WO2007003806A2 - Source de photons comprenant une source rce a gradient de pression - Google Patents

Source de photons comprenant une source rce a gradient de pression Download PDF

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WO2007003806A2
WO2007003806A2 PCT/FR2006/050429 FR2006050429W WO2007003806A2 WO 2007003806 A2 WO2007003806 A2 WO 2007003806A2 FR 2006050429 W FR2006050429 W FR 2006050429W WO 2007003806 A2 WO2007003806 A2 WO 2007003806A2
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photon source
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photons
plasma
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PCT/FR2006/050429
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Inventor
Denis Hitz
Marc Delaunay
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Commissariat A L'energie Atomique
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05G—X-RAY TECHNIQUE
    • H05G2/00—Apparatus or processes specially adapted for producing X-rays, not involving X-ray tubes, e.g. involving generation of a plasma
    • H05G2/001—Production of X-ray radiation generated from plasma
    • H05G2/003—Production of X-ray radiation generated from plasma the plasma being generated from a material in a liquid or gas state

Definitions

  • the present invention relates to a source of photons and, more particularly, to a source of photons comprising a plasma source of ions charged with electron cyclotron resonance.
  • RCE RCE more commonly referred to as RCE source.
  • An application of the photon source according to the invention is, for example, the production of EUV photons (EUV for "Extreme Ultra-Violet”) that can be used for lithography.
  • EUV photons EUV for "Extreme Ultra-Violet
  • EUV lithography Different light sources are used for EUV lithography, such as, for example, laser plasmas (LPP), synchrotron light, discharge sources (Z-pinch, hollow cathode, capillary source).
  • LPP laser plasmas
  • synchrotron light discharge sources
  • Z-pinch hollow cathode
  • capillary source discharge sources
  • Radiofrequency plasmas are little used to make EUV photon sources because the electron density is rather low.
  • the US patent application US-2003-0006708 proposes a photon source that combines an RF plasma and an ECR plasma. It is considered in this patent application that the magnetic structure that leads to electron cyclotron resonance is complicated to achieve. A solution devoid of such a structure is then proposed.
  • the source of photons obtained has few states of charge (see Figure 1) and a single element emits photons of desired wavelength.
  • a disadvantage of this source of photons is the low power that it delivers which is of the order of milliwatt.
  • an EUV photon source that uses the de-excitation of multicharged ions produced by an ECR source has been proposed (see reference [2]).
  • the disclosed photon source produces 13.5nm wavelength photons from Xe 10+ ion deexcitation. Due to their short wavelength, the photons emitted advantageously make it possible to produce etchings less than 65 nm.
  • a disadvantage of this source of photons is the low emitted power, namely 100 wW in 211 steradians.
  • a source of photons that uses a RCE source has many advantages:
  • the magnetic structure is made of permanent magnets.
  • the invention relates to a source of photons comprising a plasma source of ions charged with electron cyclotron resonance.
  • the photon source further comprises means for establishing, within the chamber, a pressure gradient of the first component and / or at least a second component different from the first component, the pressure gradient being suitable. creating an electron energy gradient of the plasma such that additional multicharged ions corresponding to at least one state of charge of the first constituent and / or at least one state of charge of the second constituent are created in the chamber, additional multicharged ions emitting, by de-excitation, photons of wavelength substantially equal to ⁇ o .
  • the means for establishing a pressure gradient comprise a first diaphragm situated on a first side of the chamber and a second diaphragm situated on a second side of the chamber, opposite the first side, where is located an opening by which photons are extracted from the photon source.
  • the second diaphragm comprises a central orifice through which the photons are extracted from the source of photons and the pump holes distributed around the central orifice, the diameter of the pump holes being chosen to prevent that microwaves that are injected into the vacuum cylindrical chamber do not leave the chamber, the number of pump holes being chosen, in relation to the diameter of the holes, to establish a pressure value of the first constituent and / or the second component in an area of the chamber located near the second diaphragm.
  • the second diaphragm is made of a conductive material and is polarized either to capture ions on impact zones and to return electrons to the plasma, or to capture electrons on electrons. impact zones and to return ions to the plasma.
  • the photon source comprises Q additional diaphragms placed between the first and second diaphragms so that the chamber is divided into Q + 1 areas.
  • each of the Q additional diaphragms comprises an opening of greater size than a wavelength of microwave cutoff injected into the chamber.
  • the opening of each of the Q additional diaphragms has a shape such that it does not intercept the lines of a magnetic field present in the chamber, thus leaving particles of the plasma to flow freely between the Q + l areas.
  • At least one additional diaphragm is made of a conductive material and is biased to capture or return ions or electrons to the plasma.
  • the first constituent and / or the second constituent are introduced into at least one of the Q + 1 zones of the chamber.
  • the chamber has a truncated cone shape which participates in the means for establishing the pressure gradient.
  • the source comprises pumping means which participate in the means for establishing a pressure gradient.
  • the source comprises means for introducing additional electrons into the chamber.
  • the first component and / or the second component is a metal gas or vapor.
  • a magnetic structure which participates in the multicharged ion plasma source comprises two cylindrical magnetic structures with axial confinement of the magnetic field and a cylindrical magnetic structure with radial confinement of the magnetic field surrounding the chamber and which is situated between the two cylindrical magnetic structures with axial confinement, a first cylindrical magnetic structure with axial confinement being located at a first end of the chamber and the second cylindrical magnetic structure with axial confinement being located at a second end of the chamber where the photons are extracted from the source.
  • at least one cylindrical magnetic structure with additional axial confinement is located between the two cylindrical magnetic structures with axial confinement located at the two ends of the chamber.
  • the cylindrical magnetic structures with axial confinement and the cylindrical magnetic structure with additional axial confinement consist of superconducting coils.
  • the cylindrical magnetic structure with radial confinement consists of superconducting coils.
  • the superconducting coils constituting the cylindrical magnetic structure with radial confinement are inside the superconducting coils which constitute the magnetic structures with axial confinement. According to another characteristic of the invention, the superconducting coils constituting the cylindrical magnetic structure with radial confinement are outside the superconducting coils which constitute the magnetic structures with axial confinement.
  • the superconducting coils constituting the cylindrical magnetic structure with radial confinement are "race track” type coils.
  • the cylindrical magnetic structure with radial confinement consists of permanent magnets.
  • the cylindrical magnetic structure with axial confinement located at the second end of the chamber has a inner diameter which increases for a movement from the inside of the chamber to the exit of the chamber.
  • the wavelength ⁇ o is substantially equal to 13.5 nm.
  • a typical photon source according to the invention delivers a photonic power of the order of a few tens of Watts in 4 ⁇ steradians.
  • FIG. 1 represents a typical electronic density distribution curve in a RCE plasma as a function of electronic temperature
  • FIG. 2 represents an electron density distribution curve in an ECR plasma as a function of the ionization potential of constituents of atomic number less than 36;
  • FIGS. 3, 5-8 and 10-14 represent different variants of photon sources according to the invention
  • FIG. 4 represents a detail view of an element of the photon source represented in FIG. 3
  • Figs. 9A and 9B show detail views of elements of the photon source shown in Fig. 8;
  • FIGS. 15 to 17 represent different magnetic structures that can be used in a source of photons according to the invention.
  • FIG. 18 represents, in the context of the invention, an electron density distribution curve in an ECR plasma as a function of the ionization potential of constituents of atomic number less than 36.
  • the source of photons according to the invention comprises a source RCE.
  • ECR sources are continuous or pulsed sources of multicharged ions in which several states of charge of a given species are produced.
  • the person skilled in the art who designs an ECR source seeks to obtain a plasma having a function of narrow electron energy distribution so as to produce in large quantities a particular charge state by electron / ion collision.
  • it is the Pb 27+ ion that is produced by the ion source of the CERN LHC particle accelerator (LHC for Large Hadron Collider).
  • the electron population is not monocinetic, and can be represented by a distribution function.
  • An ECR plasma thus contains electrons of a few eV (so-called “cold electrons”), a few hundred eV (so-called “warm electrons”) and some keV (so-called “hot electrons”) or even several hundred keV ( so-called “very hot electrons”).
