EP0781921A1 - Source d'ions à dérive fermée d'électrons - Google Patents

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EP0781921A1
EP0781921A1 EP96402873A EP96402873A EP0781921A1 EP 0781921 A1 EP0781921 A1 EP 0781921A1 EP 96402873 A EP96402873 A EP 96402873A EP 96402873 A EP96402873 A EP 96402873A EP 0781921 A1 EP0781921 A1 EP 0781921A1
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EP
European Patent Office
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annular channel
ion source
source according
channel
anode
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EP96402873A
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German (de)
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EP0781921B1 (fr
Inventor
Dominique Valentian
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Safran Aircraft Engines SAS
Original Assignee
Societe Europeenne de Propulsion SEP SA
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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
    • H01J27/08—Ion sources; Ion guns using arc discharge
    • H01J27/14—Other arc discharge ion sources using an applied magnetic field
    • H01J27/143—Hall-effect ion sources with closed electron drift
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03H—PRODUCING A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03H1/00—Using plasma to produce a reactive propulsive thrust
    • F03H1/0037—Electrostatic ion thrusters
    • F03H1/0062—Electrostatic ion thrusters grid-less with an applied magnetic field
    • F03H1/0075—Electrostatic ion thrusters grid-less with an applied magnetic field with an annular channel; Hall-effect thrusters with closed electron drift
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/54—Plasma accelerators

Definitions

  • the present invention relates to ion sources with closed electron drift which can be used as propellants, more particularly for spacecraft, or as ion sources for industrial treatments such as, in particular, deposition under vacuum, deposition assisted by ion production (IAD, "Ion Assisted Deposition”) or dry etching of microcircuits.
  • IAD deposition assisted by ion production
  • dry etching of microcircuits dry etching of microcircuits.
  • Industrial ion beam treatments can involve ion sources with a grid or a closed electron drift. These two types of ion sources were initially developed for space use (ion propellants or plasma thrusters).
  • Grid sources known as ion bombardment thrusters, were invented by Pr. Kaufman in 1961.
  • These sources produce relatively high energy ions (500 to 1000 eV) with relatively low beam densities (2 to 6 mA / cm 2 at the grid). They are well suited to certain applications such as deep fine etching or uniform ion erosion of targets.
  • Figure 1 depicts a closed electron drift plasma thruster as proposed in an article by LH Artsimovitch et al. published in 1974 in "Machinostroenie", pp. 75-84, about the program development of the stationary thruster and its tests on the "METEOR” satellite.
  • Such thrusters of the "closed electron drift” type, or stationary plasma thrusters are distinguished from other categories by the fact that ionization and acceleration are not differentiated and that the acceleration zone has a number equal of ions and electrons, which eliminates any space charge phenomenon.
  • annular channel 1 can be seen defined by a part 2 made of insulating material and placed in an electromagnet comprising external annular pole pieces 3 and internal 4 placed respectively outside and inside part 2 in insulating material, a magnetic yoke 12 disposed upstream of the motor and of the electromagnet coils 11 which extend over the entire length of the channel 1 and are mounted in series around magnetic cores 10 connecting the external pole piece 3 to the yoke 12.
  • a hollow cathode 7, connected to ground, is coupled to a xenon supply device to form a plasma cloud in front of the downstream outlet of the channel 1.
  • the ionization and neutralization electrons come from the hollow cathode 7.
  • the ionization electrons are drawn into the insulating annular channel 1 by the electric field prevailing between the anode 5 and the plasma cloud coming from the cathode 7.
  • the ionization electrons take a drift trajectory in azimuth necessary to maintain the electric field in the channel.
  • the ionization electrons then drift along closed paths inside the insulating channel, hence the name of the propellant.
  • the specific pulse obtained by conventional ion thrusters with closed electron drift operating with xenon is of the order of 1000 to 2500 seconds.
  • Figure 2 is an axial section of an example of a thruster developed by Professor Morozov which was the subject of a publication in document FR-A-2 693 770.
  • This propellant 20 comprises, like the propellant of FIG. 1, an annular channel 21 defined by a part 22 of insulating material, a magnetic circuit comprising annular parts external 24 a and internal 24 b , a magnetic yoke 32 disposed upstream of the propellant and a central core 28 connecting the annular parts 24 a , 24 b and the magnetic yoke 32.
  • Coils 31 make it possible to create a magnetic field and an electric field in the annular channel.
  • the hollow cathode 40 is coupled to a xenon supply device to form a plasma cloud in front of the downstream outlet of the channel 21.
  • This motor is characterized by the presence of a still chamber 23 which has a dimension in the radial direction larger than that of the main annular channel 21.
  • An anode 25 is disposed on the insulating parts 22 delimiting the annular channel 21, in an area located immediately downstream of the stilling chamber 23.
  • An annular ionizable gas distributor 27 is disposed at the bottom of the ple
  • a strong beam divergence is beneficial for certain industrial applications such as IAD (Ion Assisted Deposition) on spherical caps.
  • Figure 3 shows the section through an ALT anode layer propellant.
  • the magnetic circuit is very close to that of a first generation SPT stationary plasma thruster. It comprises a central pole piece 54 around which is wound an internal coil 61 serving to support the propellant, and an external annular pole piece 53, these two pole pieces grounded being connected by magnetic cores 60 supporting external coils 61.
  • the walls 56 of the acceleration channel 51 of ALT anode layer thrusters are made of a metallic conductive material.
  • a massive anode 55 and a cathode 59 also serve to distribute the propellants.
  • the massive anode 55 occupies most of the acceleration chamber, the acceleration channel 51 being reduced to a very thin area located between the massive anode 55 and the conductive walls 56 (hence the name anode layer). In fact, all parts of the propellant in contact with the discharge are metallic.
  • FIG. 4A which relates to a conventional plasma thruster with an acceleration channel fully defined by an insulating part 62
  • the internal surface delimiting the acceleration channel is divided into two zones under the influence of the operation. of the propellant.
  • the downstream zone 67 of length L (the length L can have values of the order of 5 to 7 mm for a thruster with a diameter of 100 mm), corresponds to a zone permanently eroded by ion bombardment.
  • the upstream zone 68 corresponds on the contrary to a zone for depositing the eroded products.
  • FIG. 4B shows the evolution of the value of the radial component of the magnetic induction B r as a function of the axial position Z on the imaginary cylindrical surface 65 corresponding to an average radius of the acceleration channel.
  • FIG. 4C represents the value of the potential V as a function of the axial position Z on the same imaginary cylindrical surface 65 corresponding to an average radius of the acceleration channel.
  • the deposition zone 68 corresponds to an almost zero potential gradient (Figure 4C) and to a relatively weak radial magnetic field B r ( Figure 4B).
  • the operation of the propellant is linked to plasma-wall interactions and in particular to the secondary emission characteristics of the wall.
  • the secondary emission properties may be different in zones 67 and 68.
  • the plasma thruster channel comprises boron nitride
  • the erosion of this channel can bring boron atoms onto the substrate to be treated. This can be particularly troublesome for microelectronic applications because boron is a silicon dopant.
  • stationary plasma thrusters like anode layer thrusters, have practically non-removable anodes, which does not allow, for example, to easily pass from oxygen to argon.
  • plasma thrusters with an acceleration channel defined by fully ceramic parts have drawbacks insofar as the ceramic channel must obey contradictory requirements: resistance to sputtering, mechanical strength, resistance to thermal gradient and thermal shock.
  • the object of the present invention is to remedy the drawbacks of known electron drift ion sources and, more particularly, to modify them to allow greater flexibility. of use.
  • the improvements of the invention aim in particular to reduce the mass of these sources while increasing their longevity, to simplify the manufacture of these sources while facilitating their dismantling and to increase their mechanical resistance.
  • the invention also aims to reduce the emission of particles resulting from the erosion of the walls of the acceleration channel so that these sources may be capable of being used effectively as sources of ions in industrial treatments at large scale, while their structure has so far limited their use mainly to the propulsion of satellites or other spacecraft.
  • a source of ions with closed electron drift comprising a main annular ionization and acceleration channel open at its downstream end, at least one hollow compensation cathode disposed outside the channel.
  • main annular means for creating a magnetic field in the main annular channel, adapted to produce in said channel a substantially radial magnetic field having a gradient with maximum induction at the downstream end of the channel, a first supply means in ionizable gas associated with the hollow cathode and a second means for supplying ionizable gas situated upstream from the main annular channel, and biasing means cooperating with an anode, characterized in that at least the internal wall of the main annular channel of this source consists of an electrically conductive material, and in that end pieces brought to a potential p read lower than that of the anode extend the annular channel downstream thereof.
  • the downstream part of the channel which is subjected to the intensive erosion of the ions which can thus lead to possible pollution of the substrate to be treated by the erosion products
  • the downstream part extending the channel using a material different from that of the upstream part of the main annular channel which, for its part, must be essentially compatible with the partially ionized plasma gas.
  • At least part of the main internal channel is electrically polarized by the polarization means so that at least part of the internal wall of the main annular channel directly constitutes said anode.
  • the main annular ionization and acceleration channel is a one-piece assembly made of an electrically conductive material.
  • the main annular channel constitutes a main annular channel block closed upstream by a stilling chamber supplied with plasma gas by said second gas supply means which comprises an annular distributor connected to a supply pipe.
  • the means for creating a magnetic field comprise a magnetic circuit constituted by a yoke on which the main annular channel block is fixed, said yoke comprising an axial core supporting a central lower pole piece and a pole piece central upper concentric with the main annular channel block, said cylinder head further comprising a plurality of tie rods arranged around the annular channel block once it is mounted on the cylinder head, said tie rods supporting a peripheral upper pole piece, said pieces central and peripheral upper poles constituting said end pieces brought to a lower potential than that of the anode, said upper pole pieces comprising guard rings disposed at the mouth of the main annular channel, which guard rings protect the pole pieces from ion erosion of the plasma and determine by their thickness the magnetic field profile in the plasma.
