore be kept constant throughout the sliding space of the ion beam up to the point of its application or of the transformation of the ions in neutral particles.
  • the field to be kept constant corresponds to an induction of approximately 0.36 Tesla, and the electric power consumed by the coils creating this magnetic field is of the order of 1 Megawatt.
  • the extraction system When using low energy ions (less than 1 keV) the extraction system does not allow high densities to be extracted. To increase the latter, the ion beam can be compressed downstream of the ion source.
  • the magnetic field must be increased proportionally.
  • the ion source described in this patent application is still a source implementing the phenomenon of cyclotron resonance of the electrons to create the plasma in the cavity, and it therefore always requires in this cavity the presence of a magnetic field. greater than or at least equal to that which creates the cyclotronic resonance of the electrons.
  • Ion sources have also been proposed operating with a microwave cavity without constant magnetic field, that is to say without recourse to the phenomenon of electronic cyclotron resonance.
  • a microwave cavity without constant magnetic field
  • Such a source is described for example under the characteristic title of a microwave plasma disc ion source p. 396 and following of the journal Applied Physics Letters No. 44 February 1984.
  • the cavity has an adjustable piston which allows to achieve agreement on a particular mode of resonance for the overvoltage necessary for its operation.
  • Such a cavity therefore must be considered as a tunable cavity operating in a single mode.
  • the present invention specifically relates to a method of igniting a microwave ion source which operates without resorting to the phenomenon of cyclotron resonance of the electrons and, consequently, without the presence of a constant magnetic field prevailing for this purpose in the HF cavity.
  • This method of igniting a microwave ion source using in a known manner a resonant cavity supplied by a gas or a vapor of a material intended to form a plasma, a system for injecting into the cavity of a microwave power and a system for extracting plasma ions from the cavity, is characterized in that the cavity being of the multimode type, electronic germs are created within the medium to be ionized and the plasma is maintained after its ignition using only microwave power.
  • the ignition of the ion source by creation of electronic germs within the medium to be ionized can take place either uniquely during initial ignition, or repeatedly.
  • a single ignition allows the source to operate in pulsed mode, for a recurrence time of the order of 100 milliseconds.
  • an axial magnetic and / or multipolar configuration may nevertheless be necessary and used to confine and homogenize the plasma, but in this case, the values of the magnetic fields are much lower than those which were formerly necessary for the creation of the conditions of cyclotron resonance of electrons.
  • the creation of electronic germs within the medium to be ionized is obtained by direct seeding of electrons.
  • the creation of these same electronic seeds is obtained by temporary and local application of a magnetic field of sufficient intensity to create, in a small volume of the cavity, the conditions for establishing an electronic cyclotron resonance. which in turn causes the creation of plasma.
  • the creation of the same electronic germs within the medium to be ionized is obtained by temporary application of an overpressure in the cavity.
  • the present invention also relates to a device for igniting a microwave source implementing the above method in a particularly simple manner and using means per se known and easy to use.
  • this device for igniting a microwave ion source using in known manner a multimode resonant cavity supplied by a gas or a vapor of a material intended to form a plasma , a system for injecting microwave power into the cavity and a system for extracting plasma ions from the cavity is characterized in that it consists of an electromagnet encircling the external wall of the cavity, a few centimeters downstream of the injection system and the magnetic carcass of which is applied to this cavity.
  • the ignition process is implemented which consists in creating in a small volume of the cavity, temporarily and locally, the conditions for establishing an electronic cyclotron resonance. which in turn causes the creation of plasma.
  • each of the three dimensions of the resonant cavity, length, width and height must be greater than the small side or the diameter of the waveguide of the system for injecting the high frequency power of the cavity. This con dition has actually proved necessary in order to be able to obtain the ignition and the self-maintenance of a plasma in a multimode resonant cavity having this particular shape but in fact very frequently used.
  • microwave ion sources implementing the ignition process can be of any known nature and in particular include, like the other sources, the variants or improvements in detail recalled below. below.
  • such a source may have a magnetic configuration located downstream of the system for extracting ions from the plasma or electrons in order to carry out, under good conditions, the transport of the extracted beam and even to obtain its radial compression.
