ضغط غرفة الإكسيمر: عزل مكثف الجهد العالي

ضغط غرفة الإكسيمر: عزل مكثف الجهد العالي

الملخص

تعمل غرف الإكسيمر بضغط يتراوح بين 2 و5 ضغط جوي، ويؤثر هذا الضغط على قوة العزل في اتجاهين. تكتسب الفجوات الخارجية هامش أمان، بينما قد تفقده الفراغات المجهرية وفجوات الموصلات التي يقل حجمها عن المليمتر. تتناول هذه المقالة ظاهرة باشين، وجهد بدء الفراغات، وإجهاد الزحف عند 0.8 كيلو فولت/مم، وأربعة أنماط فشل ناتجة عن الضغط، ثم توضح القواعد التي تحكم عقدة 40 كيلو فولت ضمن نطاق ضغط يتراوح بين 1 و5 ضغط جوي.

1. مقدمة

تعمل ليزرات KrF عند طول موجي 248 نانومتر وليزر ArF عند طول موجي 193 نانومتر بمزيج غازي بضغط يتراوح بين 2 و5 ضغط جوي. وتؤدي زيادة كثافة الغاز إلى رفع قدرة خرج الليزر. كما تؤثر هذه الكثافة نفسها على قوة عزل جميع الأجزاء عالية الجهد داخل أو بجوار حجرة الليزر.

تتشارك المكثفات والثنائيات والمقاومات والموصلات الخاصة بمصدر الطاقة النبضي في هذا الضغط. وتستجيب له فجوات الغاز والمسارات السطحية والغاز المحصور داخل العيوب، ولكن ليس بنفس الاتجاه.

يحدد قانون باشين جهد الانهيار لفجوة غازية بناءً على الضغط والمسافة. ويفسر هذا القانون سبب ازدياد قوة فجوة 10 مم عند ضغط 5 ضغط جوي، وسبب ضعف قوة فجوة 2 ميكرومتر داخل مادة خزفية.

تتناول هذه المقالة الآلية، وأنماط الفشل الأربعة التي شوهدت في الميدان، وخطوات التصميم التي تحافظ على عقدة نبضية بجهد 40 كيلو فولت خالية من التفريغ الجزئي من 1 ضغط جوي إلى 5 ضغط جوي.

2. الآلية الأساسية

2.1 قانون باشين وقياس الضغط في فجوة الغاز

تنهار فجوة الغاز المنتظمة عند الجهد المحدد بقانون باشين:

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

حيث V_bd هو جهد الانهيار للفجوة، و p ضغط الغاز، و d مسافة الفجوة، و A و B ثوابت الغاز، و γ معامل انبعاث الإلكترون الثانوي للكاثود.

بالنسبة للهواء، A تساوي 15 سم⁻¹تور⁻¹، وB تساوي 365 فولت/(سم·تور)، وγ تساوي 0.01. فجوة طولها 1 مم عند ضغط 760 تور تنهار عند 5.2 كيلو فولت. نفس الفجوة عند ضغط 3,800 تور تنهار عند 26.2 كيلو فولت.

فوق الحد الأدنى لضغط باشين عند 0.75 تور × سم، يتتبع جهد الانهيار حاصل ضرب الضغط في المسافة:

V_bd(p2) = V_bd(p1) × (p2 / p1)

حيث V_bd(p2) هو جهد الانهيار عند الضغط p2، و V_bd(p1) هي القيمة المقاسة عند الضغط p1، وتظل النسبة قائمة طالما أن p×d يبقى على الفرع الأيمن من المنحنى.

يُتيح هذا القياس للغرفة عند ضغط 5 ضغط جوي هامش عزل خارجي أكبر من تلك عند ضغط 1 ضغط جوي. كما أنه يُهيئ المصيدة في القسم التالي.

