Optimisation du temps de montée en tension des alimentations haute tension pour la lithographie

Optimisation du temps de montée en tension des alimentations haute tension pour la lithographie

Abstract

Une source auxiliaire de lithographie doit atteindre une tension de 5 à 20 kV dans une fenêtre de synchronisation précise, se stabiliser à une fraction de pour cent près et reproduire le même profil de tension à chaque tir. Cet article traite de l'équilibre des charges, de la limite de vitesse de balayage pour éviter les décharges partielles, du coefficient d'amortissement qui maintient le dépassement en dessous de 1 % et de la stabilité en température qui garantit la répétabilité de la synchronisation. Il présente ensuite six étapes de conception pour une alimentation de 15 kV.

1. Introduction

Les sources auxiliaires en lithographie comprennent des lampes d'alignement, des références interférométriques et des éclairages d'inspection. Leur allumage et leur extinction sont progressifs et soumis à des contraintes de synchronisation qu'une ligne de polymérisation n'impose jamais.

Lorsqu'un cycle de mesure démarre, la source doit atteindre son point de fonctionnement sur l'électrode de la lampe — souvent 5 à 20 kV — à l'intérieur d'une fenêtre fixe et se stabiliser à une fraction de pour cent.

Le temps de montée détermine donc directement le débit. Chaque milliseconde de temps de montée coûte une milliseconde de débit de plaquette, et chaque dépassement risque de provoquer un arc électrique ou une mesure erronée.

Cet article traite de l'équilibre de charge, des limites de vitesse de balayage et de décharge partielle, de l'amortissement de boucle qui élimine le dépassement, de quatre points critiques sur le terrain et de six étapes de conception pour un rail auxiliaire de 15 kV.

2. Mécanisme de base

2.1 Temps de montée à partir du solde de charge

Un chargeur à courant constant fournit un courant fixe à la capacité totale du rail :

t_rise = C_total × V_tgt / I_charge

où t_rise est le temps de charge, C_total la capacité totale du filtre, du câble et de l'électrode de la lampe, V_tgt la tension cible et I_charge le courant de charge.

Une batterie de condensateurs de 4 nF chargée à 40 mA atteint 15 kV en 1.5 ms. Diviser par deux la batterie divise par deux le temps à courant égal, et la valeur de la batterie est déterminée par l'ondulation requise ; ce compromis doit donc être effectué intentionnellement.

Un chargeur à découpage transfère une puissance fixe, et sa montée en puissance suit l'énergie stockée :

t_rise ≈ 0.5 × C_total × V_tgt² / P_max

où P_max représente la puissance maximale que le chargeur peut fournir à la batterie. La batterie de 4 nF stocke 0.45 J à 15 kV ; un chargeur résonant de 150 W nécessite donc 3 ms.

2.2 Limite de balayage sécurisée PD

Le courant de charge détermine également la pente de la tension aux bornes du diélectrique du condensateur :

dV/dt = I_charge / C_total

où dV/dt représente la pente de charge. Quarante milliampères dans 4 nF génèrent 10 V/µs, ce qui est sans danger. Deux ampères dans 10 nF génèrent 200 V/µs, et le gradient de champ interne durant cette charge peut dépasser le seuil d'amorçage d'une décharge partielle, même si le point d'équilibre est exempt de décharge partielle.

La limite se traduit par un courant de charge maximal :

I_charge_max = C_total × (dV/dt)_PD

où (dV/dt)_PD représente la pente que le composant supporte sans décharge dans le vide. Pour une batterie de 4 nF à 20 V/µs, la limite est de 80 mA, ce qui correspond à une montée minimale de 0.75 ms.

2.3 Dépassement et tassement

L'état de la boucle détermine la forme de la fin de la rampe. Le dépassement suit le coefficient d'amortissement :

overshoot = exp(−π × ζ / √(1 − ζ²))

où ζ représente le coefficient d'amortissement de la boucle fermée. Pour ζ = 0.83, le dépassement est de 0.93 %, et 1 % d'une tension cible de 15 kV correspond à un excès de 150 V au niveau du support de lampe.