  • the electron density curve n e has a maximum that strongly depends on the parameters of the plasma, in particular the pressure of the various elements that compose it as well as the power of the microwave waves that are injected into the chamber.
  • Plasma electrons thus play a dual role according to their energy: they create the multicharged ions and they excite them. Ions excited return to a stable state by emitting photons.
  • Table 1 below gives some examples of possible transitions, in the vicinity of 13 nm, for elements of atomic number Z less than 36.
  • a simple gas cylinder with a valve is connected to the plasma chamber.
  • a vapor is first created.
  • This metal vapor can be produced by various well known techniques in ECR ion sources.
  • the intensity of the photons emitted is directly related to the ion density of the constituents, which depends on the local pressure of the latter.
  • the pressure giving the optimal density of Ar 8+ ions different from the pressure giving the optimal density of O 6+ ions.
  • FIG. 2 represents, by way of nonlimiting example, an electron density distribution curve n e in an ECR plasma as a function of the ionization potential Pi of constituents of atomic number Z less than 36 capable of delivering photons of length. wavelength between 13.4nm and 13.5nm.
  • the ions of the plasma which emit photons at the desired wavelength are the ions Mn 5+ , Cr 7+ , Mg 4+ , Na 4+ , F 4+ , Sc 9+ , V 7+ , Na 5+ , F 5+ , Cu 10+ , F 6+ , Ca 13+ , Ti 14+ , Sc 15+ , Ti 15+ , V 16+ , Cr 18+ , Cr 19+ .
  • An essential feature of the invention is to modify the electronic density distribution of the plasma present in the chamber to create additional multicharged ions which emit by de-excitation photons at the desired wavelength.
  • FIG. 3 represents a sectional view of a first photon source variant according to the invention.
  • the photon source comprises a cylindrical vacuum plasma chamber CH of axis AA surrounded by a magnetic structure 1-6.
  • the magnetic structure 1-6 comprises two cylindrical magnetic structures with axial confinement [3, 4] and [5, 6] and a cylindrical magnetic structure with radial confinement [1, 2].
  • a first cylindrical structure with axial confinement [3, 4] is located at a first end of the chamber while the second structure [5, 6] is located at the other end, the radial confinement structure being located between the two structures with axial confinement.
  • Each axial confinement structure gives a maximum of the magnetic field.
  • a microwave injection guide GD provided with a sealing window (not shown in the figure) injects microwaves into the chamber CH.
  • a closed surface S, without contact with the walls of the chamber and on which the magnetic field has a value substantially equal to the value B RCE of the resonance field RCE is present inside the chamber CH.
  • a gas injection device I injects at least one gas into the chamber CH.
  • An ion plasma multicharged corresponding to a state of charge distribution of a first gas gl is formed inside the chamber CH.
  • the diaphragm D2 may be made of a conductive material which is polarized for stop the ions before they come out of the source.
  • the gases gl and g2 can be introduced into the plasma chamber by the same injection device
  • FIG. 3 represents, by way of example, a system for injecting two gases into a zone of high pressure, thus favoring the production of low states of charge.
  • FIG. 4 represents an example of diaphragm D2 which is situated on the photon extraction side, in the case where the radial magnetic field is hexapolar.
  • the diaphragm D2 comprises a central opening 0 through which the photons are extracted from the source and the pump holes t.
  • the pump holes t are arranged in three zones Z1, Z2, Z3 separated from each other by zones E1, E2, E3 devoid of holes and substantially located at 120 ° from each other.
  • the zones E1, E2 and E3 are plasma impact zones and constitute, mainly, the zones of the diaphragm which limit the leaks of the plasma.
  • the pump holes t are arranged in N zones Z1, Z2, ..., ZN separated from each other by N zones E1, E2, ... , EN located at 360 ° / N from each other.
  • the diameter of the central opening 0 depends on the size of the plasma, which depends on the intensity of the magnetic fields present in the chamber and the frequency of the microwaves.
  • the diameter of the central opening 0 also depends on the position of the device that recovers the photons (not shown in the figures).
  • the diameter of the holes t is chosen to be small enough to avoid micro-leaks. waves.
  • the diameter of the holes may be equal to 2 mm while the frequency of the microwaves varies from 2 GHz to 100 GHz, which corresponds to a wavelength variation of 14 cm to 0.3 cm. With a fixed hole diameter, the number of holes is then chosen according to the desired pressure in the chamber in the vicinity of the diaphragm D2.
  • the size of the openings in the diaphragm D2 (which is located on the side of the photon extraction) and the size of the openings in the diaphragm D1 (which is located on the opposite side to the extraction side of the photons ) are designed to obtain a "low” pressure on the photon extraction side and a “strong” pressure on the opposite side.
  • the orifices made in the diaphragm D1 are therefore preferably chosen as small as possible.
  • a pressure of 10 ⁇ 4 mbar can be created on the injection side of the constituents, favoring the creation of the Cr 7+ ion, while a pressure of 10 "6 mbar or 10 "7 mbar is created on the side of photon extraction, favoring the creation of the Cr 19+ ion.
  • FIG. 5 represents a second variant of photon source according to the invention.
  • the photon source comprises at least one furnace F to create a metal vapor which is introduced into the chamber.
  • the pressure gradient which appears due to the presence of the diaphragms D1 and D2 is then adapted to increase the density of multicharged metal ions which emit, by de-excitation, photons at the wavelength. desired. It is then possible to create, for example, Al 4+ and Cr 19+ ions which allow respective photon emissions at 13.04 nm and 13.15 nm (see table above).
  • the metal vapors can also be introduced into the CH chamber by other known means, for example by sputtering in the English language.
  • FIG. 6 represents a third variant of a photon source according to the invention.
  • a gas inlet gl is placed on the side of the microwave injection, at the diaphragm Dl. In this region of the chamber there is high pressure.
  • a gas inlet g2 is placed on the photon extraction side where there is a lower pressure.
  • the gl gas then gives ions of a first species having low states of charge while the gas g2 gives ions of a second species having high charge states.
  • the gases gl and g2 may be identical or different.
  • FIG. 7 represents a fourth variant of photon source according to the invention. All gas and / or metal vapor inputs are placed on the photon extraction side where low pressure prevails. High charge states of each species can then be produced.
  • FIG. 8 represents a fifth variant of photon source according to the invention.
  • an additional diaphragm D3 is placed in the chamber CH between the diaphragms D1 and D2.
  • the diaphragm D3 then separates the chamber into two zones Za and Zb.
  • Zone Za is a zone of high pressure (typically 10 -4 mbar) in which medium load states are produced (for example Xe 4+ ) and zone Zb is a zone of low pressure (typically 10 ⁇ 7 mbar) in which higher charge states are produced (eg Cr 19+ ).
  • the charge states produced are capable of giving photons of wavelength ⁇ o by de-energizing.
  • the shape of the diaphragm D3 is adapted so as not to disturb the propagation of microwaves in the cavity.
  • the diaphragm D3 then has an opening whose size is greater than the cut-off wavelength of the microwaves injected into the cavity. Furthermore, it is also desirable that the opening of the diaphragm D3 does not intercept the magnetic field lines so that the electrons and plasma ions can flow freely from the zone Za to the zone Zb, and vice versa.
  • the determination of the magnetic field lines is calculated using codes (for example "Poisson-Superfish" type codes).
  • FIGS. 9A and 9B show, by way of example, two diaphragm shapes D3 which comply with the above conditions depending on whether the radial magnetic field is hexapolar (FIG. 9A) or quadrupole (FIG. 9B).
  • the diaphragm D3 has a central opening in the form of a three-pointed star, which opening surrounds the surface S of the plasma. More generally, the diaphragm D3 has a central opening in the form of a star with N branches when the Radial magnetic field is a field with 2N poles.
  • FIG. 10 represents a sixth variant of photon source according to the invention.
  • the chamber CH is divided into four distinct zones Zc, Zd, Ze, Zf separated by diaphragms D4, D5, D6.
