FR2861947A1 - Dispositif pour controler la temperature electronique dans un plasma rce - Google Patents

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Abstract

La présente invention concerne un dispositif pour contrôler la température électronique dans une chambre à plasma RCE (1). Ce dispositif comprend au moins un limiteur (100) placé sur la trajectoire d'électrons dont l'énergie est supérieure à une énergie prédéterminée, de façon à former obstacle à ces électrons.Application aux sources d'ions et aux machines à plasma.

Description

2861947 1
Le domaine général de l'invention est celui de la production de courants d'ions multichargés à partir d'un plasma confiné, telle que dans _une source d'ions RCE ou dans une machine à plasma. L'invention concerne plus particulièrement un dispositif destiné à contrôler la température électronique dans un plasma RCE.
La fonction des sources d'ions à Résonance Cyclotron des Electrons ( RCE , ou ECR en anglais) est de produire, d'une part, des intensités ioniques allant du A au mA, et d'autre part une gamme d'états de charge étendue. Les utilisateurs de ces sources demandent actuellement plusieurs mA d'ions de faible charge électrique, comme B1+ à B3+ (servant d'implanteurs), environ 1 mA d'ions moyennement chargés, comme Ar8+ , Ar12+ ou Pb27+ (alimentant des accélérateurs pour la physique nucléaire), et quelques A d'ions ayant des charges très élevées, comme Ar16+, Ar17+ ou Arl8+ (alimentant des accélérateurs pour la physique nucléaire ou la physique atomique).
La fonction des machines à plasma RCE est de produire des ions qui ne sont pas extraits de la machine. Ces ions sont par exemple utilisés pour faire des dépôts de matériaux sur des substrats.
Un plasma RCE (ensemble d'ions et d'électrons) est confiné dans une enceinte plongée dans une configuration magnétique résultant de la superposition de deux champs magnétique, l'un axial et l'autre radial, dans le but d'éviter les fuites du plasma. Tous les électrons du plasma oscillent sur des lignes de champ magnétique qui sont facilement calculables par différent codes (voir par exemple l'article de A. Girard et al. intitulé Electron Cyclotron Resonance Ion Sources: Experiments and Theory , Actes du 12ème Séminaire International sur les sources d'Ions ECR, 25-27 avril 1995, Riken, Japon).
Pour produire des ions de charge q+, un plasma RCE utilise le principe de l'épluchage répété des atomes qui résulte des collisions entre ces atomes et des électrons énergétiques. On estime empiriquement que l'énergie requise pour ces électrons doit être égale à environ 3 fois le potentiel d'ionisation de l'ion X(q_l)+ . Ainsi, le potentiel d'ionisation des atomes d'argon étant de 16 eV, l'énergie électronique optimale pour produire des ions Ar+ est d'environ eV; pour produire des ions Ar8+ , il faut des électrons ayant une énergie voisine de 500 eV, alors que pour obtenir des ions Ar'8, les électrons doivent avoir une énergie de l'ordre de 15 keV.
Les intensités ioniques requises par les utilisateurs étant toujours 5 croissantes, il est nécessaire de perfectionner les sources d'ions RCE. Plusieurs voies ont été explorées dans ce but: - augmentation de la fréquence de chauffage des électrons: on augmente de la sorte la densité des électrons du plasma, selon une loi bien connue en physique des plasmas; - optimisation du confinement des électrons et des ions du plasma: beaucoup de travaux ont été réalisés, voir par exemple l'article de S. Gammino et al. intitulé Operation of the Serse superconducting ECR ion source at 28 GHz (Review of Scientific Instruments, vol. 72, n 11, p. 4090, novembre 2001) ; dans cet article sont exposées des lois d'échelles liées au confinement du plasma; - optimisation de l'injection de micro-ondes: voir par exemple le brevet FR2681186;et - diminution de la température des ions par injection d'un gaz plus léger que le gaz à ioniser (technique du mélange de gaz) : voir l'article de A. Drentje intitulé Techniques to improve highly charged ions output from ECRISs (Actes du 15ème Séminaire International sur les sources d'Ions ECR, Université de Jyviskylâ, Finlande, juin 2002).