  • the guard rings are removable so as to adapt the nature of the material constituting them to the application using the ion source.
  • the main annular channel block is electrically and thermally isolated by vacuum with respect to the elements of the rest of the ion source comprising electrostatic screens, the space between the annular channel block and the elements of the rest of the ion source.
  • ions being between 1 and 5 mm.
  • the annular channel block is fixed to the magnetic yoke by a plurality of posts made of thermal insulating material and held in place by insulators, these posts being able to be separated from the insulators to allow disassembly of the annular canal block.
  • the upper pole pieces comprise removable guard rings disposed at the mouth of the main annular channel.
  • the guard rings are made of one of the following conductive materials: carbon, carbon-carbon composite, nickel alloy, noble metal, ceramic composite consisting of nitrides bonded by silicon, silicon, stainless steel, aluminum
  • the guard rings are made of one of the following insulating materials: boron nitride, alumina, quartz.
  • the main annular channel block can be made of one of the following conductive materials: refractory nickel alloy, molybdenum, carbon-carbon composite.
  • a material to be evaporated is capable of being deposited in the annular channel and the internal walls of the annular channel are partially covered with an insulating deposit in order to avoid attack by the electrically conductive material constituting said channel through the material to be evaporated.
  • the internal walls of the annular channel block are plated with a noble metal such as platinum, gold or rhodium in order to eliminate the chemical attacks due to the gases present in said channel.
  • a noble metal such as platinum, gold or rhodium
  • the outer walls and the inner walls of the main annular channel are made of an electrically conductive material, and are electrically isolated from the rest of the structural elements of the source, including the anode.
  • said end pieces are made of a dielectric material partially covering the main annular channel.
  • said end pieces are produced in the form of inserts made of ceramic material which are fixed to supports such as metal sheets which can be fixed, for example by screws, to the pole pieces.
  • the electrically conductive walls of the annular channel and of the plenum are at a floating potential slightly lower than that of the anode. This arrangement makes it possible to reduce the plasma-wall interactions, therefore the heating of the channel.
  • the latter can therefore be made of relatively thin sheet metal.
  • the channel block is held vis-à-vis the magnetic circuit by small columns of weakly conductive material.
  • the anode is held opposite the channel block by insulators and supplied by a conductor in the axis of one of the columns.
  • the gas supply is at the potential of the channel block.
  • FIG. 5 shows an overall view, in axial section, of a first example of ion source with closed electron drift in accordance with the invention.
  • annular channel design and construction of an annular channel are notably simplified compared to the case of a source for spatial use such as that of FIG. 2.
  • a stilling chamber 123 which is of reduced dimensions, and the upstream part of a main annular acceleration channel form a monobloc metallic assembly 122 which will be referred to hereinafter as "channel block" and which plays in particular the role of an anode 125.
  • a magnetic circuit consisting of a yoke 136, an axial core 138, a pole piece 132, an inner pole piece 135, tie rods 137 and an outer pole piece 134, determines a maximum magnetic field in the air gap defined by the pole pieces 134, 135.
  • This field includes a minimum in the vicinity of the pole piece 132.
  • the field is created by an internal coil 133 and one or more external coils 131, which makes it possible to adjust its distribution and thus to regulate the divergence of the ion beam.
  • the channel block 122 comprises, at its upstream part, a stilling chamber 123 which is equipped with a gas injection manifold 127 supplied by a pipe 126.
  • This channel block 122 serving as anode 125 is maintained by at least three balusters 121, one of which may be constituted by the pipe 126 itself.
  • These balusters 121,126 are fixed on insulators 145 by nuts 146.
  • the balusters 121, 126 can thus be separated from the isolators 145 to allow the disassembly of the annular channel block 122.
  • Electrostatic covers 147, 148, 154 make it possible to prevent discharges .
  • the gas supply is carried out using a ground pipe 150, an insulator 151 and a connector comprising a gasket 152 and a nut 153. This assembly is housed in a base 130 which serves as source support.
  • the electric discharge producing the ion beam is established between a hollow cathode 140 supplied with rare gas and the channel block 122 forming the anode 125, supplied by a pure gas or a mixture of gases, at least one of these gas can be reactive.
  • the nature of the material of the channel 122 can be adapted to the gas to be ionized while the nature of the guard rings 164, 165 which are placed in the extension of the channel block 122, downstream of the latter and which are subjected to erosion ions, can be adapted both to the nature of the gas and to the requirements of the substrate to be treated (for example semiconductor or optical thin layer).
  • these removable guard rings 164, 165 which are arranged respectively in the outer pole pieces 134 and inner pole 135, can be made of carbon (having a low rate of erosion), of ceramic composite materials (such as a composite consisting of silicon, silicon nitride and titanium nitride) made of aluminum, stainless steel, noble metal (such as platinum or gold).
  • Screens 139, 159, 160 disposed outside of the channel block 122, play both a thermal and electrostatic role with respect to the channel block 122. They prevent excessive heating of the pole pieces and of the coils and determine, around the channel block 122, a field preventing discharges.
  • the main annular channel 122 is thus electrically and thermally isolated from the rest of the source 139, 159, 160 by vacuum, the space between the annular channel 122 and the rest of the source being typically between 1 and 5 mm.
  • Tests show that with a channel block 122 made entirely of conductive material cooperating downstream with end pieces 134, 135, 164, 165 brought to a different lower potential, in this case to ground, a profile of the plasma potential along the median axis of channel 122 (Figure 6B) practically identical to that of first generation stationary plasma thrusters (SPT) ( Figure 4C). It is therefore possible to generate a progressive acceleration of the ions in a channel formed by two zones brought to different potentials.
  • the profile of the magnetic field in the plasma is determined by the thickness of the guard rings 164, 165 protecting the pole pieces from ionic erosion of the plasma.
  • the electrical insulation of the channel block 122 with respect to the cylinder head is carried out by means of the three columns 121 provided with insulators 145.
  • the electrical insulation of the front, side and rear faces of the channel block 122 from the grounded parts (i.e. pole pieces 134 and 135 and heat shields 139 and 159) is provided by vacuum. Indeed, the small distance between these walls (of the order of a millimeter) and the low pressure (2.10 -4 to 5.10 -4 mbar) lead to a discharge voltage much higher than the operating voltage (according to Paschen's law ).
  • the channel block 122 receives the heat flux, radiated and dissipated (resulting from inelastic collisions of ions and electrons) by the plasma. This corresponds to a power of a few hundred watts for a source of 1.5 kW.
  • the thermal losses of the channel block 122 forming the anode 125, towards the rest of the source are limited by specific constructive provisions.
  • the only conductive connection with the source is formed by the hollow support columns 121 and the gas inlet duct 126.
  • These columns can be made of a weakly conductive material (stainless steel, Inconel), so that the conductive heat flux can be very reduced.
  • these columns allow differential expansion of the channel block 122 forming the anode 125 with respect to the magnetic yoke 136.
  • This screen can for example be either a solid block 139, as can be seen in Figure 5, rejecting the heat flow over a large area, or a screen provided with screened windows 179, shown in Figure 7, allowing the direct radiation from the channel block 122 forming the anode 125 at a certain solid angle.
  • the part which extends the channel block 122 downstream thereof is divided into two removable and interchangeable rings.
  • the outer ring 164 is mounted by screws on the outer pole piece 134, while the inner ring 165 is locked in position by the inner pole piece 135. To change the rings 164 and 165, it is therefore sufficient to disassemble the pole pieces .
  • the gas distributor 127 is an integral part of the stilling chamber 123.
  • the channel block 122 also constitutes an easily interchangeable metal part. To dismantle the channel block 122, first remove the assembly consisting of the outer pole piece 134, the guard ring 164 and the screen 139 and the assembly consisting of the inner pole piece 135 and the ring guard 165. This first level of disassembly can be carried out without adjustment by keeping the source in place.
  • connection between the gas supply and the tube 126 is hermetic.
  • a flat seal 152 seals between the two parts. It is crushed by the nut 153.
  • the base 130 is removable ( Figure 5). It is provided with a screened degassing orifice 176, in order to prohibit the entry of the plasma prevailing in the vacuum chamber inside the space formed by the base 130 and the magnetic yoke 136.
  • the cable 143 polarization of the anode 125 and the gas supply 150 pass advantageously in the interface between the cylinder head 136 and the base 130 so as not to hinder the disassembly of the latter.
  • Figure 9 shows a device for supplying the channel block 122 with particles 195 of a sublimable solid under vacuum (metals with high vapor pressure, volatile oxides). This allows these vapors to be ionized (partially) to produce vacuum deposits, reactive or not.
  • the external screen 139 may be provided with a heating element 191. It will be noted that the shape of the stilling chamber affects that of a crucible, which makes it possible to standardize the vapor flow. If necessary, a conical cornice 192 can be introduced into this chamber.
  • FIG. 10 shows a variant of the channel block 122 provided with an internal insulating deposit 193 delimiting the conductive zone 198 constituting the anode 125 opposite the minimum of field.
  • Figure 11 shows an overall view, in axial section, of a second example of a source of ions with closed electron drift in accordance with the invention.
