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MOPA结构准分子激光电源的高精度电压控制

目前,在半导体集成电路光刻领域,主振荡功率 放 大(masteroscillatorpoweramplifier,MOPA)结构的ArF(193nm)准分子激光器占据主 导 地位。在这类 结 构 中,主振荡腔产生线宽窄、光 束质量好的优质种子光并传输至功率放大腔,此时,功率放大腔通过放电激励对种子光进行能量放大,由此获得能量大、光束质量好的准分子激光输出。
 
MOPA结构的准分子激光器电源系统工作原理是:直流电源经充电模块对储能电容进行充电,充电达到需要的电压后,升压模块被触发,脉冲变压器对充电电压进行升压,然后再经过两至三级的磁开关进行脉冲压缩,最后实现对放电腔的放电激励。
 
以上过程中,对充电模块进行电压控制有着重要的意义:首先,由于磁开关的延时和抖动特性与其承受的电压直接相关,电压的波动影响到同步控制系统的性能 和MOPA系统的光放大性能;其 次,充电模块的输出电压的变化直接影响到输出激光的脉冲能量,由于脉冲升压模块和磁开关模块均难以实现输出电压的控制,所以对储能电容上的电压进行控制就尤为重要。
 
作者针对谐振充电设计了一套高精度的电压控制方案。通过对储能电容进行电压过充,并由可控泄放回路精密泄放电压,得到高精度的谐振电 压 输 出。同 时,由 于 输 出 电 压 较 高(1kV~1.5kV) ,目前市场上没有合适的检测手段进行高精度检测,本文中提出了一种针对磁开关结构准分子激光器的电压精度检测方法,利用高性能磁开关的延时特性,可以有效地检测电压的最大波动情况。
 
高精度电压控制的设计
 
图1和图2分别是高精度电压控制的原理图和时序图。
 高精度电压控制的设计
高精度电压控制的设计
该设计采用电压过充-放电方法,为谐振充电设计了一套高精度的电压控制方案。首先,谐振充电确保储能电容电压每次都过充,即充电电压大于目标电压;然后,通过动态监测谐振充电中储能电容上的电压,由可控泄放回路精密泄放电压,得到高精度的谐振充电电压。
 公式1
公式2
首先,用无感电阻R1,R2对储能电容C0上的电压分压取样。假设C0上放电前的电压为U0,取样电压为U1,则电压与电阻之间的关系为:
 
由于电容C1比较小,只有几个皮法,并难以确定具体阻值,实验中采用PCB板正反面铜皮实现;为提高电容的稳定性,电容C2采用校正电容。
 
电压取样后,送给电压调控电路。取样信号首先由信号缓冲隔离级送给差分放大电路,差分放大电路把目标电压附近的电压放大,用来提高电压调控的精度;差分放大后的信号送给快速比较器,通过调节比较器反相输入端电压,得到合适的电压调节信号;电压调节信号送给绝缘栅双极型晶体管(in-sulatedgatebipolartransistor,IGBT)驱 动 电 路,驱 动泄放电路中的IGBT泄放掉多余的电压,从 而 得 到高精度的目标电压。其中,信号缓冲隔离级由仪表运放AD620同 比 例 放 大,实现取样信号的缓冲隔离;差分放大与快速比较的反相输入端电压都是由10V精准参考电压源AD588芯片提供,并用电压跟随器前后信号隔离;IGBT驱动光耦隔离电压调节信号后,送给泄放电路。
 公式3
式中,U0为电容放电前电压,根据泄放电路功率,选择适合电阻R3的功率值;根据电容放电时间,电阻R3选择合适的阻值。
 
每次谐振充电前,先将储能电容上电压清零,以减小谐振充电后电容上电压的波动,并提高谐振充电倍压效率。电阻R4的选择与电阻R3类似。
 高精度电压控制1
电压检测方法
 
精确测量上述谐振电源的输出电压是另外一个难点,其原因在于:首先,由于谐振电源的输出电压为1000V~1500V,常见的高精度万用表均无法直接测量;其次,采用示波器加差分探头测量的方案中,示波器通常为8位,动态有效位通常6位左右,即约有2%的不确定度;探头通常有1%~2%的不确定度,所以组成的检测系统通常会具有4%的 不 确 定性,而电源的控制方案希望达到的控制精度在1‰以内,所以也无法通过示波器加探头的方式直接测量。
 高精度电压控制
本文中利用脉冲升压和磁开关模块产生的延时随电压变化而变化的特性搭建如图4所示的电压精度检测系统,通过示波器检测主开关IGBT的 触 发信号和放电激光头的放电信号之间的延时,确定前端谐振电源输出电压的精度范围。
 
实验条 件 如 下:示波器采用电路中的主开关IGBT触发信号作为触发源,其它的幅度和时间基准等均保持一致;激光器10Hz运行;所采用的脉冲升压和磁开关系统首先在高精度电源中进行了测试和标定,其延时特性为直流电源变化1V,则延时变化5ns。
 激光头放电波形
图5和图6为采用上面所述的检测方案测得的激光头放电波形。图5为不进行电压控制时的激光头放电抖动情况,其 抖 动 分 布 约20ns,对 应 前端直流电压波动约4V,前端直流电压1200V,即波动约±1.67‰;图6为进行电压控制时的激光头放电抖动情况,相 比 于 图5,首 先,放 电 时 间 滞 后,这是由于所采用的电压泄放控制模式,导 致 电 压降低,磁开关延时加 长;其次放电抖动情况明显改善,抖动约10ns,对应前端电压波动约2V,即波动约±0.83‰。
 
结论
所设计的MOPA结构准分子激光电源的高精度电压控制方案,采用了闭环控制回路电容电压过充-放电的方法,很好地提高了谐振电源储能电容上的电压精度,减小了激光器双腔放电时间的相对抖动,并为后期的激光器能量输出稳定控制打下良好基础。
 
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