La présente invention est relative à un procédé de production de photons, dans la gamme des longueurs d'ondes ultraviolettes, comprenant l'implantation dans une matrice solide d'ions de gaz inerte ou respectivement insoluble vis-à-vis de la matrice, l'excitation du gaz em- prisonné sous la forme de défauts étendus de la matrice solide, et l'émission desdits photons par le gaz excité, ainsi qu'à un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé.

Les sources de lumière courantes pour les gammes de longueurs d'ondes ultraviolettes proches, lointaines et extrêmes, sont généralement des sources à décharge où la lumière est produite en faisant passer une décharge électrique dans un capillaire contenant des gaz nobles ou autre s à des pressions comprises entre 10 et quelques dizaines de milliers de Pa. Pour He, un gaz coirimunêment utilisé, un spectre continu d'émis¬ sion résulte de la formation dans la décharge et la décroissance radiative subséquente, de mole-

^• jr cules d'hélium excitées He

Une autre source importante de rayon¬ nement dans cette gamme du spectre est le synchro-

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ton, qui est une installation compliquée et coû¬ teuse, accessible uniquement en quelques endroits du monde .

On a également envisagé d'utiliser la fluorescence de l'hélium liquide comme sotice de rayonnement dans!.la gamme ultraviolette, mais ce procédé demande un refroidissement cryogénique, donc à très basses températures, ainsi qu'un pom¬ page différentiel, et sa mise en oeuvre est donc très coûteuse (v. CM. Surko, R.E. Packard, G.J. Dick et F. Reif, Spectroscopic Study of the lumi¬ nescence of liquid hélium in the vacuum ultra- vdcLet, dans Physical Revie Letters, Vol. 24, N° 12, (1970), p. 657 et suiv.) . II est connu par ailleurs de préparer des matrices solides présentant des défauts éten¬ dus, tels que des agglomérats de lacunes, ou des bulles contenant un gaz inerte ou insoluble vis-à- vis de la matrice. On obtient, par exemple, une telle matrice avec microbulles d'hélium par bom¬ bardement au moyen d'ions He énergétiques. La matrice Al/He a fait l'objet d'études en spectro- copies d'absorption optique et de perte d'énergie électronique (v. J.C. Rife, S.E. Donnelly, A.A. Lucas, J.M. Gilles et "J.J. Ritsko, Optical absorp¬ tion and e_fect_πι-.energy-loss spectra of hélium microbubbles in Aluminum, Physical Review Letters, vol. 46, n° 18 (1981), p. 1220 et suiv.).

On a enfin déjà observé qu'une matrice solide bombardée au moyen d'ions hélium à grande énergie (200-600 keV) émet, à partir d'unecertaine dose d'He un spectre continu dans la gamme des

ultraviolets (v. R.S. Bhattacharya, K.G. Lang, A. Scharmann et K.H. Schartner, Continuous émission in the vacuu ultraviolet under energetic inert gas ion bombardment of aluminium, dans J. Phys. D, vol. 11 (1978), p. 1935 et suiv.) . Il faut noter que l'implantation d'ions hélium à grande énergie est un procédé relativement coûteux et que, les ions hélium étant implantés à grande profon¬ deur dans la matrice, l'intensité de l'émission des ultraviolets est faible.

La présente invention a pour but la mise au point d'un procédé et d'un dispositif de production de photons dans la gamme des longueurs d'ondes ultraviolettes qui sciant simples et peu coûteux tout en donnant des résultats comparables aux sources à décharge.

A cet effet, suivant l'invention, on réalise un bombardement ionique d'une surface de la matrice solide par des ions à faible énergie d'au moins un gaz tel que précité, de manière à obtenir une implantation à faible profondeur de gaz dans la matrice solide, et ensuite un bombar¬ dement électronique, à faible énergie, de la matrice solide, avec excitation du gaz emprisonné et émission des photons susdits.

Suivant un mode de réalisation de l'invention, le procédé comprend l'implantation à faible profondeur d'ions de gaz par une face d'une matrice solide en masse et le bombardement électronique de cette même face avec émission des photons susdits induits à partir de cette face.

