準分子激光高壓電源光學 - 電學同步系統(tǒng)

準分子激光憑借 193nm/248nm 短波長、1-10ns 脈沖寬度的特性，廣泛應(yīng)用于光刻膠刻蝕、材料表面改性，其高壓電源需為激光腔提供 20-50kV 脈沖激發(fā)電壓，而光學 - 電學同步偏差會導致激光能量波動超 8%，直接影響加工精度。
同步系統(tǒng)采用 “FPGA 主控 + 高速信號鏈” 架構(gòu)：光學端通過雪崩光電二極管（APD）采集激光脈沖信號，經(jīng)低噪聲放大電路后，信號傳輸延遲控制在 4.2ns 以內(nèi)；電學端采用絕緣柵雙極晶體管（IGBT）驅(qū)動模塊，開關(guān)響應(yīng)時間 < 8ns，且通過同軸電纜阻抗匹配（50Ω±1%）減少信號反射；核心同步算法基于時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器（TDC）實現(xiàn) ns 級時序校準，將光學觸發(fā)信號與電學高壓脈沖的相位差鎖定在 ±2.8ns。
在準分子激光光刻膠刻蝕應(yīng)用中，該系統(tǒng)使激光能量穩(wěn)定性從 ±5% 提升至 ±1.8%，線寬均勻性偏差從 ±4.5% 降至 ±1.9%；在金屬表面微結(jié)構(gòu)加工中，同步精度提升后，刻蝕深度一致性誤差從 6μm 縮小至 1.1μm，滿足高精度激光加工對時序協(xié)同的嚴苛需求。
三、蝕刻設(shè)備高壓電源多參數(shù)耦合解耦控制
干法蝕刻設(shè)備中，高壓電源需同時調(diào)控輸出電壓（1-10kV）、電流（10-100mA）、脈沖寬度（1-100μs）、占空比（10%-90%）四大核心參數(shù)，而參數(shù)間的強耦合特性 —— 如電壓升高會導致電流增幅達 15%、占空比調(diào)整會引發(fā)電壓波動 3%，傳統(tǒng)單參數(shù) PID 控制難以實現(xiàn)多目標穩(wěn)定，導致蝕刻速率波動率超 7%，側(cè)壁垂直度低于 85°。
解耦控制方案基于多變量模型預測控制（MPC）構(gòu)建：首先通過最小二乘法建立參數(shù)耦合數(shù)學模型，識別電壓 - 電流耦合系數(shù)（0.82A/kV）、占空比 - 蝕刻速率關(guān)聯(lián)因子（0.5nm/min?%）；其次引入前饋補償通道，實時采集晶圓表面電阻變化（采樣頻率 1kHz），提前調(diào)整電壓輸出以抵消負載擾動；最終通過 MPC 算法滾動優(yōu)化控制量，每 10ms 更新一次參數(shù)輸出，實現(xiàn)參數(shù)間的動態(tài)解耦。
該技術(shù)在 3D NAND 存儲芯片蝕刻工藝中應(yīng)用后，蝕刻速率波動率從 7.2% 降至 2.8%，側(cè)壁垂直度從 84.3° 提升至 89.1%；在邏輯芯片淺溝槽隔離（STI）蝕刻中，關(guān)鍵尺寸（CD）偏差從 ±4nm 縮小至 ±1.5nm，為高精度蝕刻工藝提供了穩(wěn)定的電源控制支撐。