DOMAINE DE LA TECHNIQUE

La présente invention est relative au domaine des sources d\'ions à décharge dans les gaz et, plus exactement, concerne un système d\'optique ionique pour source d\'ions à décharge dans un gaz et peut être utilisée dans des systèmes de formation de faisceaux ioniques intenses. ART ANTERIEUR

On connaît des systèmes d\'optique ionique pour sources d\'ions à décharge dans un gaz comportant deux électrodes (ou plus) formées par des brides et des grilles en forme de disques plats avec des trous (Kaufman H.R. et Robinson,

R.S, Minimum Hole Size in Ion Optics/J. Spacecraft and Rockets 1985, vol. 22, n* 3 pages 381-382).

Toutefois, ces systèmes d\'optique ionique connus constitués par des grilles plates à orifices cylindriques coaxiaux se déforment pendant le fonc¬ tionnement sous l\'effet des contraintes thermiques dues à échauffement de la structure, ce qui remet en cause la coaxialité des orifices et provoque une variation du jeu entre les grilles (modification des paramètres géométriques), qui peut amener une variation de la pervéance de chaque optique élémentaire puis, dans le cas de la diminution du jeu, un accroissement des forces électrostatiques pouvant amener un contact entre les grilles, donc un court circuit. En outre, en pratique le diamètre des optiques ioniques planes est limité à 100 mm.

Un remède connu appliqué pour les sources ioniques spatiales consiste à utiliser des grilles bombées (sphériques) beaucoup moins sensibles aux déformations thermiques et à l\'influence déstabilisatrice des forces électrostatiques.

Cette technologie présente toutefois l\'inconvénient d\'être très complexe et particulièrement coûteuse.

Lorsqu\'on utilise, dans un système d\'optique ionique, des grilles traditionnelles avec des orifices ronds perforés dont les axes sont aux sommets d\'un triangle équilatéral, la transparence δF de la grille (le rapport de la superficie cumulée des orifices de diamètre (d) à la superficie totale de la grille) se détermine par une formule connue : d2 δ _F = 0.91ÇÛJZ

Une augmentation de la transparence permet d\'utiliser plus efficace¬ ment la surface qui est la:source d\'ions ; la densité du courant à travers le système d\'optique ionique diminuant avec l\'augmentation de diamètre (d) d\'orifice, il est souhaitable de réaliser des grilles en forme de disques à petits orifices et à transparence élevée. Pour cela, il faut que l\'épaisseur du pont 1 entre les orifices soit au minimum de 0,5 mm, ce qui n\'est pas technologiquement facile. Avec une telle configuration à orifices ronds, la transparence maximale que l\'on peut obtenir pour la grille écran est de l\'ordre de 0,67. L\'utilisation d\'orifices hexagonaux permet cependant de porter cette valeur maximale à 0,7. On connaît également un système d\'optique ionique pour source d\'ions à décharge dans un gaz comportant une grille accélératrice et une grille écran formées de fils parallèles fixés sur des cadres par des ressorts à lame et constituant des fentes de sortie, ainsi que des groupes d\'isolateurs sur lesquels les cadres sont installés (SU-A-472396). Grâce à de telles électrodes constituées par des cadres à fils, on peut utiliser dans ce système des orifices de petits diamètres, ce qui assure une trans¬ parence élevée du système d\'optique ionique, supérieure à 0,7.

On constate pourtant, dans ce type de système d\'optique ionique avec un jeu (fente) entre les fils de grilles de 0,3 à 0,5 mm, une médiocre stabilité de fonctionnement. Ceci est lié aux difficultés d\'ajustage mutuel des fils des grilles écran ou accélératrice. L\'imprécision d\'ajustage provoque la capture d\'ions par la grille accélératrice et son usure rapide, ce qui entraîne une perturbation du fonctionnement de la source d\'ions. DESCRIPTION DE L\'INVENTION L\'objectif de l\'invention est de réaliser un système d\'optique ionique pour source d\'ions à décharge dans un gaz dont la structure permette d\'établir et de conserver constante la position spatiale des fils d\'électrodes pendant le fonc¬ tionnement de la source d\'ions, et d\'améliorer la stabilité de fonctionnement du système avec conservation d\'une transparence élevée. Pour la solution de ce problème, un système d\'optique ionique pour source d\'ions à décharge dans un gaz, comportant des grilles écran et accélératrice constituées par des cadres et un système de fils parallèles fixés sur les cadres au moyen de ressorts, les cadres des grilles étant assemblés par des groupes d\'isolateurs auxquels ils sont fixés, est doté conformément à l\'invention d\'un dispositif de déplacement pour le réglage des fils dans chaque grille, comportant des rouleaux disposés transversalement par rapport aux fils dans chacune des

grilles et offrant des éléments de guidage où sont disposées les fils, les rouleaux étant installés sur les cadres des grilles avec la possibilité de tourner autour de leur axe et de changer de position dans l\'espace conjointement avec les fils.

