WO1996025755A1 - Dispositif a resonance cyclotron electronique pour creer un faisceau d'ions - Google Patents

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WO1996025755A1
WO1996025755A1 PCT/FR1996/000259 FR9600259W WO9625755A1 WO 1996025755 A1 WO1996025755 A1 WO 1996025755A1 FR 9600259 W FR9600259 W FR 9600259W WO 9625755 A1 WO9625755 A1 WO 9625755A1
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ionization chamber
antenna
microwave
transmission line
cyclotron resonance
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Inventor
Louis Wartski
Christian Schwebel
Jean Aubert
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Plasmion
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32357—Generation remote from the workpiece, e.g. down-stream
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J27/00—Ion beam tubes
    • H01J27/02—Ion sources; Ion guns
    • H01J27/16—Ion sources; Ion guns using high-frequency excitation, e.g. microwave excitation
    • H01J27/18—Ion sources; Ion guns using high-frequency excitation, e.g. microwave excitation with an applied axial magnetic field

Definitions

  • the present invention relates to an electronic cyclotron resonance device for creating an ion beam. More particularly, the invention relates to an ion source which comprises means for supplying gas, microwave power and electrical voltage.
  • a surface to be treated is immersed in a vacuum enclosure as well as a device capable of projecting an ion beam on said surface.
  • the gas is conveyed in an ionization chamber where it is simultaneously subjected to the action of a variable electric field at very high frequency and of a permanent magnetic field, under such conditions is in electronic cyclotron resonance, which increases the ionization efficiency of the gas.
  • One of the major drawbacks of the known devices lies in the fact that the gas is not suitably located in the ionization chamber, so that it only undergoes partial ionization.
  • the electric power which is necessary for the excitation of the gas is supplied by a microwave generator whose power must be coupled to the plasma so that it occurs only very little. radiation losses outside the device.
  • the present invention aims to provide a simple and economical device which in particular overcomes the drawbacks mentioned above and which is also compact and reliable.
  • the present invention relates to an electronic cyclotron resonance device for creating an ion beam comprising an ionization chamber, means for supplying gas inside the ionization chamber, and a coaxial transmission line.
  • the gas supply means comprising a conduit whose inlet orifice is located outside the device, and whose l outlet port opens into the ionization chamber, characterized in that an antenna is housed in the ionization chamber, the outlet port of the conduit for the gas supply means opening out to the inside said antenna, which is in the form of a closed hollow body and has orifices provided in its wall so that a gas introduced into the conduit spreads into the ionization chamber through the 'antenna, at i inside an electronic cyclotron resonance zone.
  • the orifices of the antenna are provided with capillary tubes.
  • the conduit is electrically conductive and one of its ends is electrically connected to the antenna, its other end being electrically connected to the wall of the ionization chamber at a point which is distant from the coaxial line of transmission by an odd multiple of a quarter of the wavelength in vacuum of the microwave.
  • the antenna is not in direct contact with the wall of the ionization chamber, but it is placed at the same electrical potential as the wall of the ionization chamber, by being connected to it by the through the electrically conductive conduit.
  • the electrical connection thus indirectly established between the antenna and the wall of the ionization chamber is transparent to microwaves, so that the transmission of microwaves to the antenna is not disturbed.
  • the coaxial transmission line comprises a coupling system constituted by two capacitors, the first being formed on the central conductor of the coaxial line, and having a length equal to an odd multiple of a quarter of the wavelength in the dielectric of this capacitor of the microwave, and the second being formed on the external conductor of the coaxial line, and having a length equal to an odd multiple of a quarter of the wavelength in the vacuum of the microwave.
  • the capacitor provided on the central conductor lets pass the electrical signal from the microwave generator while ensuring galvanic isolation between the parts of the transmission line located on either side of said capacitor, while the capacitor provided on the external conductor also ensures galvanic isolation and constitutes a barrier vis-à-vis the outside, which prevents microwave radiation.
  • This solution thus makes it possible to bring the microwave power in the transmission line maintained at zero average potential to the vicinity of the ionization chamber.