  • the diaphragms D4, D5, D6 are placed between the diaphragms D1 and D2 and have, for example, larger apertures as one approaches the diaphragm D2 located on the source exit side. in order to avoid hindering the propagation of photons towards the exit of the source.
  • a plasma chamber of the photon source according to the invention can be divided into Q + 1 zones, Q being an integer greater than or equal to 1, separated from each other by Q diaphragms placed between the diaphragms D1 and D2 located at both ends of the chamber.
  • FIG. 11 represents another alternative source of photons according to the invention.
  • the chamber CH is in the shape of a truncated cone.
  • the output of the photon source is located on the long side of the truncated cone while the arrival of gases and / or metal vapors is, for example, on the short side.
  • a grille-shaped diaphragm Gr with a central opening prevents the microwaves from leaving the chamber CH.
  • the truncated cone shape of the chamber is here the essential means by which the pressure gradient is realized.
  • Other embodiments of the invention (not shown in the figures) are of course possible, which combine the presence of all or part of the diaphragms mentioned above with the truncated cone-shaped chamber.
  • FIG. 12 represents another variant of the photon source according to the invention.
  • the photon source comprises an external supply of electrons.
  • This external supply of electrons can be advantageously chosen, for example in terms of quantity of electrons and / or electronic energy, as a function of the charge state or states that it is desired to obtain for the constituents present in the CH chamber.
  • An electron gun K preferably aligned along the axis AA of the chamber CH, then emits electrons in the chamber CH. The electron density is thus increased to obtain multicharged ions capable of producing, by de-excitation, photons at the desired wavelength.
  • Intermediate diaphragms D3, D4, D5 are present between the diaphragms D1 and D2.
  • FIG. 13 represents another variant of the photon source according to the invention.
  • FIG. 14 represents yet another variant of the photon source according to the invention.
  • the photon source of FIG. 14 contains a highly confined fine plasma whose length, along the axis AA of the chamber, is increased with respect to the length of the plasmas of the previous photon sources.
  • the length of the highly confined plasma can then be equal to 23 cm while the length of an unconfined plasma (see FIGS. 3, 5, 6, 8, 10, 12, 13) is equal to for example, 6cm.
  • such an increase in the length of the plasma is obtained by moving the two cylindrical magnetic structures with axial confinement [3,4] and [5,6] apart.
  • the length of the chamber CH is then also increased, as is the length of the cylindrical magnetic structure with radial confinement [7,8] which surrounds it.
  • the source of photons Figure 10 comprises two additional axial confinement structures [9, 10] and [11, 12].
  • intermediate diaphragms D3-D7 are present between the diaphragms D1 and D2.
  • a highly confined plasma produces a fine emission of photons which not only increases the power emitted but also to avoid any debris that may be produced by impacts of the plasma particles on the chamber (a phenomenon known as the English language " sputtering ").
  • a 37GHz transmitter delivering a continuous microwave power of 15kW can thus be used.
  • the magnetic structure that creates the axial magnetic field is constituted, for example, of four superconducting axial windings B1, B2, B3, B4 as shown in FIG. 15.
  • the windings B1 and B2 create the maximum of the magnetic field at both ends of the chamber while the windings B3 and B4, located between the windings B1 and B2, optimize the minima of this field.
  • the windings B1, B2, B3 and B4 are made, for example, with superconducting materials in a temperature range of 1.5 0 K to 100 0 K.
  • the radial magnetic field is here created by a hexapole H consisting of, for example, 24 sectors of permanent magnets.
  • the coil B4 located on the photon extraction side has a truncated cone shape on its inside diameter, the diameter widening when moving from the inside the room towards the exit of the source.
  • the photon emission zone is advantageously increased.
  • the permanent magnets [7, 8], H used for radially confining the plasma have a remanence and a limited coercive field.
  • the maxima of the magnetic field can not then exceed 1.5T.
  • superconducting coils can be used to create the radial magnetic field.
  • FIG. 16 represents a variant of magnetic structure according to the invention in which superconducting coils R1-R6 are used to create the radial magnetic field.
  • the magnetic structure of the RCE source is then entirely realized using superconducting windings.
  • three coils Superconductors B5, B6, B7 create the axial confinement of the magnetic field while six superconducting coils R1-R6 create the radial confinement.
  • the six superconducting windings R1-R6 are, for example, of the hexapolar type (three North poles / three South poles, one North pole alternating with a South pole) of the type commonly called "race track”.
  • the superconducting coils which create the radial and / or axial magnetic field consist of superconducting material whose critical temperature is sufficiently low to be used, for example, at a temperature of less than 50 K.
  • the superconducting material is said to "high temperature" (HTS material in English) to be used, for example, at a temperature of about 7O 0 K.
  • the radially contained windings may also be placed outside the axial confinement structure, as shown in Figure 17. This variant is advantageous in some cases for reasons of space.
  • the radial magnetic field is for example twelve-pole, made by twelve windings R1-R12 type "race track" (six North poles alternating with six poles South).
  • FIG. 18 represents, in the context of the invention, an example of an electron density distribution curve n e in an ECR plasma as a function of of the ionization potential Pi of constituents of atomic number less than 36. This curve is to be compared with the curve of FIG. 2 which corresponds to the case where the photon source is devoid of specific means for establishing a pressure gradient in the chamber .
  • the pressure gradient here applies a "high" pressure for constituents that require a relatively low ionization potential (a few tens of eV) and a “low” pressure for constituents that require a higher ionization potential (some hundreds of eV).
  • the pressure gradient thus advantageously increases the electron density of the plasma and, consequently, the density of the ions capable of emitting photons by deexcitation.

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Abstract

L'invention concerne une source de photons comprenant une source de plasma d'ions multichargés à la résonance cyclotron électronique (RCE), les ions multichargés correspondant à plusieurs états de charge d'un premier constituant (g1) introduit dans une chambre (CH) sous vide, au moins un état de charge émettant, par désexcitation, des photons de longueur d'onde λO, caractérisée en ce qu'elle comprend, en outre, des moyens pour établir, à l'intérieur de la chambre (CH), un gradient de pression du premier constituant (g1) et/ou d'au moins un deuxième constituant (g2) différent du premier constituant (g1), le gradient de pression étant apte à créer un gradient en énergie d'électrons du plasma tel que des ions multichargés supplémentaires soient crées qui émettent, par désexcitation, des photons de longueur d'onde sensiblement égale à λO. L'invention s'applique à la production de photons « Extrême Ultra Violet » utilisés pour la lithographie.

Description

SOURCE DE PHOTONS COMPRENANT UNE SOURCE RCE A GRADIENT DE PRESSION
Domaine technique et art antérieur
La présente invention concerne une source de photons et, plus particulièrement, une source de photons comprenant une source de plasma d' ions multichargés à la résonance cyclotron électronique
(RCE) plus communément appelée source RCE.
Une application de la source de photons selon l'invention est, par exemple, la production de photons EUV (EUV pour « Extrême Ultra-Violet ») pouvant être utilisée pour la lithographie.
Différentes sources de lumière sont utilisées pour la lithographie EUV, telles que, par exemple, les plasmas laser (LPP) , la lumière synchrotron, les sources à décharges (Z-pinch, cathode creuse, source capillaire) . Ces sources EUV présentent, selon les cas, les problèmes suivants :
- fonctionnement puisé et puissance trop faible pour certains lasers ; - production de débris néfastes aux optiques
(miroirs) ;
- coût élevé (lasers, synchrotron) ;
- pompage important ;
- reproductibilité et durée de vie de la source médiocres. Les plasmas radiofréquence, plus communément appelés plasma RF, sont peu utilisés pour réaliser des sources de photons EUV, car la densité électronique y est assez faible. Pour pallier cet inconvénient, la demande de brevet américain US-2003-0006708 (cf. référence [1] ) propose une source de photons qui combine un plasma RF et un plasma RCE. Il est considéré, dans cette demande de brevet, que la structure magnétique qui conduit à la résonance cyclotron électronique est compliquée à réaliser. Une solution dépourvue d'une telle structure est alors proposée. La source de photons obtenue comprend peu d'états de charge (cf. figure 1) et un seul élément émet des photons de longueur d'onde voulue. Un inconvénient de cette source de photons est la faible puissance qu'elle délivre qui est de l'ordre du milliwatt .