2.2 تعزيز مجال الفراغ وبدء التفريغ الجزئي

الفراغ الموجود داخل مادة عازلة خزفية يشهد مجالاً أعلى من متوسط ​​المجال في المادة الصلبة:

E_void = ε_r × E_applied

حيث E_void هو المجال داخل فراغ مسطح، و ε_r هي السماحية النسبية للسيراميك، و E_applied هو المجال المتوسط ​​في العازل.

يتبع جهد بدء التفريغ الجزئي في تلك الفجوة ما يلي:

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

حيث PDIV هو جهد بدء التفريغ الجزئي، و E_bd هي قوة انهيار الغاز داخل الفراغ، و d_void هو سمك الفراغ، و ε_r هي السماحية النسبية للعازل المحيط.

لنفترض وجود فراغ بحجم 5 ميكرومتر في سيراميك N4700 بقيمة ε_r تساوي 1000. عند ضغط جوي واحد، يكون جهد البدء حوالي 45 فولت. وعند ضغط جوي واحد، يكون حوالي 112 فولت.

تتصرف الفراغات الأصغر بشكل مختلف. ينخفض ​​حاصل ضرب الضغط في المسافة إلى يسار الحد الأدنى البالغ 0.75 تور × سم، وهناك يؤدي ارتفاع الضغط إلى خفض جهد الانهيار للغاز داخل الجيب.

2.3 إجهاد الزحف على المسار السطحي

يحمل الزحف السطحي نفس الجهد على طول مسار أطول، ويحدد الإجهاد على طول هذا المسار هامش الانهيار الكهربائي:

S_creep = V_peak / L_creep

حيث S_creep هو متوسط ​​إجهاد الزحف، و V_peak هو جهد التشغيل الأقصى، و L_creep هو طول مسار السطح من القطب الكهربائي الحي إلى الأرض.

تعمل عقدة جهد 40 كيلوفولت ذات مسافة زحف 50 مم عند 0.8 كيلوفولت/مم. وتعمل نفس العقدة بمسافة زحف 40 مم عند 1.0 كيلوفولت/مم، ولهذا السبب تتطلب الرسومات الخاصة بغرفة ضغط 5 ضغط جوي مسافة زحف 50 مم.

2.4 الإحكام التام ودورات الضغط

يحافظ الختم المحكم على الحجم الداخلي عند ضغط ثابت، ويحدد معدل التسرب المدة التي يستمر فيها هذا الختم في العمل:

Q_leak = L × Δp

حيث Q_leak هو معدل التسريب، وL هي موصلية مسار مانع التسرب، وΔp هو فرق الضغط عبر مانع التسرب. ويحافظ معدل تدفق الهيليوم البالغ 10⁻⁹ ضغط جوي·سم³/ثانية على فرق ضغط قدره 4 ضغط جوي طوال فترة الخدمة.

الشكل 1 - فجوة هوائية 1 مم تكتسب قوة انهيار 5 أضعاف من 1 إلى 5 ضغط جوي، بينما يبقى فراغ 2 ميكرومتر عند الحد الأدنى لضغط باشين 0.75 تور × سم وينهار بالقرب من 330 فولت.

3. نقاط الضعف الهندسية

نقطة الضعف الأولى: الوميض السطحي فوق 3 ضغط جوي

يتراكم الفلور والرطوبة والغبار على أسطح المكونات على مدار 5,000 إلى 10,000 ساعة. عند كثافة غاز عالية، تتأين الطبقة الملوثة بمجال كهربائي أقل، وينخفض ​​جهد الانهيار الكهربائي إلى ما دون جهد التشغيل. عندئذٍ، يكتشف فريق الصيانة آثار التسرب ويستبدل المكثف السليم.

نقطة الألم الثانية: إفرازات جزئية داخل فراغات مجهرية

بمجرد بدء التفريغ، يتسبب فراغ يتراوح حجمه بين 5 و50 ميكرومتر في تآكل جدرانه. وعلى مدار 10,000 إلى 20,000 ساعة، يتسع الفراغ، وينخفض ​​جهد بدء التفريغ، ويتعطل الجزء دون أي علامة خارجية. مكثف الفيلم يمكن أن يلتقط ختم الطرف الجاف نفس مسار الرطوبة، لذلك يجب أن يغطي تأهيل الضغط الجزء الذي يتم شحنه فعليًا.

