準分子激光高壓電源放電穩定性建模研究

準分子激光器作為半導體光刻、醫療等領域的關鍵光源，其輸出穩定性直接取決于高壓電源放電過程的精確控制。放電穩定性建模涉及氣體動力學、電路響應、時序同步及熱效應等多物理場耦合，是提升激光器性能的核心技術方向。 
1. 氣體動力學與放電穩定性建模
準分子激光器的放電穩定性首先受工作氣體特性的影響。以ArF激光器（193 nm）為例，緩沖氣體種類直接決定放電過程中的電子密度分布和預電離效果。研究表明： 
• 當氖氣（Ne）作為緩沖氣體時，陰極附近的電子耗盡層寬度（約7 μm）和鞘層寬度（約11 μm）顯著小于氦氣（He）體系（分別為15 μm和20 μm）。這是由于氖氣的步進電離和二次電離過程更復雜，可補充自由電子，抑制局部電場畸變。 
• 添加微量氙氣（Xe）可進一步優化放電穩定性。Xe的電離能（12.1 eV）低于Ne的激發態輻射光子能量（14.6 eV），通過光電離（Xe + hν → Xe? + e?）增加初始電子密度，降低放電閾值電壓約15%，并加速放電區域擴展。 
流體動力學模型可量化上述過程：通過求解玻爾茲曼方程描述電子碰撞反應，結合粒子連續性方程和電場自洽方程，模擬極板間電壓、電流和光子數密度的瞬態演化，預測放電周期（Ne體系約120 ns）與光脈沖長度（Ne體系約25 ns）。 
2. 雙腔同步與脈沖時序控制模型
高重頻雙腔準分子激光器（如主振蕩腔MO與功率放大腔PA）需嚴格同步（抖動<±5 ns），否則導致種子光放大效率下降。同步控制需解決四類抖動源： 
• 電源起始電壓抖動：采用高精度直流電源（誤差<1‰）為雙腔同時充電。 
• 時序漂移：通過阻抗匹配電路和恒比定時芯片測量MO/PA實際出光延時，結合閉環控制算法（如比例積分算法）動態修正觸發脈沖。例如，延時輸出單元通過可編程模塊（分辨率0.25 ns）和固定延時模塊（補償固有誤差±200 ns）生成兩路光脈沖信號，將同步抖動壓縮至±5 ns內。 
• 溫度與氣壓漂移：狀態采集單元實時監測腔體溫度和氣壓，通過反饋調整放電電壓的幅度與相位。 
3. 多目標優化控制模型
為兼顧單脈沖能量穩定性與劑量精度（如光刻劑量累積要求），需建立多目標優化模型： 
• 能量分段控制：將脈沖序列分為超調段（i<g）與非超調段（i>g）。超調段采用比例積分（PI）算法計算放電高壓： 
  \[
  \text{HV}_{E_{m+1,i}} = K_{E_o} \cdot (E_{m,i} E_t) + I_{E_o} \cdot \sum (E_{m,i} E_t)
  \] 
  非超調段引入前次脈沖誤差累積項，抑制低頻漂移。 
• 熱效應約束：放電能量 E \propto U \cdot I \cdot t 導致溫升，需在目標函數中加入熱阻項： 
  \[
  F = w_1 \cdot \text{HV}_{E_{m,i}} + w_2 \cdot \text{HV}_{D_{m,i}} w_3 \cdot \text{HV}_{T_e}
  \] 
  其中 \text{HV}_{T_e} = R_{\text{th}} \cdot \frac{U^2}{R}（R_{\text{th}}為熱阻），權重系數 w_1 + w_2 + w_3 = 1。 
• 遺傳算法求解：將電壓調節范圍、斜率效率、響應速度作為約束條件，通過染色體編碼和適應度函數 P = \tau \cdot F 迭代求解最優放電高壓設定值，平衡能量穩定性與熱管理需求。 
4. 實驗驗證與工業意義
通過上述模型構建的仿真平臺可預測不同緩沖氣體配比、電源參數下的放電穩定性。例如，Ne-Xe混合氣體體系的放電閾值電流提高2.1倍（從0.85 mA至1.78 mA），且氣流冷卻（流速>102 m/s）可抑制陽極亮斑形成，擴展輝光放電區間。該建模方法已應用于高重頻（4 kHz）激光器，實現單脈沖能量波動<±1%、劑量精度>99%，為半導體光刻光源的長壽命運行提供理論支撐。