准分子激光高压电源光学 - 电学同步系统

准分子激光凭借 193nm/248nm 短波长、1-10ns 脉冲宽度的特性，广泛应用于光刻胶刻蚀、材料表面改性，其高压电源需为激光腔提供 20-50kV 脉冲激发电压，而光学 - 电学同步偏差会导致激光能量波动超 8%，直接影响加工精度。
同步系统采用 “FPGA 主控 + 高速信号链” 架构：光学端通过雪崩光电二极管（APD）采集激光脉冲信号，经低噪声放大电路后，信号传输延迟控制在 4.2ns 以内；电学端采用绝缘栅双极晶体管（IGBT）驱动模块，开关响应时间 < 8ns，且通过同轴电缆阻抗匹配（50Ω±1%）减少信号反射；核心同步算法基于时间数字转换器（TDC）实现 ns 级时序校准，将光学触发信号与电学高压脉冲的相位差锁定在 ±2.8ns。
在准分子激光光刻胶刻蚀应用中，该系统使激光能量稳定性从 ±5% 提升至 ±1.8%，线宽均匀性偏差从 ±4.5% 降至 ±1.9%；在金属表面微结构加工中，同步精度提升后，刻蚀深度一致性误差从 6μm 缩小至 1.1μm，满足高精度激光加工对时序协同的严苛需求。
三、蚀刻设备高压电源多参数耦合解耦控制
干法蚀刻设备中，高压电源需同时调控输出电压（1-10kV）、电流（10-100mA）、脉冲宽度（1-100μs）、占空比（10%-90%）四大核心参数，而参数间的强耦合特性 —— 如电压升高会导致电流增幅达 15%、占空比调整会引发电压波动 3%，传统单参数 PID 控制难以实现多目标稳定，导致蚀刻速率波动率超 7%，侧壁垂直度低于 85°。
解耦控制方案基于多变量模型预测控制（MPC）构建：首先通过最小二乘法建立参数耦合数学模型，识别电压 - 电流耦合系数（0.82A/kV）、占空比 - 蚀刻速率关联因子（0.5nm/min・%）；其次引入前馈补偿通道，实时采集晶圆表面电阻变化（采样频率 1kHz），提前调整电压输出以抵消负载扰动；最终通过 MPC 算法滚动优化控制量，每 10ms 更新一次参数输出，实现参数间的动态解耦。
该技术在 3D NAND 存储芯片蚀刻工艺中应用后，蚀刻速率波动率从 7.2% 降至 2.8%，侧壁垂直度从 84.3° 提升至 89.1%；在逻辑芯片浅沟槽隔离（STI）蚀刻中，关键尺寸（CD）偏差从 ±4nm 缩小至 ±1.5nm，为高精度蚀刻工艺提供了稳定的电源控制支撑。