  • This ion source comprises the following constituent elements: a hollow compensation cathode 240 disposed outside the source proper, downstream of the latter; a magnetic circuit comprising a yoke 236 disposed upstream of the source and connecting bars 237, 238 connecting the yoke 236 to external pole pieces 234 and internal 235 in the form of rings, arranged downstream of the source of ions; means 231, 233 for creating a magnetomotive force constituted by coils which can be arranged for example around some of the connecting bars 237, 238 and auxiliary pole pieces 232, 239 determining a minimum of field in the vicinity of the anode; an annular channel block 222 of ionization and acceleration, delimited downstream by external cylindrical walls 281 and internal 282 metal, and extended in the acceleration zone by two annular pieces 264, 265 of dielectric material (ceramic) held vis-à-vis the internal 235 and external 234 pole pieces, either by mechanical mounting (positioning between the pole piece and a metal holding piece), or by brazing each
  • the bottom of the plenum receives a cylindrical anode 225 and a gas distributor 227, the anode 225 being held in place by insulators 283, compressed by the distributor 227 against the bottom of the chamber using tie rods 221 and spacers 221 a .
  • tie rod-spacer assemblies 221, 221a are mounted on insulators 245 ensuring positioning with respect to the magnetic circuit (and more particularly the yoke 236).
  • the distributor 227 is supplied with gas by a pipe 226 and a connector 252 mounted on an insulator 245.
  • the polarization of the anode is ensured by a tie rod 221b and a polarization wire 243.
  • the anode 225 and the distributor 227 remain easily removable.
  • the ion source also comprises conductive electrostatic screens 259, 339 which surround the annular channel 222.
  • the screens 259, 339 can slide at their downstream end respectively on the external ceramic ring 264 and the internal ceramic ring 265.
  • channel 222 the ends of which can be provided with a metal wire eliminating the peak effects, therefore the risks of discharge.
  • the free space created between the electrically conductive screens 259, 339 and the metal walls 281, 282 has an approximately constant width (typically between 1 and 5 mm) so as to avoid a risk of electric shock between the walls 281, 282 and the screens 259, 339.
  • the screens 259, 339 can be provided with a grid so as to allow the degassing of the space between these screens and the walls 281, 282.
  • the end pieces 264, 265 have a length along the acceleration channel 222 which extends at least over an area corresponding to the length L of FIG. 4, that is to say over the area of erosion due to ions.
  • the electrically conductive walls 281, 282 define a width of the acceleration channel 222, in the radial direction, which can be greater than the width of the acceleration channel 222 defined in the radial direction by the end pieces 264, 265 of dielectric material.
  • this arrangement makes it possible to avoid the appearance of a discontinuity due to the transition from the deposition area to the erosion area, the deposition occurring progressively on the surfaces 281 and 282.
  • a source can also be produced where the surfaces 281 and 282 are at the diameter of the end pieces 264, 265 or even at a lower (281) and upper (282) diameter with a conical connection, this allowing to reduce the air gap of the auxiliary pole pieces 232, 239.
  • the electrically conductive walls 281, 282 are electrically connected together by a conductive bottom 270 constituting, with the conductive walls 281, 282, a monobloc assembly which can itself be integral with the set 227 gas distributor.
  • the cylindrical surfaces 281 and 282 are connected to the chamber bottom 270 by radii of curvature ensuring a smooth surface progressively evolving.
  • the electric field between the conductive surfaces 281, 282 and the conductive screens 259, 339, which are grounded, does not undergo a significant increase which can cause breakdown.
  • the upstream part of the acceleration channel 222 is separated from the pole pieces 232, 239 as well as from the electrostatic screens 259, 339 by an empty space.
  • the main annular channel 222 is electrically and thermally isolated from the rest of the source 259, 339, 232, 239, 236 by the vacuum, the space between the annular channel main 222 and the rest of the source being typically between 1 and 5mm.
  • the walls 281, 282 of the annular channel 222 are electrically isolated from the rest of the structural elements of the source, including the anode 225.
  • the external surface of the walls 281, 282, 270 as well as the external and internal surfaces of the screens 259, 339 can be polished so as to reduce the radial radiative losses. This allows in particular to reduce the heat flux on the central coil 233 ( Figure 11).
  • the outer surface of the external wall 281 of the chamber, and only this chamber, can on the contrary be covered with a coating with high emissivity, as well as the faces of the screen 339, the part of the screen 259, which faces the inner wall 282, remaining polished.
  • This arrangement improves the radiant cooling of the conductive channel while preventing the central coil 233 from overheating.
  • the lifespan and efficiency of the ion source depend on the functional phenomena which occur within the ionization layer.
  • the main phenomenon which determines the lifetime is the erosion of the end pieces 264, 265 of the discharge chamber-acceleration channel assembly 222, due to the projection onto the walls of the ions which have been accelerated.
  • the integrity characteristics of the closed electron drift ion source are largely determined by the geometry and the intensity of the magnetic field in the acceleration channel and remain stable even when the downstream outlet part of the discharge widened as a result of the projection of ions (see Figure 4A).
  • a significant deterioration in the operating efficiency of the propellant is observed only when a complete projection of the ions has been carried out on the walls of the discharge chamber in the interpole space of the magnetic system and when the poles 234, 235 them - themselves have undergone significant projections. In this case, changes in the topology and the intensity of the magnetic field are the main causes of performance degradation.
  • the walls 281, 282 can however also be connected to the anode 225 by an electrical resistance.
  • electrically conductive walls 281, 282, made of metal or composite material leads to a reduction in the mass of the entire ion source.
  • the electrically conductive walls 281, 282 have a potential close to that of the anode while in operation the structural elements of the magnetic system (elements 236, 237, 238) will be found at a potential close to that of the cathode. It is to avoid the appearance of electric discharges between the magnetic system and the chamber that the latter is surrounded by conductive screens 339, 259 which are placed at a relatively constant distance from the walls 281, 282 and 270.
  • FIG. 12 gives an example of a brazed connection making it possible to allow differential expansion between a part 264, respectively 265, and a metal support 274, respectively 275, while respecting the requirements of electric field between the screen 339 respectively 259 and the wall 281, respectively 282.
  • the support 274 has an inverted end 272 which is wetted by the solder 271 and the support 275 can be produced identically.

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Abstract

La source d'ions à dérive fermée d'électrons comprend un canal annulaire principal d'ionisation et d'accélération (122) ouvert à son extrémité aval, dont au moins la paroi inteme est constituée en un matériau électriquement conducteur. Des pièces terminales (164, 165) portées à un potentiel plus bas que celui d'une anode (125) prolongent le canal annulaire (122) en aval de celui-ci. La source d'ions comprend en outre une cathode creuse (140), des moyens d'alimentation en gaz ionisable associés à la cathode (140) et à l'anode (125), des moyens de polarisation de l'anode (125) et des moyens de création d'un champ magnétique dans le canal annulaire principal (122). Application notamment à des procédés de traitement industriel. <IMAGE>

Description

    Domaine de l'invention
  • La présente invention concerne les sources d'ions à dérive fermée d'électrons qui peuvent être utilisées en tant que propulseurs, plus particulièrement pour des engins spatiaux, ou en tant que sources d'ions pour des traitements industriels tels que, notamment, le dépôt sous vide, le dépôt assisté par la production d'ions (I.A.D., "Ion Assisted Deposition") ou la gravure sèche des microcircuits.
    • Art antérieur
  • Les traitements industriels par faisceaux d'ions peuvent mettre en jeu des sources d'ions à grille ou à dérive fermée d'électrons. Ces deux types de sources d'ions ont été initialement développées pour un usage spatial (propulseurs ioniques ou propulseurs à plasma).
  • Les sources à grilles, connues sous le nom de propulseurs ioniques à bombardement ("ion bombardment thrusters"), ont été inventées par le Pr. Kaufman en 1961.
  • Ces sources produisent des ions d'énergie relativement élevée (500 à 1000 eV) avec des densités de faisceau relativement faibles (2 à 6 mA/cm2 au niveau de la grille). Elles sont bien adaptées à certaines applications comme la gravure fine profonde ou l'érosion ionique uniforme de cibles.
  • Pour d'autres applications (nettoyage de surfaces sous vide, usinage ionique rapide, dépôt assisté par la production d'ions (I.A.D.)), il est préférable de diminuer l'énergie des ions et d'augmenter leur densité. Cela est possible avec les sources à dérive fermée d'électrons (sans grille).
  • Il existe trois types de sources à dérive fermée d'électrons :
    • les propulseurs stationnaires à plasma (SPT),
    • les propulseurs à couche d'anode (ALT),
    • la source d'ions brevetée par le Pr. Kaufman.
  • Cette dernière source est décrite dans le brevet européen 0 265 365. Elle utilise une anode conique et une contre-électrode axiale. Cette source est utilisée essentiellement pour l'I.A.D.
  • La Figure 1 décrit un propulseur à plasma à dérive fermée d'électrons tel qu'il a été proposé dans un article de L. H. Artsimovitch et al. paru en 1974 dans "Machinostroenie", pp. 75-84, à propos du programme de développement du propulseur stationnaire et ses essais sur le satellite "METEOR".
  • De tels propulseurs du type "à dérive fermée d'électrons", ou propulseurs stationnaires à plasma, se distinguent des autres catégories par le fait que l'ionisation et l'accélération ne sont pas différenciées et que la zone d'accélération comporte un nombre égal d'ions et d'électrons , ce qui permet d'éliminer tout phénomène de charge d'espace.
  • Sur la Figure 1, on voit un canal annulaire 1 défini par une pièce 2 en matériau isolant et placé dans un électroaimant comprenant des pièces polaires annulaires externe 3 et interne 4 placées respectivement à l'extérieur et à l'intérieur de la pièce 2 en matériau isolant, une culasse magnétique 12 disposée à l'amont du moteur et des bobines d'électroaimant 11 qui s'étendent sur toute la longueur du canal 1 et sont montées en série autour de noyaux magnétiques 10 reliant la pièce polaire externe 3 à la culasse 12. Une cathode creuse 7, connectée à la masse, est couplée à un dispositif d'alimentation en xénon pour former un nuage de plasma devant la sortie aval du canal 1. Une anode annulaire 5 reliée au pôle positif d'une source d'alimentation électrique, par exemple de 300 volts, est disposée dans la partie amont fermée du canal annulaire 1. Un tube 6 d'injection de xénon, coopérant avec un isolateur thermique et électrique 8, débouche dans un canal de distribution annulaire 9 disposé immédiatement au voisinage de l'anode annulaire 5.