نقطة الضعف الثالثة: فشل مانع التسرب نتيجة لدورات الضغط

تُخضع حجرة التهوية وإعادة الضغط كل مانع تسرب لدورة واحدة خلال فترة الصيانة. بعد 10,000 إلى 30,000 دورة، يسمح مانع التسرب المتسرب بدخول الرطوبة والفلور إلى الغلاف، ويتدهور العزل الداخلي من الداخل حيث لا يصل إليه الفحص.

نقطة الضعف الرابعة: فجوات في الموصلات على الفرع الأيسر من المنحنى

يمكن أن يقع موصل ذو فجوة أقل من 1 مم على يسار الحد الأدنى لجهد باشن. عند هذه النقطة، يؤدي ارتفاع الضغط إلى انخفاض جهد الانهيار، ويحدث شرر كهربائي في الموصل دون قيمته المقدرة. فجوة 0.1 مم عند ضغط 5 ضغط جوي تعطي حاصل ضرب الضغط في المسافة 0.5 ضغط جوي·مم، وهو ما يقع ضمن هذه المنطقة.

4. خطوات التصميم

الاستراتيجية 1: إحكام إغلاق الحجم الداخلي عند ضغط جوي واحد

اختر منتجًا محكم الإغلاق N4700 المكثفات والمقاومات والموصلات، بحيث يبقى الحجم الداخلي عند ضغط جوي واحد أثناء دورة الحجرة. تحقق من الإحكام باستخدام اختبار تسرب الهيليوم بمعدل أقل من 10⁻⁹ ضغط جوي·سم³/ثانية، وصنّف مانع التسرب لضغط 10 ضغط جوي لتغطية التشغيل عند ضغط 5 ضغط جوي مع هامش أمان.

سجل تيار الشحن من خلال مقاومة أخذ العينات أثناء التشغيل. يشير الارتفاع البطيء في تيار التسرب على جزء مغلق إلى وجود عيب في الختم قبل وقت طويل من اكتشافه بواسطة اختبار التفريغ الجزئي.

الاستراتيجية الثانية: تحديد مسافة الزحف بناءً على الجهد، وليس بناءً على حجم الحجرة

حدد طول مسار السطح بناءً على ذروة الجهد وإجهاد مستهدف قدره 0.8 كيلو فولت/مم. عندئذٍ، تحتاج عقدة جهدها 40 كيلو فولت إلى مسافة زحف تبلغ 50 مم. تُضيف الأضلاع والأخاديد المائلة طول مسار فعال دون زيادة الارتفاع. تحقق من التصميم عند جهد يعادل 1.5 ضعف جهد التشغيل مع ضغط الغرفة عند 5 ضغط جوي.

الاستراتيجية الثالثة: تغطية المسار السطحي بالباريلين

تحافظ طبقة الباريلين C بسمك 25 ميكرومتر على مقاومة سطحية أعلى من 10¹⁵ أوم/مربع، وتمنع الفلور والرطوبة. تأكد من التغطية باستخدام المجهر الضوئي واختبار الشريط اللاصق وفقًا لمعيار ASTM D3359، وأعد طلاء أي منطقة تظهر حوافها مرتفعة بعد دورات التبريد والتسخين.

الاستراتيجية الرابعة: التحكم في التلوث أثناء التجميع

نظّف الأجزاء باستخدام الكحول الأيزوبروبيلي أو معالجة البلازما قبل التجميع، وقم بالتصنيع في غرفة نظيفة من الفئة 10,000. اضبط فترة تنظيف كل 5,000 ساعة في الغرفة، وسجّل مقاومة السطح بحيث يظهر اتجاه تنازلي قبل حدوث الوميض.

