馬 平，胡志成，胡 松，徐文祥

（中國(guó)科學(xué)院 光電技術(shù)研究所，四川 成都 610209）

隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，為最大程度提高微細(xì)加工的生產(chǎn)效率，超大面積光刻設(shè)備的需求也在不斷增加。而大面積、高強(qiáng)度、高均勻性的曝光系統(tǒng)正是此類設(shè)備的核心單元系統(tǒng)，是影響其分辨力和生產(chǎn)率的關(guān)鍵因素[1]。滿足以上要求，除了具有高性能光學(xué)成像系統(tǒng)外，光源控制系統(tǒng)至關(guān)重要。超大面積光刻設(shè)備曝光系統(tǒng)一般采用kW級(jí)大功率汞燈作為光源，這種汞燈光源由于發(fā)熱量大，汞燈運(yùn)行狀態(tài)及燈室環(huán)境對(duì)光強(qiáng)、光效等光電性能、汞燈及光源組件安全工作及壽命有很大影響[2]。目前國(guó)內(nèi)開發(fā)的汞燈電源控制系統(tǒng)僅僅能夠提供恒流電源點(diǎn)亮汞燈的功能，或者有的系統(tǒng)能夠工作在近似恒功率狀態(tài)下，但這些都不能完全滿足目前超大面積光刻設(shè)備對(duì)電源控制系統(tǒng)的要求，如友好的人機(jī)交互、及時(shí)故障診斷、系統(tǒng)有效保護(hù)、燈室溫度控制、汞燈壽命控制、完全的恒功率恒光強(qiáng)控制、遠(yuǎn)程通信與控制等功能要求。為此，研究了用于i線光刻機(jī)大功率汞燈電源測(cè)控系統(tǒng)。這里主要論述了汞燈電源測(cè)控系統(tǒng)功能、組成及工作過(guò)程，模擬閉環(huán)控制輸出的高壓隔離以及模擬功率計(jì)算與負(fù)載線路補(bǔ)償?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)單元設(shè)計(jì)。

1 汞燈電源測(cè)控系統(tǒng)

1.1 主要功能

根據(jù)光源組件的實(shí)際工作情況和曝光系統(tǒng)控制需要，汞燈電源測(cè)控系統(tǒng)在汞燈啟動(dòng)（預(yù)熱）、穩(wěn)定工作、待機(jī)、停止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，對(duì)其電壓、電流、功率、工作時(shí)間和燈室溫度（或汞燈陽(yáng)極溫度）進(jìn)行監(jiān)控、顯示及安全保護(hù)。同時(shí)該測(cè)控系統(tǒng)還具有故障診斷、系統(tǒng)重要參數(shù)設(shè)置、保存及定時(shí)曝光等功能。該測(cè)控系統(tǒng)通過(guò)程序控制可在其控制面板顯示、設(shè)置并自動(dòng)保存電壓、電流、功率、汞燈總工作時(shí)間、燈室溫度、當(dāng)前快門曝光時(shí)間（倒計(jì)數(shù)）的運(yùn)行值以及汞燈電源測(cè)控系統(tǒng)狀態(tài)的顯示切換。該控制器內(nèi)部固化的額定參數(shù)限制檢測(cè)可兼容兩種型號(hào)的汞燈。此外，基于光刻工藝自動(dòng)控制的需要，該測(cè)控系統(tǒng)可通過(guò)RS485串行接口與上位嵌入式計(jì)算機(jī)交換狀態(tài)信號(hào)和各類參數(shù)信息，完成遠(yuǎn)程控制的功能。