  • This device comprises a coaxial connector element 1 which is intended to be assembled with another coaxial connector element (not shown), connected to a coaxial cable (not shown) coming from a microwave generator (not shown).
  • the central contact 2 of the coaxial connector element 1 is extended by an electric line formed by a first central conductor 3 and a second central conductor 4. These two central conductors are coupled at their ends by means of an axial recess 5 formed at the end of the first central conductor 3 and to a protruding pin 6 of the corresponding end of the second central conductor 4, which pin 6 enters the recess 5 of the first central conductor, a dielectric 7 providing galvanic isolation between these two central conductors.
  • the ends of the two central conductors thus coupled form a first capacitor within the meaning of the invention.
  • the overlap length between pin 6 and recess 5 is equal to an odd multiple of a quarter of the wavelength in dielectric 7 of the microwave supplied by the microwave generator.
  • Each central conductor is housed in a cylindrical cavity 8, 9 formed, for the first central conductor 3, in a first cylindrical body 10, forming an external conductor, integral with the external part of the connector element 1, and, for the second central conductor 4, in a second cylindrical body 11, forming an external conductor, integral with an ionization chamber 12.
  • the second cylindrical body 11 has a tubular wall 11a which surrounds the first cylindrical body 10 over a height 10a equal to an odd multiple of a quarter of the wavelength in the vacuum of the microwave.
  • This arrangement constitutes a second capacitor within the meaning of the invention, and forms with the first capacitor 5, 6, 7 a coupling system which makes it possible to transmit the microwave energy from the coaxial transmission line to the ionization chamber. 12.
  • the second central conductor 4 extends to an antenna 14 housed in the ionization chamber 12 and being in the form of a closed cylindrical hollow body.
  • An alumina ring 15 is provided at the base of the antenna 14 to, on the one hand, avoid direct electrical contact between the wall of the ionization chamber 12 and the antenna 14 and, on the other hand, maintain a gas tightness between the interior volume of the ionization chamber 12 and the free annular space 13 lai ⁇ é around the second tube 4.
  • the antenna 14 is provided at its lower end with a plurality of orifices provided with capillary tubes 16 which communicate the interior of the antenna with the ionization chamber.
  • a bent conduit 17, electrically conductive opens on the one hand inside the antenna 14, on the other hand outside the device.
  • a gas is introduced into the bent conduit 17, it diffuses into the ionization chamber 12 through capillary tubes 16 which have the function of directing the gas towards the electronic cyclotron resonance zone 19, shown diagrammatically in broken lines, in distributing it as homogeneously as possible in this zone 19.
  • the bent conduit 17 comprises a branch 17a coaxial with the second central conductor 4 and located inside the latter, and a branch 17b perpendicular to said second central conductor 4, located in the sleeve 18.
  • the distance which separates the disc 20 from the second tube 4 is equal to an odd multiple of a quarter of the wavelength in the vacuum of the microwave, so that the electrical connection which is established by the disc 20 between the electrical conduit 17 and the sleeve 18 is transparent to microwaves.
  • this electrical connection has the sole effect of equalizing the potentials of the ionization chamber and the antenna. In this way, the formation of excessively large ion sheaths in the ionization chamber 12, in particular around the antenna 14, is avoided.
  • a set of extraction grids 21 is placed at the outlet of the ionization chamber.
  • dielectric balls 22 are arranged in rings at the periphery of each central conductor.
  • Ball supports 23 are provided for this purpose in the first and second bodies 10 and 11 to immobilize the balls 22 bearing against the conductors 3 and 4. Although these supports 23 extend over the entire periphery of the central conductors, only a part has been shown in the drawing for the sake of clarity.
  • the entire device is intended to be placed inside a vacuum enclosure (not shown) in which a secondary vacuum or an ultra-vacuum is established.
  • the gas is introduced into the ionization chamber 12 through the bent conduit 17 and the antenna 14, at a pressure between 10 ⁇ and 10 " Torr.
  • the configuration in two bodies 10 and 11 of the device allows the rotation of the ionization chamber 12 with respect to its axis, the first body 10 remaining fixed while the second body 11, integral with the ionization chamber, rotates with the latter.