Plus récemment, une source de photons EUV qui utilise la désexcitation d'ions multichargés produits par une source RCE été proposée (cf. référence [2]) . La source de photons divulguée produit des photons de longueur d'onde 13,5nm à partir de la désexcitation d'ions Xe10+. Du fait de leur faible longueur d'onde, les photons émis permettent avantageusement de réaliser des gravures inférieures à 65nm. Un inconvénient de cette source de photons est cependant la faible puissance émise, à savoir 100 wW dans 211 stéradians .
Par rapport aux sources de lumière mentionnées ci-dessus, une source de photons qui utilise une source RCE présente toutefois de nombreux avantages :
- fonctionnement continu et stable ; - pas de débris en sortie ;
- pas d'usure (temps d'utilisation très long dû à l'absence de filament ou de cathode) ;
- faible pression (10~5-10~4 mbar) permettant de limiter les dimensions des pompes et les vibrations éventuelles ;
- faible coût, si la structure magnétique est réalisée en aimants permanents.
Comme cela a déjà été mentionné ci-dessus, un problème majeur d'une source de photons qui produit des photons à partir d'une source RCE est cependant la faible puissance qu'elle émet. L'invention ne présente pas cet inconvénient.
Exposé de l'invention En effet, l'invention concerne une source de photons comprenant une source de plasma d' ions multichargés à la résonance cyclotron électronique
(RCE) , les ions multichargés correspondant à plusieurs états de charge d'un premier constituant introduit dans une chambre sous vide, au moins un état de charge émettant, par désexcitation, des photons de longueur d'onde λo. La source de photons comprend, en outre, des moyens pour établir, à l'intérieur de la chambre, un gradient de pression du premier constituant et/ou d'au moins un deuxième constituant différent du premier constituant, le gradient de pression étant apte à créer un gradient en énergie d' électrons du plasma tel que des ions multichargés supplémentaires correspondant à au moins un état de charge du premier constituant et/ou au moins un état de charge du deuxième constituant sont créés dans la chambre, les ions multichargés supplémentaires émettant, par désexcitation, des photons de longueur d'onde sensiblement égale à λo.
Selon une autre caractéristique de l'invention, les moyens pour établir un gradient de pression comprennent un premier diaphragme situé sur un premier côté de la chambre et un deuxième diaphragme situé sur un deuxième côté de la chambre, opposé au premier côté, où est située une ouverture par laquelle les photons sont extraits de la source de photons.
Selon une autre caractéristique de l'invention, le deuxième diaphragme comprend un orifice central par lequel les photons sont extraits de la source de photons et des trous de pompage distribués autour de l'orifice central, le diamètre des trous de pompage étant choisi pour empêcher que des micro-ondes qui sont injectées dans la chambre cylindrique sous vide ne sortent de la chambre, le nombre de trous de pompage étant choisi, en relation avec le diamètre des trous, pour établir une valeur de pression du premier constituant et/ou du deuxième constituant dans une zone de la chambre située à proximité du deuxième diaphragme .
Selon une autre caractéristique de l'invention, le deuxième diaphragme est fait d'un matériau conducteur et il est polarisé soit pour capturer des ions sur des zones d' impact et pour renvoyer des électrons vers le plasma, soit pour capturer des électrons sur des zones d' impact et pour renvoyer des ions vers le plasma. Selon une autre caractéristique de l'invention, la source de photons comprend Q diaphragmes supplémentaires placés entre les premier et deuxième diaphragmes de sorte que la chambre est divisée en Q+l zones .
Selon une autre caractéristique de l'invention, chacun des Q diaphragmes supplémentaires comprend une ouverture de taille supérieure à une longueur d'onde de coupure de micro-ondes injectées dans la chambre.
Selon une autre caractéristique de l'invention, l'ouverture de chacun des Q diaphragmes supplémentaires a une forme telle qu'elle n'intercepte pas les lignes d'un champ magnétique présent dans la chambre, laissant ainsi des particules du plasma circuler librement entre les Q+l zones .
Selon une autre caractéristique de l'invention, au moins un diaphragme supplémentaire est fait d'un matériau conducteur et est polarisé pour capturer ou renvoyer vers le plasma des ions ou des électrons.
Selon une autre caractéristique de l'invention, le premier constituant et/ou le deuxième constituant sont introduits dans au moins une des Q+l zones de la chambre . Selon une autre caractéristique de l'invention, la chambre présente une forme en tronc de cône qui participe aux moyens pour établir le gradient de pression. Selon une autre caractéristique de l'invention, la source comprend des moyens de pompage qui participent aux moyens pour établir un gradient de pression. Selon une autre caractéristique de l'invention, la source comprend des moyens pour introduire des électrons supplémentaires dans la chambre.
Selon une autre caractéristique de l'invention, le premier constituant et/ou le deuxième constituant est un gaz ou une vapeur métallique.
Selon une autre caractéristique de l'invention, une structure magnétique qui participe à la source de plasma d' ions multichargés comprend deux structures magnétiques cylindriques à confinement axial du champ magnétique et une structure magnétique cylindrique à confinement radial du champ magnétique qui entoure la chambre et qui est située entre les deux structures magnétiques cylindriques à confinement axial, une première structure magnétique cylindrique à confinement axial étant située à une première extrémité de la chambre et la deuxième structure magnétique cylindrique à confinement axial étant située à une deuxième extrémité de la chambre où les photons sont extraits de la source. Selon une autre caractéristique de l'invention, au moins une structure magnétique cylindrique à confinement axial supplémentaire est située entre les deux structures magnétiques cylindriques à confinement axial situées aux deux extrémités de la chambre. Selon une autre caractéristique de l'invention, les structures magnétiques cylindriques à confinement axial et la structure magnétique cylindrique à confinement axial supplémentaire sont constituées de bobines supraconductrices .
Selon une autre caractéristique de l'invention, la structure magnétique cylindrique à confinement radial est constituée de bobines supraconductrices .
Selon une autre caractéristique de l'invention, les bobines supraconductrices qui constituent la structure magnétique cylindrique à confinement radial sont à l'intérieur des bobines supraconductrices qui constituent les structures magnétiques à confinement axial . Selon une autre caractéristique de l'invention, les bobines supraconductrices qui constituent la structure magnétique cylindrique à confinement radial sont à l'extérieur des bobines supraconductrices qui constituent les structures magnétiques à confinement axial.
Selon une autre caractéristique de l'invention, les bobines supraconductrices qui constituent la structure magnétique cylindrique à confinement radial sont des bobines du type en « piste de course ». Selon une autre caractéristique de l'invention, la structure magnétique cylindrique à confinement radial est constituée d'aimants permanents.
Selon une autre caractéristique de l'invention, la structure magnétique cylindrique à confinement axial située à la deuxième extrémité de la chambre a un diamètre intérieur qui s'accroît pour un déplacement allant de l'intérieur de la chambre vers la sortie de la chambre .
Selon une autre caractéristique de l'invention, la longueur d'onde λo est sensiblement égale à 13,5nm.
A titre d'exemple non limitatif, une source de photons typique selon l'invention délivre une puissance photonique de l'ordre de quelques dizaines de Watts dans 4π stéradians . Brève description des figures
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description qui va suivre faite en référence aux figures jointes, parmi lesquelles : - la figure 1 représente une courbe typique de distribution de densité électronique dans un plasma RCE en fonction de la température électronique;
- la figure 2 représente une courbe de distribution de densité électronique dans un plasma RCE en fonction du potentiel d'ionisation de constituants de numéro atomique inférieur à 36;
- les figures 3, 5-8 et 10-14 représentent différentes variantes de sources de photons selon l'invention ; - la figure 4 représente une vue de détail d'un élément de la source de photons représentée en figure 3; - les figure 9A et 9B représentent des vues de détail d'éléments de la source de photons représentée en figure 8;
- les figures 15 à 17 représentent différentes structures magnétiques pouvant être utilisées dans une source de photons selon l'invention ;
- la figure 18 représente, dans le cadre de l'invention, une courbe de distribution de densité électronique dans un plasma RCE en fonction du potentiel d'ionisation de constituants de numéro atomique inférieur à 36.