1.2 結(jié)構(gòu)組成與工作過(guò)程

汞燈電源測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。其工作過(guò)程為：?jiǎn)?dòng)由三相380 V交流電源供電的4500 W恒流汞燈電源后，開始汞燈未工作，為開路狀態(tài)，汞燈電源的輔助次高壓電源對(duì)輸出電容充電，當(dāng)電容電壓達(dá)到汞燈觸發(fā)模塊的啟動(dòng)電壓后，觸發(fā)器輸出具有一定脈寬的高頻電壓（峰值大于20 kV）觸發(fā)汞燈，同時(shí)汞燈電源輸出低壓大電流，汞燈點(diǎn)亮進(jìn)入啟動(dòng)預(yù)熱狀態(tài)。汞燈電源的輔助次高壓電源在開機(jī)后延時(shí)一段時(shí)間將自動(dòng)切斷，同時(shí)汞燈點(diǎn)亮后，其兩端電壓急劇下降到十多伏，這樣就避免了觸發(fā)器在汞燈導(dǎo)通后繼續(xù)工作輸出高壓而造成汞燈或電源的損壞。為避免汞燈從高壓觸發(fā)到低壓大電流點(diǎn)亮過(guò)程中的強(qiáng)電磁干擾對(duì)電壓電流檢測(cè)的影響而引起系統(tǒng)過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)功率保護(hù)等誤動(dòng)作以及閉環(huán)控制的不穩(wěn)定，控制器在汞燈點(diǎn)亮過(guò)程中輸出固定電平使汞燈電源工作于固定電壓控制的恒流工作狀態(tài)，通過(guò)磁平衡霍爾電流傳感器檢測(cè)到汞燈電流大于某值可認(rèn)為汞燈點(diǎn)亮，若在一段時(shí)間后且電源電壓已能使汞燈觸發(fā)器工作，仍未檢測(cè)到汞燈點(diǎn)亮，即認(rèn)為汞燈未接、開路、損壞或觸發(fā)器損壞，為保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)，切斷電源（OFF）并指示錯(cuò)誤狀態(tài)。汞燈確認(rèn)點(diǎn)亮后，由控制系統(tǒng)閉環(huán)控制汞燈電流輸出為最大允許值，以使汞燈迅速加熱，汞燈電壓逐漸上升，這期間通過(guò)電壓和電流傳感器檢測(cè)汞燈電壓、電流，單片機(jī)計(jì)算得出汞燈功率，當(dāng)電壓達(dá)到額定值的90%或功率達(dá)到給定值的95%時(shí)切換到恒電流或恒功率（由用戶設(shè)置，缺省為恒功率）狀態(tài)，當(dāng)電流或功率達(dá)到給定狀態(tài)并穩(wěn)定在一定誤差范圍即認(rèn)為汞燈穩(wěn)定并允許曝光 （實(shí)際可能還要等待一段時(shí)間使光強(qiáng)穩(wěn)定）并給出相應(yīng)信號(hào)，當(dāng)光源暫時(shí)不需要使用時(shí)，為節(jié)省能源和延長(zhǎng)汞燈使用壽命，允許汞燈電流和功率降低，即在待機(jī)模式下工作。由于汞燈啟動(dòng)和正常工作（并保證正常的光效）等過(guò)程中均必須有合適的溫度環(huán)境，這也是燈室和汞燈、光源組件安全工作的需要，這項(xiàng)任務(wù)由單片機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采樣溫度信號(hào)并對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制來(lái)完成。

圖1 汞燈電源測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure frame diagram of measuring and controlling system for mercury lamp

2 汞燈電源測(cè)控系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

2.1 電流/光強(qiáng)控制模擬隔離驅(qū)動(dòng)

為保證汞燈電源的電流、功率或光強(qiáng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，需要對(duì)電源進(jìn)行隔離控制。電源接收模擬控制電壓輸入以改變輸出電流，測(cè)控系統(tǒng)經(jīng)過(guò)專門設(shè)計(jì)的模擬量輸出通道執(zhí)行來(lái)自數(shù)字控制系統(tǒng)的D/A轉(zhuǎn)換器輸出（包括對(duì)電流、功率或光強(qiáng)的輸出），同時(shí)為隔離數(shù)字控制系統(tǒng)弱電部分與汞燈開關(guān)電源強(qiáng)電系統(tǒng)，以避免地線環(huán)流和強(qiáng)電對(duì)弱電造成干擾或破壞，本系統(tǒng)采用高線性光耦HCNR200構(gòu)成模擬信號(hào)高電壓隔離放大器輸出控制信號(hào)[3-6]，如圖2所示。

