EP0371894A1 - Source de vapeurs et d'ions - Google Patents

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    • H05H3/00—Production or acceleration of neutral particle beams, e.g. molecular or atomic beams
    • H05H3/02—Molecular or atomic beam generation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J27/00—Ion beam tubes
    • H01J27/02—Ion sources; Ion guns
    • H01J27/08—Ion sources; Ion guns using arc discharge
    • H01J27/14—Other arc discharge ion sources using an applied magnetic field

Definitions

  • the present invention relates to a source of vapors and ions, and in particular a source of vapors and metal ions.
  • an object of the present invention is to provide another type of vapor and ion source of particularly simple structure and with a long service life.
  • the present invention provides a source of vapors and ions comprising, in a low-pressure enclosure, an anode (ground), a cathode and means for applying a magnetic field, the cathode being constituted an equipotential cavity provided with an opening, a magnetic field being applied orthogonally to the plane of the opening and the material to be ionized being placed in the cathode cavity.
  • the present invention provides for using a cathode 10 provided with an internal cavity and an outlet opening 11.
  • This cathode is enclosed in an enclosure, for example a conductive enclosure M to ground that hereinafter sometimes called mass sometimes anode since it constitutes an anode with respect to the cathode 10.
  • This enclosure is provided with pumping means 13 and means 14 for introducing a gas, this gas being for example helium, argon, etc.
  • a magnet or other means for applying a magnetic field A is provided for applying a magnetic field B at the opening 11 of the cathode orthogonally to the plane of the latter.
  • a material to be ionized for example a metal 15 in the form of powder, bars, chips, etc.
  • the enclosure M is evacuated and a carrier gas is introduced therein under a pressure of the order of a few tenths to a few tens of pascals.
  • a carrier gas is introduced therein under a pressure of the order of a few tenths to a few tens of pascals.
  • the plasma potential is not the potential of the cathode 10 but that, if the potential of this cathode is for example -500 volts, the plasma potential may be a few tens of volts.
  • the plasma potential may be brought to a variable potential between a hundred and a thousand volts approximately.
  • the vapor pressure of the material in the cavity reaches a pressure of the order of Pascal, one can interrupt the arrival of the gases 14 which cause the initial creation of the plasma while continuing the pumping by the pump 13.
  • the discharge is maintained since, under these conditions, it is the vapors of the material 15 which play the role of the initial gas. There is therefore a self-maintained plasma inside the cavity.
  • the material 15 will be for example a metal.
  • the cathode is at a potential of -500 volts and the plate 20 at a potential of the order of -1200 volts, we obtained with copper 3 amperes of Cu + ions accelerated to 1200 volts on a surface of 50 cm2.
  • the deposition rate of the copper atoms on the plate 20 was 20 micrometers / min, from which it can be deduced that 25 percent of the evaporated copper atoms were ionized.
  • the process according to the present invention has many advantages, among which we can mention: - a high deposition rate equivalent to that achieved by vacuum evaporation, - a high ionization rate of metallic vapors (up to 25% while conventional ion deposition techniques reach ionization rates of the order of 1 to 2%), - the possibility of operating in the absence of carrier gas for 60% of the metals, which reduces the pollution rate.
  • the device according to the present invention can have a long service life.
  • no fundamental consideration limits the dimensions of the device and it is conceivable to bombard the target 20 over a great length if the opening 12 is a slot of great extent.
  • the present invention is susceptible of numerous variants.
  • the material constituting the cathode and the mass enclosure will be chosen to be non-reactive at operating temperatures, which is for example the case of tungsten.
  • the enclosure may take various forms and may for example be associated with a ground grid disposed opposite the opening 11 to promote the initial formation of the plasma.
  • Various systems of grids or openings brought to different potentials may be provided to accelerate and / or focus the ions projected onto the target.

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Abstract

La présente invention concerne une source de vapeurs et d'ions comprenant dans une enceinte à basse pression une anode (M), une cathode (K) et des moyens d'application d'un champ magnétique (A). La cathode (K) est constituée d'une cavité équipotentielle (10) munie d'une ouverture (11). Un champ magnétique (B) orthogonal au plan de l'ouverture est appliqué au niveau de celle-ci. Le matériau à ioniser (15) est disposé dans la cavité de cathode.