Sur toutes les figures, les mêmes repères désignent les mêmes éléments.
Description détaillée de modes de mise en œuyre de 1' invention
La source de photons selon l'invention comprend une source RCE.
La production d' ions multichargés dans une source RCE est décrite dans de nombreux brevets et articles. Par exemple, la référence [3] décrit la réalisation d'une source RCE entièrement en aimants permanents produisant un fort flux d'ions Xe10+ à l'extraction pour créer un faisceau d'ions. De façon générale, les sources RCE sont des sources continues ou puisées d'ions multichargés dans lesquelles sont produits plusieurs états de charge d'une espèce donnée. L'homme du métier qui conçoit une source RCE cherche à obtenir un plasma possédant une fonction de distribution en énergie des électrons étroite de manière à produire en grande quantité un état de charge particulier par collision électrons/ions. Par exemple, c'est l'ion Pb27+ qui est produit par la source d'ions de l'accélérateur de particules LHC du CERN (LHC pour « Large Hadron Collider ») .
Dans tout plasma RCE possédant une surface de résonance fermée, la population électronique n'est cependant pas monocinétique et peut être représentée par une fonction de distribution.
Un plasma RCE contient ainsi des électrons de quelques eV (dits « électrons froids ») , de quelques centaines d' eV (dits « électrons tièdes ») et de quelques keV (dits « électrons chauds ») voire même de plusieurs centaines de keV (dits « électrons très chauds ») .
Tous ces électrons (sauf les électrons très énergétiques) contribuent de fait à la production d'ions multichargés . En effet, pour arracher un électron supplémentaire à un ion multichargé, il faut produire des collisions entre cet ion et des électrons. Les sections efficaces (ou probabilités) d'ionisation par impact électronique peuvent se déterminer expérimentalement ou par calcul (voir par exemple la référence [4]) . En première approximation, il est possible de dire qu'un maximum d'efficacité a lieu lorsque l'énergie des électrons est égale à trois fois le potentiel d'ionisation de l'ion. Ainsi faut-il que le maximum de la fonction de distribution en énergie des électrons soit situé autour de 700 eV pour produire un plus grand nombre d'ions
Xe10+, alors qu'il doit se situer autour de 10 keV pour contribuer efficacement à la production d'ions Xe30+.
A titre d'exemples non limitatifs, quelques valeurs d'énergie électronique Ee nécessaires à la production de certains ions particuliers sont indiquées sur la figure 1, à savoir : Ee = 30OeV pour produire l'ion Al4+,
" Ee = 70OeV pour produire l'ion Xe10+, Ee = 2,7keV pour produire l'ion Ca15+, Ee = lOkeV pour produire l'ion Xe30+
La courbe de densité électronique ne présente un maximum qui dépend fortement des paramètres du plasma, notamment la pression des divers éléments qui composent celui-ci ainsi que la puissance des ondes hyperfréquence qui sont injectées dans la chambre.
Parmi les différentes collisions qui surviennent au sein du plasma, certaines conduisent à l'excitation des ions multichargés présents dans le plasma. C'est le cas notamment des collisions électrons/ions. La section efficace ou probabilité
(« cross section » en langue anglaise) de ce processus peut être déterminée expérimentalement ou par des codes de calcul. Les électrons du plasma jouent ainsi un double rôle en fonction de leur énergie : ils créent les ions multichargés et ils les excitent. Les ions excités reviennent à un état stable en émettant des photons .
Le tableau 1 ci-dessous donne quelques exemples de transitions possibles, au voisinage de 13 nm, pour des éléments de nombre atomique Z inférieur à 36.
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TABLEAU 1
Pour créer un plasma composé d' ions Aq+ dans une source RCE, on injecte ou on crée tout d'abord une vapeur du constituant A. Dans le cas d'éléments gazeux
(H, He, N, 0, Ar, Kr, Xe, etc.), une simple bouteille de gaz munie d'une vanne est connectée à la chambre à plasma. Pour produire des ions à partir d'éléments métalliques solides, on crée tout d'abord une vapeur. Cette vapeur métallique peut être produite par différentes techniques bien connues dans les sources d'ions RCE. L'intensité des photons émise est directement liée à la densité ionique des constituants qui, elle, dépend de la pression locale de ces derniers. Ainsi, par exemple, la pression donnant la densité optimale d'ions Ar8+ est-elle différente de la pression donnant la densité optimale d'ions O6+.
Le figure 2 représente, à titre d'exemple non limitatif, une courbe de distribution de densité électronique ne dans un plasma RCE en fonction du potentiel d'ionisation Pi de constituants de numéro atomique Z inférieur à 36 aptes à délivrer des photons de longueur d'onde comprise entre 13,4nm et 13,5nm. A potentiel d'ionisation croissant, les ions du plasma qui émettent des photons à la longueur d'onde souhaitée sont les ions Mn5+, Cr7+, Mg4+, Na4+, F4+, Sc9+, V7+, Na5+, F5+, Cu10+, F6+, Ca13+, Ti14+, Sc15+, Ti15+, V16+, Cr18+, Cr19+.
Une caractéristique essentielle de l'invention consiste à modifier la distribution de densité électronique du plasma présent dans la chambre afin de créer des ions multichargés supplémentaires qui émettent par désexcitation des photons à la longueur d'onde souhaitée.
Il est alors possible d'améliorer très sensiblement le niveau de puissance de l'émission photonique du plasma RCE en utilisant la large distribution en énergie des électrons du plasma. Plusieurs constituants peuvent alors être ionisés et délivrer, par désexcitation des ions ainsi formés, une puissance photonique à la longueur d'onde souhaitée. Ces constituants ou espèces peuvent être n'importe quel élément du tableau périodique et, au sein de chaque espèce, plusieurs états de charge peuvent être utilisés .
Différentes variantes de source de photons selon l'invention vont maintenant être décrites. La figure 3 représente une vue en coupe d'une première variante de source de photons selon 1' invention.
La source de photons comprend une chambre à plasma cylindrique sous vide CH d'axe AA entourée d'une structure magnétique 1-6.
De façon connue en soi, la structure magnétique 1-6 comprend deux structures magnétiques cylindriques à confinement axial [3, 4] et [5, 6] et une structure magnétique cylindrique à confinement radial [1, 2]. Une première structure cylindrique à confinement axial [3, 4] est située à une première extrémité de la chambre alors que la deuxième structure [5, 6] est située à l'autre extrémité, la structure à confinement radial étant située entre les deux structures à confinement axial. Chaque structure à confinement axial donne un maximum du champ magnétique. Un guide GD d'injection de micro-ondes muni d'une fenêtre d' étanchéité (non représentée sur la figure) injecte des micro-ondes dans la chambre CH. Une surface fermée S, sans contact avec les parois de la chambre et sur laquelle le champ magnétique a une valeur sensiblement égale à la valeur BRCE du champ de résonance RCE est présente à l'intérieur de la chambre CH.
Un dispositif I d'injection de gaz injecte au moins un gaz dans la chambre CH. Un plasma d'ions multichargés correspondant à une distribution d'état de charge d'un premier gaz gl se forme à l'intérieur de la chambre CH. Par désexcitation des ions multichargés, des photons de diverses longueurs d'onde λ sont émis dans la chambre et, en particulier, des photons de longueur d'onde λo (par exemple, λo = 13,5nm) .
Deux diaphragmes Dl et D2, situés de part et d'autre de la chambre CH, créent un gradient de pression à l'intérieur de la chambre qui, appliqué au gaz gl et/ou à un deuxième gaz g2 différent du gaz gl, élargit la distribution en énergie des électrons dans la chambre CH, permettant ainsi l'obtention d'ions multichargés supplémentaires correspondant à au moins un état de charge du gaz gl et/ou à au moins un état de charge du gaz g2 et aptes à émettre, par désexcitation, des photons de longueur d'onde sensiblement égale à λo.