圖2 電流/光強(qiáng)控制模擬隔離驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of insulating and drive circuit controlled by analog signals for current and intensity

光電二極管信號(hào)經(jīng)模擬光耦HCNR200進(jìn)行線性隔離，經(jīng)LF412進(jìn)行電壓放大，最后經(jīng)共模濾波輸出控制電壓，電路設(shè)計(jì)如圖3所示。其中，HCNR200高線性模擬光耦包含一個(gè)高性能的LED，該LED光耦合到兩個(gè)密切配合的光電二極管。輸入光電二極管可用于監(jiān)測(cè)，并借此穩(wěn)定LED的光輸出。因此，LED的非線性和漂移特性幾乎可被完全消除，具有高線性和穩(wěn)定增益特性。LF412運(yùn)算放大器具有雙JFET輸入特性、內(nèi)部消除漂移電壓、低輸入偏置電流、低電壓噪聲高電壓增益。運(yùn)放采用TL431C作為基準(zhǔn)電壓源，該器件具有良好的熱穩(wěn)定性，輸出電壓可用兩個(gè)電阻進(jìn)行方便設(shè)置。

圖3 電流/光強(qiáng)控制模擬隔離驅(qū)動(dòng)電路原理圖Fig.3 Schematic of insulating and drive circuit controlled by analog signals for current and intensity

2.2 模擬功率計(jì)算與負(fù)載線路補(bǔ)償

電壓、電流經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理，A/D轉(zhuǎn)換，MCU進(jìn)行乘法運(yùn)算得到汞燈電源輸出功率并與給定功率相比較進(jìn)行數(shù)字控制，可實(shí)現(xiàn)恒功率控制，但這種單純數(shù)字控制的辦法由于有較長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間，特別是所用MCU處理速度較慢且任務(wù)繁重的情況下，無(wú)法有效提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，影響了系統(tǒng)性能的進(jìn)一步提高。實(shí)測(cè)表明，在恒電流工作模式下，短期汞燈電源輸出電流穩(wěn)定度可達(dá)±0.05%，而在恒功率模式下僅有±0.5%，還差1個(gè)數(shù)量級(jí)。這盡管有電壓傳感器檢測(cè)精度比較低、汞燈放電性能限制造成的影響，但系統(tǒng)響應(yīng)速度也是一個(gè)不可忽視的因素。從已完成的光強(qiáng)模擬閉環(huán)反饋恒光強(qiáng)控制系統(tǒng)的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)看，模擬PID控制能有效改善系統(tǒng)光強(qiáng)穩(wěn)定性，由此可以使用模擬功率PID反饋控制提高系統(tǒng)恒功率控制性能，采用模擬乘法器來(lái)實(shí)現(xiàn)相關(guān)電路。對(duì)于線路的功率損耗補(bǔ)償（汞燈工作在大電流狀態(tài)，線路上壓降很小而產(chǎn)生功率損耗相當(dāng)大），也可通過(guò)模擬乘法器來(lái)實(shí)現(xiàn)，進(jìn)一步提高功率控制的準(zhǔn)確性。則功率合成及負(fù)載線路補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)構(gòu)原理圖如圖4所示。

根據(jù)圖4所示的結(jié)構(gòu)框圖可推導(dǎo)出：

圖4 功率合成及負(fù)載線路補(bǔ)償結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Structure diagram of power synthesis and load circuitry compensating

對(duì)于同相放大器1：

對(duì)于同相放大器 2：

乘法器的傳遞函數(shù)為：

其中，A＞＞1，SF=10～3，KZ〈10。

則有：

則有：

因?yàn)?A＞＞1，令 KZ〈10，故 A/KZ＞＞1，所以有：

又：

以及：

則：

取N=0，M=0，同相放大器變?yōu)殡妷焊S器，同時(shí)取Z2=0，則有：

令：

在實(shí)際系統(tǒng)中，線路中壓降正比于輸出電流（假定線路等效為一恒定電阻 RLOST），即：

則有：

其中VOUT、IOUT分別為測(cè)得的汞燈電源輸出電壓、電流；PLAMP為汞燈實(shí)際工作功率。

對(duì)比VP和PLAMP可知，它們有相似的公式結(jié)構(gòu)，可用VP表示PLAMP。由于VV和VI從電壓電流信號(hào)調(diào)理電路輸出獲得電壓，對(duì)于電流，同前述假定100 A轉(zhuǎn)換成2.5 V，即：

