光刻光源高压滤波电容器的选择

光刻光源高压滤波电容器的选择

抽象

光刻设备中的对准激光器、干涉仪和校准灯由π型网络滤波器内部的5-15 kV辅助电源供电。本文给出了这些滤波器的选择算法：双电容π型滤波器的衰减、1 nF I类滤波器在50 kHz频率下的3.2 V纹波、偏置II类滤波器的30%有效电容以及可维持十年使用寿命的局部放电屏蔽层。

1. 引言

光刻设备除了主曝光光束外，还配备了一系列辅助光源。对准激光器、干涉仪参考光源、校准灯和紫外检测照明器都使用纯净的光学输出。

这些光源背后的电源将 48–400 VDC 转换为 5–15 kV、电流为 0.1–5 mA 的直流电源，并由高压电容器组成的 π 型网络进行滤波。该电源的质量决定了光噪声、波长稳定性以及灯管的使用寿命。

输出质量对吞吐量而言是次要的，对计量而言则是首要的。一个闪烁0.2%的对准灯会影响用于定位下一个芯片的晶圆台测量，而一个光谱漂移的校准光源则会使整个设备的剂量校准失效。

因此，形成该电源轨的滤波电容器具有工业实践中很少要求的条件：电容在温度和偏置下稳定在百分之几的范围内，局部放电低于检测限，并且十年内不会发生漂移。

2. 核心机制

2.1 π网络的衰减

高压滤波器通常是一个π型网络：输入电容C1、串联电感L、输出电容C2，然后是指示灯。频率为f的开关纹波由LC部分衰减。

A = 1 / ((2π × f)² × L × C_eff)

其中 A 为输出纹波与输入纹波之比，f 为开关频率，L 为串联电感，C_eff 为有效并联电容。

C_eff = C1 × C2 / (C1 + C2)

其中 C_eff 为有效并联电容，C1 为输入电容，C2 为输出电容。衰减与频率的平方成正比，与 C_eff 成线性关系，因此电容加倍会增加 6 dB，而滤波器频率加倍会增加 12 dB。

2.2 灯电极处的纹波

到达灯泡的纹波来自纹波电流的电容分压以及电容器的损耗项。

ΔV_ripple = I_ripple / (2π × f × C2) + I_ripple × ESR

其中，ΔV_ripple 为灯电极处的峰值纹波，I_ripple 为流过 C2 的纹波电流，f 为开关频率，C2 为输出电容，ESR 为 C2 的等效串联电阻。在 50 kHz 频率和 1 mA 纹波电流下，1 nF 电容可产生 3.2 V 的电压。电容值加倍至 2 nF 时，电压减半至 1.6 V，因为电容项远大于损耗项。

10 kV、纹波为 0.1% 的电源轨在电极处承载 10 V 电压。可用电压极限为该值的三分之一，因此电容器的设计目标电压必须达到 3.3 V。

2.3 为什么 II 类介质会失去裕量

II 类器件在直流偏置下会损失电容。在额定电压的 80% 下，X7R 电容器的电容值可能仅为标称值的 30%。此时，计算出的 1.6V 纹波电压会变为 5V，标称值为 1nF 的器件的 3.2V 纹波电压会变为 10.6V。

直流平滑的滤波器拐点远低于开关频率，并且拐点随电容移动。

f_c = 1 / (2π × R × C)

其中 f_c 为截止频率，R 为负载电阻，C 为滤波器电容。1 MΩ 的负载搭配 1 nF 的滤波器，截止频率为 160 Hz。一个 II 类电容器如果损失 40% 的电容值，会使灯端的 50 kHz 纹波升高 4.4 dB，因为衰减项与损失的电容成正比。

2.4 部分放电决定使用寿命

在持续直流偏置下，主要的退化机制是内部空隙处的局部放电。起始电压必须高于工作应力并留有裕量。

V_operating ≤ V_PDIV / k_PD

其中，V_operating 为工作状态下的直流应力，V_PDIV 为局部放电起始电压，k_PD 为裕量系数，取值为 1.2。每次放电都会侵蚀几皮克的介质，经过数年的连续运行，侵蚀通道会连接电极。最终，器件会发生短路失效，导致电源中断。

图 1 — I 类 N4700 在 0 至 10 kV 偏置电压范围内保持 100% 的标称值，而 X7R 器件则下降到 30%，并将 3.2 V 纹波变为 10.6 V。