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Suivant un autre mode de récusation de l'invention, le procédé comprend l'implanta¬ tion à faible profondeur d'ions de gaz dans une matrice solide lamellaire d'une épaisseur infé- rieure à 1 um, et le bombardement électronique susdit de l'une des faces de cette matrice avec émission des photons susdits induits à partir de l'autre face de la matrice.

Il est également prévu, suivant l'in- vention, un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention, ce dispositif compre¬ nant une enveloppe sous vide, une matrice solide, dans laquelle sont implantés à faible profondeur des ions d'au moins un gaz inerte ou respective- ment insoluble vis-à-vis de la matrice, cette matrice étant montée sur un support à l'intérieur de l'enveloppe sous vide, un appareil de produc¬ tion d'électrons capable de soumettre la matrice à un bombardement électronique à faible énergie et une connexion électrique reliant la matrice à l'extérieur, ainsi qu'une sortie pour les pho¬ tons produits, prévue dans l'enveloppe.

D'autres détails et particularités de l'invention ressortiront de la description donnée ci-après, à titre non limitatif et avec référence aux dessins annexés.

La figure 1 illustre, de manière sché¬ matique, un dispositif mettant en oeuvre un pro¬ cédé de production de photons suivant l'invention, La figure 2 illustre, de manière sché¬ matique, un dispositif mettant en oeuvre une va¬ riante de réalisation suivant 1'invention.

La figure 3 représente, de manière plus dé¬ taillée, une vue partiellement en coupe axiale à travers un dispositif suivant l'invention.

La figure 4 représente le spectre de fluo- rescence obtenu par l'utilisation d'un dispositif suivant l'invention. Les unités portées en abscisse représentent les longueurs d'onde du spectre de fluorescence et en ordonnées sont portées des unités arbitraires d'intensité d'émission. Sur les figures, les éléments identiques ou analogues sont désignés par les mêmes références.

Le dispositif illustré sur la figure 1 com¬ prend une matrice solide 1 qui est préparée par implantation d'ions He à faible énergie dans une feuille d'Al d'une épaisseur inférieure à u . Un bombardement d'ions He à faible énergie, de l'ordre de 5 keV, permet l'implantation d'une haute concen¬ tration (localement supérieure à 10 atomes %) de He sur une profondeur de quelques dizaines à quelques milliers d'A . L'hélium s'agglomère naturellement dans les lacunes _. de la matrice produites par le bom¬ bardement et forme des défauts étendus, tels qu'ag¬ glomérats de lacune ou microbulles 2 qui restent stables à la température ambiante et peuvent résis- ter à des élévations de températures allant jusqu'à quelques centaines de °C, par exemple jusqu'à 300°C.

Le dispositif illustré sur la figure 1 com¬ prend également un appareil de production d'élec¬ trons à faible énergie 3, tel qu'un canon électro- nique, cet appareil projetant un faisceau électro¬ nique 4 sur une des faces 5, appelée face arrière, de la matrice 1. Les électrons du faisceau électro-

nique 4 présentent avantageusement une énergie inférieure ou égale à 20 keV, de préférence comprise entre 1 et 5 keV. Une fluorescence de la cible est induite dans ce cas à partir de la face avant 6 de la matrice, l'émission de photons étant représentée par les flèches en traits ondulés 7.

Il est représenté sur cette figure 1, en traits interrompus, une variante de forme de réa¬ lisation, dans laquelle la matrice lamellaire 1 se présente sous la forme d'une bande continue, enrou¬ lée à une extrémité en un rouleau de réserve 20 et à son autre extrémité en un rouleau d'évacuation 21. De cette manière, si la partie de la matrice soumise au bombardement électronique est accidentellement altérée, après une certaine durée de fonctionnement, on peut déplacer la matrice dans le sens de la flèche 22, en faisant tourner lesdits rouleaux 20 et 21, et amener devant le faisceau électronique une nouvelle partie de matrice non encore soumise au bombardement électronique. Ce déplacement peut être effectué manuellement ou automatiquement, et il peut être continu ou intermittent pendant le fonctionnement du dispositif suivant l'inve tion.