Des mesures de température électronique Te ont été effectuées. Il a été montré (voir par exemple l'article de A. Girard et al. cité ci-dessus) que, dans un plasma RCE, il existe à la fois une population d'électrons très chauds (Te > 50 keV), une population d'électrons chauds (1 keV < Te < 50 keV) et une population d'électrons froids (Te < 1 keV). En fait, seuls les électrons chauds ayant une température inférieure à 20 keV sont utiles dans un plasma RCE (par exemple, pour obtenir des ions Ar18+, il faut, comme indiqué ci-dessus, des électrons de 15 keV environ). Or l'on trouve couramment, dans un plasma RCE, des électrons d'énergie supérieure à 100 keV: ces électrons sont tout à fait inefficaces du fait de leur énergie excessivement supérieure à l'énergie optimale.
2861947 3 L'invention propose donc un dispositif pour contrôler la température électronique dans une chambre à plasma, ledit dispositif étant remarquable en ce qu'il comprend au moins un limiteur placé sur la trajectoire d'électrons dont l'énergie est supérieure à une énergie prédéterminée, de façon à former obstacle à ces électrons.
Ainsi, selon leurs positions dans la chambre à plasma, ces limiteurs vont stopper les électrons plus ou moins énergétiques. Le procédé selon l'invention permet ainsi de réduire le nombre des électrons jugés trop chauds, voire de les supprimer complètement, en plaçant des obstacles sur leur parcours.
Grâce à l'invention, on peut contrôler la température électronique de manière à ce qu'elle coïncide avec les potentiels d'ionisation des ions concernés. En outre, lorsque les ions ou les électrons du plasma viennent toucher les limiteurs, il se crée des électrons secondaires de basse énergie (quelques eV) ; ces électrons seront alors immédiatement chauffés et contribueront avantageusement au processus d'ionisation.
Selon des caractéristiques particulières de l'invention, la position et le nombre desdits limiteurs sont choisis en fonction de l'énergie des électrons et du nombre d'électrons auxquels l'on veut faire obstacle.
Grâce à ces dispositions, on peut sélectivement supprimer les 20 électrons indésirables.
Selon d'autres caractéristiques particulières de l'invention, la forme de chaque limiteur est choisie en fonction de la configuration des trajectoires électroniques dans ladite chambre à plasma.
Grâce à ces dispositions, on peut, en couvrant avec les limiteurs selon l'invention une zone plus ou moins large dans la chambre à plasma, déterminer la plage d'énergie des électrons auxquels il est fait obstacle.
Selon encore d'autres caractéristiques particulières de l'invention, les matières constituant ces limiteurs sont choisies en fonction de leur aptitude à produire des électrons secondaires lorsqu'elles sont soumises à des collisions avec des électrons de haute énergie.
En effet, selon les matières utilisées pour ces limiteurs, le nombre et l'énergie des électrons secondaires ainsi produits peuvent être plus ou moins 2861947 4 importants. On peut donc ainsi doser l'effet de ces électrons secondaires sur la production d'ions.
L'invention vise également une source d'ions RCE et une machine à plasma RCE comprenant, avantageusement, l'un quelconque des dispositifs 5 décrits succinctement ci-dessus.
