金則軍

(北京爍科中科信電子裝備有限公司長沙分公司，湖南 長沙 410000)

在電子工業(yè)中，離子注入作為微電子工藝中的一種重要的摻雜技術(shù)，也是制作集成電路的一種必不可少的工藝步驟。離子注入機(jī)設(shè)備中經(jīng)常要用到高壓的直流大功率電源作為吸極電源，將需要摻雜的離子吸出然后注入到晶圓中。離子注入的機(jī)臺不同，注入的能量也不同，但是吸極電源差別不大。

離子注入機(jī)對吸極電源有自己獨(dú)特的技術(shù)要求，電源應(yīng)具有防打火能力好、帶動態(tài)負(fù)載能力強(qiáng)、調(diào)節(jié)精度高、紋波系數(shù)小和可維修性等一系列技術(shù)特點(diǎn)。

在國外，隨著電力電子器件的發(fā)展和開關(guān)電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，高壓電源技術(shù)得到長足發(fā)展，高壓電源在國外已有多年的研制經(jīng)驗，而且技術(shù)方案比較成熟，在電壓等級和電源功率方面不斷提升。

國內(nèi)生產(chǎn)的高壓電源在電壓等級與電源性能上與國外研制水平仍存在一定差距，為此，通過試驗研制出一種箱體插拔式的離子注入機(jī)用吸極電源，針對使用要求，考慮體積和絕緣因素，將整個倍壓部分設(shè)計為獨(dú)立部件，倍壓電路結(jié)構(gòu)采用上下分層的構(gòu)造，充分利用空間，并將輸出電阻采用折線串聯(lián)的方式與高壓插頭連接。既保證了電源的抗沖擊能力，也符合體積的要求。

將倍壓部分設(shè)計成獨(dú)立部件進(jìn)行絕緣處理，確保了高壓部分的長期可靠性和絕緣性能，同時也便于安裝和后期維護(hù)。

1 吸極電源設(shè)計思路

1.1 吸極電源的設(shè)計原理

電源通過AC/DC全橋整流電路后轉(zhuǎn)換成DC供電，經(jīng)過驅(qū)動電路和全橋功率變換電路后，通過變壓器升壓，升壓后的交流電壓經(jīng)過半波倍壓電路輸出100 kV直流高壓。通過對輸出電壓和輸出電流的采樣和處理，由控制電路反饋至全橋功率變換電路控制輸出電壓和電流，從而構(gòu)成輸出電壓和輸出電流的閉環(huán)回路，達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓和輸出電流的目的。

其設(shè)計回路如圖1所示。

圖1 設(shè)計回路

該設(shè)計具有三大特點(diǎn)，具體為：

（1）全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。全橋式電路有4只開關(guān)管，需要兩組相位相反的驅(qū)動脈沖分別控制兩對開關(guān)管，驅(qū)動電路相對半橋式電路較復(fù)雜，但電路輸出功率要比半橋電路大1倍。全橋式電路變壓器原邊電壓為±VDC（VDC為全橋整流后的直流電壓，約為300 V）。P=V原邊·I輸入，想要使輸出相同的功率，半橋式電路的輸入電流就要求達(dá)到全橋式電路的2倍。同時在變壓器的設(shè)計上也存在一定的區(qū)別，半橋式電路變壓器原邊線徑要粗一些，全橋式電路的原邊線圈匝數(shù)則要相對多一些。全橋式電路與其他電路相比不需要泄放電阻，漏感中儲存的能量會直接回饋給總線(BUS)，電路的效率就相對較高。因此，針對離子注入機(jī)用的高壓電源，考慮到輸出功率2 400 W和轉(zhuǎn)換效率的要求，電路選擇全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

（2）串聯(lián)諧振電路。變壓器的一次繞組加入諧振電感和諧振電容，與變壓器共同組成串聯(lián)諧振電路。當(dāng)容抗Xc與感抗XL相等時，即XC=XL，電路中的電壓U與電流I的相位相同，電路呈現(xiàn)電阻性，這種現(xiàn)象叫串聯(lián)諧振。當(dāng)電路發(fā)生串聯(lián)諧振時XC=XL，電路的阻抗Zr2=R2+(XC-XL)2=R2，即Zr=R，電路中總阻抗最小，輸出電流將達(dá)到最大值。由于回路的諧振，電源較小的輸出電壓就可在諧振電容上產(chǎn)生較高的諧振電壓。這樣設(shè)計的目的是為了提高電源整體轉(zhuǎn)換效率，同時可以減小變壓器體積和自身損耗。