Le temps de stabilisation dépend de la bande passante de la boucle :

t_settle ≈ 4.6 / (ζ × ω_c)

où t_settle représente le temps nécessaire pour que l'écart retombe à 1 % de sa valeur initiale et ω_c la fréquence de coupure de la boucle en radians par seconde. Avec une boucle de 1 kHz et ζ = 0.83, la tension de sortie revient à moins de 15 V de la valeur cible 0.44 ms après le pic.

La charge à 15 kV en 1.5 ms ouvre donc la fenêtre de mesure à 1.9 ms. Une boucle accordée à 25 °C avec un banc de classe II peut déplacer son point de croisement avec la température, et la même boucle dépasse alors de 2 % à 60 °C, ce qui correspond à 300 V.

2.4 Répétabilité en fonction de la température et de la durée de vie

Le temps de montée est directement lié à la capacité de la batterie et au courant de référence. Une batterie qui perd 3 % de sa valeur réduit le temps de montée de 3 %, tandis qu'une batterie qui gagne 3 % l'allonge.

Le diélectrique de classe II présente une variation de quelques pourcents sur une plage de température de 25 à 60 °C, ce qui modifie à la fois le temps de montée et le point de croisement de la boucle. Le diélectrique de classe I, avec une variation de ±30 ppm/°C, conserve ces deux paramètres constants ; le profil mesuré lors de la mise en service correspond donc au profil obtenu en production.

Fig. 1 — Un chargeur linéaire de 40 mA atteint 15 kV en 1.5 ms et se stabilise à ±0.1 % en 1.9 ms ; le chemin en mode commuté de 150 W nécessite 3 ms pour la même énergie de 0.45 J.

3. Points faibles en matière d'ingénierie

Problème n° 1 : Temps de réveil contre efficacité

Un chargeur linéaire respecte sans difficulté la spécification de temps de montée et dissipe la différence entre la tension d'alimentation et la tension de sortie sous forme de chaleur. À 10 mA et à mi-rampe, l'élément de charge dissipe 75 W.

L'armoire nécessite alors un système de refroidissement dimensionné pour compenser ces pertes. Un chargeur à découpage élimine ces pertes, mais rend la montée en tension et l'ondulation plus difficiles à contrôler.

Point faible n° 2 : Décharge partielle lors de la charge rapide

La vitesse de charge maximale utilisable dépend du seuil de décharge partielle instantanée, et non de la tension nominale. Une batterie chargée à 200 V/µs présentant un vide interne subit des étincelles, et l'érosion qui en résulte réduit la durée de vie des composants.

Le test de décharge partielle en régime permanent est toujours concluant sur le même appareil, les dommages restent donc invisibles pendant des années.

Point faible n° 3 : Dépassement et arcs parasites

Un dépassement de 1.5 % à 15 kV correspond à une surtension de 225 V. Dans la géométrie d'un support de lampe, cette surtension franchit le seuil d'amorçage par temps limite et provoque un arc électrique qui fausse la mesure et déclenche la protection.

Le dépassement est généralement attribué à un condensateur de filtrage dont la valeur a varié avec la température et a décalé la marge de phase de la boucle.

Point faible n°4 : Dispersion du timing entre les tirs

Le temps de montée varie de ±3 % entre les mesures lorsque la capacité du banc et la référence de courant dérivent avec la température. L'outil présente alors une faible reproductibilité des mesures.

Les ingénieurs de procédés passent des heures à corréler des ensembles de données qui auraient dû être identiques, et le planning absorbe la différence.

4. Étapes de conception

Stratégie 1 : Choisir la topologie à partir des exigences de stabilisation

Lorsque l'outil exige une montée en charge monotone sans dépassement, utilisez un chargeur à courant constant avec une référence de précision. Lorsque le rendement est primordial, utilisez un chargeur résonant et contrôlez la pente avec une rampe de démarrage progressif active.

Les deux topologies présentent le même équilibre de charge, le choix modifie donc le profil et non la physique.