  • Les électrons d'ionisation et de neutralisation proviennent de la cathode creuse 7. Les électrons d'ionisation sont attirés dans le canal annulaire isolant 1 par le champ électrique régnant entre l'anode 5 et le nuage de plasma issu de la cathode 7.
  • Sous l'effet du champ électrique E et du champ magnétique B créé par les bobines 11, les électrons d'ionisation prennent une trajectoire de dérive en azimut nécessaire pour maintenir le champ électrique dans le canal.
  • Les électrons d'ionisation dérivent alors selon des trajectoires fermées à l'intérieur du canal isolant, d'où le nom du propulseur.
  • Le mouvement de dérive des électrons augmente considérablement la probabilité de collision des électrons avec les atomes neutres, phénomène produisant les ions (ici, xénon).
  • L'impulsion spécifique obtenue par des propulseurs ioniques classiques à dérive fermée d'électrons fonctionnant au xénon, est de l'ordre de 1000 à 2500 secondes.
  • Des propulseurs stationnaires à plasma développés par le Pr. Morozov ont été utilisés d'une manière intensive pour la propulsion spatiale.
  • La Figure 2 est une coupe axiale d'un exemple de propulseur développé par le professeur Morozov ayant fait l'objet d'une publication dans le document FR-A-2 693 770.
  • Ce propulseur 20 comprend, comme le propulseur de la Figure 1, un canal annulaire 21 défini par une pièce 22 en matériau isolant, un circuit magnétique comprenant des pièces annulaires exteme 24a et inteme 24b, une culasse magnétique 32 disposée à l'amont du propulseur et un noyau central 28 reliant les pièces annulaires 24a, 24b et la culasse magnétique 32. Des bobines 31 permettent de créer un champ magnétique et un champ électrique dans le canal annulaire. La cathode creuse 40 est couplée à un dispositif d'alimentation en xénon pour former un nuage de plasma devant la sortie aval du canal 21. Ce moteur se caractérise par la présence d'une chambre de tranquillisation 23 qui présente dans le sens radial une dimension plus grande que celle du canal annulaire principal 21. Une anode 25 est disposée sur les pièces isolantes 22 délimitant le canal annulaire 21, dans une zone située immédiatement en aval de la chambre de tranquillisation 23. Un distributeur annulaire de gaz ionisable 27 est disposé au fond de la chambre de tranquillisation 23.
  • Dans les moteurs classiques à dérive fermée d'électrons tels que décrits en référence à la Figure 1, une partie notable de l'ionisation est localisée dans la partie médiane. Une partie des ions percutent les parois, ce qui est une cause d'usure rapide des parois et diminue ainsi la durée de vie du propulseur. La distribution d'énergie des électrons dans le plasma peut être diminuée grâce à la répartition de champ magnétique imposée par la géométrie des pièces polaires, qui agit sur les électrons entrant dans le canal. Il en résulte un potentiel électrique plus faible le long des lignes de champ magnétique, ce qui réduit la divergence du faisceau ionique sur les parois et ainsi évite des pertes d'ions par collision avec ces demières, ce qui a pour effet d'augmenter le rendement et de réduire la divergence du faisceau à la sortie du moteur. En agissant sur le ratio des courants dans les bobines, on peut au contraire créer une répartition de champ (par exemple une variation monotone du champ radial dans le plan de sortie entre la pièce polaire extérieure et la pièce polaire intérieure) qui ne permettra pas d'atteindre le mode à faible divergence.
  • Une forte divergence de faisceau est bénéfique pour certaines applications industrielles comme l'IAD (Ion Assisted Deposition) sur des calottes sphériques.
  • Plus récemment encore, les caractéristiques des SPT ont été décrites dans plusieurs publications, dont "23rd International Electric Propulsion Conference (Seattle, septembre 1993) IEPC-93-222 "The Development and Characteristics of High Power SPT Models", S. Absalyamov, V. Kim et S. Khartov, Moscow Aviation Institute, Moscou, Russie; B. Arkhipov, S. Kudryavisev et N. Masiennikov, Fakel Enterprise Kaliningrad, Russie; T. Colbert et M. Day, Space Systems/Loral, Palo Alto, Californie; A. Morozov et A. Veselovzorov, Institute of Atomic Energy, Moscou, Russie.
  • Les propulseurs à couche d'anode, dits ALT, ont été décrits dans des publications russes, par exemple : Fizika Plasmi, Plasmennie uckoriteli i ionnie injectori, Moscou 1984 : Plasmennie uckoriteli c anodnim cloem, V.I. Garkusha, L. V. Leckov, E. A. Lyapin et, plus récemment, dans des conférences internationales :
    • 23ème conférence de l'IEPC
      • IEPC-93-227, "Physical Principles of Anode Layer Accelerators", A. Zharinov et E. Lyapin, Central Research Institute of Machine Building, Kaliningrad (Région de Moscou), Russie ;
      • IEPC-93-228, "Anode Layer Thruster : State of the Art Perspectives", E. Lyapin, V. Garkusha et A. Semenkin, Central Research Institute of Machine Building, Kaliningrad (Région de Moscou), Russie ;
      • IEPC-93-229, "Special Feature of Dynamic Processes in a Single-Stage Anode Layer Thruster", E. Lyapin, V. Padogomova et S. Semenkin, Central Research Institute of Machine Building, Kaliningrad (Région de Moscou), Russie.
    • 30ème Conférence de l'AIAA sur la Propulsion
      AIAA-94-3011, "Operating Characteristics of the Russian D-55 Thruster with Anode Layer", John M. Sankovic et Thomas W. Haag, NASA Lewis Research Center, Cleveland, Ohio et David H. Manzella, NYMA, Inc. Brook Park, Ohio.
  • La Figure 3 montre la coupe d'un propulseur à couche d'anode ALT. Le circuit magnétique est très proche de celui d'un propulseur stationnaire à plasma SPT de première génération. Il comprend une pièce polaire centrale 54 autour de laquelle est enroulée une bobine interne 61 servant de support au propulseur, et une pièce polaire annulaire externe 53, ces deux pièces polaires à la masse étant reliées par des noyaux magnétiques 60 supportant des bobines externes 61.
  • A la différence des propulseurs stationnaires à plasma (SPT) dans lesquels les parois du canal d'accélération sont isolantes, les parois 56 du canal d'accélération 51 des propulseurs à couche d'anode ALT sont constituées d'un matériau conducteur métallique. Une anode massive 55 et une cathode 59 servent également à distribuer les gaz propulseurs. L'anode massive 55 occupe la majeure partie de la chambre d'accélération, le canal d'accélération 51 étant réduit à une zone très mince située entre l'anode massive 55 et les parois conductrices 56 (d'où le nom de propulseur à couche d'anode). En fait, toutes les parties du propulseur en contact avec la décharge sont métalliques.
  • L'examen des propulseurs à plasma stationnaires SPT et des propulseurs à couche d'anode ALT montre qu'ils ne sont pas entièrement adaptés à un usage industriel.
  • Comme on peut le voir sur la Figure 4A, qui concerne un propulseur à plasma classique à canal d'accélération intégralement défini par une pièce isolante 62, la surface interne délimitant le canal d'accélération se divise en deux zones sous l'influence du fonctionnement du propulseur. La zone aval 67, de longueur L (la longueur L pouvant présenter des valeurs de l'ordre de 5 à 7 mm pour un propulseur de diamètre 100 mm), correspond à une zone érodée en permanence par le bombardement ionique. La zone amont 68 correspond au contraire à une zone de dépôt des produits érodés.
  • On a représenté sur la Figure 4B l'évolution de la valeur de la composante radiale de l'induction magnétique Br en fonction de la position axiale Z sur la surface cylindrique imaginaire 65 correspondant à un rayon moyen du canal d'accélération.
  • La Figure 4C représente la valeur du potentiel V en fonction de la position axiale Z sur la même surface cylindrique imaginaire 65 correspondant à un rayon moyen du canal d'accélération.
  • Si l'on considère simultanément les Figures 4A, 4B, 4C, on constate que la zone érodée 67 (Figure 4A) correspond à un champ magnétique radial Br élevé (Figure 4B).
  • Au contraire, la zone de dépôt 68 (Figure 4A) correspond à un gradient de potentiel presque nul (Figure 4C) et à un champ magnétique radial Br relativement faible (Figure 4B).
  • Le fonctionnement du propulseur est lié aux interactions plasma-paroi et en particulier aux caractéristiques d'émission secondaire de la paroi. Les propriétés d'émission secondaire peuvent être différentes dans les zones 67 et 68.
  • Le canal des propulseurs à plasma comprenant du nitrure de bore, l'érosion de ce canal peut amener des atomes de bore sur le substrat à traiter. Cela peut être particulièrement gênant pour les applications microélectroniques car le bore est un dopant du silicium.
  • Par ailleurs, pour les traitements industriels, il faut pouvoir adapter au gaz du traitement les matériaux en contact avec la décharge. Or, les propulseurs stationnaires à plasma, comme les propulseurs à couche d'anode, ont des anodes pratiquement indémontables, ce qui ne permet pas par exemple de passer facilement de l'oxygène à l'argon.
  • Enfin, les propulseurs à plasma à canal d'accélération défini par des pièces intégralement en céramique, comme décrit en référence aux Figures 1, 2 et 4A, présentent des inconvénients dans la mesure où le canal en céramique doit obéir à des impératifs contradictoires: résistance à la pulvérisation ("sputtering"), tenue mécanique, résistance au gradient thermique et au choc thermique.
