エキシマチャンバー圧力：高電圧コンデンサ絶縁

エキシマチャンバー圧力：高電圧コンデンサ絶縁

抽象

エキシマチャンバーは2～5気圧で動作し、その圧力によって絶縁強度は2つの方向に変化します。外部ギャップはマージンが増加する一方、微細な空隙やサブミリメートルサイズのコネクタギャップはマージンを失う可能性があります。この記事では、パッシェンスケーリング、空隙発生電圧、0.8 kV/mmにおける沿面応力、および圧力によって誘発される4つの故障モードについて説明した後、40 kVノードを1～5気圧の圧力下でも維持するためのルールを示します。

はじめに

波長248nmのKrFレーザーと波長193nmのArFレーザーは、混合ガスを2～5気圧で駆動する。ガス密度が高いほどレーザー出力は向上する。同時に、ガス密度の変化は、チャンバー内またはその周辺にある高電圧部品の絶縁強度にも影響を与える。

パルス電源のコンデンサ、ダイオード、抵抗器、コネクタは、その圧力を共有している。ガスギャップ、表面経路、欠陥内部に閉じ込められたガスはすべてその圧力に反応するが、反応方向はそれぞれ異なる。

パッシェンの法則は、圧力と距離からガスギャップの絶縁破壊電圧を決定する。この法則は、10 mmの隙間が5気圧下で強度を増す理由と、セラミック内部の2 µmの空隙が強度を増す理由を説明する。

この記事では、そのメカニズム、現場で見られる4つの故障モード、および40kVパルスノードを1気圧から5気圧の範囲で部分放電から保護するための設計手順について説明します。

2. コアメカニズム

2.1 パッシェンの法則とガスギャップの圧力スケーリング

均一なガスギャップは、パッシェンの法則で示される電圧で絶縁破壊を起こす。

V_bd = (B × p × d) / [ln(A × p × d) − ln(ln(1 + 1/γ))]

ここで、V_bdはギャップの破壊電圧、pはガス圧、dはギャップ距離、AとBはガス定数、γは陰極の二次電子放出係数である。

空気の場合、Aは15 cm⁻¹Torr⁻¹、Bは365 V/(cm·Torr)、γは0.01です。760 Torrの1 mmのギャップは5.2 kVで絶縁破壊します。同じギャップを3,800 Torrにすると、26.2 kVで絶縁破壊します。

0.75 Torr×cmのパッシェン最小値を超えると、破壊電圧は圧力と距離の積に比例する。

V_bd(p2) = V_bd(p1) × (p2 / p1)

ここで、V_bd(p2)は圧力p2における破壊電圧、V_bd(p1)は圧力p1で測定された値であり、p×dが曲線の右側の枝にある限り、この比率は成り立つ。

このスケーリングにより、5気圧のチャンバーは1気圧のチャンバーよりも外部絶縁マージンが大きくなります。また、これは次のセクションで説明する落とし穴にもなります。

2.2 ボイドフィールドの強化と部分放電の開始

セラミック誘電体内部の空隙は、バルク内部の平均電界よりも高い電界を受ける。

E_void = ε_r × E_applied

ここで、E_voidは平面空洞内の電場、ε_rはセラミックの比誘電率、E_appliedは誘電体内の平均電場である。

その空隙における部分放電の開始電圧は以下のとおりである。

PDIV = E_bd × d_void × (1 + 2ε_r / (ε_r + 1))

ここで、PDIVは部分放電開始電圧、E_bdは空隙内部のガスの絶縁破壊強度、d_voidは空隙の厚さ、ε_rは周囲の誘電体の比誘電率である。

誘電率ε_rが1000のN4700セラミックに5µmの空隙があるとします。1気圧では、発生電圧は約45Vです。5気圧では、約112Vになります。

より小さな空隙は異なる挙動を示す。圧力と距離の積は0.75 Torr×cmの最小値よりも左側に低下し、そこで圧力上昇によってポケット内のガスの絶縁破壊電圧が低下する。