Description

  • La présente invention concerne une source de vapeurs et d'ions, et notamment une source de vapeurs et d'ions métalliques.
  • Dans l'art antérieur, les sources de vapeurs et d'ions métalliques résultent classiquement du bombardement d'une cible par un faisceau d'électrons. Ceci exige un appareil complexe et délicat, fonctionnant sous un vide élevé (de l'ordre de 10⁻³ Pascals) et de durée de vie limitée.
  • Ainsi, un objet de la présente invention est de prévoir un autre type de source de vapeurs et d'ions de structure parti­culièrement simple et à durée de vie longue.
  • Pour atteindre cet objet, la présente invention prévoit une source de vapeurs et d'ions comprenant, dans une enceinte à basse pression, une anode (masse), une cathode et des moyens d'application d'un champ magnétique, la cathode étant constituée d'une cavité équipotentielle munie d'une ouverture, un champ ma­gnétique étant appliqué orthogonalement au plan de l'ouverture et le matériau à ioniser étant disposé dans la cavité de cathode.
  • Pour faire fonctionner cette source d'ions, on dispose initialement dans l'enceinte, et notamment dans la cavité de la cathode, un gaz porteur à basse pression et la cathode est portée à un potentiel négatif de l'ordre de quelques centaines de volts par rapport à l'anode (la masse). Il en résulte une ionisation du gaz porteur et un échauffement de la cathode. Par suite, le maté­ riau à ioniser disposé dans la cathode se volatilise et est ioni­sé. Les vapeurs métalliques et les ions du matériau peuvent ensuite être projetés vers une cible disposée à un potentiel négatif par rapport au potentiel du plasma. Une fois le phénomène amorcé, on peut procéder à un pompage pour réduire la proportion de gaz por­teur qui devient inutile.
  • Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés plus en détail dans la description suivante d'un mode de réalisation particulier faite en relation avec la figure jointe.
  • Comme l'illustre la figure, la présente invention pré­voit d'utiliser une cathode 10 munie d'une cavité interne et d'une ouverture de sortie 11. Cette cathode est enfermée dans une en­ceinte, par exemple une enceinte conductrice M à la masse que l'on appelera ci-après tantôt masse tantôt anode puisqu'elle constitue une anode par rapport à la cathode 10. Cette enceinte est munie de moyens de pompage 13 et de moyens 14 d'introduction d'un gaz, ce gaz étant par exemple de l'hélium, de l'argon, etc.
  • Un aimant ou autre moyen d'application de champ magnéti­que A est prévu pour appliquer un champ magnétique B au niveau de l'ouverture 11 de la cathode orthogonalement au plan de celle-ci. Dans la cavité 10 est disposé un matériau à ioniser, par exemple un métal 15 sous forme de poudre, de barreaux, de copeaux etc.
  • Initialement, on évacue l'enceinte M et on y introduit un gaz porteur sous une pression de l'ordre de quelques dixièmes à quelques dizaines de pascals. Quand la cathode est portée à un po­tentiel négatif de quelques centaines de volts, un champ électri­que apparaît et, du fait de l'existence de la cavité, les lignes de champ électriques 16 s'incurvent vers l'intérieur de la cavité au niveau de l'ouverture, comme cela est représenté dans la figu­re. Ainsi, il existe des zones où le champ électrique E, du fait de la courbure des lignes de champ, est perpendiculaire au champ magnétique appliqué B. Il en résulte la création d'un plasma pour des pressions gazeuses beaucoup plus faibles qu'en l'absence de tels champs électrique et magnétique croisés. En effet, ce sont les effets de bord (courbure du champ électrique due à la présence de l'ouverture dans la cavité) conjugués avec le champ magnétique croisé en certains emplacements qui sont à l'origine de la créa­tion du plasma. Il se forme ainsi pour des pressions de gaz porteur supérieures à quelques dixièmes de pascal une zone de plasma sen­siblement telle que délimitée par des pointillés dans la figure, au voisinage de l'ouverture 11. Pour que ce phénomène se produise, il faut, comme cela est connu, que l'ouverture ait une dimension suffisante, par exemple une fente de plus de 4 mm de large, et soit ménagée dans une surface ou plaque sensiblement plane perpen­diculaire à la direction du champ magnétique.
  • Il résulte de l'apparition de ce plasma un échauffement des parois de la cavité 10 et donc du matériau 15 qui se sublime ou s'évapore (selon qu'il se liquéfie ou non). Il y a alors créa­tion de vapeurs de ce matériau. Ces vapeurs émergent par l'orifice 11 de la cavité et une proportion notable de celles-ci est ionisée par les électrons du plasma : il y a donc création d'ions du maté­riau 15 qui peuvent être collectés par une plaque 20 disposée en regard de l'ouverture de la cavité et portée à un potentiel néga­tif par rapport à la masse. Cette plaque reçoit donc les ions et les vapeurs du matériau tandis que les électrons sont repoussés par le potentiel négatif vers la masse.
