КАБЕЛЬ ДЛЯ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ГЕНЕРАТОРОВ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ
29 августа 2010Колпаков В.А., Паранин В.Д., Мокеев Д.А. Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева, Россия, г.Самара, Московское шоссе, 34.
Газовый разряд высоковольтного типа может быть эффективно использован при вакуумной сварке, изготовлении омических контактов, плазмохимическом травлении кварца и очистки поверхности диэлектрических подложек [1-3], что сообщает о широких возможностях применения данного вида разряда в разных областях микроэлектроники.
Генерация и поддержание предлагаемого газового разряда требует использования высоковольтного источника питания. Одним из узлов общей конструкции является кабель, соединяющий газоразрядное устройство с источником и обеспечивающий заданную разность потенциалов между его электродами.
В настоящее время наиболее широко применяется конструкция высоковольтного кабеля, содержащая плотно прилегающие друг к другу слои изоляции и проводников [4]. Кабели изготавливаются трехжильными (3КВЭЛ) и четырехжильными (4КВЭЛ) и позволяют выдерживать высокие напряжения – 60, 165 и 220 кВ. Однако их конструкция отличается громоздкостью, что значительно затрудняет крутые изгибы необходимые при питании газоразрядных устройств в рабочих камерах вакуумных установок. Кроме этого для электропитания большинства газоразрядных устройств необходимы одна, две жилы, следовательно, две, три жилы остаются неиспользованными, что значительно снижает эффективность их использования.
Необходимо также отметить, что все элементы конструкции находятся в тесном твердом контакте друг с другом. Поэтому в процессе работы под действием высокого напряжения происходит поляризация изолирующего материала и при достижении критической величины заряда между поверхностями кабеля, технологической оснастки или стенками рабочей камеры вакуумной установки возникает тлеющий разряд, приводящий к необратимому разрушению диэлектрических свойств материала изоляции кабеля. Наличие экранирующей оплетки затрудняет этот процесс, однако и в этом случае в конечном итоге происходит пробой материала изоляции кабеля. Присутствие различных не вакуумных
материалов в конструкции кабеля при нахождении в плазмо - , вакуумноагрессивной среде будет приводить к их испарению и загрязнению рабочих поверхностей деталей обрабатываемых плазмой, что снижает чистоту процесса.
Также известно, что все кабели, описанные выше, выполняют свою функцию только при условии возникновения рабочего газового разряда при более облегченных режимах, чем паразитные разряды между кабелем и поверхностями технологической оснастки и стенок рабочей камеры вакуумной установки. Конструкции, реализующие эти условия, отличаются максимальной простотой, и потоки плазмы, формируемые такими устройствами существенно неоднородны, поэтому их применение в микроэлектронике для плазмохи-мического или ионно-химического травлений нецелесообразно.
Все это значительно затрудняет электропитание газоразрядных устройств или увеличивает стоимость кабеля, за счет использования высококачественных изолирующих материалов.
С целью увеличения стойкости кабеля к электрическому пробою при работе в условиях вакуума и надежности работы газоразрядного устройства предлагается следующая конструкция высоковольтного кабеля (рис.1):
Рис.1. Фрагмент конструкции высоковольтного кабеля. 1 – оболочка; 2 - вакуумное масло; 3 - стабилизирующие диски; 4 – токо-проводник; 5 - разделительные элементы в форме цилиндра.
Устройство содержит фторопластовую оболочку в форме полого цилиндра, в который вставляется проводник с нанизанными на
86
него дисками. Внешняя поверхность дисков закруглена и касается поверхности внутреннего диаметра оболочки в точке. Это дает возможность делать изгибы готового кабеля радиусом равным внешнему диаметру оболочки. Расстояние между дисками выполняется равным 0,5D – 1D, где D – внутренний диаметр оболочки. Установление расстояния между дисками менее 0,5D приводит к ухудшению гибкости кабеля, что чрезвычайно нецелесообразно при использовании кабеля в рабочей камере вакуумной установки, а превышение расстояния более D приводит к деформации формы оболочки и изменению расстояния между токопроводником кабеля и внутренней поверхностью оболочки. Для устранения смыкания дисков между ними помещают фторопластовые трубочки длиной от 0,5D до D и внешним диаметром равным 0,3 D. Такое соотношение размеров внешнего диаметра трубочки и D позволяет вакуумному маслу легко проникать в область трубочки и надежно изолировать провод электропитания от окружающей среды.
Создание такой конструкции значительно ухудшает возможность его пробоя при работе в условиях вакуума. Однако она не устраняет возможности накопления заряда на внешней поверхности оболочки и возникновения одной из разновидностей тлеющего разряда в газе, что как и в предыдущих случаях способно привести к необратимой порче кабеля. Для устранения этого явления во внутреннюю полость оболочки заливают вакуумное масло ВМ-1. Это с одной стороны позволило значительно повысить диэлектрические свойства кабеля, а с другой при пробое необходимо просто выключить установку и кабель восстанавливает свои диэлектрические свойства.
Все элементы конструкции выполняются из фторопласта, отличающегося высокими вакуумными и диэлектрическими свойствами. В качестве токопроводника используется медный провод.