  • the ion or electron extraction system can be constituted by a single electrode brought to a determined potential.
  • the device for igniting the microwave ion source is located at a distance of the order of a few centimeters downstream of the junction zone. Between the microwave injector and the ion source cavity. This location has actually proven advantageous for obtaining a good ignition under conditions of maximum efficiency.
  • FIG. 1 shows schematically and in a simplified manner an exemplary embodiment of a source of ions, electrons or plasma, at microwave, in cross section comprising the central axis Z of the source .
  • one end carries an injector 8 of microwave power through a window 13 and the other end is connected to the place of use ions, electrons or plasma.
  • the waveguide 15, which is of revolution has a diameter smaller than that of the cavity 9.
  • the cavity 9 can have any shape depending on the nature of the use.
  • the microwave power injection system 8 can be constituted by several microwave injectors in parallel.
  • the relative dimensions of a source such as that of FIGS. 1 and 2, with respect to the HF injector system are not arbitrary when the cavity 9 is parallelepiped.
  • the dimensions of the three sides of the cavity 9 must be greater than the diameter or the short side of the waveguide which injects the HF power at 13, if one wants to be able to ignite and above all keep the plasma 10 in activity without resorting to cyclotron resonance of the electrons in this plasma.
  • a gas or a vapor intended to form a plasma is introduced at 17 at a low pressure of a few 0.133 to 1.33 Pa upstream of the system 14 for extracting the ions and in its vicinity.
  • the plasma can be created at another location and then injected into the cavity 9.
  • the ignition system 7 is constituted in this example by a circular electromagnet surrounding the wall 9 and comprising an annular coil 11 and a soft iron carcass 12 applied against the wall 9.
  • This electromagnet is capable of igniting the discharge by a pulse field by locally and temporarily creating in the cavity a magnetic field fulfilling the cyclotronic resonance conditions of the electrons, and the plasma ignites at 10.
  • the system for extracting ions or electrons is represented here in the form of a single electrode 14.
  • the ion current increases. We can then extract larger ion currents or reduce the dimensions of the cavities, which allows the use of "mini-cavities" with low consumption of microwave power.
  • the beam extracted from the source can be compressed, downstream of the extraction electrodes by the application of an additional magnetic field, this is the case for example of the coil 15 in the example of FIG. 2.
  • an ion source according to the invention is seen, provided with a spark gap 18 of any shape, preferably pointed, isolated with respect to the ion source 9 by an isolator 19 and polarized by means of a food 20 compared to this same ion source 9.
  • This supply 20 can be alternative (simple transformer) or continuous in this case the tip 18 is brought to a negative potential with respect to the source 9.
  • the source 9 comprises, as the element creating the seed for plasma inoculation, a filament 21 of refractory metal (W, Mo, Ta) emitting electrons.
  • This filament 21 passes through the wall 9 of the source in an insulator 22; the filament heating supply 23 is continuous or alternative.

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Description

  • La présente invention s'applique au domaine des sources d'ions hyperfréquence, utilisables aussi en source d'électrons ou en générateur de plasma.
  • Elle trouve de nombreuses applications, dans le domaine du "sputtering" de couches minces, de la mi- crogravure, de l'implantation ionique, des irradia- teurs à électrons, du chauffage par faisceau de particules neutres rapides du plasma des réacteurs à fusion, des accélérateurs "tandems", synchrocyclotrons et aussi du nettoyage et des traitements de surface.
  • Jusqu'à présent les réalisations des sources d'ions hyperfréquence se faisaient suivant le principe des sources d'ions à résonance cyclotronique des électrons.
  • Dans de telles sources connues, on provoque l'ionisation d'un gaz neutre et l'apparition d'un plasma en combinant, dans une cavité HF, les effets syner- gétiques d'un champ électromagnétique hyperfréquence de fréquence F et d'un champ magnétique B constant de façon à obtenir la résonance entre cette dernière fréquence et la pulsation
    Figure imgb0001
    des électrons dans leurs trajectoires circulaires autour des lignes de force du champ B. Cette condition s'écrit donc:
    Figure imgb0002
    formule dans laquelle e et m sont la charge et la masse de l'électron, B le champ magnétique constant présent dans la cavité, et qui donne la relation liant F et B pour obtenir la résonance cyclotronique électronique au sein du plasma. Les électrons décrivent alors des trajectoires en spirale autour des lignes de force du champ B en absorbant de l'énergie du champ B et en acquérant ainsi une énergie cinétique maximale pour provoquer l'ionisation par chocs des molécules de gaz neutre présentes dans la cavité HF de la source.