Chaque rouleau du dispositif de déplacement pour le réglage des fils peut être monté par un bout d\'arbre dans le cadre de manière articulée et, par un bout d\'arbre opposé, dans un manchon excentrique monté dans le cadre avec la possibilité de tourner autour de son axe.

Conformément à une variante de réalisation de ce dispositif de dépla¬ cement, chaque rouleau est installé par deux bouts d\'arbre opposés dans des manchons excentriques disposés dans les cadres avec la possibilité de tourner autour de leur axe, l\'un des bouts d\'arbre de chaque rouleau étant articulé au manchon excentrique. Ainsi par rotation simultanée des deux excentriques, il est possible de faire varier la distance intergrilles, alors que la rotation différentielle des excentriques permet de rattraper un défaut de coplanarité entre les deux grilles. Le dispositif de déplacement pour le réglage des fils permet, dans ce système, de disposer les fils, s\'il est nécessaire, dans chaque grille avec un pas précis et de les fixer avec un jeu donné entre les grilles, ce qui permet de modifier la géométrie des fentes et la trajectoire du mouvement des particules chargées. La possibilité de déplacements de réglage des fils et l\'utilisation de ressorts permettent, lors du réchauffement des grilles pendant le fonctionnement du système, de maintenir les fils dans leur position dans l\'espace, ce qui, pour un courant donné du faisceau, exclut la capture d\'ions et le risque de claquage intergrille.

Ceci améliore la stabilité de fonctionnement du système en général, sa fiabilité et la durée de vie des grilles.

Les rouleaux recevant les fils dans leurs éléments de guidage permettent, lors du mouvement des rouleaux autour de leurs axes, d\'effectuer un déplacement simultané des fils jusqu\'à ce que leurs axes deviennent parallèles dans les deux grilles. Ceci permet de réaliser un ajustage fin du jeu entre grilles.

Conformément à l\'invention, il est intéressant de réaliser les éléments de guidage des rouleaux sous forme d\'un filetage dont le pas est égal ou inférieur au pas des fils dans un rapport entier, ce qui garantit un réglage plus sûr de la position des fils dans chaque grille. II est intéressant que le diamètre des fils de la grille accélératrice soit supérieur à celui des fils de la grille écran, cela permet de diminuer la probabilité

de passage de particules neutres à travers le système d\'optique ionique et d\'augmenter la pervéance de l\'optique ionique. Les particules, après interaction avec la grille accélératrice, retournent dans la décharge de gaz, ce qui augmente en général l\'efficacité en gaz de la source d\'ions. De même, il est aussi intéressant de disposer les fils de la grille écran avec un pas plus petit que celui des fils de la grille accélératrice, dans un rapport entier, cela permet d\'augmenter la stabilité de fonctionnement du système d\'optique ionique grâce à la stabilisation de la frontière de plasma.

Les rouleaux de la grille écran peuvent avoir un profil, dans des sections égales au pas des fils de la grille accélératrice, tel que la distance entre les cordes de la grille écran et le plan de disposition des fils de la grille accélératrice dans chaque section augmente des bords vers le centre de celle-ci.

Ceci permet de contrôler l\'angle de divergence du faisceau d\'ions et de le maintenir dans des limites nécessaires avec une précision élevée. Conformément à la présente invention, les fils des grilles peuvent être réalisées en deux parties coaxiales dont la partie extérieure est faite en forme de tube démontable installé avec ajustement à frottement doux sur la ^~ partie intérieure.

Si les fils de la grille accélératrice se composent de deux parties coaxiales, la partie intérieure de chaque fil a de préférence un diamètre égal à celui des fils de la grille écran. Cela permet d\'augmenter la durée de vie des grilles à fils, grâce à un accroissement du volume du matériau qui peut être pulvérisé par des ions de rechargement avant la mise hors d\'usage de la grille. La conception des fils comportant deux parties coaxiales permet de réaliser la fixation et la mise en tension uniquement sur la partie intérieure des fils, lesquelles offrent cependant l\'épaisseur totale désirée. Ceci simplifie l\'ensemble de fixation des fils, réduit sa masse et son encombrement et élargit la gamme de matériaux de grilles utilisables. Il est intéressant de remplacer chaque fil de la grille écran par trois fils ou plus disposés selon un motif géométrique déterminé.