  • the coupling system with two capacitors which has a shape of revolution, then also serves as a rotary connecting piece ensuring the continuity of the electric line despite the rotational movements of the ionization chamber 12.
  • a set of inclined extraction grids 21 is thus provided so that the rotation of the ionization chamber results in a change of orientation of the ion beam.
  • a flexible conduit is advantageously used so as to allow the angular movement of the branch 17b of the conduit perpendicular to the second tube 4.

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Abstract

L'invention est relative à un dispositif à résonance cyclotron électronique pour créer un faisceau d'ions comportant une chambre d'ionisation (12), des moyens d'amenée de gaz à l'intérieur de la chambre d'ionisation, et une ligne coaxiale de transmission pour véhiculer un signal électrique depuis un générateur de micro-ondes jusqu'à la chambre d'ionisation, les moyens d'amenée de gaz comportant un conduit (17) dont l'orifice d'entrée se situe à l'extérieur du dispositif, et dont l'orifice de sortie débouche à l'intérieur de la chambre d'ionisation (12). Une antenne (14) est logée dans la chambre d'ionisation, l'orifice de sortie du conduit (17) des moyens d'amenée de gaz débouchant à l'intérieur de ladite antenne, laquelle se présente sous la forme d'un corps creux fermé et comporte des orifices ménagés dans sa paroi de manière qu'un gaz introduit dans le conduit se répande dans la chambre d'ionisation par l'intermédiaire de l'antenne, à l'intérieur d'une zone de résonance cyclotron électronique (19).

Description

Dispositif à résonance cyclotron électronique pour créer un faisceau d'ions.
La présente invention concerne un dispositif à résonance cyclotron électronique pour créer un faisceau d'ions. Plus particulièrement, l'invention concerne une source d'ions qui comporte des moyens d'alimentation en gaz, en puissance micro-onde et en tension électrique.
On sait traiter des surfaces pour les nettoyer ou pour y déposer des couches minces en utilisant des faisceaux d'ions obtenus par ionisation d'un gaz.
A cet effet, on immerge, dans une enceinte à vide, une surface à traiter ainsi qu'un dispositif apte à projeter un faisceau d'ions sur ladite surface.
Dans les dispositifs connus de ce type, le gaz est acheminé dans une chambre d'ionisation où il subit simultanément l'action d'un champ électrique variable à très haute fréquence et d'un champ magnétique permanent, dans des conditionβ telles cru'il se trouve en résonance cyclotron électronique, ce qui accroît le rendement d'ionisation du gaz. Un des inconvénients majeurs des dispositifs connus réside dans le fait que le gaz n'est pas convenablement localisé dans la chambre d'ionisation, de sorte qu'il ne subit qu'une ionisation partielle.
Par ailleurs, dans les dispositifs connus, la puissance électrique qui est nécessaire à l'excitation du gaz est fournie par un générateur de micro-ondes dont la puissance doit être couplée au plasma de manière à ce qu'il ne se produise que très peu de déperditions par rayonnement à l'extérieur du dispositif.
Or, un tel couplage est difficile à réaliser dans la mesure où le générateur de micro-ondes présente un potentiel moyen nul, tandis que la chambre d'ionisation est portée à un potentiel d'extraction généralement compris entre 0 et 5000 Volts, afin d'en extraire les ions formés par excitation du gaz.
Pour assurer la sécurité des utilisateurs des dispositifs connus, il est donc nécessaire de recourir à des moyens sophistiqués e coûteux, du fait qu'une partie de la ligne de transmission des micro-ondes est portée à la tension d'extraction. La présente invention vise à fournir un dispositif simple et économique qui résout notamment les inconvénients rappelés ci-dessus et qui est en outre compact et fiable.