  • En pratique, il en résulte une résistance à la pulvérisation par les ions conduisant à une durée de vie limitée du moteur.
  • Par ailleurs, la nécessité de disposer d'une pièce en céramique assez épaisse pour assurer sa tenue mécanique, conduit à un éloignement relatif des pièces polaires pouvant nuire à la géométrie du champ.
  • En outre, la production industrielle de pièces de canal en céramique est délicate en raison de la forme compliquée de ces pièces.
    • Objet et description succincte de l'invention
  • La présente invention a pour objet de remédier aux inconvénients des sources d'ions à dérive fermée d'électrons connues et, plus particulièrement, de les modifier pour permettre une plus grande souplesse d'utilisation. Les perfectionnements de l'invention visent en particulier à réduire la masse de ces sources tout en augmentant leur longévité, à simplifier la fabrication de ces sources tout en facilitant leur démontabilité et à accroître leur résistance mécanique.
  • L'invention vise encore à réduire l'émission de particules résultant de l'érosion des parois du canal d'accélération de telle sorte que ces sources puissent être susceptibles d'être utilisées de façon efficace comme sources d'ions dans des traitements industriels à grande échelle, alors que leur structure limitait jusqu'à présent leur utilisation essentiellement à la propulsion de satellites ou autres engins spatiaux.
  • Tous ces avantages sont atteints grâce à une source d'ions à dérive fermée d'électrons comprenant un canal annulaire principal d'ionisation et d'accélération ouvert à son extrémité aval, au moins une cathode creuse de compensation disposée à l'extérieur du canal annulaire principal, des moyens de création d'un champ magnétique dans le canal annulaire principal, adaptés pour produire dans ledit canal un champ magnétique essentiellement radial présentant un gradient avec une induction maximale à l'extrémité aval du canal, un premier moyen d'alimentation en gaz ionisable associé à la cathode creuse et un deuxième moyen d'alimentation en gaz ionisable situé en amont du canal annulaire principal, et des moyens de polarisation coopérant avec une anode, caractérisée en ce qu'au moins la paroi interne du canal annulaire principal de cette source est constituée d'un matériau électriquement conducteur, et en ce que des pièces terminales portées à un potentiel plus bas que celui de l'anode prolongent le canal annulaire en aval de celui-ci.
  • Dans la mesure où c'est surtout la partie aval du canal qui est soumise à l'érosion intensive des ions, pouvant ainsi entraîner une éventuelle pollution du substrat à traiter par les produits d'érosion, selon l'invention, on peut réaliser la partie aval prolongeant le canal à l'aide d'un matériau différent de celui de la partie amont du canal annulaire principal qui, elle, doit être essentiellement compatible avec le gaz plasmagène partiellement ionisé.
  • Selon un premier mode de réalisation de l'invention, une partie au moins du canal inteme principal est polarisée électriquement par les moyens de polarisation de manière qu'une partie au moins de la paroi interne du canal annulaire principal constitue directement ladite anode.
  • Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, le canal annulaire principal d'ionisation et d'accélération est un ensemble monobloc constitué d'un matériau électriquement conducteur.
  • De façon plus particulière, le canal annulaire principal constitue un bloc canal annulaire principal fermé en amont par une chambre de tranquillisation alimentée en gaz plasmagène par ledit deuxième moyen d'alimentation en gaz qui comprend un distributeur annulaire relié à une canalisation d'alimentation.
  • Selon un mode particulier de réalisation, les moyens de création d'un champ magnétique comprennent un circuit magnétique constitué par une culasse sur laquelle est fixé le bloc canal annulaire principal, ladite culasse comprenant un noyau axial supportant une pièce polaire inférieure centrale et une pièce polaire supérieure centrale concentriques avec le bloc canal annulaire principal, ladite culasse comprenant d'autre part une pluralité de tirants disposés autour du bloc canal annulaire une fois que celui-ci est monté sur la culasse, lesdits tirants supportant une pièce polaire supérieure périphérique, lesdites pièces polaires supérieures centrale et périphérique constituant lesdites pièces terminales portées à un potentiel plus bas que celui de l'anode, lesdites pièces polaires supérieures comprenant des anneaux de garde disposés à l'embouchure du canal annulaire principal, lesquels anneaux de garde protègent les pièces polaires de l'érosion ionique du plasma et déterminent par leur épaisseur le profil de champ magnétique dans le plasma. Les anneaux de garde sont amovibles de manière à adapter la nature du matériau les constituant à l'application utilisant la source d'ions.
  • Avantageusement, le bloc canal annulaire principal est isolé électriquement et thermiquement par le vide par rapport aux éléments du reste de la source d'ions comprenant des écrans électrostatiques, l'espace entre le bloc canal annulaire et les éléments du reste de la source d'ions étant compris entre 1 et 5 mm.
  • Selon un autre aspect de l'invention, le bloc canal annulaire est fixé sur la culasse magnétique par une pluralité de colonnettes constituées d'un matériau isolant thermique et maintenues en place par des isolateurs, ces colonnettes pouvant être désolidarisées des isolateurs pour permettre le démontage du bloc canal annulaire.
  • Selon un autre mode particulier de réalisation, les pièces polaires supérieures comprennent des anneaux de garde amovibles disposés à l'embouchure du canal annulaire principal.
  • Dans ce cas, avantageusement, les anneaux de garde sont réalisés dans l'un des matériaux conducteurs suivants: carbone, composite carbone-carbone, alliage de nickel, métal noble, composite céramique constitué de nitrures liés par silicium, silicium, acier inoxydable, aluminium
  • Selon une autre possibilité, les anneaux de garde sont réalisés dans l'un des matériaux isolants suivants : nitrure de bore, alumine, quartz.
  • Le bloc canal annulaire principal peut être réalisé dans l'un des matériaux conducteurs suivants: alliage de nickel réfractaire, molybdène, composite carbone-carbone.
  • Selon un mode particulier de réalisation possible, un matériau à évaporer est susceptible d'être déposé dans le canal annulaire et les parois internes du canal annulaire sont partiellement recouvertes d'un dépôt isolant afin d'éviter l'attaque du matériau électriquement conducteur constituant ledit canal par le matériau à évaporer.
  • Selon un autre mode particulier de réalisation, les parois internes du bloc canal annulaire sont plaquées d'un métal noble tel que le platine, l'or ou le rhodium afin d'éliminer les attaques chimiques dues aux gaz présents dans ledit canal.
  • Selon encore un autre mode particulier de réalisation de l'invention, les parois extemes et les parois internes du canal annulaire principal sont en un matériau électriquement conducteur, et sont isolées électriquement du reste des éléments structurels de la source, y compris l'anode.
  • Dans ce cas, avantageusement, lesdites pièces terminales sont constituées d'un matériau diélectrique recouvrant en partie le canal annulaire principal.
  • Plus particulièrement, lesdites pièces terminales sont réalisées sous forme d'inserts en matériau céramique qui sont fixés à des supports tels que des tôles métalliques que l'on peut fixer, par exemple par vis, sur les pièces polaires.
  • Les parois électriquement conductrices du canal annulaire et de la chambre de tranquillisation sont à un potentiel flottant légèrement inférieur à celui de l'anode. Cette disposition permet de diminuer les interactions plasma-paroi, donc l'échauffement du canal. Ce dernier peut par conséquent être réalisé en tôle relativement mince.
  • Le bloc canal est maintenu vis-à-vis du circuit magnétique par des colonnettes en matériau faiblement conducteur. L'anode est maintenue vis-à-vis du bloc canal par des isolateurs et alimentée par un conducteur dans l'axe d'une des colonnettes.
  • L'alimentation en gaz est au potentiel du bloc canal.
    • Brève description des dessins
  • D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs en référence aux dessins annexés sur lesquels :
    • la Figure 1 est une vue en coupe axiale montrant un exemple de propulseur à plasma à dérive fermée d'électrons selon l'art antérieur ;
    • la Figure 2 est une vue en coupe axiale montrant un autre exemple de propulseur à plasma à dérive fermée d'électrons selon l'art antérieur ;
    • la Figure 3 est une vue en coupe axiale montrant un exemple de propulseur à couche d'anode selon l'art antérieur ;
    • la Figure 4A est une vue partielle en coupe axiale d'un propulseur à plasma de l'art antérieur montrant l'érosion de la partie aval du canal ;
    • la Figure 4B est un diagramme donnant la valeur de la composante radiale Br de l'induction magnétique en fonction de la position Z selon une direction axiale correspondant au rayon moyen du canal de la Figure 4A ;
    • la Figure 4C est un diagramme donnant la valeur du potentiel électrique V du plasma en fonction de la position Z selon une direction axiale correspondant au rayon du canal de la Figure 4A ;
    • la Figure 5 est une vue en coupe axiale d'une source d'ions selon un premier mode de réalisation de l'invention ;
    • la Figure 6A est une coupe schématique afin d'expliciter le fonctionnement de la source d'ions selon l'invention ;
    • la Figure 6B est un diagramme donnant la valeur du potentiel électrique V du plasma en fonction de la position Z selon une direction axiale correspondant au rayon moyen du canal de la Figure 6A;
    • la Figure 7 est une vue en coupe axiale d'une source d'ions montrant une disposition alternative du premier mode de réalisation de l'invention ;
    • la Figure 8 est une vue en perspective montrant le montage des différents éléments constituant la source d'ions selon le premier mode de réalisation de l'invention ;
    • la Figure 9 est une vue en demi-coupe axiale en perspective d'une source d'ions selon le premier mode de réalisation de l'invention, montrant l'alimentation du canal en solide sublimable ;
    • la Figure 10 est une vue en demi-coupe axiale du canal annulaire d'une source d'ions selon le premier mode de réalisation de l'invention, montrant le dépôt partiel d'une couche isolante sur les parois internes du canal annulaire ;
    • la Figure 11 est une vue en coupe axiale d'une source d'ions à dérive fermée d'électrons selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ; et
    • la Figure 12 est une vue de détail montrant un exemple de liaison brasée pouvant être réalisée entre un insert en matériau diélectrique et un support électriquement conducteur assurant le centrage du canal d'accélération d'une source d'ions selon le deuxième mode de réalisation de l'invention.