D'autres aspects et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée, que l'on trouvera ci-dessous, de modes particuliers de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs. Cette description se réfère aux dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe d'une chambre à plasma, dans le cas d'un confinement radial hexapolaire, - les figures 2a et 2b sont des vues en coupe d'une chambre à plasma équipée d'un limiteur selon l'invention placé dans une zone sans plasma de la chambre, avec deux formes différentes de limiteurs, - la figure 3 est une vue en coupe d'une chambre à plasma équipée d'un limiteur selon l'invention placé dans une zone de fuite du plasma, - la figure 4 est une vue en coupe d'une chambre à plasma équipée d'un limiteur selon l'invention placé dans la zone à plasma chaud de la chambre, - la figure 5 représente un exemple de structure pour un limiteur selon l'invention, et - la figure 6 est une vue en perspective d'une chambre à plasma équipée de limiteurs selon la figure 5.
On va décrire à présent divers modes de réalisation de 25 l'invention.
Comme indiqué ci-dessus, le profil magnétique d'une source RCE est donné par la superposition de deux champs magnétiques (axial et radial).
La zone où oscillent les électrons a une forme d'étoile à trois branches si le champ magnétique radial est constitué par un hexapôle. Plus généralement, la zone dans laquelle circulent les électrons a une forme d'étoile à n branches lorsque le champ magnétique radial est constitué de 2n pôles. Par exemple, la 2861947 5 figure 1 est une vue en coupe d'une chambre à plasma 1, dans le cas d'un confinement radial obtenu au moyen de six pôles magnétiques 2a à 2f.
On distingue, en particulier, trois types de zones dans la chambre à plasma 1: - une zone centrale 3 du plasma (comprenant essentiellement des électrons chauds et des ions froids ), - des zones de fuite 4 du plasma, et - des zones sans plasma 5.
Il est à noter que l'on peut trouver des électrons très chauds dans 10 toutes ces zones, y compris dans les zones sans plasma 5.
Les figures 2a et 2b sont des vues en coupe d'une chambre à plasma 1 équipée d'un limiteur 100 placé dans une zone sans plasma 5 de la chambre, avec deux formes différentes de limiteurs. La forme relativement plus large du limiteur de la figure 2b permet d'intercepter des électrons sur un nombre supérieur de trajectoires.
La figure 3 est une vue en coupe d'une chambre à plasma 1 équipée d'un limiteur 100 placé dans une zone de fuite 4 du plasma, et la figure 4 est une vue en coupe d'une chambre à plasma 1 équipée d'un limiteur 100 interceptant la zone centrale 3 de la chambre.
On notera que, s'il est vrai que les électrons de haute énergie sont répartis dans toute la chambre à plasma 1, leur concentration est évidemment maximale dans la zone centrale 3, où les températures du plasma sont elles-mêmes maximales. Pour une efficacité maximale des limiteurs 100, on cherchera donc à les placer aussi près que possible de cette zone centrale 3, mais il faudra tenir compte, notamment, de la température pouvant être supportée par la structure du limiteur 100.
La figure 5 représente un exemple de structure pour un ensemble de limiteurs selon l'invention. Chaque limiteur 100 comprend ici une partie active 7 en forme de barreau cylindrique destiné à être placé radialement dans un plan transversal de la chambre à plasma 1. Une extrémité du barreau va pointer vers la zone centrale 3 de la chambre, cependant que l'autre extrémité 2861947 6 est fixée à une autre partie du limiteur 100 constituée par un anneau 6 destiné à encercler le plasma.
Selon un autre mode de réalisation (non représenté), la partie active 7 du limiteur 100 est fixée, aux fins de maintien mécanique, sur une partie intermédiaire qui est elle-même fixée sur un anneau 6 du type utilisé dans le mode de réalisation précédent. Par exemple, la partie intermédiaire peut être constituée d'une tige-support, et la partie active 7, qui peut avoir la forme d'un barreau ou d'un disque ou encore d'une bille, est montée au bout de cette tige-support.
L'épaisseur des anneaux 6 doit être suffisante pour assurer un maintien suffisamment rigide des parties actives, mais ne doit pas être trop grande, afin d'éviter de perturber le plasma. Par exemple, une épaisseur de 5 à 10 A convient en général pour une chambre à plasma de 100 mm de diamètre.