  • De telles sources d'ions sont décrites notamment 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 and Methods" North-Holland Publishing Com- pany, 196 (1982) pp. 325-329. Elle sont basées sur l'établissement d'un confinement du plasma à l'aide d'une configuration magnétique en miroir avec des valeurs maximales du champ magnétique B supérieures à la valeur qui assure la résonance cyclotronique des électrons.
  • Le fonctionnement correct de telles sources d'ions connues nécessite néanmoins certaines précautions spéciales et impose une consommation d'énergie électrique importante, notamment pour la création des champs magnétiques constants de création de la résonance cyclotronique des électrons et d'extraction des ions.
  • Ainsi, par exemple, dans une source d'ions connue de cette nature, les valeurs maximale et minimale de l'induction magnétique sont de 0,42 et 0,32 Tesla respectivement et la résonance cyclotronique des électrons s'effectue à 0,36 Tesla, la fréquence de l'onde haute fréquence injectée étant fixée à environ 10 GHz.
  • Les ions créés dans le plasma sont extraits par un système d'extraction, constitué d'électrodes portées à des potentiels continus et qui se trouvent en aval du maximum du champ magnétique. Dans ces conditions, le courant d'ions émis par la source diminue proportionnellement à la valeur du champ au lieu d'extraction et, pour obtenir un courant d'ions intense, il faut extraire les ions dans un champ magnétique au moins du même ordre de grandeur que le champ de la résonance cyclotronique.
  • Cette nécessité est malheureusement incompatible avec une bonne qualité optique du faisceau d'ions extrait si on annule le champ magnétique avant l'impact des ions dans la zone d'utilisation. Dans ce cas en effet, les ions prennent de l'énergie transversale, le faisceau diverge et ses qualités optiques sont amoindries, selon l'effet décrit dans le théorème de Bush.
  • 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 0,36 Tesla environ, et la puissance électrique consommée par les bobines créant ce champ magnétique est de l'ordre de 1 Mégawatt.
  • Dans le cas d'utilisation des ions à basse énergie (inférieures 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.
  • Pour comprimer le faisceau d'ions, il faut augmenter le champ magnétique proportionnellement.
  • L'augmentation de la densité du courant des ions obtenus est donc limitée par les problèmes techniques qui se posent, concernant la production des champs magnétiques de cet ordre de grandeur.
  • En résumé, les sources d'ions selon l'état connu de la technique présentent les inconvénients principaux suivants :
    • - d'abord la consommation d'énergie pour établir la configuration magnétique est très élevée,
    • - ensuite, l'augmentation de la densité du courant d'ions à faible énergie cinétique est problèmatique à cause de la nécessité d'un champ magnétique élevé pour transporter ceux-ci en aval de l'extraction jusqu'au lieu d'utilisation.
  • Pour pallier ces inconvénients, diverses solutions ont été proposées, comme par exemple celle décrite dans le EP-A 0127 523 au nom du Commissariat à l'Energie Atomique, publié le 5.12.1984. Dans cette demande de brevet européen, la configuration du confinement magnétique a été modifiée pour permettre l'extraction des ions dans un champ magnétique nettement inférieur à celui des sources d'ions de l'art antérieur. Ceci a déjà entraîné une économie considérable de l'énergie nécessaire pour créer la configuration magnétique dans la source d'une part et d'autre part en aval de l'extraction, lors d'un transport à basse énergie du faisceau extrait.
  • Toutefois, la source d'ions décrite dans cette demande de brevet est toujours une source mettant en oeuvre le phénomène de résonance cyclotronique des électrons pour créer le plasma dans la cavité, et elle nécessite donc toujours dans cette cavité la présence d'un champ magnétique supérieur ou au moins égal à celui qui crée la résonance cyclotronique des électrons.
