Pression de la chambre d'excimères : Isolation du condensateur haute tension

Pression de la chambre d'excimères : Isolation du condensateur haute tension

Abstract

Les chambres à excimères fonctionnent à une pression de 2 à 5 atm, et cette pression influence la résistance de l'isolation dans deux directions. Les espaces externes gagnent en marge, tandis que les vides microscopiques et les espaces de connecteurs submillimétriques peuvent la réduire. Cet article traite de l'effet Paschen, de la tension d'amorçage des vides, de la contrainte de fuite à 0.8 kV/mm et de quatre modes de défaillance liés à la pression, puis présente les règles qui garantissent la résistance d'un nœud de 40 kV entre 1 et 5 atm.

1. Introduction

Les lasers KrF à 248 nm et les lasers ArF à 193 nm fonctionnent avec un mélange gazeux à une pression de 2 à 5 atm. Une densité de gaz plus élevée augmente la puissance de sortie du laser. Cette même densité influe également sur la rigidité diélectrique de tous les composants haute tension situés dans ou à proximité de la chambre.

Les condensateurs, diodes, résistances et connecteurs de l'alimentation pulsée subissent cette pression. Les espaces gazeux, les chemins de surface et le gaz emprisonné dans les défauts y réagissent également, mais pas dans le même sens.

La loi de Paschen détermine la tension de claquage d'un espace gazeux en fonction de la pression et de la distance. Elle explique pourquoi un espace de 10 mm devient plus résistant à 5 atm et pourquoi un vide de 2 µm dans une céramique devient plus fragile.

Cet article décrit le mécanisme, les quatre modes de défaillance observés sur le terrain et les étapes de conception qui permettent de maintenir un nœud d'impulsion de 40 kV exempt de décharge partielle de 1 atm à 5 atm.

2. Mécanisme de base

2.1 Loi de Paschen et mise à l'échelle de la pression dans un espace gazeux

Un espace gazeux uniforme se rompt à la tension donnée par la loi de Paschen :

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

où V_bd est la tension de claquage de l'entrefer, p la pression du gaz, d la distance de l'entrefer, A et B les constantes du gaz et γ le coefficient d'émission d'électrons secondaires de la cathode.

Pour l'air, A vaut 15 cm⁻¹Torr⁻¹, B vaut 365 V/(cm·Torr) et γ vaut 0.01. Un entrefer de 1 mm à 760 Torr provoque un claquage à 5.2 kV. Le même entrefer à 3 800 Torr provoque un claquage à 26.2 kV.

Au-dessus du minimum de Paschen à 0.75 Torr×cm, la tension de claquage suit le produit de la pression par la distance :

V_bd(p2) = V_bd(p1) × (p2 / p1)

où V_bd(p2) est la tension de claquage à la pression p2, V_bd(p1) la valeur mesurée à la pression p1, et le rapport est valable tant que p×d reste sur la branche droite de la courbe.

Cette mise à l'échelle confère à une chambre à 5 atm une marge d'isolation externe supérieure à celle d'une chambre à 1 atm. Elle prépare également le terrain pour le piège de la section suivante.

2.2 Amélioration du champ de vides et amorçage des décharges partielles

Un vide à l'intérieur d'un diélectrique céramique est soumis à un champ électrique supérieur au champ moyen dans le volume :

E_void = ε_r × E_applied

où E_void est le champ à l'intérieur d'un vide plat, ε_r la permittivité relative de la céramique et E_applied le champ moyen dans le diélectrique.

La tension d'amorçage des décharges partielles dans ce vide est la suivante :

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

où PDIV est la tension d'amorçage de la décharge partielle, E_bd la résistance de claquage du gaz à l'intérieur du vide, d_void l'épaisseur du vide et ε_r la permittivité relative du diélectrique environnant.

Considérons un vide de 5 µm dans une céramique N4700 avec ε_r = 1000. À 1 atm, la tension d'amorçage est d'environ 45 V. À 5 atm, elle est d'environ 112 V.

Les cavités plus petites se comportent différemment. Leur produit pression × distance se situe à gauche du minimum de 0.75 Torr×cm, et une augmentation de pression y abaisse la tension de claquage du gaz contenu dans la cavité.