    Description détaillée de modes particuliers de réalisation
  • On se reportera tout d'abord à la Figure 5 qui montre une vue d'ensemble, en coupe axiale, d'un premier exemple de source d'ions à dérive fermée d'électrons conforme à l'invention.
  • La conception et la réalisation d'un canal annulaire sont notablement simplifiées par rapport au cas d'une source à usage spatial telle que celle de la Figure 2.
  • Une chambre de tranquillisation 123, qui est de dimensions réduites, et la partie amont d'un canal annulaire principal d'accélération forment un ensemble métallique monobloc 122 qui sera dénommé ci-après "bloc canal" et qui joue en particulier le rôle d'une anode 125.
  • Un circuit magnétique, constitué par une culasse 136, un noyau axial 138, une pièce polaire 132, une pièce polaire interne 135, des tirants 137 et une pièce polaire externe 134, détermine un champ magnétique maximal dans l'entrefer défini par les pièces polaires 134, 135.
  • Ce champ comprend un minimum au voisinage de la pièce polaire 132. Le champ est créé par une bobine interne 133 et une ou plusieurs bobines extemes 131, ce qui permet d'ajuster sa distribution et de régler ainsi la divergence du faisceau d'ions.
  • Le bloc canal 122 comprend, à sa partie amont, une chambre de tranquillisation 123 qui est équipée d'une rampe d'injection de gaz 127 alimentée par une canalisation 126. Ce bloc canal 122 servant d'anode 125 est maintenu par au moins trois colonnettes 121, l'une d'elles pouvant être constituée par la canalisation 126 elle-même. Ces colonnettes 121,126 sont fixées sur des isolateurs 145 par des écrous 146. Les colonnettes 121, 126 peuvent ainsi être désolidarisées des isolateurs 145 pour permettre le démontage du bloc canal annulaire 122. Des caches électrostatiques 147, 148, 154 permettent d'empêcher les décharges. L'arrivée de gaz est effectuée à l'aide d'une tubulure à la masse 150, d'un isolateur 151 et d'un raccord comprenant un joint 152 et un écrou 153. Cet ensemble est logé dans une embase 130 qui sert de support à la source.
  • La décharge électrique produisant le faisceau d'ions s'établit entre une cathode creuse 140 alimentée en gaz rare et le bloc canal 122 formant l'anode 125, alimenté par un gaz pur ou un mélange de gaz, l'un au moins de ces gaz pouvant être réactif.
  • La nature du matériau du canal 122 peut être adaptée au gaz à ioniser alors que la nature des anneaux de garde 164, 165 qui sont placés dans le prolongement du bloc canal 122, en aval de celui-ci et qui sont soumis à l'érosion des ions, peut être adaptée à la fois à la nature du gaz et aux exigences du substrat à traiter (par exemple semiconducteur ou couche mince optique). A ce titre, ces anneaux de garde amovibles 164, 165, qui sont disposés respectivement dans les pièces polaires externe 134 et interne 135, peuvent être réalisés en carbone (présentant un faible taux d'érosion), en matériaux composites céramiques (tel qu'un composite constitué de silicium, de nitrure de silicium et de nitrure de titane) en aluminium, en acier inoxydable, en métal noble (tel que le platine ou l'or).
  • Des écrans 139, 159, 160, disposés à l'extérieur du bloc canal 122, jouent à la fois un rôle thermique et électrostatique vis-à-vis du bloc canal 122. Ils empêchent l'échauffement excessif des pièces polaires et des bobines et déterminent, autour du bloc canal 122, un champ interdisant les décharges. Le canal annulaire principal 122 est ainsi isolé électriquement et thermiquement du reste de la source 139, 159, 160 par le vide, l'espace entre le canal annulaire 122 et le reste de la source étant compris typiquement entre 1 et 5mm.
  • Des essais montrent qu'avec un bloc canal 122 réalisé entièrement en matériau conducteur coopérant en aval avec des pièces terminales 134, 135, 164, 165 portées à un potentiel différent moins élevé, en l'occurrence à la masse, on obtient un profil du potentiel du plasma le long de l'axe médian du canal 122 (Figure 6B) pratiquement identique à celui des propulseurs stationnaires à plasma (SPT) de première génération (Figure 4C). Il est donc possible de générer une accélération progressive des ions dans un canal formé de deux zones portées à des potentiels différents. Le profil du champ magnétique dans le plasma est déterminé par l'épaisseur des anneaux de garde 164, 165 protégeant les pièces polaires de l'érosion ionique du plasma.
  • La détermination de la nature de la paroi du canal selon la nature du traitement industriel utilisant les ions produits par la source, est essentiellement un problème chimique dû à la réaction de la paroi avec le gaz plasmagène partiellement ionisé. Avec une source d'ions conforme à l'invention, il est maintenant possible, grâce aux parois en matériau conducteur, d'utiliser cette source pour toute une gamme de traitements pour lesquels les sources conventionnelles à canal en matériau céramique étaient peu recommandables.
  • L'isolation électrique du bloc canal 122 par rapport à la culasse est réalisée par l'intermédiaire des trois colonnettes 121 munies d'isolateurs 145. L'isolation électrique des faces avant, latérales et arrière du bloc canal 122 vis-à-vis des pièces à la masse (c'est-à-dire les pièces polaires 134 et 135 et les écrans thermiques 139 et 159) est assurée par le vide. En effet, la faible distance entre ces parois (de l'ordre du millimètre) et la faible pression (2.10-4 à 5.10-4 mbar) conduisent à une tension de décharge très supérieure à la tension de fonctionnement (selon la loi de Paschen).
  • Le bloc canal 122 reçoit le flux thermique, rayonné et dissipé (résultant des collisions inélastiques d'ions et d'électrons) par le plasma. Cela correspond à une puissance de quelques centaines de watts pour une source de 1,5 kW. Afin d'éviter un échauffement excessif des pièces polaires (dont la température doit toujours rester inférieure au point de Curie) des bobines et des organes de liaison démontables 145, 153, 152, les pertes thermiques du bloc canal 122 formant l'anode 125, vers le reste de la source, sont limitées par des dispositions constructives particulières.
  • Ainsi, la seule liaison conductive avec la source est constituée par les colonnettes support creuses 121 et le conduit d'arrivée de gaz 126.
  • Ces colonnettes peuvent être réalisées en matériau faiblement conducteur (acier inoxydable, Inconel), de sorte que le flux thermique conduit peut être très réduit.
  • En outre, il faut noter que ces colonnettes (et/ou le conduit d'arrivée de gaz) autorisent une dilatation différentielle du bloc canal 122 formant l'anode 125 vis-à-vis de la culasse magnétique 136.
  • Par ailleurs, le flux thermique rayonné est limité :
    • (a) en donnant une faible émissivité aux faces externes du bloc canal 122 formant l'anode 125 (par exemple par polissage de ces faces externes),
    • (b) en disposant un écran antirayonnement 159 entre le bloc canal 122 formant l'anode 125 et la bobine 133, cet écran jouant aussi le rôle d'écran électrostatique ;
    • (c) en disposant un écran externe 139 qui prévient le rayonnement sur les bobines 131 et la pièce polaire 134.
  • Cet écran peut être par exemple soit un bloc massif 139, tel qu'on peut le voir sur la Figure 5, rejetant le flux thermique sur une grande surface, soit un écran muni de fenêtres grillagées 179, représenté sur la Figure 7, permettant le rayonnement direct du bloc canal 122 formant l'anode 125 dans un certain angle solide.
  • Le démontage du bloc canal est facilité par les dispositions constructives de la source, comme le montre la Figure 8.
  • La partie qui prolonge le bloc canal 122 en aval de celui-ci est divisée en deux anneaux amovibles et interchangeables. L'anneau externe 164 est monté par vis sur la pièce polaire externe 134, alors que l'anneau interne 165 est bloqué en position par la pièce polaire interne 135. Pour changer les anneaux 164 et 165, il suffit donc de démonter les pièces polaires.
  • Le distributeur de gaz 127 est partie intégrante de la chambre de tranquillisation 123.
  • Le bloc canal 122 constitue lui aussi une pièce métallique facilement interchangeable. Pour démonter le bloc canal 122, il faut d'abord retirer l'ensemble constitué par la pièce polaire exteme 134, l'anneau de garde 164 et l'écran 139 et l'ensemble constitué par la pièce polaire interne 135 et l'anneau de garde 165. Ce premier niveau de démontage peut s'effectuer sans déréglage en maintenant la source en place.
  • Il suffit ensuite d'enlever les capots 148 et 154 pour accéder aux écrous 146 permettant de désolidariser les colonnettes 121 et la tubulure 126 pour extraire axialement le bloc canal 122.
  • La liaison entre l'alimentation en gaz et le tube 126 est hermétique. Un joint plat 152 assure l'étanchéité entre les deux parties. Il est écrasé par l'écrou 153. Afin de permettre un accès facile aux écrous 146 et 153, l'embase 130 est démontable (Figure 5). Elle est munie d'un orifice de dégazage 176 grillagé, afin d'interdire l'entrée du plasma régnant dans la chambre à vide à l'intérieur de l'espace formé par l'embase 130 et la culasse magnétique 136. Le câble 143 de polarisation de l'anode 125 et l'alimentation en gaz 150 passent de manière avantageuse dans l'interface entre la culasse 136 et l'embase 130 afin de ne pas entraver le démontage de cette dernière.