  • On a également proposé des sources d'ions fonctionnant avec une cavité hyperfréquence sans champ magnétique constant, c'est-à-dire sans recours au phénomène de résonance cyclotronique électronique. Une telle source est décrite par exemple sous le titre caractéristique of a microwave plasma disc ion source p. 396 et suivantes de la revue Applied Physics Letters n° 44 de février 1984. Dans une telle source néanmoins, la cavité possède un piston réglable qui permet d'en réaliser l'accord sur un mode particulier de résonance pour obtenir la surtension nécessaire à son fonctionnement. Une telle cavité par conséquent doit être considérée comme une cavité accordable fonctionnant sur un mode unique.
  • La présente invention a précisément pour objet un procédé d'allumage d'une source d'ions hyperfréquence qui fonctionne sans recourir au phénomène de résonance cyclotronique des électrons et, par conséquent, sans la présence d'un champ magnétique constant régnant à cet effet dans la cavité HF.
  • Ce procédé d'allumage d'une source d'ions hyperfréquence utilisant de façon connue une cavité ré- sonante alimentée par un gaz ou une vapeur d'un matériau destiné à former un plasma, un système d'injectiion dans la cavité d'une puissance hyperfréquence et un système d'extraction des ions du plasma hors de la cavité, se caractérise en ce que la cavité étant du type multimode, on crée, au sein du milieu à ioniser, des germes électroniques et l'on entretient le plasma après son allumage à l'aide de la seule puissance hyperfréquence.
  • Le demandeur a mis en évidence qu'il était possible une fois le plasma allumé, de le maintenir en activité uniquement à l'aide de la seule puissance hyperfréquence injectée dans la cavité résonnante.
  • Ce résultat inattendu permet évidemment de réaliser des sources d'ions hyperfréquences beaucoup plus simples que celles de l'art antérieur et en particulier beaucoup plus économiques en raison de la suppression de la consommation électrique importante que nécessitait jusqu'à ce jour la présence d'un champ magnétique pour créer les conditions de résonance cyclotronique électronique.
  • Selon l'invention, l'allumage de la source d'ions par création de germes électroniques au sein du milieu à ioniser, peut avoir lieu soit de façon unique lors de l'allumage initial, soit de façon répétitive.
  • Il est à noter qu'un seul allumage permet le fonctionnement de la source en régime pulsé, pour un temps de récurrence de l'ordre de 100 millisecondes.
  • Selon les applications envisagées, une configuration magnétique axiale et/ou multipolaire peut être néanmoins nécessaire et utilisée pour confiner et homogénéiser le plasma, mais dans ce cas, les valeurs des champs magnétiques sont nettement inférieures celles qui étaient autrefois nécessaires à la création des conditions de résonance cyclotronique des électrons.
  • Selon une autre caractéristique du procédé d'allumage objet de l'invention, la création de germes électroniques au sein du milieu à ioniser est obtenue par ensemencement direct d'électrons.
  • Selon une autre variante, la création de ces mêmes germes électroniques est obtenue par application temporaire et locale d'un champ magnétique d'intensité suffisante pour créer, dans un petit volume de la cavité, les conditions d'établissement d'une résonance cyclotronique électronique qui provoque à son tour la création du plasma.
  • Selon une autre variante du procédé d'allumage objet de l'invention, la création des mêmes germes électroniques au sein du milieu à ioniser est obtenue par application temporaire d'une surpression dans la cavité.
  • La présente invention a également pour objet un dispositif d'allumage d'une source hyperfréquence mettant en oeuvre le procédé précédent de façon particulièrement simple et à l'aide de moyens en soi connus et d'emploi facile.
  • Dans un premier mode de mise en oeuvre de l'invention, ce dispositif d'allumage d'une source d'ions hyperfréquence utilisant de façon connue une cavité résonnante multimode alimentée par un gaz ou une vapeur d'un matériau destiné à former un plasma, un système d'injection dans la cavité d'une puissance hyperfréquence et un système d'extraction des ions du plasma hors de la cavité, se caractérise en ce qu'il est constitué d'un électroaimant ceinturant la paroi externe de la cavité, à quelques centimètres en aval du système d'injection et dont la carcasse magnétique est appliquée sur cette cavité.
