EP0295743A1 - Source d'ions à quatre électrodes - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a vacuum arc ion source comprising an anode and a cathode arranged opposite, polarized at different potentials and the main arc of which leads to the formation of a plasma directed perpendicular to the surface of the cathode is initiated by the projection of another plasma between said anode and said cathode for a short time relative to the arc pulse length.
- the projection has the shape of a cone.
- the ions can be extracted by means of an acceleration electrode brought to a negative voltage and of an extraction electrode, the latter being for example the anti-micro-projection system of particles.
- Ion sources are used to create ions in isotopic separators, mass spectrometers, implanters, plasma machines, accelerators, neutron tubes etc ... They generally use the ionization of a gas injected into an almost closed volume.
- vacuum arc sources Compared to such gas discharge sources as the Penning source, vacuum arc sources have the following advantages: - small dimensions for the production of plasma, - large flow of metal ions allowing the use of large extraction surfaces, - vacuum operation and therefore not requiring high flow differential pumping systems to reduce the gas pressure in the ion acceleration zone.
- Sources of vacuum arc ions of the kind mentioned in the preamble are of three electrode structure: anode, cathode and arc control trigger.
- An example of a structure commonly used is given in the article "Metal Vapor Vacuum Arc Ion Source” by T.G. Brown et al., Published in Review of Engineer Instruments, volume 57, No.6, June 1986, pages 1069-1084.
- the object of the invention is to increase: - the ease of electrical control by a generator capable of being independent from the electrical polarization aspect, the simplicity of mounting the cathode of the ion source, mounting made independent of the trigger, and which no longer requires reduced mechanical tolerances as in the document referenced above, - the duration of operation and the reliability of the ion source by increasing the active part of the triggers and by moving them away from the cathode, the surface of which is strongly eroded and often deformed by the cathode spots (risk of short circuits following local mergers or excessive metallization).
- the ion source of the invention is remarkable in that the projection of the initial plasma is obtained by means of two autonomous triggers, one known as the cathode trigger which can be close to the anode, the other known as gâ anodic chette can be close to the cathode and suitably polarized with respect to said anode and said cathode.
- triggers are formed, for example, by the superposition of two concentric circular rings, separated from each other, the anode and the cathode being arranged in the central zone of said rings and symmetrically with respect to their axis.
- a cathode 1 of cylindrical shape is arranged opposite an anode.
- This anode can be a metal disc 2 pierced with a circular opening in its center as shown in Figure 1a, or a metal grid 3 as shown in Figure 1b.
- Two independent triggers superimposed 4 and 5 in the form of concentric circular rings surround the active part of the anode and the cathode.
- These crowns are made up: - either of two metal, massive, toric electrodes, separated by a small space, - either a metal layer with or without hydride deposited on an insulating support and on which a groove has been drawn which ensures their separation, - or a semiconductor layer with plasma emission by conduction (for example carbon layer) and similarly delimited by the drawing of a groove.
- control plasma behaves like an electrical conductor of extensible form; during its passage between the cathode and the anode of the ion source, there is a short circuit between these two electrodes: the electrons of the control plasma are attracted by the anode and the ions by the cathode.
- the process is as follows: the electrons in the plasma have a mobility much higher than the ions and the control plasma (out of respect for its overall electrical neutrality) will take the potential of anode 2 or 3.
- the potential difference applied to the ion source and the plasma ions are extracted by creating a cathode sheath whose height will be a function of the ion density of the plasma.
- the resulting electric field on the cathode is very high and, depending on the trigger adjustment parameters (trigger current, duration of application: a few hundred nanoseconds to a few microseconds, cathode-anode trigger distance), there may be (or no) striking the arc.
- a cathode plasma 7 is formed from very bright points and very small dimensions (cathode spots).
- the arcing between the two triggers notably facilitates the control of the source in accordance with the invention.
- FIG. 2 shows an advantageous embodiment of the invention.
- a metal part 8 pierced with a central opening 9 serves as a support for the entire device. On this part is mounted the support 10 of the anode 2 also serving for its polarization. An insulating ring 11 secured to the support 10 ensures the attachment of the triggers 4 and 5.
- the cathode 1 mounted on a metal rod 12 passing through the central opening 9 is adjustable longitudinally by means of the bellows 13; it is isolated from the triggers by the crown 14 also integral with the support 8.
- the output 15 for polarization of the triggers is made through another opening 16 likewise made in the support 8.
