高壓電源助力光刻機節(jié)能改造

隨著半導體制造工藝節(jié)點不斷縮小，光刻機，特別是極紫外（EUV）光刻機，對電能的需求急劇上升，使其成為晶圓廠中的高能耗大戶。高壓電源系統(tǒng)作為能量轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)暮诵模湫手苯記Q定了光刻機的能耗水平。通過對高壓電源進行節(jié)能改造和創(chuàng)新設計，可以顯著降低光刻機的運行成本和環(huán)境影響，助力光刻產(chǎn)線實現(xiàn)“綠色制造”。
高壓電源助力光刻機節(jié)能改造的重點在于提高轉(zhuǎn)換效率、優(yōu)化待機能耗和實現(xiàn)能量回收。
1. 提高轉(zhuǎn)換效率：高頻化與寬禁帶器件應用
高壓電源轉(zhuǎn)換效率的提升是節(jié)能改造最直接的途徑：
寬禁帶（WBG）半導體器件的普及： 采用碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）功率器件替代傳統(tǒng)的硅（Si）基IGBT或MOSFET。由于SiC/GaN器件具有更低的導通電阻和開關損耗，允許電源工作在更高的開關頻率。高頻化設計可以顯著減小變壓器、電感和電容等儲能元件的體積和重量，同時將轉(zhuǎn)換效率提高數(shù)個百分點，例如從90%提升至95%或更高。在光刻機數(shù)萬瓦甚至數(shù)十萬瓦的總功率需求下，這帶來的節(jié)能效果是巨大的。
優(yōu)化諧振與軟開關拓撲： 采用如**LLC諧振變換器、移相全橋（PSFB）**等先進的軟開關拓撲。軟開關技術使得功率器件在開關過程中處于低電壓或零電流狀態(tài)，大幅減少了開關損耗，特別是在高壓、高頻工作條件下，對效率的提升效果顯著。
2. 待機能耗優(yōu)化：模塊化與智能深度睡眠模式
光刻機并非持續(xù)處于曝光狀態(tài)，其在待機、維護或工藝調(diào)整期間的能耗同樣可觀。高壓電源的節(jié)能改造需關注非工作狀態(tài)下的能耗：
模塊化的精準供電與關斷： 利用電源的模塊化設計，實現(xiàn)對非工作模塊的精準供電管理。在待機狀態(tài)下，可以關閉光源激勵的高功率主電源模塊，僅維持控制系統(tǒng)和必要的環(huán)境監(jiān)測模塊運行。這避免了整個電源系統(tǒng)長時間處于低效的輕載運行狀態(tài)。
智能深度睡眠（Deep Sleep）模式： 開發(fā)智能控制算法，在高壓電源判斷系統(tǒng)將進入長時間待機狀態(tài)時，自主進入深度睡眠模式。在該模式下，所有非必要的高能耗組件被斷開，只留下極低功耗的喚醒和通信電路，將待機能耗降低到最低水平。喚醒過程應設計為快速啟動，以不影響后續(xù)的生產(chǎn)效率。
3. 能量回收：回饋電網(wǎng)與再生制動
在高壓供電系統(tǒng)中，尤其是為精密運動載臺和偏轉(zhuǎn)器提供服務的電源，存在大量的再生能量：
再生能量回饋（Regenerative Energy Feedback）： 晶圓載臺在高速運動后的快速制動過程中，其動能會通過驅(qū)動電機轉(zhuǎn)化為電能。傳統(tǒng)的電源系統(tǒng)通過電阻消耗這部分再生電能。創(chuàng)新的高壓電源應集成雙向功率流（Bi-directional Power Flow）能力，將這部分再生電能通過前級逆變電路清潔地回饋給電網(wǎng)或存儲在專用的儲能單元中供其他子系統(tǒng)使用，實現(xiàn)能源的循環(huán)利用。
儲能與緩沖： 在光源激勵的高壓脈沖電源中，每次放電后儲能電容都需要重新充電。通過優(yōu)化快速充電電路和能量緩沖設計，可以最大限度地減少在充電過程中的能量損耗，并利用超級電容或電池作為短時緩沖，平滑電源對電網(wǎng)的沖擊，并間接提高整體能效。
通過實施這些高壓電源的節(jié)能改造方案，不僅可以直接降低光刻機的電力消耗，減少碳排放，還能通過降低運行溫度、減少熱損耗，間接提高電源系統(tǒng)的可靠性和壽命，為晶圓廠的可持續(xù)發(fā)展目標做出貢獻。