其中：KI=1/40。同樣對(duì)于電壓，同前述假定90 V轉(zhuǎn)換成3 V，即：

其中：KV=1/30。

假定對(duì)于汞燈功率PLAMP，1000 W轉(zhuǎn)換成1 V，即：

其中：

因?yàn)椋?/p>

則有：

對(duì)比可得：

則有：

所以有：

因VV和VI的最大有效值為5 V，根據(jù)乘法器使用說(shuō)明取 SF=5，并代入 KI、KV和 KP的值可得：

這說(shuō)明1/KZ環(huán)節(jié)確實(shí)是比例衰減環(huán)節(jié)，可由VP的分壓器構(gòu)成，實(shí)際上各比例因子均可能有誤差，由KI、KV、KZ和SF求取KP進(jìn)行計(jì)算是必要的：

若取KZ=5，其他比例因子不變，則有：

可見衰減比KZ減小后（也即基于VP的反饋信號(hào)增強(qiáng)），同樣VP值代表的功率變大了。

關(guān)于K的計(jì)算，由于實(shí)際上線路電阻RLOST非常小不易直接測(cè)量，需通過(guò)別的方式反映RLOST的大小，可實(shí)測(cè)電流為IOUT時(shí)線路的電壓降VLOST的值VLOST=VOUT-VLAMP，則有：

可計(jì)算K值：

假定IOUT=100 A時(shí)，VOUT-VLAMP=2 V，KI和KV仍按前述值則有：

由于負(fù)載線路補(bǔ)償具有正反饋特性，所以寧可欠補(bǔ)償也不能過(guò)補(bǔ)償以免引起系統(tǒng)振蕩或不穩(wěn)定，也就是說(shuō)衰減要比K大，但不能小。通過(guò)上述示例計(jì)算，設(shè)計(jì)出參數(shù)確定的基于硬件乘法器的功率合成及負(fù)載線路補(bǔ)償電路硬件，實(shí)際電路設(shè)計(jì)中由于電路中不可避免存在偏置電壓，需在適當(dāng)位置處分別加上調(diào)零電路。

在得到功率合成信號(hào)VP以后，類似光強(qiáng)模擬PID控制，構(gòu)造獨(dú)立功率模擬PID控制電路實(shí)現(xiàn)具有模擬PID功率控制內(nèi)環(huán)的恒功率控制系統(tǒng)。相應(yīng)的需對(duì)圖3控制電路作相應(yīng)的改變，即改成電流/功率/光強(qiáng)（功率PID與光強(qiáng)PID為各自獨(dú)立的線路，給定可用同一信號(hào)）控制模擬隔離驅(qū)動(dòng)電路。

3 結(jié) 論

該汞燈電源測(cè)控系統(tǒng)目前已成功應(yīng)用到西部之光計(jì)劃項(xiàng)目 “用于平板顯示器制造的反射式大面積照明系統(tǒng)研制”上，經(jīng)過(guò)近一年運(yùn)行結(jié)果表明，該系統(tǒng)功能完善、運(yùn)行穩(wěn)定、可靠、有效，恒電流控制穩(wěn)定性達(dá)±0.05%，恒功率控制穩(wěn)定性達(dá)±0.5%。該系統(tǒng)的突出特點(diǎn)是：采用模擬PID控制與數(shù)字控制相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)了恒電流、恒光強(qiáng)、恒功率控制，能使汞燈安全、穩(wěn)定工作，發(fā)揮最佳光電性能；采用模擬閉環(huán)控制輸出的高壓隔離、模擬乘法器計(jì)算功率信號(hào)并進(jìn)行負(fù)載線路功率損耗補(bǔ)償?shù)膶?shí)時(shí)功率計(jì)算的方法、并使用模擬控制與數(shù)字控制相結(jié)合的方式有效提高了功率控制的穩(wěn)定性。

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