Conformément à l\'invention, en parallèle aux rouleaux sont avanta- geusement installés des ressorts de fixation de fils de grilles qui font au moins un rang de chaque côté du cadre de grille, et qui sont des ressorts à lame dont l\'épaisseur correspond au pas des fils de grille. Cela rend plus simple la fixation des fils avec maintien en parallèle de leurs axes et permet de réaliser tous les fils de grilles avec un fil continu, ce qui simplifie la technologie d\'intégration des grilles. Conformément à une variante de réalisation de l\'invention, les ressorts sont disposés sur chaque cadre de la grille en plusieurs rangs, les ressorts des rangs

adjacents étant décalés mutuellement d\'une distance multiple du pas du filetage des rouleaux. Tout cela permet de disposer les fils avec un pas minimal donné sans limitation due à l\'encombrement des ressorts.

Le système d\'optique ionique proposé ci-dessus assure un fonctionne- ment fiable de la source d\'ions à décharge dans un gaz avec des paramètres stables dans le temps et améliore la durée de vie des grilles et de tout le système en général, ainsi que le rendement de la source. DESCRIPTION BREVE DES DESSINS

L\'invention sera mieux comprise par une description détaillée d\'un exemple de réalisation en référence aux dessins où :

- la figure 1 représente en coupe transversale un système d\'optique ionique à deux grilles selon l\'invention ;

- la figure 2 représente l\'objet de la figure 1 suivant la flèche A ;

- la figure 3 montre une variante de réalisation des grilles où les ressorts sont disposés sur deux rangs ;

- La figure 4 représente un détail de réalisation du rouleau où les cannelures du rouleau sont remplacées par un filetage,

- la figure 5 représente un montage du rouleau par une simple chape,

- la figure 6 représente, avec les dispositifs de blocage associés, un montage du rouleau dans un excentrique,

- la figure 7 représente une variante de fixation des rouleaux dans un cadre de grille ;

- la figure 8 représente un ensemble grille écran-grille accélératrice munie de tubes montés sur les fils, - la figure 9 représente une grille accélératrice où chaque fil élémentaire est remplacé par au moins 3 fils, et

- la figure 10 est une coupe transversale X-X applicable à la figure 8 et/ou à la figure 9.

VARIANTE PREFERENTIELLE DE REALISATION DE L\'INVENTION Le système d\'optique ionique pour source d\'ions à décharge dans le gaz proposé comporte (figure 1) : une grille écran 1 et une grille accélératrice 2, constituées respectivement par des cadres 3 et 4 et des systèmes de fils parallèles 5 et 6 et des isolateurs 7 munis d\'extrémités métalliques 8 sur lesquelles sont fixés les cadres 3 et 4 des grilles 1 et 2 respectivement. Un dispositif 9 pour le déplacement de réglage des fils dans chacune des grilles 1 et 2, celles-ci étant installées à la distance nécessaire l\'une de l\'autre, assure le jeu intergrille 10.

Les ions sont extraits à travers la grille écran du plasma 129 produit par la chambre d\'ionisation 128.

Le dispositif 9 pour le déplacement de réglage des fils 5 et 6 des électrodes 1 et 2 respectivement comporte des rouleaux 11, disposés par paire par exemple, dans chaque grille 1, 2 transversalement aux fils 5 et 6, comme il est montré sur la figure 2, des éléments de guidage 12, par exemple des gorges, (figure 1) étant prévus sur la surface externe des rouleaux 11. Les fils 5, 6 des grilles 1, 2 passent dans les éléments de guidage 12, réalisés sous forme de gorges circulaires 13 (figure 3) ou d\'un filetage 14 (figure 4) dont le pas h est égal au pas h^ des fils ou inférieur à ce pas dans un rapport entier, ce qui permet, si nécessaire, de disposer les fils de chaque grille 1 ou 2 avec un pas spécifié.