  • La Figure 9 montre un dispositif permettant d'alimenter le bloc canal 122 en particules 195 d'un solide sublimable sous vide (métaux à forte tension de vapeur, oxydes volatils). Cela permet d'ioniser ces vapeurs (partiellement) pour réaliser des dépôts sous vide, réactifs ou non.
  • Afin d'assurer un contrôle thermique fin du bloc canal 122, on pourra munir l'écran exteme 139 d'un élément chauffant 191. On notera que la forme de la chambre de tranquillisation affecte celle d'un creuset ce qui permet d'uniformiser le flux de vapeur. Au besoin, on peut introduire dans cette chambre une corniche conique 192.
  • La Figure 10 montre une variante du bloc canal 122 muni d'un dépôt isolant interne 193 délimitant la zone conductrice 198 constituant l'anode 125 en face du minimum de champ.
  • La Figure 11 montre une vue d'ensemble, en coupe axiale, d'un second exemple de source d'ions à dérive fermée d'électrons conforme à l'invention.
  • Cette source d'ions comprend les éléments constitutifs suivants: une cathode creuse de compensation 240 disposée à l'extérieur de la source proprement dite, en aval de celle-ci; un circuit magnétique comprenant une culasse 236 disposée à l'amont de la source et des barres de liaison 237, 238 reliant la culasse 236 à des pièces polaires exteme 234 et inteme 235 en forme d'anneaux, disposées en aval de la source d'ions ; des moyens 231, 233 de création de force magnétomotrice constitués par des bobines pouvant être disposées par exemple autour de certaines des barres de liaison 237, 238 et de pièces polaires auxiliaires 232, 239 déterminant un minimum de champ au voisinage de l'anode; un bloc canal annulaire 222 d'ionisation et d'accélération, délimité à l'aval par des parois cylindriques externe 281 et inteme 282 métalliques, et prolongé dans la zone d'accélération par deux pièces annulaires 264, 265 en matériau diélectrique (céramique) maintenues vis-à-vis des pièces polaires internes 235 et externes 234, soit par montage mécanique (positionnement entre la pièce polaire et une pièce métallique de maintien), soit par brasage de chaque anneau en céramique 264, 265 sur un support métallique lui-même fixé par vis sur la pièce polaire correspondante 234, 235.
  • Le fond de la chambre de tranquillisation reçoit une anode cylindrique 225 et un distributeur de gaz 227, l'anode 225 étant maintenue en place par des isolateurs 283, comprimés par le distributeur 227 contre le fond de la chambre à l'aide de tirants 221 et d'entretoises 221a.
  • Ces ensembles tirants-entretoises 221, 221a sont montés sur des isolateurs 245 assurant le positionnement vis-à-vis du circuit magnétique (et plus particulièrement la culasse 236).
  • Le distributeur 227 est alimenté en gaz par une canalisation 226 et un raccord 252 monté sur un isolateur 245.
  • La polarisation de l'anode est assurée par un tirant 221b et un fil de polarisation 243.
  • L'anode 225 et le distributeur 227 restent aisément démontables.
  • La source d'ions comprend en outre des écrans électrostatiques conducteurs 259, 339 qui enveloppent le canal annulaire 222.
  • Les écrans 259, 339 peuvent coulisser à leur extrémité aval respectivement sur l'anneau céramique externe 264 et l'anneau céramique interne 265.
  • Il en est de même du canal 222 dont les extrémités peuvent être munies d'un fil métallique éliminant les effets de pointe, donc les risques de décharge.
  • L'espace libre créé entre les écrans électriquement conducteurs 259, 339 et les parois métalliques 281, 282 présente une largeur à peu près constante (typiquement comprise entre 1 et 5mm) de manière à éviter un risque de décharge électrique entre les parois 281, 282 et les écrans 259, 339. Les écrans 259, 339 peuvent être munis d'un grillage de manière à permettre le dégazage de l'espace compris entre ces écrans et les parois 281, 282.
  • Les pièces terminales 264, 265 présentent une longueur le long du canal d'accélération 222 qui s'étend au moins sur une zone correspondant à la longueur L de la Figure 4, c'est-à-dire sur la zone d'érosion due aux ions.
  • Comme on peut le voir sur la Figure 11, les parois électriquement conductrices 281, 282 définissent une largeur du canal d'accélération 222, dans le sens radial, qui peut être supérieure à la largeur du canal d'accélération 222 définie dans le sens radial par les pièces terminales 264, 265 en matériau diélectrique.
  • En effet, cette disposition permet d'éviter l'apparition d'une discontinuité due à la transition zone de dépôt/zone d'érosion, le dépôt se produisant d'une manière progressive sur les surfaces 281 et 282.
  • Cependant, il faut noter que l'on peut réaliser aussi une source où les surfaces 281 et 282 seraient au diamètre des pièces terminales 264, 265 ou même à un diamètre inférieur (281) et supérieur (282) avec un raccordement conique, ceci permettant de diminuer l'entrefer des pièces polaires auxiliaires 232, 239.
  • Comme on peut le voir sur la Figure 11, les parois électriquement conductrices 281, 282 sont reliées électriquement entre elles par un fond conducteur 270 constituant, avec les parois conductrices 281, 282, un ensemble monobloc qui peut lui-même être solidaire de l'ensemble 227 distributeur de gaz.
  • Les surfaces cylindriques 281 et 282 sont reliées au fond de chambre 270 par des rayons de courbure assurant une surface lisse évoluant de façon progressive. Ainsi, le champ électrique entre les surfaces conductrices 281, 282 et les écrans conducteurs 259, 339, qui sont à la masse, ne subit pas d'augmentation notable pouvant amener un claquage.
  • La partie amont du canal d'accélération 222 est séparée des pièces polaires 232, 239 ainsi que des écrans électrostatiques 259, 339 par un espace vide. Ainsi, comme dans le cas du mode de réalisation de la figure 5, le canal annulaire principal 222 est isolé électriquement et thermiquement du reste de la source 259, 339, 232, 239, 236 par le vide, l'espace entre le canal annulaire principal 222 et le reste de la source étant compris typiquement entre 1 et 5mm. Dans le mode de réalisation de la figure 11, les parois 281, 282 du canal annulaire 222 sont isolées électriquement du reste des éléments structurels de la source, y compris l'anode 225.
  • II est aussi possible d'amener les pièces polaires auxiliaires 232, 239 au contact des écrans électrostatiques 259, 339, toujours dans le but de diminuer l'entrefer et d'améliorer le contrôle du profil de champ magnétique.
  • La surface externe des parois 281, 282, 270 ainsi que les surfaces externe et interne des écrans 259, 339 peuvent être polies de manière à diminuer les pertes radiatives radiales. Cela permet en particulier de diminuer le flux thermique sur la bobine centrale 233 (Figure 11).
  • Selon une variante de réalisation, la surface exteme de la paroi externe 281 de la chambre, et celle-ci seulement, peut être au contraire recouverte d'un revêtement à haute émissivité, de même que les faces de l'écran 339, la partie de l'écran 259, qui fait face à la paroi inteme 282, restant polie. Cette disposition améliore le refroidissement par rayonnement du canal conducteur tout en interdisant l'échauffement de la bobine centrale 233.
  • La durée de vie et l'efficacité de la source d'ions dépendent des phénomènes fonctionnels qui interviennent au sein de la couche d'ionisation.
  • Le phénomène principal qui détermine la durée de vie est l'érosion des pièces terminales 264, 265 de l'ensemble chambre de décharge-canal d'accélération 222, du fait de la projection sur les parois des ions qui ont été accélérés.
  • Les caractéristiques d'intégrité de la source d'ions à dérive fermée d'électrons sont largement déterminées par la géométrie et l'intensité du champ magnétique dans le canal d'accélération et restent stables même lorsque la partie aval de sortie de la chambre de décharge s'est élargie par suite de la projection des ions (voir Figure 4A). Une dégradation sensible de l'efficacité de fonctionnement du propulseur n'est observée que lorsqu'une projection complète des ions a été effectuée sur les parois de la chambre de décharge dans l'espace interpôles du système magnétique et lorsque les pôles 234, 235 eux-mêmes ont subi des projections significatives. Dans ce cas, les modifications de la topologie et de l'intensité du champ magnétique sont les principales causes de la dégradation des performances.
  • Dans le cas de la présente invention, on utilise, pour les pièces terminales 264, 265 des parois de l'ensemble chambre de décharge-canal d'accélération, des inserts en matériau diélectrique suffisamment épais qui présentent une résistance accrue à la pulvérisation par des ions accélérés, ce qui augmente la durée de vie de l'ensemble de la source d'ions.
  • Dans les sources d'ions à dérive fermée d'électrons traditionnelles, on choisit, pour constituer les parois de la chambre de décharge (Figure 4A), des matériaux présentant une résistance élevée aux chocs thermiques et aux projections d'ions accélérés. On sait que les céramiques en oxyde d'aluminium (alumine) présentent une très grande résistance aux projections d'ions accélérés, mais présentent une résistance thermique insuffisante, qui conduit rapidement à des fissurations des parois de la chambre à la suite de plusieurs cycles de démarrage de la source. Ces effets sont attribués au gradient de température élevé qui se produit lors du démarrage, le long des parois relativement minces de la chambre. Toutefois, dans le cas où, comme selon la présente invention, on n'utilise que des inserts 264, 265 de relativement faibles dimensions, réalisés sous la forme d'anneaux disposés au voisinage de la sortie de la chambre, il est possible d'obtenir des inserts en alumine présentant une résistance thermique satisfaisante.