L'homme du métier choisira des parties actives 7 de plus ou moins grande taille (par exemple le diamètre des barreaux de la figure 5) en fonction, en particulier, du taux de production d'électrons secondaires recherché lors de l'impact des électrons très chauds sur ces parties actives 7. Mais s'il constate qu'un nombre trop important d'électrons chauds sont présents, il augmentera la taille des parties actives 7 en conséquence.
On notera que, en fonctionnement, l'extrémité de la partie active 7 située au plus près de la zone centrale 3 du plasma s'érode à son contact, de sorte que sa forme en sera affectée. Par exemple, si la partie active 7 est constituée par un barreau dont l'extrémité est, au départ, plate, et si le plasma a, au niveau de cette extrémité, une forme concave, l'extrémité du barreau prendra en cours de fonctionnement une forme concave.
Les diverses parties constituant les limiteurs 100 peuvent être faites de diverses matières.
Les anneaux 6 doivent, évidemment, être faits de matières qui ne risquent pas de fondre en cours de fonctionnement; de plus, ces matières doivent de préférence ne pas dégager de gaz. Ces anneaux 6 peuvent par 2861947 7 exemple être en métal ou en céramique (telle que l'alumine ou l'oxyde de zirconium).
Si l'on utilise des parties intermédiaires telles que des tiges-supports, celles-ci seront soumises aux même contraintes de matières que les anneaux 5 6.
Enfin les parties actives 7 doivent, de préférence, être aptes à supporter les hautes températures présentes dans le plasma (alors que les autres parties des limiteurs 100, qui sont destinées au support mécanique des parties actives 7, et sont, d'une part, plus éloignées des parties chaudes du plasma et d'autre part protégées dans une certaine mesure par ces parties actives 7, requièrent moins de précautions à cet égard). De préférence, les parties actives 7 seront en un matériau réfractaire, tel que le tungstène, le tantale ou le molybdène; mais elles pourront également être en céramique (telle que l'alumine ou l'oxyde de zirconium ou l'oxyde de thorium), ou encore être entièrement métalliques.
Selon les matières choisies pour les limiteurs, le nombre et l'énergie des électrons secondaires produits lors de l'impact des électrons très chauds seront différents. L'homme du métier choisira donc les matières adaptées à ses besoins, après quelques test in situ si nécessaire.
La figure 6 est une vue en perspective d'une chambre à plasma 1 équipée d'un certain nombre de limiteurs 100. Les limiteurs ont ici une forme du type illustré sur la figure 5. Comme on le voit sur la figure 6, les barreaux 7 sont contenus dans des zones 8, 8', 8" où circulent des électrons indésirables.

Claims (1)

  1. 8 REVENDICATIONS
    1. Dispositif pour contrôler la température électronique dans une chambre à plasma (1), caractérisé en ce qu'il comprend au moins un limiteur (100) placé sur la trajectoire d'électrons dont l'énergie est supérieure à une énergie prédéterminée, de façon à former obstacle à ces électrons.
    2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la position et le nombre desdits limiteurs (100) sont choisis en fonction de l'énergie des électrons et du nombre d'électrons auxquels l'on veut faire obstacle.
    3. Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que la forme de chaque limiteur (100) est choisie en fonction de la configuration des trajectoires électroniques dans ladite chambre à plasma (1) de manière à couvrir avec chaque limiteur (100) une zone de la chambre à plasma (1) correspondant à la plage d'énergie des électrons auxquels on veut faire obstacle.
    4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les matières constituant ces limiteurs (100) sont choisies en fonction de leur aptitude à produire des électrons secondaires lorsqu'elles sont soumises à des collisions avec des électrons de haute énergie.
    5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'au moins un limiteur (100) comprend des parties métalliques.
    6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'au moins un limiteur (100) comprend des parties en céramique.
    7. Source d'ions RCE, caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6.
    8. Machine à plasma RCE, caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6.
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