深紫外光刻机照明系统积分场匀化器高压驱动电源设计
在深紫外及极紫外光刻机中，照明系统的性能直接决定了成像对比度、分辨率及线宽粗糙度。积分场匀化器是照明系统的核心元件，其作用是将入射的激光束整形为在光瞳面具有特定强度分布、在掩模面具有极高均匀性的照明光场。无论是基于复眼透镜阵列（蝇眼透镜）还是基于棒状积分器，实现光场匀化的物理机制均依赖于内部全反射或透射界面的电场调控。具体而言，某些先进匀化器通过施加高压电场改变电光材料（如铌酸锂、钽酸锂或液晶层）的折射率分布，从而动态控制波前相位或光束偏转角度，以实现照明模式（常规、环形、偶极、四极）的快速切换和均匀性微调。为这些电光元件供电的高压驱动电源，其设计目标与常规高压电源截然不同，它追求的是在极高带宽下对电容性电光负载进行精密、无失真的波形驱动，同时满足光刻机超洁净、超稳定环境的严苛约束。
电光匀化器负载的本质是一个可变电容器，其容值通常在皮法至纳法级，且对驱动电压的纯净度极度敏感。任何电压纹波或噪声都会通过电光系数转化为折射率的微小波动，进而使照明光场产生强度调制或相位抖动，在晶圆上表现为曝光剂量不均匀或套刻精度劣化。此外，为实现复杂的照明模式切换，驱动电源需输出从直流偏置到高频交流的各种波形：例如，在切换环形照明时，需以千伏级电压、千赫兹级频率驱动透镜阵列；在进行微细均匀性校正时，又需叠加毫伏级精度的直流微调电压。因此，该电源必须兼具高压大信号输出能力与低压小信号超高保真度，这在其拓扑选择、控制策略和物理布局上带来了独特的挑战。
从拓扑架构而言，传统的线性高压放大器因其极低噪声和高保真度，一直是电光驱动领域的首选。然而，深紫外光刻机对功率密度和热管理的极致追求，使得纯线性方案面临散热瓶颈。因此，现代设计趋向于采用混合式拓扑：前级采用高频开关变换器（基于氮化镓器件）将母线电压高效变换至略高于目标输出的浮动电压，后级采用高摆率、低失真线性跨导放大器作为精密输出级。前级开关变换器负责承担大部分电压差，从而显著降低线性调整管上的压降和功耗；线性输出级则专注于信号保真。这种拓扑要求开关频率必须远高于信号带宽以避免开关纹波耦合至输出，且开关与线性级之间需设计宽带电源抑制比环路，实时补偿开关纹波。
驱动器的带宽与摆率是决定照明模式切换速度的关键。为了实现每小时数百片晶圆的高产率，照明模式切换必须在毫秒甚至亚毫秒级完成。这意味着高压驱动器必须能以极高的电压变化率（dV/dt，如>100V/μs）对电容负载充放电。这要求输出级具有极高的峰值电流驱动能力，并需彻底优化驱动回路寄生电感。通常采用多组功率管并联以降低导通电阻，并采用低电感封装及多层陶瓷电容作为本地储能水库。同时，为抑制充放电过程中的电压过冲和振铃，需在输出端接入无源阻尼网络或采用有源电压箝位技术。值得注意的是，对于电光晶体这类压电特性显著的负载，电压的快速变化会激励出机械共振（数百千赫兹至兆赫兹）。若驱动信号频谱成分落在此共振频带内，会激发持续的残余振荡，严重影响光场稳定时间。因此，驱动电源需集成数字陷波滤波器，其陷波频率可根据不同匀化器单元的实测共振特性进行现场编程。
电压精度与长期稳定性是另一组核心指标。光刻机要求在连续数周的运行中，照明均匀性变化不可超过0.1%。对应地，电光驱动器的直流偏置电压漂移必须控制在数十ppm/千小时以内。这一方面依赖于反馈分压器使用超低电压系数的精密箔电阻，并置于精密恒温槽中；另一方面，需在控制环路中引入自校准机制。常见做法是在光刻机的无曝光间隙（如晶圆交换时间），将驱动器的输出通过高精度继电器切换至内置的参考电压源（如基于约瑟夫森结或齐纳基准的电压标准）进行比对，自动修正零点和增益误差。此过程对切换继电器的绝缘耐压和热电势有极高要求。
此外，电磁兼容性与洁净度协同设计是光刻机专用电源的隐性门槛。驱动电源的高速开关过程虽经滤波，仍可能向空间辐射微弱电磁场，干扰邻近的精密干涉仪位移测量系统。因此，整个驱动单元必须封装在磁屏蔽效能高于60dB的坡莫合金箱体内，所有进出线缆均采用光纤隔离。同时，电源内部不得使用含挥发性有机化合物的材料，以免在真空或洁净环境中释气污染光刻物镜。高压器件及线路需采用全密封或陶瓷封装，并经过超洁净清洗工艺。
最后，深紫外光刻机的高压驱动电源必须与整机控制系统实现深度的数字集成。它需具备与光刻机主控制器实时同步的能力，能够根据曝光场切换、晶圆步进、掩模版更换等事件，预加载下一照明模式的电压波形，并精确锁定切换时刻。其内置的数千组电压-照明均匀性映射数据，既是电源闭环控制的依据，也是光刻机整机性能诊断的重要输入。从某种意义上讲，在当今的极紫外光刻时代，高压驱动电源已不再仅仅是提供电能的附件，而是嵌入光刻机光路内部、直接参与波前工程和光源优化的核心执行器。其设计水准，已成为衡量一个国家浸没式光刻及极紫外光刻综合集成能力的关键标尺之一。