（3）雙層倍壓結(jié)構(gòu)。倍壓整流電路是把交流電變成直流電，同時實現(xiàn)升壓的過程。

電路把較低的交流電壓，利用耐壓較高的整流二極管和電容，產(chǎn)生一個較高的直流電壓，根據(jù)輸出電壓高低選擇合適的倍壓級數(shù)。

倍壓整流電路本身電路并不難，難點(diǎn)在于直流電（DC）100 kV高壓的絕緣處理。本設(shè)計將倍壓整流電路劃分為兩部分，整流電容和整流二極管為一部分，濾波電路和取樣電阻為另一部分，兩部分采用上下兩層，設(shè)計合理的倍壓級數(shù)和間距，電壓從低到高，使上下兩層同一縱切面上的壓差降到最低，大大提高倍壓的絕緣性。

同時，針對輸出電阻排布的設(shè)計，也是根據(jù)高壓插頭的特點(diǎn)特殊設(shè)計，電阻利用有限空間采用折線式布局將倍壓電容和高壓插頭連接起來，既保證了電性能，又保證了高壓端的絕緣性能。

1.2 整機(jī)構(gòu)造

吸極電源整體是機(jī)箱式電源，如圖2所示，內(nèi)部含有控制電路、功率電路、變壓器和倍壓電路。電源前面板由電壓電流顯示表、開關(guān)及調(diào)控按鍵、旋鈕組成，后面板由供電端、接地柱、高壓輸出端和外控接口組成，外控接口由DB25連接器與計算機(jī)相連。電源整體結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，操作簡單易懂。

圖2 整機(jī)示意圖

DC100 kV吸極電源的研制重點(diǎn)和難點(diǎn)是倍壓整流電路的絕緣處理，在較小的箱體內(nèi)絕緣強(qiáng)度要高于DC100 kV，同時高壓輸出采用插拔的方式，很大程度上也加大了研制的難度，倍壓部分整體設(shè)計為雙層結(jié)構(gòu)，輸出電阻采用折線式排布，最大程度利用了有限的空間。

1.3 單元設(shè)計

1.3.1 LLC全橋諧振拓?fù)浞€(wěn)定技術(shù)仿真研究與設(shè)計

基于全橋諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，建立PWM控制電路、反饋控制電路，通過功率管的導(dǎo)通與截止控制變壓器的儲能和放能，實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，變壓器次級輸出的交流信號通過半波整流電路實現(xiàn)高壓輸出，通過將輸出電壓采樣信號給到反饋放大電路，控制PWM電路的占空比從而控制功率管的導(dǎo)通時間來實現(xiàn)電壓的穩(wěn)定輸出。重點(diǎn)針對變壓器的初次級的匝數(shù)、匝數(shù)比設(shè)計；諧振電路的頻率、幅度、波形設(shè)計；功率管的散熱結(jié)構(gòu)、工藝設(shè)計，建立電路的仿真模型。

1.3.2 保護(hù)電路設(shè)計

基于反饋控制電路，增加抗負(fù)載短路沖擊功能。通過對輸出負(fù)載電流采樣，并對采集信號優(yōu)化處理，控制反饋環(huán)路，進(jìn)而控制功率管IGBT的驅(qū)動波形，降低輸出功率，從而實現(xiàn)短路保護(hù)功能。重點(diǎn)針對采樣信號的采樣點(diǎn)、采樣值、精確度設(shè)計，采樣信號的放大處理、響應(yīng)時間設(shè)計。1.3.3倍壓整流電路的設(shè)計

基于可維修性和體積質(zhì)量的限制，倍壓整流電路設(shè)計為獨(dú)立的部件，重點(diǎn)針對電路的結(jié)構(gòu)布局進(jìn)行設(shè)計，通過對整流電路的電容容值、二極管耐壓合理選型和布局，實現(xiàn)倍壓整流電路的穩(wěn)定性和絕緣性。

倍壓整流電路分為兩部分，整流電容和整流二極管為一部分，濾波電路和取樣電阻為另一部分，兩部分采用上下兩層的結(jié)構(gòu)布局進(jìn)行設(shè)計。

2 倍壓整流電路結(jié)構(gòu)設(shè)計思路

2.1 輸出電阻的選擇與設(shè)計

輸出電阻作為直接連接高壓端的器件，其抗高壓短路沖擊性能必須要好，經(jīng)過長時間試驗與驗證，線繞電阻器成為輸出電阻的首選。線繞電阻基于其制作工藝，使其具有很好的絕緣性、穩(wěn)定性和過負(fù)載能力，應(yīng)用時如果負(fù)載出現(xiàn)短路現(xiàn)象，可迅速在壓接處熔斷，起到保護(hù)電路的作用，同時線繞電阻的電阻絲被嚴(yán)密包封于陶瓷電阻體內(nèi)部，具有優(yōu)良的阻燃、防爆特性，在很大程度上增加了使用的安全性。

