晶圆检测环节电源精准控制技术

晶圆检测是半导体制造中质量控制的关键环节，贯穿于前道（Front-End-of-Line, FEOL）和后道（Back-End-of-Line, BEOL）工艺。高压电源在检测设备中的应用性主要体现在两个方面：驱动高精度电子束（E-beam）或离子束（I-beam）进行缺陷检测和计量，以及驱动高压探针卡进行电学参数测试。在这两种场景中，对高压电源的要求不再是最大功率或最高效率，而是超高的精准性、极低的噪声和卓越的稳定性。
在电子束/离子束应用中，高压电源是决定系统分辨率和检测速度的核心。电子束曝光或检测设备需要数十千伏到上百千伏的超高压电源，用于电子枪的加速电压（Acceleration Voltage, $\text{V}_{\text{accel}}$）和聚焦/偏转透镜的供电。精准控制技术体现在极低的纹波和漂移。任何加速电压的微小波动（纹波）都会导致电子束能量的不稳定，进而影响电子束的焦斑大小和位置，严重降低检测图像的分辨率和信噪比。要求电源的峰峰值纹波必须控制在$\text{ppm}$（百万分之一）级别，且长期漂移（如8小时或24小时）也要保持在极窄的范围内。实现这一目标，需要采用多级滤波（如LC滤波、有源滤波）和高精度参考电压源，配合超低噪声的开关或线性稳压技术。
其次，高压输出的超高分辨率和线性度。为了实现不同工艺节点和不同检测模式的精确适配，加速电压往往需要在宽范围内进行调整。高压电源必须具备极高的数字模拟转换（DAC）分辨率（例如20位或更高），以实现毫伏级的输出步进，同时保证从最低电压到最高电压的整个输出范围内的线性度和校准精度。任何非线性误差都会导致光束能量与设定值之间的偏差，影响检测结果的准确性。这要求在电源的反馈环路中采用高精度、低温漂的电阻分压器和隔离测量技术，以确保实际输出电压的精确采集和校准。
在电学参数测试（如可靠性测试、击穿电压测试）中，高压电源作为高精度电压源，需要具备快速、可编程的电压/电流斜率控制能力。例如，在栅氧击穿电压（$\text{V}_{\text{BD}}$）测试中，需要对器件施加一个以特定速率线性增加的电压斜坡。高压电源的控制环路必须能够精确地跟踪这个斜坡信号，确保斜率的平滑性和准确性，避免因阶跃或过冲导致的误判。此外，电源需要具备高压下的精密电流测量能力，能够实时检测纳安（$\text{nA}$）甚至皮安（$\text{pA}$）级别的漏电流，以判断器件是否发生击穿。
最后，瞬态响应和电容负载驱动的优化。在测试场景中，高压电源通常需要驱动探针卡、屏蔽箱等具有较大寄生电容的负载。在进行电压切换或脉冲测试时，电源必须能够在极短的时间内（如微秒级）将负载电压准确地充放电至目标值，且不能产生任何过冲或欠冲。这要求高压放大器或开关转换器具备高带宽和高转换速率（Slew Rate），同时内部的电流限制和保护机制必须设计得极其精妙，既能保护电源本身，又不能影响测试波形的保真度。这种瞬态响应性能是高通量晶圆电学测试效率的关键。