  • Grâce à cet électroaimant situé contre la paroi de la cavité, on met en oeuvre le procédé d'allumage qui consiste à créer dans un petit volume de la cavité, de façon temporaire et locale, les conditions d'établissement d'une résonance cyclotronique électronique qui provoque à son tour la création du plasma.
  • Selon d'autres modes de mise en oeuvre du dispositif d'allumage d'une source d'ions hyperfréquence objet de l'invention, on utilise pour la création de germes électroniques au sein du milieu à ioniser un des moyens choisi dans le groupe comprenant les filaments chauffés, les pointes à émission de champ, les sources d'étincelles, les jauges d'ionisation, le dispositif choisi étant appliqué dans la cavité ou au travers de sa paroi.
  • Enfin, selon l'invention, chacune des trois dimensions de la cavité résonnante, longueur, largeur et hauteur, doit être supérieure au petit côtè ou au diamètre du guide d'ondes du système d'injection de la puissance haute fréquence de la cavité. Cette condition s'est révélée effectivement nécessaire pour pouvoir obtenir l'allumage et l'auto-entretien d'un plasma dans une cavité résonnante multimode ayant cette forme particulière mais de fait très fréquem- ment utilisée.
  • Bien entendu, les sources d'ions hyperfréquence mettant en oeuvre le procédé d'allumage, objet de l'invention, peuvent être d'une nature quelconque connue et notamment comporter, comme les autres sources, les variantes ou perfectionnements de détail rappelés ci-dessous.
  • C'est ainsi par exemple qu'une telle source peut comporter une configuration magnétique située en aval du système d'extraction des ions du plasma ou des électrons pour réaliser dans de bonnes conditions, le transport du faisceau extrait et même pour obtenir sa compression radiale.
  • Dans d'autres variantes, le système d'extraction des ions ou des électrons peut être constitué par une seule électrode portée à un potentiel déterminé.
  • Enfin, selon d'autres caractéristiques, qui s'utilisent de façon préférentielle mais non obligatoire, le dispositif d'allumage de la source d'ions hyperfréquence est situé à une distance de l'ordre de quelques centimètres en aval de la zone de jonction entre l'injecteur hyperfréquence et la cavité de la source d'ions. Cet emplacement s'est révélé effectivement avantageux pour obtenir un bon allumage dans des conditions d'efficacité maximales.
  • De la même façon, il est avantageux de placer l'injection du gaz ou de la vapeur du matériau que l'on désire ioniser en amont du système d'extraction des ions ou des électrons et dans son voisinage, c'est-à- dire à une distance relativement faible de ce dernier.
  • De toute façon, la présente invention sera mieux comprise en se référant à la description qui va suivre donnée à titre explicatif et nullement limitatif, d'un exemple de mise en oeuvre d'une source d'ions utilisant le procédé selon l'invention. Cette description sera faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :
    • - la figure 1 représente en coupe selon l'axe une source d'ions à cavité résonnante hyperfréquence équipée du dispositif d'allumage selon l'invention,
    • - la figure 2 représente une source identique à celle de la figure 1 sur laquelle on a placé en aval du faisceau une bobine supplémentaire de compression du plasma,
    • - la figure 3 montre un exemple de source d'ions munie d'un dispositif d'allumage sous forme d'une pointe à émission de champ. Sur la figure 3a, on a représenté une coupe selon l'axe Z de la source d'ions et sur la figure 3b une coupe transversale selon aa du même dispositif,
    • - la figure 4 montre un exemple de source d'ions munie de filament chauffé.
  • Selon l'invention, la figure 1 représente schématiquement et d'une manière simplifiée un exemple de réalisation d'une source d'ions, d'électrons ou de plasma, à hyperfréquence, en coupe transversale comprenant l'axe central Z de la source.
  • 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 au travers d'une fenêtre 13 et l'autre extrémité est reliée à l'endroit d'utilisation des ions, des électrons ou du plasma. Selon l'invention, et comme représenté sur les figures 1 et 2, le guide d'ondes 15, qui est de révolution, a un diamètre inférieur à celui de la cavité 9.