2.3 表面経路上のクリープ応力

表面沿面電圧は、より長い経路に沿って同じ電圧を伝達し、その経路に沿った応力がフラッシュオーバーマージンを決定する。

S_creep = V_peak / L_creep

ここで、S_creepは平均沿面応力、V_peakは最大動作電圧、L_creepは活線電極から接地までの表面経路長である。

沿面距離が50mmの40kVノードは、0.8kV/mmの電界強度を示します。一方、沿面距離が40mmの同じノードは、1.0kV/mmの電界強度を示します。そのため、5気圧チャンバーの図面では沿面距離を50mmと指定しています。

2.4 気密シールと圧力サイクル

気密シールは内部容積を一定の圧力に保ち、漏洩率によってその保持時間が決まる。

Q_leak = L × Δp

ここで、Q_leakは漏洩率、Lはシール経路のコンダクタンス、Δpはシール両端の圧力差である。10⁻⁹ atm·cm³/sのヘリウム流量では、耐用期間全体にわたって4 atmの圧力差が維持される。

図1 — 1 mmのエアギャップは1気圧から5気圧まで破壊強度が5倍になるのに対し、2 µmの空隙は0.75 Torr×cmのパッシェン最小値にとどまり、330 V付近で破壊する。

3. エンジニアリング上の課題

問題点1：3気圧以上での地表フラッシュオーバー

フッ素、水分、および塵埃は、5,000～10,000時間かけて部品表面に蓄積されます。ガス密度が高い場合、汚染層はより弱い電界でイオン化し、フラッシュオーバー電圧が動作電圧を下回ります。その後、保守担当者はトラッキングマークを発見し、正常なコンデンサと交換します。

問題点２：微細な空隙内部での部分的な排出

放電が始まると、5 µm ～ 50 µm の空隙が自身の壁を侵食する。10,000 ～ 20,000 時間かけて空隙は拡大し、放電開始電圧は低下し、外部に兆候がないまま部品が故障する。 フィルムコンデンサ 乾燥端シールの場合、同じ経路で湿気を拾ってしまう可能性があるため、圧力試験は実際に出荷される部品を対象としなければなりません。

問題点３：圧力サイクルによるシール不良

通気と再加圧を行うチャンバーは、メンテナンス期間ごとに各シールを1サイクルずつ作動させる。1万～3万サイクル後、シールの漏れによって水分とフッ素が封止材内部に侵入し、点検が届かない内側から内部断熱材が劣化する。

問題点4：カーブの左側の分岐にあるコネクタの隙間

1 mm未満のギャップを持つコネクタは、パッシェン最小値の左側に位置する可能性があります。そこでは、圧力上昇によって絶縁破壊電圧が低下し、コネクタは定格値よりも低い値でアーク放電を起こします。5 atmで0.1 mmのギャップの場合、圧力と距離の積は0.5 atm・mmとなり、この領域に該当します。

4. 設計手順

戦略1：内部容積を1気圧で密閉する

密閉されたものをお選びください N4700 コンデンサ、抵抗器、コネクタなどを使用して、チャンバーのサイクル中に内部容積が 1 atm に維持されるようにします。10⁻⁹ atm·cm³/s 未満の速度でヘリウムリークテストを行い、気密性を確認し、5 atm での動作を余裕をもってカバーするために、シールを 10 atm と評価します。

充電電流を記録します サンプリング抵抗器 試運転時。密閉部品の漏洩電流がゆっくりと上昇する場合、部分放電試験で検出されるずっと前に、シール不良を示唆している。

戦略2：沿面距離はチャンバーサイズではなく電圧から設定する

ピーク電圧と目標応力0.8 kV/mmに基づいて、表面経路のサイズを決定します。40 kVのノードには、50 mmの沿面距離が必要です。リブと溝を設けることで、高さを増やさずに実効経路長を延長できます。チャンバー内圧を5気圧にし、動作電圧の1.5倍で設計を検証します。