الاستراتيجية الخامسة: حافظ على كل فجوة بعيدة عن الحد الأدنى لـ Paschen

احسب حاصل ضرب الضغط في المسافة لكل فجوة وخلوص، وحرّك أي فجوة أو خلوص يقترب من 0.75 تور × سم إلى اليمين بزيادة المسافة. يوفر خلوص أدنى قدره 2 مم هامش أمان بمقدار 3 أضعاف لجزء 40 كيلو فولت عند ضغط 5 ضغط جوي. عند توصيل سلسلة من المكثفات على التوالي لتقاسم الجهد، أضف مقاومات التدرج لذلك لا تحصل أي وحدة على أكثر من حصتها.

معلمة المكون	القيمة النموذجية	شرط الاختبار
الجهد المقنن (سلسلة HVCT8G)	10 كيلو فولت العاصمة	جهد عالي 1.5× لمدة 60 ثانية
مواسعة	4700 بيكوفاراد ±20% (472 ميجا)	1 ميجاهرتز، 1 فولت RMS
المقاومة المكافئة التسلسلية عند 1 ميجاهرتز	أقل من 50 ملي أوم	-
محاثة الحلقة (وتر E40)	أقل من 8 نانوهيدروجين	تباعد طرفي 40 مم
مقاومة العزل	أعلى من 10 جيجا أوم عند 500 فولت تيار مستمر	25 درجة مئوية، 60% رطوبة نسبية
نطاق درجة حرارة	40 درجة مئوية إلى +125 درجة مئوية	سلسلة IEC 60068-2
قدرة نبض dv/dt	أعلى من 50 كيلو فولت/ميكروثانية	عند الجهد المقدر

5. مكثفات مقاومة للضغط من نوع HVC لغرف ليزر الإكسيمر

ثلاثة متطلبات أساسية تحدد الاختيار في هذه المرحلة: حجم داخلي لا يتأثر بضغط الحجرة، ومسار سطحي طويل بما يكفي لتحمل 40 كيلوفولت عند ضغط 5 ضغط جوي، وعازل كهربائي يحافظ على التفريغ الجزئي أقل من 5 بيكو كولوم عبر نطاق الضغط الكامل. تقوم شركة HVC بتصنيع أجزاء N4700 محكمة الإغلاق لهذه المجموعة في مصنعها الخاص في دونغقوان، بمساحة 6,000 متر مربع، ضمن نطاق جهد يتراوح من 1 كيلوفولت إلى 150 كيلوفولت.

ستة معايير مهمة هنا

• يحافظ مانع التسرب المعدني الخزفي المحكم على الحجم الداخلي عند ضغط جوي واحد، وبالتالي يبقى ضغط PDIV المذكور في البند 2.2 ثابتًا أثناء دورة الضغط داخل الحجرة من 1 إلى 5 ضغط جوي. ويبقى معدل التسرب أقل من 10⁻⁹ ضغط جوي·سم³/ثانية، ومصمم مانع التسرب لتحمل ضغط يصل إلى 10 ضغط جوي.
• يؤدي الزحف الذي يزيد عن 50 مم على أجزاء 40 كيلو فولت إلى الحفاظ على إجهاد السطح عند 0.8 كيلو فولت/مم. تعمل الأضلاع المتساقطة على قطع مسار السطح بحيث لا يمكن للتلوث أن يمتد عبره في خط واحد.
• مادة N4700 من الفئة الأولى العازلة ذات tanδ أقل من 0.1٪ تحافظ على السعة في حدود ±1٪ على مدى نطاق -40 درجة مئوية إلى +125 درجة مئوية، مما يحافظ على الطاقة لكل نبضة من تفريغ الإكسيمر ثابتة.
• انخفاض التفريغ الجزئي إلى أقل من 5 بيكو كولوم عند الجهد المقنن، تم قياسه باستخدام طرق IEC 60270. يمنع العازل الخالي من الفراغات وجود عيوب من فئة 5 ميكرومتر في الشحنات.
• يحافظ طلاء الباريلين C بسمك 25 ميكرومتر على مقاومة سطحية أعلى من 10 أوم/مربع ويقاوم هجوم الفلور أثناء فترات الصيانة.
• تم اختبار الأجزاء عند 3 إلى 5 ضغط جوي، 40 كيلو فولت، و 6 كيلو هرتز لأكثر من 50,000 ساعة في مصادر ضوء الطباعة الحجرية.