Dans le dispositif illustré sur la figure 2, la matrice est un substrat en masse 8. L'implanta¬ tion des ions He est effectuée de la mâme manière que pour la matrice lamellaire 1, en procédant de manière à obtenir un maximum de concentration de microbulles 2 de He sous une profondeur, de préfe¬ rence,inf érieure à 5.000 A. Dans ce cas, le canon électronique 3 projette un faisceau d'électrons à faible énergie sur la même surface que celle par

laquelle les ions He ont été implantés, et une fluo¬ rescence de la cible est induite alors à travers cette surface 9, l'émission de photons étant repré¬ sentée par les flèches en traits ondulés 10. On a donc dans ce dernier cas ce que l'on appellera un bombardement électronique de la face avant de la matrice, par opposition au bombardement électronique de la face arrière de la matrice illustré sur la figure 1. Le dispositif illustré sur la figure 3 repré¬ sente d'une manière plus détaillée un dispositif mettant en oeuvre un bombardement électronique de la face avant de la matrice.

Ce dispositif suivant la figure 3 comprend une enveloppe 11 maintenue sous vide dans laquelle la matrice 8 est montée sur un support 12 qui peut être refroidi par un circuit de refroidissement 13, par exemple à l'eau, dans l'éventualité d'une utili¬ sation du dispositif à haute intensité. Un canon électronique 3 émettant un faisceau d'électrons à faible énergie et d'intensité réglable est monté sur l'enveloppe de manière à diriger ce faisceau sur la matrice. L'angle d'incidence entre le faisceau et le plan de la matrice est calculé de façon que les photons émis puissent se propager par l'ouverture de sortie 14 formée à l'une des extrémités frontales de l'enveloppe 11. Cette extrémité est munie d'une bride 15 qui sert au raccordement du dispositif suivant l'invention à un appareil dans lequel la lumière ultraviolette sera utilisée.

Une connexion électrique 16 permet notamment de mesurer le courant électronique dans la matrice.

On peut prévoir, dans l'ouverture de sortie 14, un écran électronique 17 destiné à empêcher toute sor¬ tie d'électrons par cette ouverture, cet écran électronique 17 étant alors lui aussi relié à

5 l'extérieur par une connexion électrique 18.

L'enveloppe 11 est maintenue sous vide, soit par un dispositif de pompage, non représenté, raccordé à l'enveloppe par le raccord à bride 19, soit par le dispositif de pompage maintenant sous 10 vide l'appareil non représenté raccordé à la bride 15.

La matière de la matrice doit remplir deux conditions principales : l'insolubilité du gaz dans la matrice et une relativement faible absorption par 15 la matrice du continuu d'émission du gaz. La matière de la matrice doit preferentiellement avoir des propriétés optiques telles que la profondeur d'échappement des photons produits soit compatible avec la profondeur d'implantation. Par conséquent ,

20 il n'est pas nécessaire que la profondeur de péné¬ tration du faisceau électronique dépasse cette pro¬ fondeur d'échappement des photons et des énergies d'électron dans une gamme de 0,1 à 20 keV sont suffisantes, même pour un bombardement de surface

25 avant, avec une incidence relativement rasante. ^» Cette propriété de la source de photons permet d'éviter les coûts élevés nécessaires à la réali¬ sation de bombardements ioniques et électroniques à grande énergie, tels que ceux utilisés dans les

30 procédés et dispositifs connus. L'excitation peut notamment être produite par l'utilisation d'un canon électronique à faible énergie .