3. 工程痛点

痛点一：偏置驱动的电容损耗会传递到开关纹波处

用于干涉测量或对准的辅助光源无法承受超过百分之几的强度调制。滤波电容器在直流偏置下电容值会下降，从而导致开关纹波通过。

尽管只需更换一个元件就能解决电气方面的问题，但经过数周的光学端故障排除后，才诊断出由此产生的光学闪烁问题。

痛点二：局部排放侵蚀，但检查无法发现

具有略高于工作电压的局部放电起始电压的滤波电容器可以通过出厂测试，然后在2-5年内逐渐失效。失效表现为电源高压部分的短路。

目视检查显示电容器没有损坏，因此忽略了根本原因，更换的零件也存在同样的缺陷。

痛点3：滤网角温度漂移

一个10 kV的电源，负载为1 MΩ，并带有一个1 nF的滤波器，用于平滑直流信号，截止频率为160 Hz。一个在高温下电容值损失40%的II类电容器，会使灯泡上的50 kHz纹波升高4.4 dB。

一个在 25°C 时运行安静的电源，在 65°C 时变得嘈杂，而电路的其他部分没有任何变化。

痛点 4：光学镜架内部的安装脆弱性

高压滤波电容器体积较大。在振动的光学框架内，从电路板悬臂伸出的引线部件的焊点或端子处会产生微裂纹。

结果是接触不良，在维修车间几乎不可能重现这种情况。

4. 设计步骤

策略 1：从光学要求中推导出纹波容差

确定最大可容忍强度调制（通常为 0.1% 或更低），并通过灯 VI 灵敏度将其转换为电极电压纹波。在 10 kV 电源轨上，输出 10 V。

调整 C2 的尺寸，使 §2.2 中的纹波电流项保持在该数值的三分之一以下，包括 ESR 项，这使得设计目标为 3.3 V。

策略二：选用耐压性强的I类介电材料

选择 N4700 T3M 钛酸锶器件的电容与直流偏置无关，漂移仅为 ±30 ppm/°C。因此，纸上计算的衰减值即为在每个温度和负载下的实际衰减值。

A 薄膜电容器 如果导轨还承载来自灯弧的纹波电流，那么反向容差较低的导轨就不是理想的选择。

策略 3：以 1.2 倍额定电压屏蔽局部放电

要求在额定电压的 1.2 倍下，PD 低于 5 pC 作为单件验收测试标准。这一单一指标即可将缓慢腐蚀失效模式从可靠性分析中排除。

要根据起始电压（而不仅仅是额定值）来验证工作点，因为起始电压会随着温度和已吸收的放电事件次数的增加而下降。

策略 4：增加第二个 Pi 型支架并支撑部件

两级π型滤波器只需额外增加一个电容和一个电感，即可增加20-40 dB的衰减裕量。这样，电源就能容忍电容的膨胀和老化，而无需重新设计。

身高超过一定限度时，使用 HVCT8G 采用螺钉端子或螺栓固定方式，加装夹具，并涂覆保形涂层。光学舱内紫外线降解的粉尘侵蚀涂层部件的爬电表面速度远慢于裸露部件。

策略 5：监测固件中的轨纹波

在高压轨上通过由高值二极管构成的分压器添加一个纹波检测ADC。 分级电阻器 以及低价值 采样电阻.

记录纹波幅度随时间的变化。缓慢上升是滤波电容器老化的最早可观测特征，这使得更换电容器可以在计划的维护窗口期内进行。

组件参数	典型值	测试条件
额定电压（HVCT8G系列）	10 kV DC	高压1.5倍，持续60秒
电容量	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz，1 V rms
1 MHz 下的 ESR	低于 50 mΩ	-
回路电感（E40弦）	低于 8 nH	端子间距 40 毫米
绝缘电阻	500V直流电压下电阻大于10GΩ	25℃，60%相对湿度
温度范围	−40 °C 至 +125 °C	IEC 60068-2系列
脉冲dv/dt能力	高于 50 kV/µs	额定电压

5. 用于光刻辅助滤波器的HVC电容器

该导轨必须在各种偏置电压和温度条件下保持其电容值，无需维护即可稳定运行十年，并且能够在振动的光学框架内保持静止。HVC 在东莞拥有一座占地 6,000 平方米的自有工厂，生产 N4700 系列产品，电压范围从 1 kV 到 100 kV。

这里需要考虑的六个参数

• 钛酸锶上的 I 类 N4700 (T3M) 具有与偏置无关的电容和 ±30 ppm/°C 的波动，因此 1 nF 滤波器在 10 kV 和 65 °C 下仍保持 1 nF 的电容值。
• 1 kHz 时 tanδ 低于 0.1%，使滤波器部件保持低温，因此自发热不会干扰周围对温度敏感的光学框架。
• 电压等级从 1 kV 到 100 kV，涵盖了 5 kV 校准源到 30 kV 准分子预电离级，均来自一个合格的系列。
• 每个部件在 1.2 倍额定电压下均经过 PD 筛选，低于 5 pC，从而支持 10 年的使用目标，而不会发生 PD 腐蚀。
• 坚固耐用的 441 螺钉式和门把手式电容器封装，具有抗振动端子，适用于光刻框架。
• 现场应用经验：在高压现场服务项目中，HVC 40 kV/441 螺钉式电容器已取代了一线品牌产品，国内 OEM 厂商也正在对该产品进行认证。HVC 产品符合以下电气参数和封装要求： 村田 DHS/DHR 和 TDK UHV/FHV 系列。