  • Il est à noter que la cavité 9 peut avoir une forme quelconque suivant la nature de l'utilisation. Notamment, le système d'injection d'une puissance hyperfréquence 8 peut être constitué par plusieurs injecteurs hyperfréquence en parallèle.
  • Conformément à l'invention, les dimensions relatives d'une source telle que celle des figures 1 et 2, vis-à-vis du système injecteur HF ne sont pas quelconques lorsque la cavité 9 est parallélépipédique. Dans ce cas, les dimensions des trois côtés de la cavité 9 doivent être supérieures au diamètre ou au petit côté du guide d'ondes qui injecte la puissance HF en 13, si l'on veut pouvoir allumer et surtout maintenir le plasma 10 en activité sans recourir à une résonance cyclotronique des électrons de ce plasma.
  • On introduit en 17 un gaz ou une vapeur destinée à former un plasma sous une pression faible de quelques 0,133 à 1,33 Pa en amont du système 14 d'extraction des ions et en son voisinage.
  • En fonctionnement multimode de la cavité, il existe en effet un gradient de pression dans la source, cette pression allant en croissant depuis la fenêtre 13 jusqu'à l'extraction, d'où le choix d'introduire le gaz à ioniser au voisinage de l'extraction.
  • Dans un autre mode de réalisation, le plasma peut être créé à un autre endroit et injecté ensuite dans la cavité 9.
  • Le système d'allumage 7 est constitué dans cet exemple par un électroaimant circulaire entourant la paroi 9 et comportant une bobine 11 annulaire et une carcasse de fer doux 12 appliquée contre la paroi 9. Cet électroaimant est capable d'allumer la décharge par une impulsion de champ en créant localement et temporairement dans la cavité un champ magnétique réalisant les conditions de résonance cyclotroniques des électrons, et le plasma s'allume en 10. Le système d'extraction des ions ou des électrons est représenté ici sous la forme d'une seule électrode 14.
  • 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, ce qui permet l'utilisation de "minicavités" à faible consommation de puissance hyperfréquence.
  • De toute façon, l'absence dans une source d'ions de ce type du champ magnétique élevé de création et d'entretien d'un phénomène de résonance cyclotronique électronique conduit à une économie très importante d'énergie, avantage majeur de la présente invention.
  • Enfin, le faisceau extrait de la source peut être comprimé, en aval des électrodes d'extraction par l'application d'un champ magnétique supplémentaire, c'est le cas par exemple de la bobine 15 sur l'exemple de la figure 2.
  • A titre d'exemple de mise en oeuvre, une source d'ions selon l'invention a fonctionné, sans champ magnétique de résonance cyclotronique dans les conditions suivantes :
    • - oscillateur 2,45 GHz,
    • - puissance HF fixe 1 kW,
    • - volume de la source 1 dm3,
    • - gaz N2 - P 5.10-4 mbar
    • - densité électronique ne 2.101Vcm3,
    • - température électronique Te = 6eV ;
  • La densité de coupure est ne = 7.1010, valeur que l'on ne peut atteindre dans une source RCE mono- mode à cette fréquence et pour ce gaz.
  • Sur la figure 3, on voit une source d'ions selon l'invention, munie d'un éclateur 18 de forme quelconque, pointue de préférence, isolé par rapport à la source d'ions 9 par un isolateur 19 et polarisé grâce à une alimentation 20 par rapport à cette même source d'ions 9.
  • Cette alimentation 20 peut être alternative (simple transformateur) ou continue dans ce cas la pointe 18 est portée à un potentiel négatif par rapport à la source 9.
  • La différence de potentiel (alternative ou continue) est de l'ordre de quelques kilovolts mais elle dépend de la pression et de la distance d entre la pointe et la paroi la plus éloignée de la source. Lorsque la source d'ions 9 est rectangulaire, il est préférable de mettre la pointe sur le petit côté de cette source 9 (figure 3b). Cet allumeur marche suivant le principe de la décharge luminescente ("glow" dis- charge). Dans une variante de mise en oeuvre, on peut mettre deux pointes et appliquer la différence de potentiel entre les deux pointes. Une source conforme à la figure 3 fonctionne bien par exemple avec les paramètres suivants :
    • -P=5.10-4mbar,
    • - d = 5 cm,
    • - V alternatif = 3000 volts,
    • - durée des impulsions T 1 s.