La présente invention a pour objet un dispositif à résonance cyclotron électronique pour créer un faisceau d'ions comportant une chambre d'ionisation, des moyens d'amenée de gaz à l'intérieur de la chambre d'ionisation, et une ligne coaxiale de transmission pour véhiculer un signal électrique depuis un générateur de micro-ondes jusqu'à la chambre d'ionisation, les moyens d'amenée de gaz comportant un conduit dont l'orifice d'entrée se situe à l'extérieur du dispositif, et dont l'orifice de sortie débouche à l'intérieur de la chambre d'ionisation, caractérisé par le fait qu'une antenne est logée dans la chambre d'ionisation, l'orifice de sortie du conduit des moyens d'amenée de gaz débouchant à l'intérieur de ladite antenne, laquelle se présente sous la forme d'un corps creux fermé et comporte des orifices ménagés dans sa paroi de manière qu'un gaz introduit dans le conduit se répande dans la chambre d'ionisation par l'intermédiaire de l'antenne, à l'intérieur d'une zone de résonance cyclotron électronique. De préférence, les orifices de l'antenne sont munis de tubes capillaires.
Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le conduit est électriquement conducteur et l'une de ses extrémités est raccordée électriquement à l'antenne, son autre extrémité étant reliée électriquement à la paroi de la chambre d'ionisation en un point qui est éloigné de la ligne coaxiale de transmission d'une distance multiple impair du quart de la longueur d'onde dans le vide de la micro-onde.
Dans ce mode de réalisation, l'antenne ne se trouve pas en contact direct avec la paroi de la chambre d'ionisation, mais elle est placée au même potentiel électrique que la paroi de la chambre d'ionisation, en y étant reliée par l'intermédiaire du conduit électriquement conducteur. La liaison électrique ainsi indirectement établie entre l'antenne et la paroi de la chambre d'ionisation est transparente pour les micro-ondes, de sorte que la transmission des micro-ondes vers l'antenne n'est pas perturbée. Dans un mode de réalisation de l'invention, la ligne coaxiale de transmission comprend un système de couplage constitué par deux condensateurs, le premier étant ménagé sur le conducteur central de la ligne coaxiale, et ayant une longueur égale à un multiple impair du quart de la longueur d'onde dans le diélectrique de ce condensateur de la micro-onde, et le second étant ménagé sur le conducteur externe de la ligne coaxiale, et ayant une longueur égale à un multiple impair du quart de la longueur d'onde dans le vide de la micro-onde. Le condensateur prévu sur le conducteur central laisse passer le signal électrique issu du générateur de micro-ondes tout en assurant un isolement galvanique entre les parties de la ligne de transmission situées de part et d'autre dudit condensateur, tandis que le condensateur prévu sur le conducteur externe assure également un isolement galvanique et constitue une barrière, vis-à-vis de l'extérieur, qui empêche le rayonnement des micro-ondes.
Cette solution permet ainsi d'amener la puissance micro-onde dans la ligne de transmission maintenue à un potentiel moyen nul jusqu'au voisinage de la chambre d'ionisation.
Dans le but de mieux faire comprendre l'invention, on va en décrire maintenant un mode de réalisation donné à titre d'exemple non limitatif, en référence à la figure unique annexée qui représente un dispositif selon l'invention, vu en coupe.
Ce dispositif comporte un élément de connecteur coaxial 1 qui est destiné à être assemblé avec un autre élément de connecteur coaxial (non représenté), relié à un câble coaxial (non représenté) issu d'un générateur de micro-ondes (non représenté).
Le contact central 2 de l'élément de connecteur coaxial 1 est prolongé par une ligne électrique formée d'un premier conducteur central 3 et d'un second conducteur central 4. Ces deux conducteurs centraux sont accouplés à leurs extrémités grâce à un êvidement axial 5 ménagé à l'extrémité du premier conducteur central 3 et à une broche en saillie 6 de l'extrémité correspondante du second conducteur central 4, laquelle broche 6 pénètre dans l'évidement 5 du premier conducteur central, un diélectrique 7 réalisant un isolement galvanique entre ces deux conducteurs centraux. Les extrémités des deux conducteurs centraux ainsi accouplés forment un premier condensateur au sens de l'invention.
La longueur de recouvrement entre la broche 6 et l'évidement 5 est égale à un multiple impair du quart de la longueur d'onde dans le diélectrique 7 de la micro-onde fournie par le générateur de micro-ondes.