Il est ainsi possible d'accroître très sensiblement la quantité de photons émise à la longueur d'onde λo, selon l'axe AA, par une ouverture 0 pratiquée dans le diaphragme D2. La forme du diaphragme D2 est préférentiellement choisie pour ne pas perturber l'émission des photons, comme cela est décrit ci- dessous en référence à la figure 4. De façon avantageuse, le diaphragme D2 peut être fait en un matériau conducteur qui est polarisé pour arrêter les ions avant que ces derniers ne sortent de la source.
Les gaz gl et g2 peuvent être introduits dans la chambre à plasma par le même dispositif d'injection
I, comme cela est représenté en figure 3. Ils peuvent également être introduits par des dispositifs d'injection différents. Les différents dispositifs d'injection peuvent alors être placés en différents endroits correspondant à des valeurs de pression différentes. La figure 3 représente, à titre d'exemple, un système d'injection de deux gaz dans une zone de haute pression favorisant ainsi la production de bas états de charge.
La figure 4 représente un exemple de diaphragme D2 qui est situé du côté de l'extraction des photons, dans le cas où le champ magnétique radial est hexapolaire. Le diaphragme D2 comprend une ouverture centrale 0 par laquelle les photons sont extraits de la source et des trous de pompage t. Les trous de pompage t sont disposés selon trois zones Zl, Z2, Z3 séparées les unes des autres par des zones El, E2, E3 dépourvues de trous et sensiblement situées à 120° les unes des autres. Les zones El, E2 et E3 sont des zones d'impact du plasma et constituent, principalement, les zones du diaphragme qui limitent les fuites du plasma. Dans le cas plus général où le champ magnétique radial est formé de 2N pôles, les trous de pompage t sont disposés en N zones Zl, Z2, ..., ZN séparées les unes des autres par N zones El, E2, ..., EN situées à 360°/N les unes des autres .
Le diamètre de l'ouverture centrale 0 dépend de la taille du plasma, laquelle dépend de l'intensité des champs magnétiques présents dans la chambre et de la fréquence des micro-ondes. Le diamètre de l'ouverture centrale 0 dépend également de la position du dispositif qui récupère les photons (non représenté sur les figures) . Le diamètre des trous t est quant à lui choisi suffisamment petit pour éviter les fuites micro- ondes. A titre d'exemple non limitatif, le diamètre des trous peut être égal à 2mm alors que la fréquence des micro-ondes varie de 2GHz à 100GHz, ce qui correspond à une variation de longueur d'onde de 14cm à 0,3cm. A diamètre de trou fixé, le nombre de trous est alors choisi en fonction de la pression souhaitée dans la chambre au voisinage du diaphragme D2.
De façon générale, la taille des ouvertures pratiquées dans le diaphragme D2 (qui est situé du côté de l'extraction des photons) et la taille des ouvertures pratiquées dans le diaphragme Dl (qui est situé du côté opposé au côté d'extraction des photons) sont conçues pour obtenir une pression « faible » du côté de l'extraction des photons et une pression « forte » du côté opposé. Les orifices pratiqués dans le diaphragme Dl sont en conséquence préférentiellement choisis les plus petits possibles. A titre d'exemple non limitatif, une pression de 10~4mbar peut être créée du côté de l'injection des constituants, favorisant la création de l'ion Cr7+, alors qu'une pression de 10"6mbar ou 10"7mbar est créée du côté de l'extraction des photons, favorisant la création de l'ion Cr19+.
La figure 5 représente une deuxième variante de source de photons selon l'invention. Outre les gaz gl et/ou g2, la source de photons comprend au moins un four F pour créer une vapeur métallique qui est introduite dans la chambre. Le gradient de pression qui apparaît du fait de la présence des diaphragmes Dl et D2 est alors adapté pour accroître la densité d'ions métalliques multichargés qui émettent, par désexcitation, des photons à la longueur d'onde souhaitée. Il est alors possible de créer, par exemple, des ions Al4+ et Cr19+ qui permettent des émissions respectives de photons à 13,04nm et 13,15nm (cf. tableau ci-dessus) . Les vapeurs métalliques peuvent également être introduites dans la chambre CH par d'autres moyens connus, par exemple par pulvérisation (« sputtering » en langue anglaise) .
La figure 6 représente une troisième variante de source de photons selon l'invention. Une entrée de gaz gl est placée du côté de l'injection des microondes, au niveau du diaphragme Dl. Dans cette région de la chambre règne une pression élevée. Une entrée de gaz g2 est placée du côté de l'extraction des photons où règne une pression plus faible. Le gaz gl donne alors des ions d'une première espèce ayant des états de charge faibles alors que le gaz g2 donne des ions d'une deuxième espèce ayant des états de charge élevés . Les gaz gl et g2 peuvent être identiques ou différents. La figure 7 représente une quatrième variante de source de photons selon l'invention. Toutes les entrées de gaz et/ou de vapeur métallique sont placées du côté de l'extraction des photons où règne une faible pression. Des états de charge élevés de chaque espèce peuvent alors être produits.
La figure 8 représente une cinquième variante de source de photons selon l'invention. Pour améliorer avantageusement le gradient de pression dans la chambre, un diaphragme supplémentaire D3 est placé dans la chambre CH entre les diaphragmes Dl et D2. Le diaphragme D3 sépare alors la chambre en deux zones Za et Zb. La zone Za est zone de pression élevée (typiquement 10~4 mbar) dans laquelle sont produits des états de charge moyens (par exemple Xe4+) et la zone Zb est une zone de basse pression (typiquement 10~7 mbar) dans laquelle sont produits des états de charge plus élevés (par exemple Cr19+) . Dans les deux zones, les états de charge produits sont susceptibles de donner des photons de longueur d'onde λo en se désexcitant. La forme du diaphragme D3 est adaptée pour ne pas perturber la propagation des micro-ondes dans la cavité. Le diaphragme D3 présente alors une ouverture dont la taille est supérieure à la longueur d'onde de coupure des micro-ondes injectées dans la cavité. Par ailleurs, il est également souhaitable que l'ouverture du diaphragme D3 n'intercepte pas les lignes de champ magnétique afin que les électrons et les ions du plasma puissent circuler librement de la zone Za à la zone Zb, et réciproquement. La détermination des lignes de champ magnétique se calcule à l'aide de codes (par exemple des codes de type « Poisson-Superfish ») .
Les figures 9A et 9B représentent, à titre d'exemples, deux formes de diaphragme D3 qui respectent les conditions ci-dessus selon que le champ magnétique radial est hexapolaire (figure 9A) ou quadrupolaire (figure 9B) . Dans le cas où le champ magnétique radial est hexapolaire, le diaphragme D3 possède une ouverture centrale en forme d'étoile à trois branches, laquelle ouverture entoure la surface S du plasma. De façon plus générale, le diaphragme D3 possède une ouverture centrale en forme d'étoile à N branches lorsque le champ magnétique radial est un champ à 2N pôles . Dans le cas où le champ magnétique radial est quadrupolaire, le diaphragme D3 possède une ouverture centrale de forme ellipsoïdale qui entoure la surface S du plasma. La figure 10 représente une sixième variante de source de photons selon l'invention. La chambre CH est divisée en quatre zones distinctes Zc, Zd, Ze, Zf séparées par des diaphragmes D4, D5, D6. Les diaphragmes D4, D5, D6 sont placés entre les diaphragmes Dl et D2 et ont, par exemple, des ouvertures de plus en plus grandes au fur et à mesure qu'on se rapproche du diaphragme D2 situé du côté de la sortie de la source afin d'éviter de faire obstacle à la propagation des photons vers la sortie de la source. A titre d'exemple non limitatif, dans la zone Zc sont introduits un gaz gl et une vapeur métallique vml, dans la zone Zd sont introduits un gaz g2 et une vapeur métallique vm2, dans la zone Ze sont introduits un gaz g3 et une vapeur métallique vm3 et dans la zone Zf sont introduits un gaz g4 et une vapeur métallique vm4. De façon plus générale, une chambre à plasma de la source de photons selon l'invention peut être divisée en Q+l zones, Q étant un nombre entier supérieur ou égal à 1, séparées les unes des autres par Q diaphragmes placés entre les diaphragmes Dl et D2 situés aux deux extrémités de la chambre. Dans le cas d'une chambre cylindrique, les ouvertures pratiquées dans les Q diaphragmes sont préférentiellement alignées selon l'axe de la chambre cylindrique et entourent la surface S du plasma. La figure 11 représente une autre variante de source de photons selon l'invention. La chambre CH est en forme de tronc de cône. La sortie de la source de photons se situe sur le grand côté du tronc de cône alors que l'arrivée des gaz et/ou des vapeurs métalliques se situe, par exemple, sur le petit côté. Un diaphragme en forme de grillage Gr muni d'une ouverture centrale empêche les micro-ondes de sortir de la chambre CH. La forme en tronc de cône de la chambre est ici le moyen essentiel par lequel le gradient de pression est réalisé. D'autres modes de réalisation de l'invention (non représentés sur les figures) sont bien sûr possible, qui combinent la présence de tout ou partie des diaphragmes mentionnés ci-dessus avec la chambre en forme de tronc de cône.
