大功率汞燈電源測(cè)控系統(tǒng)研究

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。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。目前國(guó)內(nèi)開(kāi)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4 500 W恒流汞燈電源后，開(kāi)始汞燈未工作，為開(kāi)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(kāi)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(kāi)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。

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(kāi)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)，如圖2所示。