Stratégie 2 : Dimensionner la banque en fonction des besoins de l’effet d’entraînement

Calculez t_rise = C_total × V_tgt / I_charge et l'exigence d'ondulation ensemble, et utilisez la plus petite capacité qui répond aux deux.

Chaque nanofarad supplémentaire augmente le temps de montée et la contrainte de charge à courant égal, et accroît également l'énergie que le chargeur doit fournir.

Stratégie 3 : Spécifier les pièces de classe I exemptes de décharges partielles avec une marge de facturation

Utilisez le diélectrique de classe I avec une PD inférieure à 5 pC à 1.2× la tension nominale, et demandez des données de PD pulsées prises avec la forme d'onde de charge réelle et non un test CC.

Là où le rail filtre également le courant de la lampe, un condensateur à film ajoute du stockage d'énergie sans modifier la marge de potentiel différentiel.

Stratégie 4 : Régler la boucle avec des composants stables en température

Utilisez des condensateurs de classe I dans les réseaux de compensation et de filtrage afin que ζ et le dépassement restent stables sur toute la plage de l'armoire, et vérifiez la stabilisation à −10 °C, +25 °C et +60 °C.

A résistance à couche épaisse Le circuit de rétroaction maintient le rapport de division stable sur la même plage, de sorte que la tension cible ne varie pas non plus avec la température.

Stratégie 5 : Ajouter un dispositif de limitation de dépassement actif

Installez un circuit de purge ou un dispositif de limitation actif qui s'enclenche lorsque la tension de sortie dépasse la valeur cible de 0.5 %, soit 75 V à 15 kV.

La pince élimine le risque d'arc électrique même en cas de dérive d'un composant, et elle protège le porte-lampe et la mesure pendant la récupération de la boucle.

Stratégie 6 : Valider la répétabilité statistiquement

Effectuez 100 cycles de charge consécutifs à la température de fonctionnement de l'outil et enregistrez le temps de montée et le temps de stabilisation.

N’acceptez le modèle que si l’écart à 3σ reste inférieur à ±1 % de la cible, et répétez l’exécution après toute modification apportée à la banque ou à la boucle. résistance d'échantillonnage en ce sens, le diviseur maintient la mesure de cet écart indépendante de sa propre dérive.

Paramètre de composant	Valeur typique	Condition de test
Tension nominale (série HVCT8G)	10 kV DC	haute tension 1.5× pendant 60 s
Capacitance	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz, 1 V efficace
ESR à 1 MHz	inférieur à 50 mΩ	à tanδ 0.1 % ou mieux
Inductance de boucle (accord E40)	en dessous de 8 nH	Espacement des bornes de 40 mm
La resistance d'isolement	supérieure à 10 GΩ à 500 V CC	25 °C, 60 % HR
Plage de température	−40 °C à +125 °C	Série IEC 60068-2
Capacité dv/dt d'impulsion	au-dessus de 50 kV/µs	à la tension nominale

5. Condensateurs HVC N4700 pour rails critiques en termes de temps de montée

Trois exigences déterminent le choix de ce nœud : une capacité stable en température et en polarisation, une marge de potentiel de décharge suffisante pour résister aux transitoires de charge, et des pertes suffisamment faibles pour éviter l’échauffement du banc de condensateurs pendant la montée en tension. HVC fabrique des composants de classe I pour cet ensemble, dans son usine de 6 000 m² située à Dongguan, pour des tensions allant de 1 kV à 100 kV.