Comme matière de matrice on peut utiliser

.

avantageusement des matières choisies parmi le groupe comprenant des métaux, tels que Sn, Mg, Al, des semi-conducteurs, tels que Si, Ge ou certains isolants, Comme la profondeur d'émission de la source est très petite, la source est sensiblement plane et la surface et la forme de la source peu¬ vent être simplement ajustées par structuration du faisceau électronique. Par concentration du faisceau, on peut obtenir une source effectivement ponctuelle; par balayage ou étalement du faisceau, on peut obtenir une source étendue compatible, par exemple, avec la géométrie de fente utilisée dans certains travaux spectroscopiques. De plus, une intensité de fluorescence variable dans le temps peut aisément être obtenue en modulant le faisceau électronique par impulsions, ce qui permet l'utili¬ sation de la source dans des techniques d'asser¬ vissement (de type "lock in") . La durée d'exis- tence de la fluorescence est inférieure à 10 nsec.

Suivant un exemple non limitatif de mise en oeuvre du procédé suivant l'invention, une sou ce de photons à base d'Al/He est préparée de la manière décrite précédemment et mise en oeuvre suivant l'invention sous un bombardement électronique pré¬ sentant une énergie de 3800 V. Cette source pro¬ duit, ainsi qu'il ressort de la figure 4, un spec¬ tre continu de fluorescence qui s'étend de 580 o à 900 A , ce qui est semblable à ce que l'on ob- tient avec les sources à décharge conventionnelles. La production de photons de la matrice a été compa¬ rée à la source synchrotron SURF II et cette co pa-

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raison indique une efficacité supérieure ou égale à 10~ photons par électron. A courant électronique suffisant, la brillance peut atteindre celle obtenue par des lampes à décharge. A la différence des sources à décharge con¬ ventionnelles, il existe la possibilité, à l'aide du procédé suivant l'invention, de mettre au point une source composite multi-gaz en vue d'étendre la o largeur de la bande spectrale de 580 à 3.000 A. En effet, il est évident qu'outre l'hélium d'autres gaz inertes vis-à-vis de la matrice peuvent être utilisés, par exemple des gaz rares ou autres, comme

Ne, Ar, , H , N , Si l'on implante dans la matrice des ions de plusieurs de ces gaz, on peut ainsi obtenir ladite source composite multi-gaz.

Les applicationsd'une source de photons sui¬ vant l'invention sont nombreuses. On peut l'utiliser dans n'importe quelle application où les sources à décharge sont à présent utilisées, par exemple pour la spectroscopie photoélectronique dans l'ultra¬ violet, pour des études de réflectivité, d'acsorption et de photoconductivité, etc..

En plus de l'utilisation du dispositif sui¬ vant l'invention comme simple moyen de produire des photons dans la gamme des ultraviolets proches, lointains et extrêmes, la source suivant l'invenion peut être incorporée dans un grand nombre de nouveaux systèmes plus complexes. On peut entre autres citer : a) détecteurs de particules, par la détection de la fluorescence induite dans le dispositif par le pas¬ sage de particules chargées.

b) lithographie de contact dans l'ultraviolet, par implantation d'un circuit intégré au moyen d'un faisceau d'ions de gaz inerte sur un masque sous forme de film mince et par impression ultérieure du circuit, par placement du film en contact avec un revêtement photorésistant, sensible aux photons UV, et par bombardement avec un faisceau électroni¬ que pour activer la fluorescence aux ultraviolets; c) source d'émission stimulée d'ultraviolets extrê- mes (laser à excimère) ,grâce au choix d'un mécanis¬ me de pompage approprié et d'une cavité résonnante appropriée .

Les procédés et dispositifs suivant l'in¬ vention présentent l'avantage de ne pas nécessiter de pompage différentiel, de remplacement du gaz et de refroidissement cryogénique. De plus, ils sont très aisés à mettre en oeuvre et d'un fonctionne¬ ment souple. La source suivant l'invention offre l'avantage d'une brillance, qui peut varier de six ordres de grandeur ou davariage, par modification de l'intensité du faisceau électronique. Elle permet une géométrie ponctuelle par concentration. Enfin, sa mise en oeuvre est relativement bon marché. Il doit être entendu que la présente inven- tion n'est en aucune façon limitée aux formes de réalisation décrites ci-dessus et que bien des modifications peuvent y être apportées sans sortir du cadre du présent brevet.

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