本文設(shè)計輸出電阻采用多個同型號線繞電阻器串聯(lián)的方式。基于結(jié)構(gòu)布局，輸出電阻采用折線串聯(lián)的方式，這樣不僅有效利用現(xiàn)有空間，同時最大程度上增加輸出電阻數(shù)量，增強(qiáng)了電源抗高壓短路沖擊能力，提高電源使用壽命。

2.2 倍壓整流結(jié)構(gòu)設(shè)計

倍壓整流是利用二極管的整流和導(dǎo)引作用，將電壓分別貯存到各自的電容上，然后把它們按極性相加的原理串接起來，輸出高于輸入電壓的高壓。倍壓整流電路如圖3所示。

圖3 2倍壓整流電路

首先在第一半周E2經(jīng)VD1對C1充電至E2的峰值E2m，第二半周C1上的電壓和電源電壓相加經(jīng)VD2對C2充電至2E2m。當(dāng)然開始幾個周期電容上的電壓并不能真正充到這樣高，但經(jīng)過幾個周期以后，C2上的電壓漸漸能穩(wěn)定在2E2m左右，這就是2倍壓整流的原理[1]。

考慮到該電源的絕緣要求，結(jié)合設(shè)備對吸極電源的空間要求，整個倍壓電路部分設(shè)計成一個獨(dú)立的部件，整體封裝在一個盒子里面，該盒子采用亞克力材質(zhì)（亞克力盒），亞克力化學(xué)名稱為聚甲基丙烯酸甲酯，具有良好的介電和電絕緣性能?？紤]到電源整體尺寸為標(biāo)準(zhǔn)3U機(jī)箱，機(jī)箱深度為600 mm，亞克力盒的設(shè)計尺寸為540 mm×200 mm×110 mm（長×寬×高），如圖4所示。

圖4 倍壓電路結(jié)構(gòu)圖

倍壓整流部分設(shè)計為上下兩層，上層為整流電容和整流二極管，下為濾波電路和取樣電阻，倍壓級數(shù)為12倍壓。輸出電阻獨(dú)立于這兩層，根據(jù)亞克力盒內(nèi)的剩余空間，設(shè)計為折線串聯(lián)的方式連接于高壓插頭和整流電路之間。

對亞克力盒內(nèi)的電路組裝固定后整體進(jìn)行灌封，采用有機(jī)硅灌封膠，確保高壓部分的絕緣性能。

高壓部分的絕緣性能除了灌封硅膠以外，兩層電路板的固定、輸出電阻的固定、高壓插頭安裝接縫處的絕緣處理等都是本設(shè)計中的細(xì)節(jié)問題。本設(shè)計采用硅膠塊以及704橡膠進(jìn)行絕緣處理。電源實物圖如圖5所示。

圖5 吸極電源實物圖

3 測試驗證

用于離子注入機(jī)進(jìn)行測試，實測電壓如表1所示。

表1 電壓測試

利用相對平均偏差公式計算電壓精度，電壓精度優(yōu)于0.5%，滿足通用離子注入機(jī)要求。

吸極電源的電壓實測圖如圖6所示，設(shè)置100 kV，電源輸出99.9 kV，電源輸出精度小于0.5%，滿足離子注入機(jī)對吸極電源的要求。

驗證結(jié)果：

（1）輸出電壓測試：最高輸出電壓可達(dá)到DC101 kV，要求為DC100 kV，實際測試滿足要求。

（2）輸出電流測試：在額定輸出電壓下測試，最大帶載電流為24.5 mA，要求至少為24 mA，實際測試滿足要求。

（3）保護(hù)功能測試：當(dāng)輸出過流或短路后電壓下降，電源進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，當(dāng)故障恢復(fù)后電源恢復(fù)正常。

（4）負(fù)載調(diào)整率測試：要求小于0.5%，實際測試為100 V，實際測試滿足要求。

（5）外控接口測試：外控接口定義符合協(xié)議要求。

最大電壓為DC100 kV的吸極電源已經(jīng)應(yīng)用在某型離子注入機(jī)上，并與采用進(jìn)口吸極電源的離子注入機(jī)臺進(jìn)行工藝比對實驗，結(jié)果表明，性能達(dá)到同類產(chǎn)品水平，達(dá)到離子注入機(jī)使用要求。

吸極電源的高壓輸出線采用高壓插拔的方式，方便安全，同時在絕緣性能上也有很大提升。

4 結(jié)束語

箱體插拔式吸極電源已在離子注入機(jī)得到驗證，如果關(guān)鍵高壓元器件的可靠性再提升，電源的整體可靠性也會進(jìn)一步提高。