戦略3：表面経路をパリレンでコーティングする

25 µmのパリレンC層により、表面抵抗率は10¹⁵ Ω/sq以上を維持し、フッ素と水分を遮断します。光学顕微鏡とASTM D3359に準拠したテープテストで被覆状態を確認し、熱サイクル後に端が浮き上がった箇所があれば再コーティングしてください。

戦略4：組み立て工程における汚染管理

組み立て前にIPAまたはプラズマ処理で部品を洗浄し、クラス10,000のクリーンルームで組み立ててください。チャンバーの洗浄間隔を5,000時間に設定し、表面抵抗を記録して、フラッシュオーバーが発生する前に抵抗値の低下傾向が現れるようにしてください。

戦略5：パッシェン最小値からすべてのギャップを外す

各ギャップとクリアランスについて圧力と距離の積を計算し、0.75 Torr×cm 付近に位置するものは距離を増やして右に移動させます。最小クリアランス 2 mm は、5 atm で 40 kV の部品に 3 倍のマージンを与えます。直列接続されたコンデンサが電圧を共有する必要がある場合は、 グレード別抵抗器 つまり、どの部署も自分の割り当て以上のものを受け取ることはないということだ。

コンポーネントパラメータ	標準値	試験条件
定格電圧（HVCT8Gシリーズ）	10kV DC	60秒間、1.5倍の高電圧試験
キャパシタンス	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz、1 V rms
1MHzにおけるESR	50 mΩ未満	-
ループインダクタンス（E40コード）	8 nH未満	端子間隔40mm
絶縁抵抗	500V DCで10GΩ以上	25℃、相対湿度60％
使用可能温度範囲	−40℃～+125℃	IEC 60068-2シリーズ
パルスdv/dt機能	50 kV/µs以上	定格電圧で

5. エキシマレーザーチャンバー用HVC耐圧コンデンサ

このノードの選択を左右する3つの要件は、チャンバー圧力の影響を受けない内部容積、5気圧で40kVに耐えられる十分な長さの表面経路、そして全圧力範囲でPDを5pC以下に抑える誘電体です。HVCは、東莞にある6,000m²の自社工場で、1kVから150kVまでの範囲に対応する気密シールされたN4700部品を製造しています。

ここで重要な6つのパラメータ

• 気密性の高い金属セラミックシールにより内部容積は1気圧に保たれるため、チャンバー内の圧力が1気圧から5気圧まで変化しても、§2.2のPDIVは一定に保たれます。漏洩率は10⁻⁹ atm·cm³/s以下に抑えられ、シールは10気圧までの耐圧性能を備えています。
• 40kV部品において、沿面距離が50mmを超えると、表面応力は0.8kV/mmに維持されます。剥離したリブが表面の伝導経路を分断するため、汚染物質が一直線に伝導経路を横断することはできません。
• tanδが0.1%未満のN4700クラスI誘電体は、−40℃から+125℃の温度範囲で静電容量を±1%以内に維持し、エキシマ放電のパルスあたりのエネルギーを一定に保ちます。
• 定格電圧における部分放電（PD）は5 pC未満（IEC 60270規格に準拠した測定方法）。ボイドフリーの誘電体により、5 µmクラスの欠陥が出荷製品に混入しない。
• 25 µmのパリレンCコーティングは、表面抵抗率を10¹⁵ Ω/sq以上に維持し、メンテナンス期間中のフッ素による腐食を防ぎます。
• 部品は、リソグラフィ光源において、3～5気圧、40kV、6kHzの条件下で50,000万時間以上動作試験に合格しています。

ラジアルリードディスク、スクリュー端子、および ドアノブコンデンサ 1 kVから150 kVの範囲をカバーします。HVC部品は、 ビシェイ HVCC、KEMETラジアルリード、村田製作所DHS/DHR、TDK UHV/FHV。