2.3 Contrainte de fluage sur le chemin de surface

La fuite de surface transporte la même tension sur un trajet plus long, et la contrainte le long de ce trajet détermine la marge de contournement :

S_creep = V_peak / L_creep

où S_creep est la contrainte de fuite moyenne, V_peak la tension de fonctionnement maximale et L_creep la longueur du trajet de surface de l'électrode active à la terre.

Un nœud de 40 kV avec une ligne de fuite de 50 mm présente une tension de 0.8 kV/mm. Le même nœud, avec une ligne de fuite de 40 mm, présente une tension de 1.0 kV/mm, ce qui explique pourquoi les schémas d'une chambre à 5 atm préconisent une ligne de fuite de 50 mm.

2.4 Étanchéité hermétique et cycles de pression

Un joint hermétique maintient le volume interne à une pression fixe, et le débit de fuite détermine sa durée d'étanchéité :

Q_leak = L × Δp

où Q_fuite représente le débit de fuite, L la conductance du joint et Δp la différence de pression de part et d'autre du joint. Un débit d'hélium de 10⁻⁹ atm·cm³/s maintient une différence de pression de 4 atm pendant toute la durée de vie du joint.

Fig. 1 — Un entrefer de 1 mm gagne 5 fois la résistance de claquage de 1 à 5 atm, tandis qu'un vide de 2 µm reste au minimum de Paschen de 0.75 Torr×cm et se casse près de 330 V.

3. Points faibles en matière d'ingénierie

Point sensible n° 1 : Contournement de surface au-dessus de 3 atm

Du fluor, de l'humidité et de la poussière s'accumulent sur les surfaces des composants après 5 000 à 10 000 heures de fonctionnement. À forte densité de gaz, la couche contaminée s'ionise plus facilement et la tension de contournement chute en dessous de la tension de service. Le service de maintenance repère alors les traces de court-circuit et remplace le condensateur par un modèle en bon état.

Point sensible n° 2 : Décharge partielle à l’intérieur de cavités microscopiques

Une cavité de 5 à 50 µm érode ses propres parois dès le début de la décharge. Sur une période de 10 000 à 20 000 heures, la cavité grossit, la tension d'amorçage diminue et le composant tombe en panne sans aucun signe extérieur. condensateur à film Un joint d'étanchéité à extrémité sèche peut capter le même chemin d'humidité ; la qualification de pression doit donc couvrir la pièce qui est effectivement expédiée.

Point faible n° 3 : Défaillance du joint due aux cycles de pression

Une chambre de purge et de pressurisation soumet chaque joint à un cycle par période de maintenance. Après 10 000 à 30 000 cycles, un joint défectueux laisse pénétrer l’humidité et le fluor dans l’encapsulation, et l’isolation interne se dégrade de l’intérieur, hors de portée des inspections.

Point sensible n° 4 : Espaces entre les connecteurs sur la branche gauche de la courbe

Un connecteur présentant un écartement inférieur à 1 mm peut se situer à gauche du minimum de Paschen. Dans ce cas, une surtension abaisse la tension de claquage et le connecteur produit un arc électrique en dessous de sa valeur nominale. Un écartement de 0.1 mm à 5 atm donne un produit pression-distance de 0.5 atm·mm, ce qui correspond à cette zone.

4. Étapes de conception

Stratégie 1 : Sceller le volume interne à 1 atm

Choisissez un emballage hermétique N4700 Condensateurs, résistances et connecteurs sont intégrés afin de maintenir le volume interne à 1 atm pendant les cycles de fonctionnement de la chambre. Vérifier l'étanchéité par un test de fuite à l'hélium à un débit inférieur à 10⁻⁹ atm·cm³/s et évaluer l'étanchéité à 10 atm pour couvrir un fonctionnement à 5 atm avec marge.

Enregistrez le courant de charge à travers un résistance d'échantillonnage Lors de la mise en service, une lente augmentation du courant de fuite sur une pièce étanche indique un défaut d'étanchéité bien avant que le test de décharge partielle ne le détecte.

Stratégie 2 : Définir la distance de fuite à partir de la tension, et non à partir des dimensions de la chambre.