Six paramètres importants ici

• Le diélectrique N4700 de classe I avec ±30 ppm/°C maintient la valeur de la banque, de sorte que le temps de montée et le profil d'établissement se répètent tir après tir au lieu de dériver avec la température de l'armoire.
• Une PD inférieure à 5 pC à 1.2 fois la tension nominale est garantie par pièce, avec des données d'excitation par impulsion sur demande, afin que le chargeur puisse fonctionner à la pente la plus rapide que le vide puisse prendre.
• Une valeur de tanδ inférieure à 0.1 % à 1 kHz empêche le banc de chauffer pendant la montée en puissance, de sorte que le profil d'établissement ne se déplace pas à mesure que l'enceinte se réchauffe.
• Une plage de 1 à 100 kV couvre un rail d'étalonnage de 5 kV et un étage excimère de 30 kV d'une seule famille qualifiée, ce qui permet de réduire la taille du dossier de qualification.
• Les boîtiers à disque à faible ESL et à bornes à vis 441 fournissent le courant de charge sans ajouter de sous-dépassement inductif à la fin de la rampe.
• Le condensateur à vis 40 kV / 441 de HVC a remplacé une marque internationale de premier plan dans les programmes de service sur le terrain où chaque montée en tension est un événement de production. condensateurs poignée de porte et les disques correspondent aux paramètres de Vishay et les gammes haute tension TDK.

Livraison et support

Les pièces standard sont expédiées sous 4 à 8 semaines, et les kits appariés sous 6 à 10 semaines. L'équipe d'ingénierie des applications HVC vérifie l'équilibre de charge, la limite de vitesse de balayage et l'amortissement de boucle en fonction de vos spécifications de synchronisation.

Veuillez indiquer la tension cible, la valeur de la batterie, la topologie de charge et les spécifications de stabilisation. HVC vous fournit un calcul du temps de montée avec les limites de vitesse de balayage, les rapports de test de décharges partielles et un échantillon pour la validation de votre cycle de charge. Les fiches techniques vous seront livrées sous deux semaines.

6. Questions fréquentes

Q1 : Comment calculer le temps de montée ?

À partir du bilan de charge, t_rise = C_total × V_tgt / I_charge. Une batterie de 4 nF à 40 mA atteint 15 kV en 1.5 ms, et la même batterie alimentée par 0.45 J à 150 W à partir d'un chargeur à découpage prend 3 ms.

Q2 : Qu’est-ce qui limite le courant de charge ?

La pente de charge sûre pour les décharges partielles (DP) est donnée par la formule I_charge_max = C_total × (dV/dt)_PD. Une batterie de 4 nF, pouvant être modulée à 20 V/µs, accepte 80 mA ; une vitesse de montée de 0.75 ms est donc la plus rapide permettant de maintenir le circuit de décharge stable. Une charge à 200 V/µs corrode un composant dont le test de DP en courant continu est concluant.

Q3 : Quel dépassement obtient une boucle de 1 kHz ?

Cela dépend du coefficient d'amortissement, calculé par la formule du dépassement = exp(−πζ/√(1 − ζ²)). Pour ζ = 0.83, le pic atteint 0.93 %, soit 140 V sur une ligne de 15 kV. En dessous de ζ = 0.8, le pic dépasse 1.5 %, soit 225 V, ce qui présente un risque d'arc électrique au niveau du support de lampe.

Q4 : Combien de temps dure le processus de stabilisation ?

À partir de t_settle ≈ 4.6/(ζω_c). Avec une boucle de 1 kHz et ζ = 0.83, l'écart tombe à 15 V, soit 0.1 % de la valeur cible, 0.44 ms après le pic ; ainsi, une charge de 1.5 ms ouvre la fenêtre de mesure à 1.9 ms.

Q5 : Pourquoi la classe diélectrique est-elle importante pour la synchronisation ?

Le temps de montée étant proportionnel à la capacité du banc de condensateurs, les composants de classe II présentent une variation de plusieurs pour cent sur une plage de température de 25 à 60 °C, ce qui modifie le temps de montée et le point de croisement de la boucle. Les composants de classe I, à ±30 ppm/°C, présentent une variation de 0.001 % sur la même plage.

Q6 : Comment puis-je prouver la répétabilité ?

Effectuez 100 cycles de charge consécutifs à la température de fonctionnement de l'outil, enregistrez le temps de montée et le temps de stabilisation, et n'acceptez que si l'écart à 3σ reste inférieur à ±1 % de la valeur cible. Répétez l'opération à −10 °C et +60 °C pour couvrir la plage de températures de l'enceinte.

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