- the cathode plasma 7 is generated as indicated above.
- FIG. 3 presents some examples of an extraction electrode, limiting the volume of expansion of the cathode plasma 7; the shape and structure of this electrode is a function of the ion acceleration mode selected, as shown in the diagrams below:
- FIG. 3a structure with a single orifice of the point type 17 leading to extracted beams limited in flow and projected onto a target 19 through an acceleration electrode 18,
- FIG. 3b simple grid structure with high transparency 20 used for example for the bombardment of an electrode 19, FIG.
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Abstract
Description
- L'invention concerne une source d'ions à arc sous vide comportant une anode et une cathode disposées en vis à vis, polarisées à des potentiels différents et dont l'arc principal conduisant à la formation d'un plasma dirigé perpendiculairement à la surface de la cathode est initié par la projection d'un autre plasma entre ladite anode et ladite cathode pendant une courte durée par rapport à la longueur d'impulsion d'arc.
- Lorsqu'on fait jaillir un arc entre deux électrodes placées sous vide, le matériau des électrodes est localement vaporisé sous l'effet de l'échauffement. Il en résulte la formation d'un plasma, c'est-à-dire d'un mélange ions-électrons à charge totale nulle.
- L'émission de ce plasma projeté avec une énergie moyenne de quelques dizaines d'électrons-volts est faite à partir de points très brillants et de très faibles dimensions appelés spots cathodiques et la quantité d'ions dans le plasma représente quelques pourcents (5 à 10 %) de la charge électrique transportée par l'arc.
- La projection a la forme d'un cône. Les ions peuvent être extraits au moyen d'une électrode d'accélération portée à une tension négative et d'une électrode d'extraction, cette dernière pouvant être par exemple le système anti-micro-projections de particules.
- Les sources d'ions sont utilisées pour créer des ions dans les séparateurs isotopiques, les spectromètres de masse, les implanteurs, les machines à plasma, les accélérateurs, les tubes à neutrons etc... Elles utilisent en général l'ionisation d'un gaz injecté dans un volume quasi fermé.
- Par rapport à de telles sources à décharge gazeuse comme la source Penning, les sources à arc sous vide présentent les avantages suivants :
- faibles dimensions pour la production du plasma,
- grand débit d'ions métalliques permettant l'utilisation de grandes surfaces d'extraction,
- fonctionnement sous vide et par conséquent ne nécessitant pas des systèmes de pompage différentiel de grand débit pour diminuer la pression de gaz dans la zone d'accélération des ions. - Les sources d'ions à arc sous vide du genre mentionné dans le préambule sont de structure à trois électrodes : anode, cathode et gâchette de commande de l'arc. Un exemple de structure couramment utilisée est donné dans l'article "Metal Vapor Vacuum Arc Ion Source" par T.G.Brown et al., publié dans Review of Scientist Instruments, volume 57, No.6, juin 1986, pages 1069-1084.
- Le but de l'invention est d'accroître :
- la facilité de commande électrique par un générateur susceptible d'être indépendant sous l'aspect polarisation électrique,
- la simplicité de montage de la cathode de la source d'ions, montage rendu indépendant de la gâchette, et qui ne nécessite plus de tolérances mécaniques réduites comme dans le document référencé ci-dessus,
- la durée de fonctionnement et la fiabilité de la source d'ions en augmentant la partie active des gâchettes et en les éloignant de la cathode, dont la surface est fortement érodée et souvent déformée par les spots cathodiques (risque de court-circuits consécutifs à des fusions locales ou à des métallisations excessives). - A cet effet, la source d'ions de l'invention est remarquable en ce que la projection du plasma initial est obtenue au moyen de deux gâchettes autonomes, l'une dite gâchette cathodique pouvant être proche de l'anode, l'autre dite gâ chette anodique pouvant être proche de la cathode et convenablement polarisées par rapport à ladite anode et à ladite cathode.
- Ces gâchettes sont constituées par exemple, par la superposition de deux couronnes circulaires concentriques, séparées l'une de l'autre, l'anode et la cathode étant disposées dans la zone centrale desdites couronnes et symétriquement par rapport à leur axe.
- La description suivante en regard des dessins annexés, le tout donné à titre d'exemple, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée.
- La figure 1 montre en coupe le schéma de principe d'une source d'ions selon l'invention.
- La figure 2 montre un mode particulier de réalisation d'une telle source.
- La figure 3 présente les schémas de quelques types d'électrodes d'extraction.