Les rouleaux 11 (figure 2) de chaque dispositif 9 sont installés dans le cadre 3, 4 de chaque grille 1, 2 de façon qu\'ils puissent tourner autour de leur axe O-O et changer leur position dans l\'espace conjointement avec les fils. Chaque rouleau est monté par un bout d\'arbre articulé en 15 dans le cadre d\'une grille respective 1 ou 2 (figure 5) et par un bout d\'arbre opposé dans un manchon excentrique 16 (figure 6) disposé dans le cadre 3 ou 4 avec la possibilité de tourner autour de son axe O _j _-Oι- La rotation des rouleaux 11 autour de leur axe O-O et celle de manchons autour de leur axe O^-Oi peuvent être effectuées par tous moyens, par exemple à l\'aide d\'un tournevis comme montré en pointillé ; à cet effet, au centre du manchon 16 et à l\'extrémité 17 du rouleau 11 sont prévues des rainures 18. L\'immobilisation du manchon excentrique 16 et du rouleau 11 après leur rotation s\'effectue par exemple à l\'aide d\'un coin 19 introduit entre le cadre 3, 4 et le manchon 16, et d\'un coin 20 introduit entre le manchon 16 et l\'extrémité 17 du rouleau 11, des glissières étant réalisées dans le corps du cadre et du manchon pour y disposer les coins 19 et 20.

Conformément à une variante du dispositif 9, chacun de ses rou¬ leaux 11 (figure 7) est installé par ses bouts d\'arbre 17 dans des manchons excen¬ triques 16 disposés dans les cadres 3, 4 avec la possibilité de rotation autour de leur axe, l\'un des bouts (dans ce cas-là l\'extrémité 17) de chaque rouleau 11 étant couplé au manchon excentrique 16 par un moyen de pivotement 15. Ceci permet de réaliser un déplacement dans l\'espace des rouleaux 11 (voire le déplacement des rouleaux sur la surface de pivotement) et notamment de régler séparément la distance moyenne 10 et le défaut de parallélisme entre grilles. La fixation en position des rouleaux 11 après leur rotation autour de l\'axe et après celle du manchon excentrique 16 s\'opère comme il a été décrit pour le

mode de réalisation de la figure 6, par exemple avec des coins (qui ne sont pas montrés sur la figure 7).

En fonction du domaine d\'utilisation des systèmes d\'optique ionique proposés, les fils 5 de la grille écran 1 sont disposées suivant un pas h2 égal au pas I13 des fils 6 de la grille accélératrice 2 (figure 8) ou suivant un pas I14 plus petit que le pas I15 des fils 6 de la grille accélératrice 2 (figure 9) dans un rapport entier, ce dernier fait ayant pour résultat qu\'une même fente de la grille accélératrice 2 est perméable aux faisceaux d\'ions formés par plusieurs fentes de la grille écran 1 (3 dans l\'exemple de la figure 9). Les fils 6 de la grille accélératrice 2 ont un diamètre D plus grand que le diamètre D^ des fils 5 de la grille écran 1, de façon que la transparence de celle-ci soit supérieure à la transparence de celle-là, ce qui se traduit par une meilleure efficacité du système en gaz, la transparence du système d\'optique ionique en ions étant déterminée dans ce cas-là par la transparence de la grille écran 1 et la transparence en atomes , par la transparence de la grille accélératrice 2.

Dans le système d\'optique ionique, lorsque le jeu intergrille 10 est petit, par exemple moins de 1 mm, et que les courants sont proches des limites, il est difficile de maintenir l\'angle de divergence du faisceau d\'ions dans des limites données ; les rouleaux 11 du dispositif 9 situés dans la grille écran 1 ont un diamètre variable (voir figure 9) sur une section égale au pas I15 de fils 6 de la grille accélératrice 2, la distance 1^ entre le fil 5 de la grille écran 1 et le plan N-N qui contient les fils 6 de la grille accélératrice 2 augmente jusqu\'à I4 lorsqu\'on passe du bord au milieu de la section.

Les fils 5 et 6 des grilles 1 et 2 sont fixées à des ressorts 21 (figures 1 et 2) alignés parallèlement aux rouleaux 11 du dispositif et placés sur un même rang 22 le long de chacun des côtés opposés des cadres 3, 4 des grilles 1, 2 ; comme il est montré sur la figure 3, les ressorts dans des rangs adjacents sont décalés l\'un par rapport à l\'autre d\'une distance δ multiple du pas hg des éléments de guidage 12 des rouleaux 11. Chaque ressort 21 est réalisé sous la forme d\'un ressort à lame 24, fixé par un bout sur le cadre 3, 4 avec des rainures latérales 25 pour le passage des fils, la largeur d\'un ressort 24 étant multiple du pas des éléments de guidage 12. Une telle configuration permet de disposer les fils avec un pas donné, par exemple inférieur à 1 mm, et de réaliser les fils des grilles 1 et 2 en fil continu. Pour réduire la charge des ressorts 21, les grilles sont réalisées en deux parties coaxiales 26 et 27 (figures 8 à 10) dont la partie extérieure 26 forme un tube

28 (figure 10) et est installée avec ajustement à frottement doux sur la partie intérieure 27. Lorsque uniquement les fils 6 de la grille accélératrice 2 sont réalisées en deux parties coaxiales 26 et 27, la partie intérieure 27 de tels fils a un diamètre égal à celui des fils 5 de la grille 1. Ce mode de réalisation des fils des grilles (surtout de la grille accélératrice) crée la possibilité de remplacer rapidement la partie 26 usée et réduite à cause de l\'érosion de son matériau pendant le fonctionnement de la source, ce qui permet d\'augmener la durée de vie des grilles par l\'augmentation de leur épaisseur.