Dimensionnez le chemin de surface en fonction de la tension de crête et d'une contrainte cible de 0.8 kV/mm. Un nœud de 40 kV nécessite alors une ligne de fuite de 50 mm. Les nervures et rainures de dégagement augmentent la longueur effective du chemin sans augmenter la hauteur. Vérifiez la conception à 1.5 fois la tension de service, la chambre étant à 5 atm.

Stratégie 3 : Recouvrir la surface de la piste de parylene

Une couche de Parylene C de 25 µm maintient la résistivité de surface au-dessus de 10¹⁵ Ω/sq et bloque le fluor et l'humidité. Vérifiez la couverture par microscopie optique et par un test d'adhérence au ruban adhésif selon la norme ASTM D3359, et réappliquez le revêtement sur toute zone présentant un décollement après les cycles thermiques.

Stratégie 4 : Contrôler la contamination lors de l’assemblage

Avant l'assemblage, nettoyer les pièces à l'IPA ou par traitement plasma et réaliser le montage en salle blanche de classe 10 000. Programmer un intervalle de nettoyage de 5 000 heures pour la chambre et enregistrer la résistance de surface afin de détecter une diminution avant l'amorçage.

Stratégie 5 : Maintenir un écart maximal avec le minimum de Paschen.

Calculez le produit pression × distance pour chaque entrefer et jeu, et déplacez vers la droite tout produit proche de 0.75 Torr×cm en augmentant la distance. Un jeu minimal de 2 mm confère à un composant de 40 kV une marge de sécurité de 3× à 5 atm. Lorsqu'une chaîne de condensateurs en série doit supporter la tension, ajoutez résistances de gradation Ainsi, aucune unité ne voit plus que sa part.

Paramètre de composant	Valeur typique	Condition de test
Tension nominale (série HVCT8G)	10 kV DC	haute tension 1.5× pendant 60 s
Capacitance	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz, 1 V efficace
ESR à 1 MHz	inférieur à 50 mΩ	-
Inductance de boucle (accord E40)	en dessous de 8 nH	Espacement des bornes de 40 mm
La resistance d'isolement	supérieure à 10 GΩ à 500 V CC	25 °C, 60 % HR
Plage de température	−40 °C à +125 °C	Série IEC 60068-2
Capacité dv/dt d'impulsion	au-dessus de 50 kV/µs	à la tension nominale

5. Condensateurs haute tension résistants à la pression pour chambres laser excimères

Trois exigences déterminent le choix de ce nœud : un volume interne insensible à la pression de la chambre, un chemin de surface suffisamment long pour 40 kV à 5 atm et un diélectrique maintenant les décharges partielles en dessous de 5 pC sur toute la plage de pression. HVC fabrique des composants N4700 hermétiquement scellés pour cette configuration dans son usine de 6 000 m² à Dongguan, pour une plage de tensions allant de 1 kV à 150 kV.

Six paramètres importants ici

• L'étanchéité hermétique en métal-céramique maintient le volume interne à 1 atm, de sorte que le PDIV du §2.2 reste constant malgré les cycles de pression de la chambre entre 1 et 5 atm. Le taux de fuite demeure inférieur à 10⁻⁹ atm·cm³/s et l'étanchéité est garantie à 10 atm.
• Le courant de fuite supérieur à 50 mm sur les composants de 40 kV maintient la contrainte superficielle à 0.8 kV/mm. Les nervures de décharge interrompent le trajet de la contamination en surface, empêchant ainsi celle-ci de se propager en une seule ligne.
• Le diélectrique de classe I N4700 avec tanδ inférieur à 0.1 % maintient la capacité à ±1 % sur la plage de −40 °C à +125 °C, ce qui maintient l'énergie par impulsion de la décharge excimère constante.
• PD inférieure à 5 pC à la tension nominale, mesurée selon la norme IEC 60270. Un diélectrique sans défauts empêche la présence de défauts de classe 5 µm dans les lots livrés.
• Le revêtement de Parylene C de 25 µm maintient une résistivité de surface supérieure à 10¹⁵ Ω/sq et résiste à l'attaque du fluor pendant les fenêtres de maintenance.
• Pièces qualifiées à 3 à 5 atm, 40 kV et 6 kHz pendant plus de 50 000 heures dans des sources de lumière de lithographie.