- Sur le schéma en coupe de la figure 1 une cathode 1 de forme cylindrique est disposée en face d'une anode.
- Cette anode peut être un disque métallique 2 percé d'une ouverture circulaire en son centre tel que représenté sur la figure 1a, ou une grille métallique 3 telle que représentée sur la figure 1b.
- Deux gâchettes autonomes superposées 4 et 5 en forme de couronnes circulaires concentriques entourent la partie active de l'anode et la cathode. Ces couronnes sont constituées :
- soit de deux électrodes métalliques, massives, toriques, séparées par un espace de faible dimension,
- soit d'une couche métallique avec ou sans hydrure déposée sur un support isolant et sur laquelle on a tracé un sillon qui assure leur séparation,
- soit d'une couche semiconductrice avec émission de plasma par conduction (par exemple couche de carbone) et délimitée de même par le tracé d'un sillon. - Ces diverses électrodes (anode, cathode et gâchettes autonomes) sont convenablement polarisées par des sources non représentées. L'initiation d'un arc entre les gâchettes 4 et 5 engendre un plasma 6 dit plasma de commande. Le plasma de commande se comporte comme un conducteur électrique de forme extensible ; lors de son passage entre la cathode et l'anode de la source d'ions, il y a court-circuit entre ces deux électrodes : les électrons du plasma de commande sont attirés par l'anode et les ions par la cathode. En fait, physiquement, le processus est le suivant : les électrons du plasma ont une mobilité très supérieure aux ions et le plasma de commande (par respect de sa neutralité globale électrique) va prendre le potentiel de l'anode 2 ou 3. Dans ces conditions, il apparaît entre la plasma et la cathode 1 la différence de potentiel appliquée à la source d'ions et les ions du plasma sont extraits en créant une gaine cathodique dont la hauteur sera fonction de la densité ionique du plasma. Le champ électrique résultant sur la cathode est très élevé et, suivant les paramètres de réglage de la gâchette (courant gâchette, durée d'application : quelques centaines de nanosecondes à quelques microsecondes, distance gâchette cathode-anode), il peut y avoir (ou non) amorçage de l'arc. Dans ces conditions, si le courant d'électrons entre anode et cathode est suffisamment élevé pour échauffer et vaporiser localement la cathode, la vapeur métallique ainsi produite est ionisée par les électrons et il se forme un plasma cathodique 7 à partir de points très brillants et de très faibles dimensions (spots cathodiques). L'amorçage d'arc entre les deux gâchettes facilite notablement la commande de la source conformément à l'invention.
- La figure 2 montre un mode de réalisation avantageux de l'invention.
- Une pièce métallique 8 percée d'une ouverture centrale 9 sert de support à l'ensemble du dispositif. Sur cette pièce est monté le support 10 de l'anode 2 servant également à sa polarisation. Une couronne isolante 11 solidaire du support 10 assure la fixation des gâchettes 4 et 5. La cathode 1 montée sur une tige métallique 12 traversant l'ouverture centrale 9 est réglable longitudinalement au moyen du soufflet 13 ; elle est isolée des gâchettes par la couronne 14 également solidaire du support 8. La sortie 15 de polarisation des gâchettes est effectuée à travers une autre ouverture 16 pratiquée de même dans le support 8. Le plasma cathodique 7 est engendré comme indiqué ci-dessus.
- La figure 3 présente quelques exemples d'électrode d'extraction, limitant le volume d'expansion du plasma cathodique 7 ; la forme et la structure de cette électrode sont fonction du mode d'accélération des ions retenu, comme le font apparaître les schémas ci-dessous :
- figure 3a : structure à simple orifice de type ponctuel 17 conduisant à des faisceaux extraits limités en débit et projetés sur une cible 19 à travers une électrode d'accélération 18,
- figure 3b : structure à grille simple de grande transparence 20 utilisée par exemple pour le bombardement d'une électrode 19,
- figure 3c : structure à un (ou plusieurs) orifice(s) d'extraction 21 de forme compatible avec les électrodes d'accélération 22 et conduisant à une définition du (ou des) faisceau(x) extrait(s) parfaitement maîtrisée,
- figure 3d : structure type "nid d'abeille" 23 permettant d'atténuer à l'extraction les variations de densité des flux de plasma cathodique. - Ces types de structure peuvent être appliqués en particulier au mode de réalisation de la source d'ions représenté à titre d'exemple sur la figure 2.
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