高壓電源技術在極紫外光刻光源中的核心應用與前沿突破

極紫外（EUV）光刻技術作為半導體制造進入7納米以下制程節點的關鍵支撐，其核心在于高效、穩定的13.5納米波長光源的生成。而實現這一目標的核心驅動力之一，便是高壓電源技術——它通過精確控制等離子體的形成與激發過程，推動EUV光源向高功率、高穩定性方向演進。 
一、高壓電源在等離子體生成中的核心作用
EUV光源主要通過兩種技術路徑實現：激光產生等離子體（LPP） 和 放電產生等離子體（DPP）。兩者均依賴高壓電源實現等離子體的預電離與主脈沖激發： 
預電離階段： 
   采用低壓預脈沖電源（電流幅值10–50 A，脈寬3–10 μs）對氙氣（Xe）等介質進行初步電離，生成+1或+2價態的低價態等離子體。此階段需保證等離子體密度適中，為后續主脈沖的能量傳遞奠定基礎。 
主脈沖激發階段： 
   通過高壓脈沖（電流幅值25–40 kA，脈寬100–180 ns）施加洛倫茲力，使等離子體向軸心箍縮（Z箍縮效應），形成高溫高密度等離子體（密度達10¹? cm?³）。此時，Xe離子被進一步電離至+10價態，并在能級躍遷時輻射13.5 nm EUV光。 
二、關鍵技術突破與設計創新
多級脈沖壓縮技術： 
   主脈沖電源采用三級磁脈沖壓縮網絡，將微秒級脈沖陡化為納秒級高壓脈沖（半波寬120 ns），提升電流上升速率至10¹² A/s，確保等離子體快速壓縮至臨界半徑（約300 μm），實現高效EUV輻射。 
共用電極與冷卻系統： 
   創新性設計主脈沖高壓電極與預脈沖接地電極的共用電極結構，減少回路電感；同時集成水冷通道（雙循環路徑），解決電極因高電流放電（峰值15.6 kA）導致的燒蝕問題，延長光源壽命。 
同步控制優化： 
   預脈沖與主脈沖的延時精度需控制在納秒級。通過觸發控制單元實現雙路信號同步，確保預電離等離子體進入毛細管后，主脈沖高壓即刻加載，提升等離子體穩定性與EUV輸出功率。 
三、挑戰與前沿發展方向
碎屑控制： 
   DPP光源的電極燒蝕會產生金屬碎屑，污染光學系統。目前通過引入氬氣環境、磁過濾裝置及Wolter-I型多層反射鏡收集系統（內嵌式設計），減少碎屑抵達光學界面的比例。 
能效提升： 
   當前DPP光源的轉換效率約3–5%，低于工業級LPP光源（最高6%）。研究聚焦于混合氣體優化（如Xe/He/Ar），通過調節氣體比例提升輻射功率，同時維持等離子體穩定性。 
固態脈沖電源集成： 
   新一代半導體開關器件（如SiC MOSFET）可替代傳統閘流管，實現更高重復頻率（10 kHz以上）和更緊湊的電源模塊，推動DPP光源向小型化、低功耗發展。 
四、結論：高壓電源的協同創新價值
高壓電源技術從“能量傳遞效率”和“時序控制精度”兩個維度，決定了EUV光源的性能上限。隨著脈沖壓縮技術、熱管理方案及新型半導體器件的突破，高壓電源正推動DPP光源向高功率（>250 W）、低碎屑方向演進，為避開LPP技術專利壁壘、實現自主化EUV光刻提供了關鍵路徑。未來，其與光學收集系統（如反射鏡減損設計）、真空環境的協同優化，將成為光源工業化的決勝戰場。