配送とサポート

標準部品は4～8週間、耐圧試験済みセットは6～10週間で出荷されます。HVCのアプリケーションエンジニアリング部門は、パッシェン曲線解析、沿面距離レイアウト、気密性試験計画、チャンバー圧力下での部分放電試験設定をサポートします。

動作電圧、チャンバー圧力範囲、ピーク電流、および取り付け寸法をお送りください。HVCは、沿面距離寸法、漏洩率データ、および2つのサンプルからなる評価キットを含む部品推奨案を5営業日以内に返送します。

6。 よくある質問

Q1：チャンバー内の圧力が高いと、断熱効果は高まりますか、それとも低下しますか？

両方とも実現します。パッシェン最小値を超えると、1 mmのエアギャップでは、1気圧で5.2 kVから5気圧で26.2 kVまで上昇するため、外部クリアランスと沿面距離に余裕が生まれます。圧力と距離の積が0.75 Torr×cmの最小値の左側にある空隙では、圧力上昇によって閉じ込められたガスの絶縁破壊電圧が低下するため、絶縁破壊強度が低下します。

Q2：なぜ小さな空隙は高圧下で悪化するのですか？

圧力と距離の積がパッシェン曲線の左側の枝に位置するため、2 µmの空隙は1気圧で0.15 Torr×cm、5気圧で0.76 Torr×cmの積を持つため、チャンバーの加圧に伴い曲線の最小電圧に向かって移動します。同時に、空隙はバルク磁場よりもε_r倍高い磁場を受けることになります。

Q3：40kVのノードは5気圧でどれくらいの沿面距離が必要ですか？

50 mm以上。これにより、S_creep = V_peak / L_creep から平均表面応力0.8 kV/mmが得られます。40 mmの経路では1.0 kV/mmに達し、5,000～10,000時間で表面汚染が蓄積すると、マージンが不足します。最終設計は、動作電圧の1.5倍で、チャンバー内圧5気圧で検証してください。

Q4：密閉部品はどのような場合にコストに見合う価値があるのでしょうか？

チャンバーが真空と加圧の間を循環したり、3気圧を超える圧力で動作したりするたびに、気密シールによって内部容積が1気圧に維持されるため、誘電体の空隙発生電圧はチャンバーに追随しなくなります。また、気密部品は、10,000万～30,000万回の圧力サイクル後にポリマーシールを侵食するフッ素や水分の侵入経路を遮断します。

Q5：ボイド故障モードの部品をどのように選別すればよいですか？

出荷前に定格電圧で部分放電試験を実施し、制限値を5 pCに設定します。これに加えて、10⁻⁹ atm·cm³/s以下のヘリウムリーク試験と、4700 pF ±20%の静電容量チェックを実施します。これら3つの試験を組み合わせることで、部品がチャンバーに到達する前に、シールの漏れ、空隙の拡大、誘電体の亀裂を検出できます。

Q6：監視システムは何を監視すべきですか？

チャンバー圧力と各高電圧ノードの漏洩電流を記録します。設定値から10%以上圧力がずれた場合は警報を発し、チャンバーが安全範囲を超えた場合は電源を遮断します。フラッシュオーバー発生前に漏洩電流の緩やかな上昇と圧力の緩やかな変動が一致するように、両方のチャンネルを記録します。

7。 リファレンス

1. E. クッフェル、WS ザングル、J. クッフェル、 高電圧工学の基礎第2版​​、ニューネス、2000年。
2. N. モハン、TM アンダーランド、WP ロビンス、 パワーエレクトロニクス：コンバータ、応用、設計、第3版、Wiley、2003年。
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4. IEC 60384-1:2018、 電子機器用固定コンデンサ ― 第1部：一般仕様.
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6. GB/T 7354-2018、 高電压试验技术 局部放電量。 北京：中国标準出版社、2018年。
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10. アーク遮断回路および外部直列制限抵抗器Spellman High Voltage Electronics Corporation、アプリケーションノート AN-13、https://www.spellmanhv.com/en/Technical-Resources/Application-Notes-HVPS/AN-13。
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