Chaque conducteur central est logé dans une cavité cylindrique 8,9 ménagée, pour le premier conducteur central 3, dans un premier corps cylindrique 10, formant conducteur externe, solidaire de la partie externe de l'élément de connecteur 1, et, pour le second conducteur central 4, dans un second corps cylindrique 11, formant conducteur externe, solidaire d'une chambre d'ionisation 12.
Le second corps cylindrique 11 comporte une paroi tubulaire lia qui entoure le premier corps cylindrique 10 sur une hauteur 10a égale à un multiple impair du quart de la longueur d'onde dans le vide de la micro-onde.
Cet agencement constitue un second condensateur au sens de l'invention, et forme avec le premier condensateur 5, 6, 7 un système de couplage qui permet de transmettre l'énergie micro-onde depuis la ligne coaxiale de transmission vers la chambre d'ionisation 12.
Un espace annulaire 13 est laissé vide entre chaque conducteur central 3,4 et la paroi intérieure de la cavité cylindrique 8,9 correspondante.
Le second conducteur central 4 s'étend jusqu'à une antenne 14 logée dans la chambre d'ionisation 12 et se présentant sous la forme d'un corps creux cylindrique fermé.
Une bague en alumine 15 est prévue à la base de l'antenne 14 pour, d'une part, éviter un contact électrique direct entre la paroi de la chambre d'ionisation 12 et l'antenne 14 et d'autre part, maintenir une étanchéité au gaz entre le volume intérieur de la chambre d'ionisation 12 et l'espace annulaire 13 laiββé libre autour du second tube 4.
L'antenne 14 est munie à son extrémité inférieure d'une pluralité d'orifices pourvus de tubes capillaires 16 qui font communiquer l'intérieur de l'antenne avec la chambre d'ionisation.
Un conduit 17 coudé, électriquement conducteur, débouche d'une part à l'intérieur de l'antenne 14, d'autre part à l'extérieur du dispositif. Un manchon électriquement conducteur 18, réalisé d'un seul tenant avec le corps cylindrique 11 solidaire de la chambre d'ionisation, entoure le tube coudé 17 dans sa partie débouchant vers l'extérieur. Lorsqu'un gaz est introduit dans le conduit coudé 17, il diffuse dans la chambre d'ionisation 12 au travers des tubes capillaires 16 qui ont pour fonction de diriger le gaz vers la zone de résonance cyclotron électronique 19, schématisée en trait interrompu, en le répartissant de façon la plus homogène possible dans cette zone 19.
Le conduit coudé 17 comporte une branche 17a coaxiale au second conducteur central 4 et située à l'intérieur de ce dernier, et une branche 17b perpendiculaire audit second conducteur central 4, située dans le manchon 18. Un disque 20, électriquement conducteur, relie le conduit coudé 17 au manchon 18 et établit ainsi indirectement une connexion électrique entre l'antenne 14 et la chambre d'ionisation 12.
Dans la branche 17b du conduit 17, la distance qui sépare le disque 20 du second tube 4 est égale à un multiple impair du quart de la longueur d'onde dans le vide de la micro-onde, de sorte que la liaison électrique qui est établie par le disque 20 entre le conduit électrique 17 et le manchon 18 est transparente pour les micro-ondes.
Ainsi, cette liaison électrique a pour seul effet d'égaliser les potentiels de la chambre d'ionisation et de l'antenne. De cette manière, on évite la formation de gaines d'ions trop importantes dans la chambre d'ionisation 12, en particulier autour de l'antenne 14.
Un ensemble de grilles d'extraction 21 est placé à la sortie de la chambre d'ionisation.
Pour maintenir coaxialement les deux corps cylindriques 10 et 11, par rapport aux conducteurs centraux 3 et 4 qui sont alignés grâce au premier condensateur 5,6,7, des billes diélectriques 22 sont disposées en anneaux à la périphérie de chaque conducteur central.
Des supports de billes 23 sont prévus à cet effet dans les premier et second corps 10 et 11 pour immobiliser les billes 22 en appui contre les conducteurs 3 et 4. Bien que ces supports 23 s'étendent sur toute la périphérie des conducteurs centraux, seule une partie en a été représentée sur le dessin dans un but de clarté.