La mise en service du système d\'optique ionique proposé s\'effectue d\'une façon traditionnelle : un potentiel correspondant à l\'énergie des ions dans le faisceau, par exemple de +2 kV, est appliqué à la grille écran 1 (figure 1) et un potentiel de -0,2 à -2 kV est appliqué à la grille accélératrice 2, ce qui est nécessaire pour créer une différence de potentiel d\'extraction. La grille de sortie (non représentée) est normalement réalisée sous forme d\'une grille annulaire ou en cadre et est mise à la masse. Dans la chambre de décharge de la source, il faut mettre la matière du plasma 129 dans les fentes de la grille écran 1 où les ions accélérés prennent leur départ dans le système d\'optique ionique. En utilisant dans les grilles des fils 5 et 6 réalisés conformément aux figures 8, 9 et 10 et des rouleaux 11 conçus selon la figure 9, on atteint la transparence spécifiée pour les grilles accélératrice 2 et écran 1 et la divergence du jet d\'ions ne dépasse pas les valeurs spécifiées. Ainsi, en remplaçant chaque fil de la grille écran par trois fils ou plus disposés selon un motif géométrique déterminé, il est possible de connaître d\'une manière plus précise à la fois les équipotentielles dans la zone d\'accélération et la limite du plasma dans la chambre d\'ionisation. S\'il est nécessaire de réaliser une forme spécifiée de la surface de chaque grille et de mettre en coïncidence les fils, on procède d\'abord au réglage de mise en place de la position des fils avec le dispositif 9.

La forme spécifiée de chaque grille peut être réalisée par rotation de manchons excentriques 16 (figure 2) pendant laquelle les fils se déplacent dans la direction perpendiculaire au plan du cadre. La fixation de manchons excentriques 16 dans une position nouvelle s\'effectue avec les coins 19.

La coïncidence des fentes dans les grilles écran 1 et accélératrice 2 est obtenue par rotation des rouleaux 11, quand ces derniers sont munis d\'une gorge filetée, autour de leurs axes pendant laquelle les fils se déplacent dans le plan de chaque grille. La fixation des rouleaux dans leur position nouvelle s\'effectue à l\'aide des coins 20.

L\'utilisation, par exemple, d\'un cathétomètre Km 6 garantit la précision géométrique des paramètres du système d\'optique ionique à ± 0,01 mm près.

La possibilité de réaliser les réglages indiqués permet d\'augmenter la stabilité du fonctionnement de la source d\'ions, car on garantit une précision élevée d\'ajustement des fils l\'une par rapport à l\'autre dans chaque grille et la valeur souhaitée du jeu intergrille 10. La position mutuelle des fils est maintenue pendant le fonctionnement du système, ce qui assure un fonctionnement stable et durable de la source d\'ions.

De par ses excellentes performances, l\'optique ionique à grilles à fils selon l\'invention est applicable aux sources d\'ions étendues utilisant l\'ionisation d\'un gaz par l\'un des processus suivants :

- ionisation par bombardement électronique (sources d\'ions dites de Kaufman),

- ionisation par champ radiofréquence (sources d\'ions type RIT (Radiofrequency Ionisation Thrusters), ou encore

- ionisation par résonance cyclotronique électronique (E.C.R.). Ce système d\'optique est notamment applicable :

- à la propulsion spatiale en remplacement des grilles bombées traditionnelles, ou - aux applications industrielles : gravues de microcircuits, usinage ionique, dépôts sous vide par sputtering.

Pour ces applications industrielles, l\'optique ionique à fils présente deux avantages essentiels :

- la divergence du faisceau d\'ions dans un plan parallèle aux fils est très faible, ce qui est intéressant pour les applications de gravure.

- La pervéance d\'une optique à fils étant très élevée, cela permet d\'extraire une densité d\'ions supérieure à tension nette, d\'accélération égale, ce qui est intéressant pour les applications industrielles à énergie moyenne (500e V).