أقراص ذات رؤوس شعاعية، وطرفية لولبية، و المكثفات مقابض الابواب تغطي نطاق الجهد من 1 كيلو فولت إلى 150 كيلو فولت. تتوافق أجزاء الجهد العالي مع معايير VISHAY HVCC، KEMET radial-lead، Murata DHS/DHR، وTDK UHV/FHV.

التوصيل والدعم

يتم شحن القطع القياسية خلال 4-8 أسابيع، والمجموعات المؤهلة للضغط خلال 6-10 أسابيع. يدعم قسم هندسة تطبيقات الضغط العالي والضغط المنخفض تحليل منحنى باشين، وتصميم الزحف، وتخطيط اختبار الإحكام، وإعداد اختبار الضغط الجزئي عند ضغط الحجرة.

أرسل جهد التشغيل، ونطاق ضغط الحجرة، وذروة التيار، ومساحة التركيب. ستقدم لك شركة HVC توصية بشأن القطعة المناسبة مع أبعاد الزحف، وبيانات معدل التسريب، ومجموعة أدوات تقييم مكونة من عينتين خلال خمسة أيام عمل.

6. أسئلة مكررة

س1: هل يساعد ارتفاع ضغط الحجرة أم يضر بالعزل؟

يؤدي هذا إلى كلا الأمرين. فوق الحد الأدنى لجهد باشن، ترتفع فجوة هوائية بسمك 1 مم من 5.2 كيلو فولت عند ضغط جوي واحد إلى 26.2 كيلو فولت عند ضغط جوي واحد، مما يوفر هامش أمان للمسافات الخارجية والزحف. أما الفراغ الذي يكون حاصل ضرب الضغط في المسافة فيه أقل من الحد الأدنى البالغ 0.75 تور × سم، فيفقد قوة الانهيار، لأن ارتفاع الضغط فيه يُخفض جهد انهيار الغاز المحصور.

س2: لماذا تتفاقم الفجوة الصغيرة عند الضغط العالي؟

لأن حاصل ضرب الضغط في المسافة يقع على الفرع الأيسر من منحنى باشين. يبلغ حاصل ضرب الضغط في المسافة لفراغ قطره 2 ميكرومتر 0.15 تور × سم عند ضغط جوي واحد، و0.76 تور × سم عند ضغط جوي خمسة، لذا يتحرك نحو أدنى جهد في المنحنى مع ازدياد ضغط الحجرة. في الوقت نفسه، يتعرض الفراغ لمجال كهربائي أعلى بمقدار ε_r من المجال المغناطيسي للمادة.

س3: ما مقدار الزحف الذي تحتاجه عقدة 40 كيلو فولت عند 5 ضغط جوي؟

عند مسافة تزيد عن 50 مم، ينتج عن ذلك إجهاد سطحي متوسط ​​قدره 0.8 كيلو فولت/مم، محسوبًا من الزحف السطحي S_creep = V_peak / L_creep. يصل مسار بطول 40 مم إلى 1.0 كيلو فولت/مم، وهو ما يترك هامشًا ضئيلًا جدًا عند تراكم التلوث السطحي على مدى 5,000 إلى 10,000 ساعة. تحقق من التصميم النهائي عند جهد يعادل 1.5 ضعف جهد التشغيل، مع ضبط ضغط الحجرة على 5 ضغط جوي.

س4: متى يكون الجزء المحكم الإغلاق يستحق التكلفة؟

عندما تتناوب الحجرة بين الفراغ والضغط، أو عند تجاوز الضغط 3 ضغط جوي، يحافظ مانع التسرب المحكم على الحجم الداخلي عند ضغط جوي واحد، وبالتالي لا ينتقل جهد بدء الفراغ في العازل مع الحجرة. كما تمنع الأجزاء المحكمة مسار الفلور والرطوبة الذي يؤدي إلى تآكل مانع التسرب البوليمري بعد 10,000 إلى 30,000 دورة ضغط.

