准分子激光高压电源重复频率控制关键技术研究

一、高重复频率下的技术挑战
准分子激光器（如ArF、KrF等）在半导体光刻、精密微加工等领域需实现kHz级高重复频率运行（通常达4–6kHz）。此工况下，传统闸流管开关因寿命限制（仅约10^9次脉冲）难以满足稳定性需求，且高压电源的放电电压波动（10–14kV范围）、气体劣化等因素会直接导致脉冲能量漂移（可达±15%）和重复频率失稳。例如，放电腔内氟气浓度衰减会使能量输出随放电次数增加而显著下降，需实时调节电压补偿能量损失。 
二、全固态脉冲电源技术（SSPPM）
为解决闸流管寿命瓶颈，现代系统采用全固态脉冲功率模块（SSPPM） 结合多级磁脉冲压缩技术： 
• 固态开关替代闸流管：以功率半导体开关（如IGBT）为核心，配合磁脉冲压缩电路，将微秒级放电压缩至纳秒级快前沿脉冲（上升时间<100ns），支持kHz以上高频工作且无寿命衰减。 
• 高压精准调节：通过控制直流高压电源的参考电压或谐振电容电压，实现放电激励电压的实时微调（精度达0.1%），补偿因气体老化导致的能量衰减。 
实验表明，SSPPM可使激光器在300Hz–6kHz重复频率下稳定输出，单脉冲能量波动控制在±1%以内。 
三、闭环控制与先进算法
能量稳定的核心在于实时反馈控制回路： 
1. 脉冲能量监测：热释电探测器或光电二极管实时采集每个脉冲能量，传输至主控制器。 
2. 比例积分（PI）算法：基于能量偏差动态计算电压补偿量。例如： 
   V_{adj} = K_p \cdot E_{err} + K_i \int E_{err} dt 
   其中E_{err}为能量设定值与实测值之差，K_p、K_i为比例与积分系数。仿真显示，PI算法可将能量稳定性提升至99.5%。 
3. 粗-精双模调节： 
   • 粗跟踪：步进电机调节光学腔长度，应对大范围频率漂移； 
   • 细调节：压电陶瓷（PZT）微调腔镜位置（精度µm级），实现mHz级频率锁定。 
四、多参数协同优化
重复频率控制需兼顾气体管理与波长稳定性： 
• 气体寿命延长：在线监测氟浓度，结合补气与电压调节，将换气间隔从3天延长至15天（脉冲数达10^9次）。 
• 波长-频率协同控制：在重复频率切换时，通过查找表或迭代学习算法（ILC）动态调整波长调制波形，避免光谱漂移影响光刻分辨率。例如，双色模式下需在过零点切换波长波形，确保曝光焦深一致性。 
五、发展趋势
未来技术聚焦于： 
1. 智能预测控制：结合深度学习预判气体衰减曲线，优化PI参数自适应调整； 
2. 多模块功率合束：通过SSPPM并联实现kW级高功率输出（如3.6kW退火应用）； 
3. 高环境鲁棒性：增强抗干扰设计（如声学激波抑制），适应复杂工业场景。 
结论
高重复频率准分子激光电源的控制是光刻精度与效率的核心保障。全固态电源技术突破寿命瓶颈，闭环算法实现能量微秒级响应，而多参数协同策略则推动系统向长寿命、智能化演进。随着半导体工艺节点持续微缩，高压电源的重复频率控制精度将成为支撑摩尔定律延续的关键一环。