La figure 12 représente encore une autre variante de la source de photons selon l'invention.
Selon cette autre variante, la source de photons comprend un apport externe d' électrons . Cet apport externe d'électrons peut être avantageusement choisi, par exemple en terme de quantité d'électrons et/ou d'énergie électronique, en fonction du ou des états de charge que l'on souhaite obtenir pour les constituants présents dans la chambre CH. Un canon à électrons K, préférentiellement aligné selon l'axe AA de la chambre CH, émet alors des électrons dans la chambre CH. La densité électronique se trouve ainsi accrue pour l'obtention d'ions multichargés aptes à produire, par désexcitation, des photons à la longueur d'onde souhaitée. Des diaphragmes intermédiaires D3, D4, D5 sont présents entre les diaphragmes Dl et D2. La figure 13 représente encore une autre variante de la source de photons selon l'invention.
La structure magnétique cylindrique [5, 6] située du côté de l'extraction des photons a ici une forme en tronc de cône sur son diamètre intérieur, le tronc de cône s' élargissant quand on se déplace de l'intérieur de la chambre vers la sortie de la source. La zone d'émission de photons s'en trouve avantageusement accrue. La figure 14 représente encore une autre variante de la source de photons selon l'invention.
La source de photons de la figure 14 contient un plasma fin fortement confiné dont la longueur, selon l'axe AA de la chambre, est accrue par rapport à la longueur des plasmas des sources de photons précédentes. A titre d'exemple non limitatif, la longueur du plasma fortement confiné peut alors être égale à 23cm alors que la longueur d'un plasma non confiné (cf. figures 3, 5, 6, 8, 10, 12, 13) est égale, par exemple, à 6cm. De façon connue en soi, un tel accroissement de la longueur du plasma s'obtient en éloignant les deux structures magnétiques cylindriques à confinement axial [3,4] et [5,6]. La longueur de la chambre CH est alors également accrue, de même que la longueur de la structure magnétique cylindrique à confinement radial [7,8] qui entoure celle-ci. De façon connue en soi, il est alors nécessaire de placer au moins une structure à confinement axial supplémentaire entre les structures magnétiques [3, 4] et [5, 6] afin d'optimiser la valeur du minimum de champ magnétique. A titre d'exemple non limitatif, la source de photons représentée en figure 10 comprend deux structures à confinement axial supplémentaires [9, 10] et [11, 12]. A titre d'exemple non limitatif, des diaphragmes intermédiaires D3-D7 sont présents entre les diaphragmes Dl et D2. Avantageusement, au plus la longueur du plasma est grande, au plus le nombre de diaphragmes intermédiaires entre les diaphragmes Dl et D2 est élevé, permettant ainsi un meilleur contrôle du gradient de pression à l'intérieur de la chambre. Un plasma fortement confiné produit une fine émission de photons qui permet non seulement d'augmenter la puissance émise mais également d'éviter les éventuels débris pouvant être produits par impacts des particules du plasma sur la chambre (phénomène connu sous le terme de langue anglaise « sputtering ») .
D'autres moyens connus peuvent également être mis en œuvre pour augmenter la puissance émise comme, par exemple, l'augmentation de la puissance et/ou de la fréquence des micro-ondes injectées dans la chambre CH par le guide d'injection GD. Un émetteur à 37GHz délivrant une puissance micro-onde continue de 15kW peut ainsi être utilisé.
Selon une variante de l'invention, la structure magnétique qui crée le champ magnétique axial est constituée, par exemple, de quatre bobinages axiaux supraconducteurs Bl, B2, B3, B4 comme cela est représenté en figure 15. Les bobinages Bl et B2 créent les maxima du champ magnétique aux deux extrémités de la chambre alors que les bobinages B3 et B4, situés entre les bobinages Bl et B2, optimisent les minima de ce champ. Les bobinages Bl, B2, B3 et B4 sont réalisés, par exemple, avec des matériaux supraconducteurs dans une gamme de températures variant de 1,50K à 1000K. Le champ magnétique radial est ici créé par un hexapole H constitué, par exemple, de 24 secteurs d'aimants permanents. Selon un mode de réalisation particulier (non représenté sur les figures) , le bobinage B4 situé du côté de l'extraction des photons présente une forme en tronc de cône sur son diamètre intérieur, le diamètre s' élargissant quand on se déplace de l'intérieur de la chambre vers la sortie de la source. De même que dans le cas illustré en figure 13, la zone d'émission des photons s'en trouve avantageusement accrue .
En référence aux figures précédentes, les aimants permanents [7, 8], H utilisés pour confiner radialement le plasma ont une rémanence et un champ coercitif limités. Les maxima du champ magnétique ne peuvent alors pas dépasser 1,5T. Pour construire des sources de photons plus puissantes opérant avec des micro-ondes de fréquences élevées, par exemple des fréquences comprises dans la bande 18GHz-24GHz (voire supérieures à cette bande) , des bobines supraconductrices peuvent être utilisées pour créer le champ magnétique radial . La figure 16 représente une variante de structure magnétique selon l'invention dans laquelle des bobines supraconductrices R1-R6 sont utilisées pour créer le champ magnétique radial. La structure magnétique de la source RCE est alors entièrement réalisée à l'aide de bobinages supraconducteurs. A titre d'exemple non limitatif, trois bobinages supraconducteurs B5, B6, B7 créent le confinement axial du champ magnétique alors que six bobinages supraconducteurs R1-R6 créent le confinement radial.
Les six bobinages supraconducteurs R1-R6 sont, par exemple, de type hexapolaire (trois pôles Nord/trois pôles Sud, un pôle Nord alternant avec un pôle Sud) de type communément appelé en « piste de course »
(« racetrack » en langue anglaise) . Selon un premier mode de réalisation particulier, les bobines supraconductrices qui créent le champ magnétique radial et/ou axial sont constituées de matériau supraconducteur dont la température critique est suffisamment basse pour pouvoir être utilisées, par exemple, à température inférieure à 50K. Selon un autre mode de réalisation particulier, le matériau supraconducteur est dit à « haute température critique » (matériau HTS en langue anglaise) pour pouvoir être utilisé, par exemple, à une température de l'ordre de 7O0K. Selon une autre variante de l'invention, les bobinages à confinement radial peuvent également être placés à l'extérieur de la structure à confinement axial, comme cela est représenté en figure 17. Cette variante est avantageuse, dans certains cas, pour des raisons d'encombrement. Le champ magnétique radial est par exemple dodécapolaire, réalisé par douze bobinages R1-R12 de type en « piste de course » (six pôles Nord alternant avec six pôles Sud) .
