光刻机准分子激光器驱动电源的脉冲精度与一致性研究
在极紫外光刻之前的主流深紫外光刻技术中，准分子激光器作为曝光系统的光源，其输出激光脉冲的稳定性直接决定了光刻成像的关键性能指标，如临界尺寸均匀性、套刻精度以及线边缘粗糙度。而准分子激光脉冲的特性——包括能量、波长、空间分布和脉冲时序——无一不受到其驱动电源性能的深刻影响。驱动电源为准分子激光器的气体放电泵浦提供所需的高压脉冲，其输出的脉冲精度与脉冲间的一致性，是激光器能否满足光刻机严苛要求的决定性因素之一。对这一领域的研究，聚焦于理解电源参数与激光脉冲品质的关联，并探索实现极限控制的技术路径。
准分子激光器的泵浦过程，依赖于向激光腔内的混合气体（如ArF、KrF）施加一个幅值达数十千伏、上升时间在数十纳秒量级的高压脉冲，引发快速、均匀的体放电。这一放电过程将电能转化为气体的内能，进而产生受激辐射。因此，驱动电源输出脉冲的**电压幅值精度**，直接关联到单脉冲注入气体的能量。在恒定的气体成分与压力下，放电电压的微小变化会导致放电功率密度和电子温度的改变，进而影响激光脉冲的能量输出以及中心波长（由于放电条件改变影响增益谱）。对于光刻而言，曝光剂量由一系列激光脉冲的能量积分决定。每个脉冲能量的波动（由驱动电压波动引起）会导致曝光剂量的随机误差，最终在晶圆上体现为CD不均匀性。因此，驱动电源必须确保每一个高压脉冲的峰值电压都具有极高的可重复性，其脉冲间波动通常需要控制在±0.1%甚至更低的水平。
其次，脉冲的**波形一致性**同样至关重要。这里的波形主要指电压脉冲的上升沿、顶部平坦度（或形状）和下降沿。上升沿的陡峭度和一致性决定了放电形成的快慢与均匀性。一个缓慢或不一致的上升沿可能导致放电从辉光放电向弧光放电转变，产生不稳定的等离子体，导致激光能量波动和光束空间分布劣化。脉冲顶部的平坦度则影响放电的稳态维持。如果顶部存在跌落或起伏，意味着放电功率在持续期内发生变化，这会改变增益动力学过程，可能影响激光脉冲的时间波形（脉宽、尖峰结构），进而影响与光刻机扫描同步的曝光控制。因此，研究如何通过电源拓扑（如磁开关、固态开关的组合）、脉冲形成网络的设计以及精确的触发控制，来获得高度一致化的理想电压脉冲波形，是一个核心课题。
再者，**脉冲时序的绝对精度与抖动**是另一研究重点。在步进扫描光刻机中，晶圆台和掩模台以极高的精度同步运动，激光脉冲必须在扫描过程中的特定位置准时发射。驱动电源接收来自光刻机主控系统的触发信号，并据此产生高压脉冲。从触发信号输入到高压脉冲实际产生的延迟时间，必须绝对固定，其抖动（时间不确定性）必须被控制在纳秒乃至皮秒级别。过大的时序抖动意味着激光脉冲的发射时刻在随机偏移，相当于曝光“快门”的开关时刻在晃动，这会直接导致曝光图形的位置误差，恶化套刻精度。降低时序抖动涉及到触发信号链路的优化、高压开关导通特性的稳定性（如闸流管或固态开关）、以及电源内部各子系统时钟的同步技术。
为了实现对上述精度与一致性指标的极限追求，现代准分子激光驱动电源的研究涵盖多个层面：
在**电路拓扑层面**，研究重点从传统的闸流管开关转向全固态开关技术（如IGBT、MOSFET串并联）。固态开关具有更快的开关速度、更长的寿命和更高的可重复性，但其串联均压、动态关断特性以及在高频高功率下的热管理是技术难点。磁压缩、传输线脉冲成形等电路被用于进一步锐化脉冲前沿并整形。
在**控制与测量层面**，研究集中于闭环自适应控制技术。不再是开环地施加一个固定的电压脉冲，而是通过实时监测放电电流、电压乃至激光脉冲自身的部分参数（如脉冲能量预脉冲），进行快速反馈。例如，通过监测放电的电压-电流特性，实时微调下一个脉冲的充电电压或触发参数，以补偿气体老化、电极损耗等因素带来的影响，实现能量的主动稳定。这需要电源控制器具备高速数据采集与处理能力。
在**系统集成层面**，研究如何将高压脉冲电源、充电电源、预电离电源、气体处理系统等子系统深度耦合，实现协同优化。例如，充电电源的电压精度和纹波会直接影响主脉冲电容的储能一致性；预电离的强度和时间与主脉冲的时序配合，对放电均匀性至关重要。这些都需要通过统一的数字化控制平台进行精密同步与管理。
此外，**长期运行下的性能退化与补偿**也是重要研究方向。随着激光器运行，气体成分会逐渐变化，电极会缓慢损耗，光学元件透过率可能下降。驱动电源需要能够感知这种慢变过程，并通过调整参数（如逐步提高充电电压以补偿气体老化）来维持激光输出特性不变。这要求电源具备学习能力和适应性的算法。
综上所述，对准分子激光器驱动电源脉冲精度与一致性的研究，是一个贯穿高电压工程、脉冲功率技术、激光物理和先进控制理论的综合性领域。其目标不仅仅是产生一个高压脉冲，而是产生一个在幅值、波形、时序上都高度可预测、可重复的“完美”电激励，以此为基石，支撑起准分子激光输出在能量、波长、指向性等全方位的高度稳定性。在光刻机追求更高分辨率和更低工艺因子的道路上，驱动电源的每一次精度提升，都直接转化为芯片制造良率与性能的切实保障。