  • On notera que le potentiel du plasma n'est pas le poten­tiel de la cathode 10 mais que, si le potentiel de cette cathode est par exemple de -500 volts, le potentiel du plasma pourra être de quelques dizaines de volts. Ainsi, selon l'énergie d'impact que l'on veut conférer aux ions sur la plaque 20, celle-ci sera portée à un potentiel variable entre une centaine et un millier de volts environ.
  • Si la pression de vapeur du matériau dans la cavité atteint une pression de l'ordre du Pascal, on peut interrompre l'arrivée des gaz 14 qui provoquent la création initiale du plasma tout en continuant le pompage par la pompe 13. La décharge se maintient puisque, dans ces conditions, ce sont les vapeurs du matériau 15 qui jouent le rôle du gaz initial. Il existe donc un plasma auto-maintenu à l'intérieur de la cavité.
  • On obtient ainsi une source de vapeurs et d'ions auto-­entretenue par la présence du matériau 15, cette source fonction­nant sous un vide de l'ordre du dixième à la dizaine de pascals.
  • Le matériau 15 sera par exemple un métal. Dans le cas où la cathode est à un potentiel de -500 volts et la plaque 20 à un potentiel de l'ordre de -1200 volts, on a obtenu avec du cuivre 3 ampères d'ions Cu+ accélérés à 1200 volts sur une surface de 50 cm². La vitesse de dépôt des atomes de cuivre sur la plaque 20 était de 20 micromètres/mn, d'où l'on peut déduire que 25 pour cent des atomes de cuivre évaporés étaient ionisés.
  • Cette possibilité d'obtenir une source auto-entretenue par la présence d'un métal et fonctionnant sous vide (en l'absence de gaz porteur) se présente pour environ 60 % des métaux (ceux dont la pression de vapeur saturante est supérieure à quelques pascals à des températures inférieures à 1600-1700°C, qui sont des températures existant normalement à l'intérieur de la cavité de cathode).
  • Le procédé selon la présente invention présente de nom­breux avantages parmi lesquels on peut mentionner :
    - une grande vitesse de dépôt équivalente à celle que l'on atteint par évaporation sous vide,
    - un taux d'ionisation élevé des vapeurs métalliques (jusqu'à 25 % alors que les techniques classiques de dépôt ionique atteignent des taux d'ionisation de l'ordre de 1 à 2 %),
    - la possibilité de fonctionner en l'absence de gaz por­teur pour 60 % des métaux, ce qui réduit le taux de pollution.
  • Il résulte du nombre d'ions important que l'on peut im­planter sur une cible 20 une excellente adhérence du dépôt.
  • En raison de sa grande simplicité le dispositif selon la présente invention peut présenter une durée de vie longue. En ou­tre, aucune considération fondamentale ne limite les dimensions du dispositif et l'on peut envisager de bombarder la cible 20 sur une grande longueur si l'ouverture 12 est une fente de grande étendue.
  • La présente invention est susceptible de nombreuses va­riantes. Le matériau constituant la cathode et l'enceinte de masse sera choisi non réactif aux températures de fonctionnement, ce qui est par exemple le cas du tungstène. L'enceinte pourra prendre di­verses formes et pourra par exemple être associée à une grille de masse disposée en face de l'ouverture 11 pour favoriser la forma­tion initiale du plasma. Divers systèmes de grilles ou d'ouver­tures portés à des potentiels différents pourront être prévus pour accélérer et/ou focaliser les ions projetés sur la cible.

Claims (5)

1. Source de vapeurs et d'ions comprenant dans une en­ceinte à basse pression une anode (M), une cathode (K) et des moyens d'application d'un champ magnétique, caractérisée en ce que :
- la cathode (K) est constituée d'une cavité équipoten­tielle (10) munie d'une ouverture (11),
- un champ magnétique (B) orthogonal au plan de l'ouver­ture est appliqué au niveau de celle-ci, et
- le matériau à ioniser est disposé dans la cavité de cathode.
2. Source d'ions selon la revendication 1, caractérisée en ce que le matériau à ioniser est un métal.
3. Source d'ions selon la revendication 1, caractérisée en ce que la pression de l'enceinte est de l'ordre de quelques dixièmes de Pascal, cette pression étant initialement assurée par un gaz porteur et ensuite par le matériau à ioniser lui-même.
4. Source d'ions selon la revendication 1, caractérisée en ce que la cathode est à un potentiel négatif de quelques cen­taines de volts.
5. Source d'ions selon l'une quelconque des revendica­tions 1 à 4, caractérisée en ce que ladite ouverture est une fente de grande longueur.
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