大功率汞燈電源測控系統(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)大功率汞燈電源測控系統(tǒng)。這里主要論述了汞燈電源測控系統(tǒng)功能、組成及工作過程，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，汞燈電源測控系統(tǒng)在汞燈啟動(預(yù)熱)、穩(wěn)定工作、待機(jī)、停止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)換過程中，對其電壓、電流、功率、工作時(shí)間和燈室溫度(或汞燈陽極溫度)進(jìn)行監(jiān)控、顯示及安全保護(hù)。同時(shí)該測控系統(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。該測控系統(tǒng)通過程序控制可在其控制面板顯示、設(shè)置并自動保存電壓、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)限制檢測可兼容兩種型號的汞燈。此外，基于光刻工藝自動控制的需要，該測控系統(tǒng)可通過RS485串行接口與上位嵌入式計(jì)算機(jī)交換狀態(tài)信號和各類參數(shù)信息，完成遠(yuǎn)程控制的功能。
1．2 結(jié)構(gòu)組成與工作過程
汞燈電源測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。其工作過程為：啟動由三相380 V交流電源供電的4 500 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)亮過程中的強(qiáng)電磁干擾對電壓電流檢測的影響而引起系統(tǒng)過流、過壓、過功率保護(hù)等誤動作以及閉環(huán)控制的不穩(wěn)定，控制器在汞燈點(diǎn)亮過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)，通過磁平衡霍爾電流傳感器檢測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)整個系統(tǒng)，切斷電源(OFF)并指示錯誤狀態(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，這期間通過電壓和電流傳感器檢測汞燈電壓、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，當(dāng)光源暫時(shí)不需要使用時(shí)，為節(jié)省能源和延長汞燈使用壽命，允許汞燈電流和功率降低，即在待機(jī)模式下工作。由于汞燈啟動和正常工作(并保證正常的光效)等過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)采樣溫度信號并對風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制來完成。

2 汞燈電源測控系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)
2．1 電流／光強(qiáng)控制模擬隔離驅(qū)動
為保證汞燈電源的電流、功率或光強(qiáng)的長期穩(wěn)定性，需要對電源進(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，測控系統(tǒng)經(jīng)過專門設(shè)計(jì)的模擬量輸出通道執(zhí)行來自數(shù)字控制系統(tǒng)的D／A轉(zhuǎn)換器輸出(包括對電流、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)成模擬信號高電壓隔離放大器輸出控制信號，如圖2所示。