  • Par ailleurs, compte tenu de la forme de la courbe (Figure 4C) du potentiel de plasma V, qui reste sensiblement constante aussi longtemps que la composante radiale Br de l'induction magnétique reste inférieure à 0,6 Brmax ou 0,8 Brmax, suivant le régime de fonctionnement, où Brmax désigne la valeur maximale de cette composante radiale Br (Figure 4B), la substitution, conformément à l'invention, d'une paroi conductrice 281, respectivement 282, à une paroi en matériau diélectrique pour la zone de la chambre de décharge correspondant à la partie sensiblement constante de la courbe V n'affecte pas de façon sensible le processus fonctionnel au sein de la source. Cela a été vérifié par divers essais de fonctionnement.
  • Le fait que les parois conductrices interne 281 et externe 282 sont isolées électriquement du reste de la structure de la source d'ions, permet de conférer une grande stabilité au processus de fonctionnement de la source d'ions et d'égaliser les paramètres du plasma dans la zone proche de l'anode 225.
  • Dans certains cas, les parois 281, 282 peuvent toutefois être également connectées à l'anode 225 par une résistance électrique.
  • La mise en oeuvre de parois électriquement conductrices 281, 282, en métal ou matériau composite, conduit à une réduction de la masse de l'ensemble de la source d'ions.
  • Il convient toutefois de prendre en compte le fait que les parois électriquement conductrices 281, 282 présentent un potentiel voisin de celui de l'anode tandis qu'en fonctionnement les éléments structuraux du système magnétique (éléments 236, 237, 238) vont se trouver à un potentiel voisin de celui de la cathode. C'est pour éviter l'apparition de décharges électriques entre le système magnétique et la chambre que celle-ci est entourée des écrans conducteurs 339, 259 qui sont placés à une faible distance à peu près constante des parois 281, 282 et 270.
  • La réalisation d'une liaison très résistante entre les pièces de céramique 264, 265 et les pièces support 274, 275 peut être obtenue par brasage.
  • La Figure 12 donne un exemple de liaison brasée permettant d'autoriser une dilatation différentielle entre une pièce 264, respectivement 265, et un support métallique 274, respectivement 275, tout en respectant les impératifs de champ électrique entre l'écran 339 respectivement 259 et la paroi 281, respectivement 282.
  • A cet effet, le support 274 comporte une extrémité retournée 272 qui est mouillée par la brasure 271 et le support 275 peut être réalisé de façon identique.

Claims (22)

  1. Source d'ions à dérive fermée d'électrons comprenant un canal annulaire principal d'ionisation et d'accélération (122) ouvert à son extrémité aval, au moins une cathode creuse de compensation (140) disposée à l'extérieur du canal annulaire principal (122), des moyens (131, 132, 133, 134, 135, 136, 137) de création d'un champ magnétique dans le canal annulaire principal, adaptés pour produire dans ledit canal (122) un champ magnétique essentiellement radial présentant un gradient avec une induction maximale à l'extrémité aval du canal (122), un premier moyen d'alimentation en gaz ionisable associé à la cathode creuse et un deuxième moyen d'alimentation en gaz ionisable (126, 150, 151) situé en amont du canal annulaire principal (122) et des moyens de polarisation (143, 121) coopérant avec une anode (125),
       caractérisée en ce qu'au moins la paroi interne du canal annulaire principal (122) de cette source est constituée d'un matériau électriquement conducteur, et en ce que des pièces terminales (134, 135, 164, 165) portées à un potentiel plus bas que celui de l'anode (125) prolongent le canal annulaire (122) en aval de celui-ci.
  2. Source d'ions selon la revendication 1, caractérisée en ce que une partie au moins du canal annulaire principal (122) est polarisée électriquement par les moyens de polarisation (143, 121) de sorte qu'une partie au moins de la paroi interne du canal annulaire principal (122) constitue directement ladite anode (125)
  3. Source d'ions selon la revendication 2, caractérisée en ce que le canal annulaire principal d'ionisation et d'accélération (122) est un ensemble monobloc constitué d'un matériau électriquement conducteur.
  4. Source d'ions selon la revendication 3, caractérisée en ce que le canal annulaire principal (122) constitue un bloc canal annulaire principal fermé en amont par une chambre de tranquillisation (123) alimentée en gaz plasmagène par ledit deuxième moyen d'alimentation en gaz qui comprend un distributeur annulaire (127) relié à une canalisation d'alimentation (126, 150).
  5. Source d'ions selon la revendication 4, caractérisée en ce que les moyens de création d'un champ magnétique comprennent un circuit magnétique constitué par une culasse (136) sur laquelle est fixé le bloc canal annulaire principal (122), ladite culasse (136) comprenant un noyau axial (138) supportant une pièce polaire inférieure centrale (132) et une pièce polaire supérieure centrale (135) concentriques avec le bloc canal annulaire principal (122), ladite culasse (136) comprenant d'autre part une pluralité de tirants (137) disposés autour du bloc canal annulaire une fois que celui-ci est monté sur la culasse, lesdits tirants supportant une pièce polaire supérieure périphérique (134), lesdites pièces polaires supérieures centrale (135) et périphérique (134) constituant lesdites pièces terminales portées à un potentiel plus bas que celui de l'anode (125), lesdites pièces polaires supérieures (134, 135) comprenant des anneaux de garde (164, 165) disposés à l'embouchure du canal annulaire principal (122), lesquels anneaux de garde (164, 165) protègent les pièces polaires de l'érosion ionique du plasma et déterminent par leur épaisseur le profil de champ magnétique dans le plasma.
  6. Source d'ions selon la revendication 5, caractérisée en ce que les anneaux de garde (164, 165) sont amovibles de manière à adapter la nature du matériau les constituant à l'application utilisant la source d'ions.
  7. Source d'ions selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le canal annulaire principal (122) est isolé électriquement et thermiquement par le vide par rapport aux éléments du reste de la source d'ions comprenant des écrans électrostatiques (159, 160, 139; 259, 339), l'espace entre le canal annulaire principal (122 ; 222) et les éléments du reste de la source d'ions étant compris entre 1 et 5mm.
  8. Source d'ions selon la revendication 4, caractérisée en ce que le bloc canal annulaire (122) est fixé sur la culasse magnétique (136) par une pluralité de colonnettes (121, 126) constituées d'un matériau isolant thermique, et maintenues en place par des isolateurs (145), ces colonnettes (121, 126) pouvant être désolidarisées des isolateurs (145) pour permettre le démontage du bloc canal annulaire (122).
  9. Source d'ions selon la revendication 6, caractérisée en ce que les anneaux de garde (164, 165) sont réalisés dans l'un des matériaux conducteurs suivants: carbone, composite carbone-carbone, alliage de nickel, métal noble, composite céramique constitué de nitrures liés par silicium, silicium, acier inoxydable, aluminium.
  10. Source d'ions selon la revendication 6, caractérisée en ce que les anneaux de garde (164, 165) sont réalisés dans l'un des matériaux isolants suivants : nitrure de bore, alumine, quartz.
  11. Source d'ions selon la revendication 4, caractérisée en ce que le bloc canal annulaire principal (122) est réalisé dans l'un des matériaux conducteurs suivants: alliage de nickel réfractaire, molybdène, composite carbone-carbone.
  12. Source d'ions selon la revendication 4, caractérisée en ce qu'un matériau à évaporer est susceptible d'être déposé dans le canal annulaire et les parois internes du canal annulaire (122) sont partiellement recouvertes d'un dépôt isolant (193) afin d'éviter l'attaque du matériau électriquement conducteur constituant ledit canal par le matériau à évaporer.
  13. Source d'ions selon la revendication 3, caractérisée en ce que les parois intemes du bloc canal annulaire sont plaquées d'un métal noble tel que le platine, l'or ou le rhodium afin d'éliminer les attaques chimiques dues aux gaz présents dans ledit canal.
  14. Source d'ions selon la revendication 5, caractérisée en ce que les moyens de création d'un champ magnétique comprennent en outre des bobines d'inductions (131, 133) ou des aimants permanents intercalés dans le circuit magnétique.
  15. Source d'ions selon la revendication 14, caractérisée en ce que des bobines d'induction (131, 133) sont montées sur les tirants (137).
  16. Source d'ions selon la revendication 14, caractérisée en ce qu'une bobine torique (133) munie d'un écran magnétique annulaire est montée autour du noyau axial (138).
  17. Source d'ions selon la revendication 1, caractérisée en ce que les parois extemes et les parois internes (281, 282) du canal annulaire principal (222) sont en un matériau électriquement conducteur, et sont isolées électriquement du reste des éléments structurels de la source, y compris l'anode (225).
  18. Source d'ions selon la revendication 17, caractérisée en ce que les pièces terminales (264, 265) sont constituées d'un matériau diélectrique recouvrant en partie le canal annulaire principal (222).
  19. Source d'ions selon la revendication 18, caractérisée en ce que lesdites pièces terminales (264, 265) sont réalisées sous la forme d'inserts en matériau céramique qui sont fixés par l'intermédiaire de supports (274, 275) sur les pièces polaires (234, 235).
  20. Source d'ions selon la revendication 19, caractérisée en ce que les parois électriquement conductrices (281, 282) définissent une largeur du canal annulaire (222) dans le sens radial qui est supérieure à la largeur du canal annulaire (222) définie dans le sens radial au niveau des pièces terminales (264, 265).
  21. Source d'ions selon l'une quelconque des revendications 17 à 20, caractérisée en ce que les parois électriquement conductrices (281, 282) du canal annulaire (222) sont reliées électriquement entre elles par un fond conducteur constituant avec les parois électriquement conductrices (281,282) un ensemble monobloc (281,282,270), lequel ensemble monobloc est à un potentiel flottant légèrement inférieur à celui de l'anode (225).
  22. Source d'ions selon la revendication 21, caractérisée en ce que les parois électriquement conductrices (281, 282) du canal annulaire (222) sont reliées au fond conducteur (270) par des rayons de courbure assurant une surface lisse.
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