La figure 18 représente, dans le cadre de l'invention, un exemple de courbe de distribution de densité électronique ne dans un plasma RCE en fonction du potentiel d'ionisation Pi de constituants de numéro atomique inférieur à 36. Cette courbe est à comparer avec la courbe de la figure 2 qui correspond au cas où la source de photons est dépourvue de moyens spécifiques pour établir un gradient de pression dans la chambre .
Le gradient de pression applique ici une « forte » pression pour les constituants qui requièrent un potentiel d'ionisation relativement bas (quelques dizaines d' eV) et une « faible » pression pour les constituants qui requièrent un potentiel d'ionisation plus élevé (quelques centaines d' eV) . Le gradient de pression accroît ainsi avantageusement la densité électronique du plasma et, partant, la densité des ions aptes à émettre des photons par désexcitation.
RE FERENCE S
[1] Demande de brevet américain N°20030006708 intitulée « Microwave ion source », K. N. Leung, J. Reijonen, R. Thomae, déposée le 9 janvier 2003.
[2] « Ail-permanent magnet ECR plasma for EUV light », D. Hitz, M. Delaunay, E. Quesnel, C. Vannuffel, P. Michallon, A. Girard, L. Guillemet, 3ème symposium EUVL (Novembre 2004), Miyazaki, Japon.
[3] « An ail-permanent magnet ECR ion source for the ORNL MIRF upgrade project », D. Hitz et al., 16 International Workshop on ECR Ion Source ECRIS' 04, 20-30 septembre 2004, Berkeley USA.
[4] "Atomic Data and Nuclear Data Tables", volume 36, p.167-353 (1987), H. Tawara, T. Kato .

Claims

REVENDICATIONS
1. Source de photons comprenant une source de plasma d' ions multichargés à la résonance cyclotron électronique (RCE) , les ions multichargés correspondant à plusieurs états de charge d'un premier constituant
(gl) introduit dans une chambre (CH) sous vide, au moins un état de charge émettant, par désexcitation, des photons de longueur d'onde λo, caractérisée en ce qu'elle comprend, en outre, des moyens pour établir, à l'intérieur de la chambre (CH), un gradient de pression du premier constituant (gl) et/ou d'au moins un deuxième constituant (g2) différent du premier constituant (gl) , le gradient de pression étant apte à créer un gradient en énergie d'électrons du plasma tel que des ions multichargés supplémentaires correspondant à au moins un état de charge du premier constituant (gl) et/ou au moins un état de charge du deuxième constituant (g2) sont créés dans la chambre, les ions multichargés supplémentaires émettant, par désexcitation, des photons de longueur d'onde sensiblement égale à λo.
2. Source de photons selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens pour établir un gradient de pression comprennent un premier diaphragme (Dl) situé sur un premier côté de la chambre et un deuxième diaphragme (D2) situé sur un deuxième côté de la chambre, opposé au premier côté, où est située une ouverture par laquelle les photons sont extraits de la source de photons .
3. Source de photons selon la revendication 2, caractérisée en ce que le deuxième diaphragme (D2) comprend un orifice central (0) par lequel les photons sont extraits de la source de photons et des trous de pompage (t) distribués autour de l'orifice central, le diamètre des trous de pompage (t) étant choisi pour empêcher que des micro-ondes qui sont injectées dans la chambre (CH) cylindrique sous vide ne sortent de la chambre, le nombre de trous de pompage étant choisi, en relation avec le diamètre des trous, pour établir une valeur de pression du premier constituant (gl) et/ou du deuxième constituant (g2) dans une zone de la chambre située à proximité du deuxième diaphragme.
4. Source de photons selon la revendication 3, caractérisée en ce que le deuxième diaphragme (D2) est fait d'un matériau conducteur et en ce qu'il est polarisé soit pour capturer des ions sur des zones d'impact (El, E2, E3) et pour renvoyer des électrons vers le plasma, soit pour capturer des électrons sur des zones d'impact (El,E2,E3) et pour renvoyer des ions vers le plasma.
5. Source de photons selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend Q diaphragmes supplémentaires (D3, D4, D5, D6) placés entre les premier et deuxième diaphragmes de sorte que la chambre est divisée en Q+l zones.
6. Source de photon selon la revendication 5, caractérisée en ce que chacun des Q diaphragmes supplémentaires (D3, D4, D5, D6) comprend une ouverture de taille supérieure à une longueur d'onde de coupure de micro-ondes injectées dans la chambre.
7. Source de photons selon la revendication 6, caractérisée en ce que l'ouverture de chacun des Q diaphragmes supplémentaires a une forme telle qu'elle n'intercepte pas les lignes d'un champ magnétique présent dans la chambre, laissant ainsi des particules du plasma circuler librement entre les Q+l zones .
8. Source de photons selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisée en ce qu'au moins un diaphragme supplémentaire (D3, D4, D5, D6) est fait d'un matériau conducteur et ce qu'il est polarisé pour capturer ou renvoyer vers le plasma des ions ou des électrons .
9. Source de photons selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisée en ce que le premier constituant (gl) et/ou le deuxième constituant (g2) sont introduits dans au moins une des Q+l zones de la chambre.
10. Source de photons selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la chambre présente une forme en tronc de cône qui participe aux moyens pour établir le gradient de pression.
11. Source de photons selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de pompage (P) qui participent aux moyens pour établir un gradient de pression.
12. Source de photons selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens (K) pour introduire des électrons supplémentaires dans la chambre (CH) .
13. Source de photons selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le premier constituant (gl) et/ou le deuxième constituant (g2) est un gaz ou une vapeur métallique.
14. Source de photons selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'une structure magnétique qui participe à la source de plasma d' ions multichargés comprend deux structures magnétiques cylindriques ([3,4], [5,6]) à confinement axial du champ magnétique et une structure magnétique cylindrique ([7,8]) à confinement radial du champ magnétique qui entoure la chambre (CH) et qui est située entre les deux structures magnétiques cylindriques à confinement axial, une première structure magnétique cylindrique à confinement axial étant située à une première extrémité de la chambre et la deuxième structure magnétique cylindrique à confinement axial étant située à une deuxième extrémité de la chambre où les photons sont extraits de la source .
15. Source de photons selon la revendication
14, caractérisée en ce qu'au moins une structure magnétique cylindrique à confinement axial supplémentaire ([9,10], [11,12]) est située entre les deux structures magnétiques cylindriques à confinement axial situées aux deux extrémités de la chambre (CH) .
16. Source de photons selon la revendication
15, caractérisée en ce que les structures magnétiques cylindriques à confinement axial et la structure magnétique cylindrique à confinement axial supplémentaire sont constituées de bobines supraconductrices .
17. Source de photons selon la revendication
16, caractérisée en ce que la structure magnétique cylindrique à confinement radial est constituée de bobines supraconductrices.
18. Source de photons selon la revendication
17, caractérisée en ce que les bobines supraconductrices qui constituent la structure magnétique cylindrique à confinement radial sont à l'intérieur des bobines supraconductrices qui constituent les structures magnétiques à confinement axial .
19. Source de photons selon la revendication 17, caractérisée en ce que les bobines supraconductrices qui constituent la structure magnétique cylindrique à confinement radial sont à l'extérieur des bobines supraconductrices qui constituent les structures magnétiques à confinement axial .
20. Source de photons selon l'une quelconque des revendications 17, 18 ou 19, caractérisée en ce que les bobines supraconductrices qui constituent la structure magnétique cylindrique à confinement radial sont des bobines du type en « piste de course ».
21. Source de photons selon l'une quelconque des revendications 14 à 16, caractérisée en ce que la structure magnétique cylindrique à confinement radial est constituée d'aimants permanents.
22. Source de photons selon l'une quelconque des revendications 14 à 21, caractérisée en ce que la structure magnétique cylindrique à confinement axial située à la deuxième extrémité de la chambre a un diamètre intérieur qui s'accroît pour un déplacement allant de l'intérieur de la chambre vers la sortie de la chambre .
23. Source de photons selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la longueur d'onde λo est sensiblement égale à 13,5nm.
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