  • Sur la figure 4, la source 9 comporte, en tant qu'élément créateur du germe d'ensemencement du plasma un filament 21 en métal réfractaire (W, Mo, Ta) émettant des électrons. Ce filament 21 traverse la paroi 9 de la source dans un isolant 22 ; l'alimentation 23 de chauffage du filament est continue ou alternative.
  • Des valeurs courantes des paramètres de fonctionnement sont : P = 5.10-4 mbar avec un filament 21 ayant quelques mm2 de surface porté à environ 2000°C pendant 1 seconde environ.
  • En conclusion, on peut dire, d'une part que la diminution, voire la suppression totale du champ magnétique de confinement au niveau de la source entraîne une économie d'énergie très importante dans le cas de l'utilisation de bobines ou un gain important sur les investissements dans le cas de l'utilisation d'aimants ; il en résulte, d'autre part, que, grâce à ces gains d'énergies hyperfréquence et magnétique,les sources selon l'invention trouvent des applications importantes sur des plate-formes à haute tension (Van de Graaf, synchrocyclotrons, etc...), ce qui n'était pas le cas des sources traditionnelles à résonance cyclotroniques des électrons.

Claims (9)

1. Procédé d'allumage d'une source d'ions hyperfréquence comportant une cavité résonnante (9) alimentée par un gaz ou une vapeur d'un matériau destiné à former un plasma, un système d'injection (8) dans la cavité d'une puissance hyperfréquence et un système d'extraction (14) des ions du plasma hors de la cavité, caractérisé en ce que la cavité étant du type multimode, on crée, au sein du milieu à ioniser, des germes électroniques et l'on entretient le plasma après son allumage à l'aide de la seule puissance hyperfréquence.
2. Procédé d'allumage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la création de germes électroniques au sein du milieu à ioniser a lieu de façon unique lors de l'allumage initial.
3. Procédé d'allumage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la création de germes électroniques au sein du milieu à ioniser a lieu de façon répétitive.
4. Procédé d'allumage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la création de germes électroniques au sein du milieu à ioniser est obtenue par ensemencement direct d'électrons.
5. Procédé d'allumage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la création de germes électroniques au sein du milieu à ioniser est obtenue par application temporaire et locale d'un champ magnétique d'intensité suffisante pour créer, dans un petit volume de la cavité, les conditions d'établissement d'une résonance cyclotronique électronique qui provoque à son tour la création du plasma.
6. Procédé d'allumage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la création de germes électroniques au sein du milieu à ioniser est obtenue par application temporaire d'une surpression dans la cavité.
7. Source d'ions hyperfréquence comportant une cavité résonnante multimode (9) alimentée par un gaz ou une vapeur d'un matériau destiné à former un plasma, un système d'injection (8) dans la cavité d'une puissance hyperfréquence et un système d'extraction (14) des ions du plasma hors de la cavité, caractérisé en ce qu'elle comporte un dispositif d'allumage constitué d'un électroaimant (11, 12) ceinturant la paroi externe de la cavité, à quelques centimètres en aval du système d'injection (8) et dont la carcasse magnétique (12) est appliquée sur la paroi (9) de cette cavité.
8. Source d'ions hyperfréquence utilisant de façon connue une cavité résonnante multimode (9) alimentée par un gaz ou une vapeur d'un matériau destiné à former un plasma, un système d'injection (8) dans la cavité d'une puissance hyperfréquence et un système d'extraction (14) des ions du plasma hors de la cavité, caractérisé en ce qu'elle comporte un dispositif d'allumage choisi dans le groupe comprenant les filaments chauffés, les pointes à émission de champ, les sources d'étincelles, les jauges d'ionisation, le dispositif choisi étant appliqué dans la cavité ou au travers de sa paroi.
9. Source d'ions hyperfréquence selon l'une quelconque des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que les trois dimensions de la cavité résonnante multimode, longueur, largeur et hauteur, sont chacune supérieure au petit côté ou au diamètre du guide d'ondes du système d'injection de la puissance haute fréquence dans la cavité.
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