L'ensemble du dispositif est destiné à être placé à l'intérieur d'une enceinte à vide (non représentée) dans laquelle est établi un vide secondaire ou un ultra-vide.
Le gaz est introduit dans la chambre d'ionisation 12 au travers du conduit coudé 17 et de l'antenne 14, à une pression comprise entre 10~ et 10" Torr. La configuration en deux corps 10 et 11 du dispositif permet la rotation de la chambre d'ionisation 12 par rapport à son axe, le premier corps 10 restant fixe tandis que le second corps 11, solidaire de la chambre d'ionisation, tourne avec cette dernière.
Le système de couplage à deux condensateurs, qui présente une forme de révolution, sert alors également de pièce de liaison rotative assurant le continuité de la ligne électrique en dépit des mouvements de rotation de la chambre d'ionisation 12.
Le fait de pouvoir orienter la chambre d'ionisation peut constituer un avantage considérable pour des surfaces à traiter particulières.
Afin de tirer profit de cette possibilité, on prévoit ainsi un ensemble de grilles d'extraction 21 inclinées de sorte que la rotation de la chambre d'ionisation se traduise par un changement d'orientation du faisceau d'ions. Pour alimenter le dispositif en gaz, on utilise avantageusement un conduit souple de manière à permettre le débattement angulaire de la branche 17b du conduit perpendiculaire au second tube 4.
Il est bien entendu que le mode de réalisation qui vient d'être décrit ne présente aucun caractère limitatif et qu'il pourra recevoir toutes modifications désirables sans sortir pour cela du cadre de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif à résonance cyclotron électronique pour créer un faisceau d'ions comportant une chambre d'ionisation (12), des moyens d'amenée de gaz à l'intérieur de la chambre d'ionisation, et une ligne coaxiale de transmission pour véhiculer un signal électrique depuis un générateur de micro-ondes jusqu'à la chambre d'ionisation, les moyens d'amenée de gaz comportant un conduit (17) dont l'orifice d'entrée se situe à l'extérieur du dispositif, et dont l'orifice de sortie débouche à l'intérieur de la chambre d'ionisation (14), caractérisé par le fait qu'une antenne (14) est logée dans la chambre d'ionisation, l'orifice de sortie du conduit (17) des moyens d'amenée de gaz débouchant à l'intérieur de ladite antenne, laquelle se présente sous la forme d'un corps creux fermé et comporte des orifices ménagés dans sa paroi de manière qu'un gaz introduit dans le conduit se répande dans la chambre d'ionisation par l'intermédiaire de l'antenne, à l'intérieur d'une zone de résonance cyclotron électronique (19).
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les orifices de l'antenne (14) sont munis de tubes capillaires (16).
3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le conduit (17) est électriquement conducteur et que l'une de ses extrémités est raccordée électriquement à l'antenne (14), son autre extrémité étant reliée électriquement à la paroi de la chambre d'ionisation (12) en un point qui est éloigné de la ligne coaxiale de transmission (3,4) d'une distance multiple impair du quart de la longueur d'onde dans le vide de la micro-onde.
4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la ligne coaxiale de transmission (3,4) comprend un système de couplage constitué par deux condensateurs, le premier (5,6,7) étant ménagé sur le conducteur central (3,4) de la ligne coaxiale et ayant une longueur égale à un multiple impair du quart de la longueur d'onde dans le diélectrique (7) de ce condensateur de la micro-onde, et le second étant ménagé sur le conducteur externe (10,11) de la ligne coaxiale et ayant une longueur égale à un multiple impair du quart de l longueur d'onde dans le vide de la micro-onde.
5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que la ligne coaxiale de transmission est constituée par deux conducteurs centraux (3,4) accouplés et maintenus en alignement par le premier condensateur (5,6,7) et par deux corps cylindriques (10,11) formant conducteurs externes accouplés par le second condensateur (10a,lia) et maintenus coaxialement par des billes (22) disposées en anneaux à la périphérie de chaque conducteur central (3,4)
6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que le premier (5,6,7) et le second (10a,lia) condensateurs présentent une forme de révolution qui permet au second corps (11) de tourner par rapport au premier corps (10).
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