Disques à fils radiaux, bornes à vis et condensateurs poignée de porte couvrent la plage de 1 kV à 150 kV. Les composants HVC correspondent aux paramètres de Vishay HVCC, KEMET à câbles radiaux, Murata DHS/DHR et TDK UHV/FHV.

Livraison et support

Les pièces standard sont expédiées sous 4 à 8 semaines et les kits qualifiés pour la pression sous 6 à 10 semaines. L'ingénierie des applications HVC prend en charge l'analyse de la courbe de Paschen, la conception des lignes de fuite, la planification des tests d'herméticité et la mise en place des tests de décharge partielle à la pression de la chambre.

Veuillez indiquer la tension de fonctionnement, la plage de pression de la chambre, le courant de crête et les dimensions de montage. HVC vous fournira sous cinq jours ouvrés une recommandation de composant comprenant les dimensions de fuite, les données relatives au taux de fuite et un kit d'évaluation composé de deux échantillons.

6. Questions fréquentes

Q1 : Une pression plus élevée dans la chambre de combustion améliore-t-elle ou nuit-elle à l'isolation ?

Il remplit les deux fonctions. Au-dessus du minimum de Paschen, un entrefer de 1 mm voit sa tension passer de 5.2 kV à 1 atm à 26.2 kV à 5 atm, ce qui augmente les distances d'isolement et la marge de fuite. Un vide dont le produit pression × distance est inférieur au minimum de 0.75 Torr×cm perd en rigidité diélectrique, car la surpression y diminue la tension de claquage du gaz emprisonné.

Q2 : Pourquoi une petite cavité s'aggrave-t-elle sous haute pression ?

Parce que son produit pression-distance se situe sur la branche gauche de la courbe de Paschen. Un vide de 2 µm a un produit de 0.15 Torr×cm à 1 atm et de 0.76 Torr×cm à 5 atm ; il se déplace donc vers la tension minimale de la courbe lorsque la chambre se pressurise. Simultanément, le vide est soumis à un champ ε_r fois supérieur au champ ambiant.

Q3 : De quelle longueur de fuite un nœud de 40 kV a-t-il besoin à 5 atm ?

Au-delà de 50 mm, la contrainte de surface moyenne est de 0.8 kV/mm (S_creep = V_peak / L_creep). Un trajet de 40 mm atteint 1.0 kV/mm, ce qui ne laisse pas suffisamment de marge une fois que la contamination de surface s'accumule après 5 000 à 10 000 heures. Vérifiez la conception finale à 1.5 fois la tension de service, la chambre étant à 5 atm.

Q4 : Quand un composant hermétique justifie-t-il son coût ?

Lorsque la chambre alterne entre vide et pression, ou fonctionne à une pression supérieure à 3 atm, un joint hermétique maintient le volume interne à 1 atm, empêchant ainsi la tension d'amorçage de vide du diélectrique de se propager dans la chambre. Les pièces hermétiques bloquent également la pénétration du fluor et de l'humidité, responsables de l'érosion d'un joint polymère après 10 000 à 30 000 cycles de pression.

Q5 : Comment puis-je contrôler les pièces pour détecter le mode de défaillance par vide ?

Effectuez un test de décharge partielle à la tension nominale avant expédition, en fixant la limite à 5 pC. Associez-le à un test d'étanchéité à l'hélium inférieur à 10⁻⁹ atm·cm³/s et à un contrôle de capacité à 4700 pF ±20 %. Ces trois tests permettent de détecter une fuite d'étanchéité, un vide croissant et une fissure dans le diélectrique avant que la pièce n'atteigne l'enceinte de test.

Q6 : Que doit surveiller le système de surveillance ?

Surveillance de la pression dans la chambre et du courant de fuite de chaque nœud haute tension. Alarme en cas d'écart de pression supérieur à 10 % par rapport à la consigne et verrouillage de l'alimentation si la pression dans la chambre sort de sa plage de sécurité. Enregistrement des deux canaux afin qu'une lente augmentation du courant de fuite coïncide avec une lente dérive de la pression avant un contournement.

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