準分子激光高壓電源重復頻率控制關鍵技術研究

一、高重復頻率下的技術挑戰
準分子激光器（如ArF、KrF等）在半導體光刻、精密微加工等領域需實現kHz級高重復頻率運行（通常達4–6kHz）。此工況下，傳統閘流管開關因壽命限制（僅約10^9次脈沖）難以滿足穩定性需求，且高壓電源的放電電壓波動（10–14kV范圍）、氣體劣化等因素會直接導致脈沖能量漂移（可達±15%）和重復頻率失穩。例如，放電腔內氟氣濃度衰減會使能量輸出隨放電次數增加而顯著下降，需實時調節電壓補償能量損失。 
二、全固態脈沖電源技術（SSPPM）
為解決閘流管壽命瓶頸，現代系統采用全固態脈沖功率模塊（SSPPM） 結合多級磁脈沖壓縮技術： 
• 固態開關替代閘流管：以功率半導體開關（如IGBT）為核心，配合磁脈沖壓縮電路，將微秒級放電壓縮至納秒級快前沿脈沖（上升時間<100ns），支持kHz以上高頻工作且無壽命衰減。 
• 高壓精準調節：通過控制直流高壓電源的參考電壓或諧振電容電壓，實現放電激勵電壓的實時微調（精度達0.1%），補償因氣體老化導致的能量衰減。 
實驗表明，SSPPM可使激光器在300Hz–6kHz重復頻率下穩定輸出，單脈沖能量波動控制在±1%以內。 
三、閉環控制與先進算法
能量穩定的核心在于實時反饋控制回路： 
1. 脈沖能量監測：熱釋電探測器或光電二極管實時采集每個脈沖能量，傳輸至主控制器。 
2. 比例積分（PI）算法：基于能量偏差動態計算電壓補償量。例如： 
   V_{adj} = K_p \cdot E_{err} + K_i \int E_{err} dt 
   其中E_{err}為能量設定值與實測值之差，K_p、K_i為比例與積分系數。仿真顯示，PI算法可將能量穩定性提升至99.5%。 
3. 粗-精雙模調節： 
   • 粗跟蹤：步進電機調節光學腔長度，應對大范圍頻率漂移； 
   • 細調節：壓電陶瓷（PZT）微調腔鏡位置（精度µm級），實現mHz級頻率鎖定。 
四、多參數協同優化
重復頻率控制需兼顧氣體管理與波長穩定性： 
• 氣體壽命延長：在線監測氟濃度，結合補氣與電壓調節，將換氣間隔從3天延長至15天（脈沖數達10^9次）。 
• 波長-頻率協同控制：在重復頻率切換時，通過查找表或迭代學習算法（ILC）動態調整波長調制波形，避免光譜漂移影響光刻分辨率。例如，雙色模式下需在過零點切換波長波形，確保曝光焦深一致性。 
五、發展趨勢
未來技術聚焦于： 
1. 智能預測控制：結合深度學習預判氣體衰減曲線，優化PI參數自適應調整； 
2. 多模塊功率合束：通過SSPPM并聯實現kW級高功率輸出（如3.6kW退火應用）； 
3. 高環境魯棒性：增強抗干擾設計（如聲學激波抑制），適應復雜工業場景。 
結論
高重復頻率準分子激光電源的控制是光刻精度與效率的核心保障。全固態電源技術突破壽命瓶頸，閉環算法實現能量微秒級響應，而多參數協同策略則推動系統向長壽命、智能化演進。隨著半導體工藝節點持續微縮，高壓電源的重復頻率控制精度將成為支撐摩爾定律延續的關鍵一環。