交付和支持

标准部件的交货期为 4-8 周，匹配的滤波器组为 6-10 周。HVC 应用工程支持衰减计算、π 型网络电容匹配以及光框安装的热分析。

请提供电源轨电压、纹波电流、衰减目标值和环境温度。HVC 将在两周内提供滤波电容选型方案，包括实测的电容-直流偏置曲线、PD 测试数据和热验证结果，并寄送样品。

6. 常见问题

Q1：为什么介电常数等级排在电容值之前？

因为 II 类器件的实际电容值与标称值不符。例如，X7R 电容在额定偏置电压的 80% 时，其电容值可能只有标称值的 30%，因此，原本计算出的 1.6V 纹波会变成 5V，而 3.2V 的设计纹波会变成 10.6V。I 类 N4700 电容在不同偏置电压和温度范围内都能保持其电容值，因此设计计算值与实际测量值一致。

Q2：1 nF 滤波器在 50 kHz 时会产生多大的纹波？

ΔV_ripple = I_ripple / (2π × f × C2) 加上 ESR 项。在 50 kHz 频率和 1 mA 纹波电流下，1 nF 的 I 类电容器可提供 3.2 V 的纹波电压。这在 10 kV 电源轨上根据 10 V / 0.1% 的光学极限推导出的 3.3 V 目标值范围内。

Q3：如何设置部分放电要求？

在额定电压的 1.2 倍下，将电流密度设定为低于 5 pC，并检查初始电压是否在实际工作应力范围内。裕量系数为 1.2，因为初始电压会随温度降低。逐个部件进行局部放电筛选可以消除缓慢腐蚀模式，否则这种模式需要 2-5 年才会表现为短路。

Q4：为什么光舱中的电容器温度漂移很重要？

因为截止频率会随电容变化。一个10 kV的电源，负载为1 MΩ，并带有一个1 nF的滤波器，可以平滑160 Hz的直流信号。一个II类器件如果损失40%的电容值，会使灯管上的50 kHz纹波增加4.4 dB，因此，在25 °C下噪声很小的电源，在65 °C下噪声会增大。

Q5：第二个 pi 级能买到什么？

增加一个电容和一个电感，即可获得 20–40 dB 的衰减裕量。该裕量可吸收电容的容差、温度漂移和老化，因此电源无需依赖单个元件十年不变的性能。

Q6：如何才能在滤光片老化发展成光学故障之前发现它？

使用模数转换器 (ADC) 监测分压器中的轨道纹波，并记录其振幅随时间的变化。缓慢上升是最早可观察到的特征，可用于安排在维护窗口期内进行更换。同时，应采用高部件机械支撑和保形涂层，因为振动的框架会导致无支撑的引线端子开裂。

7。 参考

1. E. Kuffel、WS Zaengl、J. Kuffel 高电压工程基础知识，第 2 版，Newnes，2000 年。
2. N. Mohan、TM Undeland、WP Robbins 电力电子学：变换器、应用和设计，第 3 版，Wiley，2003 年。
3. MIL-HDBK-217F 通知 2， 电子设备可靠性预测1995。
4. IEC 60384-1:2018， 电子设备用固定电容器——第1部分：通用规范.
5. IEC 60270:2025， 高压测试技术——基于电荷的局部放电测量，第 4 版。日内瓦：IEC，2025 年。
6. 高电容、高电压BME X7R多层陶瓷电容器的研制KEMET Electronics（CARTS USA 2011 会议论文集），https://www.mouser.jp/pdfdocs/2011-03CARTS-DevelopmentofHighCapacitance-HighVoltageBMEX7RMLCCapacitors.pdf。
7. DN Donahoe、M. Pecht、IK Lloyd 和 S. Ganesan， 潮湿引起的多层陶瓷电容器性能退化，微电子可靠性，第 46 卷，第 2-4 期，第 400-408 页，2006 年。https://doi.org/10.1016/j.microrel.2005.05.008。
8. 使用陶瓷电容器 3 kV （C0G/NP0 与 X7R/Y5S 稳定性讨论），复古技术论坛，https://forum.retrotechnique.org/t/utilisation-des-condensateurs-ceramiques-3kv/115858。
9. GB/T 7354-2018， 高电压试验技术局部放电测量。 北京: 中国标准出版社, 2018.
10. HVC应用工程团队 高压陶瓷电容器 技术资源https://www.hv-caps.com