FR2743191A1 - Source d'ions a derive fermee d'electrons - Google Patents

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 interne 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.

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., "ilon 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 mAlcm2 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'o 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 extemrne 24a et interne 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 21. 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 dernières, 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, Califomie; 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.l.

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 SingleStage Anode Layer Thruster', E. Lyapin, V. Padogomova et S. Semenkin, Central Research Institute of Machine Building, Kaliningrad (Région de Moscou), Russie. ème Conférence de l'AIMAA sur la ProDulsion AIMAA-943011, 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 canai d'accélération 51 étant réduit à une zone très mince située entre l'anode massive 55 et les parois conductrices 56 (d'o 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 zone 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 4C).

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 o le canal en céramique doit obéir à des impératifs contradictoires: résistance à la pulvérisation (rsputtering'), 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 particu-

lièrement, 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 o 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, la paroi interne au moins du canal interne 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.

Avantageusement, le bloc canal annulaire principal est isolé électriquement à l'aide d'écrans électrostatiques définissant un champ électrique interdisant les décharges à basse pression, I'espace entre ces

écrans et le bloc canal annulaire 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.

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 externes et les parois internes du canal annulaire principal sont en un matériau électriquement conducteur, à l'exception desdites pièces terminales, et sont isolées électriquement du reste des éléments structurels

de la source.

Dans ce cas, avantageusement, lesdites pièces terminales sont

constituées d'un matériau diélectrique.

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 68 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 Il'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; il - 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. DescriDtion 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 externes 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 121,122 sont fixées sur des isolateurs 145 par des écrous 146. 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.

Des essais montrent qu'avec un bloc canal 122 réalisé entièrement en matériau conducteur coopérant en aval avec des pièces terminales 134, , 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.

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 I'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 canai 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 canai 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 extemrnes du bloc canal 122 formant l'anode 125 (par exemple par polissage de ces faces extemes), (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 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 facile-

ment interchangeable. Pour démonter le bloc canal 122, il faut d'abord retirer l'ensemble constitué par la pièce polaire externe 134, I'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 externe 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

I'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 externe 234 et interne 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 interne 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 221 a.

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 221 b et un fil de

polarisation 243.

L'anode 225 et le distributeur 227 restent aisément démontables.

La source d'ions comprend en outre un écran électrique conducteur

259 qui enveloppe le canal annulaire 222.

Cet écran 259 peut coulisser à son extrémité aval sur l'anneau

céramique extemrne 264 et l'anneau céramique intemrne 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 l'écran électriquement conducteur 259 et les parois métalliques 281, 282 présente une largeur à peu près constante de manière à éviter un risque de décharge électrique entre les parois 281, 282 et l'écran 259. L'écran 259 peut être muni d'un grillage de manière à permettre le dégazage de l'espace compris entre cet écran et les parois

281,282.

Ces 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 o 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 l'écran conducteur 259, qui est à la masse, ne

subit pas d'augmentation notable pouvant amener un claquage.

Il est aussi possible d'amener les pièces polaires auxiliaires 232, 239 au contact de l'écran électrostatique 259, 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 de l'écran 259 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 extemrne 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 la partie externe de l'écran 259, la partie interne de l'écran 259, qui fait face à la paroi interne 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 interpoles 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 o, 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 4) 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, o Brmax désigne la valeur maximale de cette composante radiale Br (Figure 4), 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

I'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 de l'écran conducteur 259 qui est placé 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 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)

REVENDICATIONS

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 la paroi intemrne 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, ).

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 polalre 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).

6. Source d'ions selon la revendication 5, caractérisée en ce que le bloc canal annulaire principal (122) est isolé électriquement à l'aide d'écrans électrostatiques (159, 160) définissant un champ électrique interdisant les décharges à basse pression, l'espace entre ces écrans (159,

) et le bloc canal annulaire (122) étant compris entre 1 et 5 mm.

7. Source d'ions selon la revendication 5, 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.

8. Source d'ions selon la revendication 5, caractérisée en ce que les pièces polaires supérieures (134, 135) comprennent des anneaux de garde (164, 165) amovibles disposés à l'embouchure du canal annulaire

principal (122).

9. Source d'ions selon la revendication 8, 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 8, 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 4, caractérisée en ce que 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.

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 externes et les parois internes (281, 282) du canal annulaire principal (222) sont en un matériau électriquement conducteur, à l'exception desdites pièces terminales (264, 265), et sont isolées électriquement du

reste des éléments structurels de la source.

18. Source d'ions selon la revendication 17, caractérisée en ce que lesdites pièces terminales (264, 265) sont constituées d'un matériau diélectrique.

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 19 et

, 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.