س5: كيف يمكنني فحص الأجزاء بحثًا عن وضع الفشل الفارغ؟

قم بإجراء اختبار تفريغ جزئي عند الجهد المقنن قبل الشحن، واضبط الحد الأقصى عند 5 بيكو كولوم. قم بإجراء اختبار تسرب الهيليوم عند معدل تدفق أقل من 10⁻⁹ ضغط جوي·سم³/ثانية، وفحص السعة عند 4700 بيكو فاراد ±20%. تكشف هذه الاختبارات الثلاثة مجتمعةً عن أي تسرب في مانع التسرب، أو فراغ متزايد، أو تشقق في العازل قبل وصول القطعة إلى حجرة التفريغ.

س6: ما الذي يجب أن يراقبه نظام المراقبة؟

ضغط الحجرة وتيار التسريب لكل عقدة جهد عالٍ. يُطلق إنذار عند انحراف الضغط بنسبة تزيد عن 10% عن القيمة المحددة، ويتم فصل التيار الكهربائي تلقائيًا إذا تجاوزت الحجرة نطاقها الآمن. يتم تسجيل بيانات القناتين بحيث يتزامن الارتفاع التدريجي في تيار التسريب مع الانخفاض التدريجي في الضغط قبل حدوث الوميض الكهربائي.

7. المراجع

1. إي. كوفيل، دبليو إس زينجل، جيه. كوفيل، أساسيات هندسة الجهد العالي، الطبعة الثانية، نيونس، 2000.
2. ن. موهان، تي إم أونديلاند، دبليو بي روبنز، إلكترونيات الطاقة: المحولات والتطبيقات والتصميم، الطبعة الثالثة، وايلي، 3.
3. إشعار رقم 2 من MIL-HDBK-217F، التنبؤ بموثوقية المعدات الإلكترونية، 1995.
4. IEC 60384-1: 2018 ، المكثفات الثابتة للاستخدام في المعدات الإلكترونية - الجزء 1: المواصفات العامة.
5. IEC 60270:2025، تقنيات اختبار الجهد العالي - قياس التفريغات الجزئية بناءً على الشحنة، الطبعة الرابعة. جنيف: اللجنة الكهروتقنية الدولية، 2025.
6. غيغابايت / تي 7354-2018، أفضل الأسعار في العالم. المصدر: 中国标准出版社، 2018.
7. أ. بوضياف، س. بوعزبية، ن. هريد و م.ل عمراني، الحساب التحليلي لعتبة التفريغ الجزئي في تجويف غازي داخل عازل كابل الجهد العالي، الهندسة الكهربائية، المجلد 104، العدد 2، الصفحات 555-565، 2021. https://doi.org/10.1007/s00202-021-01310-9.
8. ف. بيليايف، نموذج الوميض السطحي للعازل في الفراغ، في وقائع المؤتمر الدولي الثامن عشر حول التفريغات والعزل الكهربائي في الفراغ (ISDEIV)، الصفحات 151-154، 1998. https://doi.org/10.1109/deiv.1998.740596.
9. JP 3979823 B2، 巻線装置及びそれを用いた高電圧パルス発生装置 (استخدام معدات اللف ومولد النبض عالي الجهد)، شركة جيجافوتون، https://www.sumobrain.com/patents/JP3979823B2.html .
10. دوائر التدخل في القوس الكهربائي ومقاومات التحديد التسلسلي الخارجية، شركة Spellman High Voltage Electronics Corporation، مذكرة التطبيق AN-13، https://www.spellmanhv.com/en/Technical-Resources/Application-Notes-HVPS/AN-13.
11. فريق هندسة تطبيقات HVC، الجهد العالي السيراميك المكثفات الموارد الفنيةhttps://www.hv-caps.com