大功率汞燈電源測控系統研究

馬 平，胡志成，胡 松，徐文祥

（中國科學院 光電技術研究所，四川 成都 610209）

隨著微電子技術的不斷發展，為最大程度提高微細加工的生產效率，超大面積光刻設備的需求也在不斷增加。而大面積、高強度、高均勻性的曝光系統正是此類設備的核心單元系統，是影響其分辨力和生產率的關鍵因素[1]。滿足以上要求，除了具有高性能光學成像系統外，光源控制系統至關重要。超大面積光刻設備曝光系統一般采用kW級大功率汞燈作為光源，這種汞燈光源由于發熱量大，汞燈運行狀態及燈室環境對光強、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]。目前國內開發的汞燈電源控制系統僅僅能夠提供恒流電源點亮汞燈的功能，或者有的系統能夠工作在近似恒功率狀態下，但這些都不能完全滿足目前超大面積光刻設備對電源控制系統的要求，如友好的人機交互、及時故障診斷、系統有效保護、燈室溫度控制、汞燈壽命控制、完全的恒功率恒光強控制、遠程通信與控制等功能要求。為此，研究了用于i線光刻機大功率汞燈電源測控系統。這里主要論述了汞燈電源測控系統功能、組成及工作過程，模擬閉環控制輸出的高壓隔離以及模擬功率計算與負載線路補償等關鍵技術單元設計。

1 汞燈電源測控系統

1.1 主要功能

根據光源組件的實際工作情況和曝光系統控制需要，汞燈電源測控系統在汞燈啟動（預熱）、穩定工作、待機、停止狀態轉換過程中，對其電壓、電流、功率、工作時間和燈室溫度（或汞燈陽極溫度）進行監控、顯示及安全保護。同時該測控系統還具有故障診斷、系統重要參數設置、保存及定時曝光等功能。該測控系統通過程序控制可在其控制面板顯示、設置并自動保存電壓、電流、功率、汞燈總工作時間、燈室溫度、當前快門曝光時間（倒計數）的運行值以及汞燈電源測控系統狀態的顯示切換。該控制器內部固化的額定參數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，該測控系統可通過RS485串行接口與上位嵌入式計算機交換狀態信號和各類參數信息，完成遠程控制的功能。

1.2 結構組成與工作過程

汞燈電源測控系統結構組成如圖1所示。其工作過程為：啟動由三相380 V交流電源供電的4500 W恒流汞燈電源后，開始汞燈未工作，為開路狀態，汞燈電源的輔助次高壓電源對輸出電容充電，當電容電壓達到汞燈觸發模塊的啟動電壓后，觸發器輸出具有一定脈寬的高頻電壓（峰值大于20 kV）觸發汞燈，同時汞燈電源輸出低壓大電流，汞燈點亮進入啟動預熱狀態。汞燈電源的輔助次高壓電源在開機后延時一段時間將自動切斷，同時汞燈點亮后，其兩端電壓急劇下降到十多伏，這樣就避免了觸發器在汞燈導通后繼續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到低壓大電流點亮過程中的強電磁干擾對電壓電流檢測的影響而引起系統過流、過壓、過功率保護等誤動作以及閉環控制的不穩定，控制器在汞燈點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，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為汞燈點亮，若在一段時間后且電源電壓已能使汞燈觸發器工作，仍未檢測到汞燈點亮，即認為汞燈未接、開路、損壞或觸發器損壞，為保護整個系統，切斷電源（OFF）并指示錯誤狀態。汞燈確認點亮后，由控制系統閉環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，單片機計算得出汞燈功率，當電壓達到額定值的90%或功率達到給定值的95%時切換到恒電流或恒功率（由用戶設置，缺省為恒功率）狀態，當電流或功率達到給定狀態并穩定在一定誤差范圍即認為汞燈穩定并允許曝光 （實際可能還要等待一段時間使光強穩定）并給出相應信號，當光源暫時不需要使用時，為節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境，這也是燈室和汞燈、光源組件安全工作的需要，這項任務由單片機監控系統采樣溫度信號并對風機進行控制來完成。

圖1 汞燈電源測控系統結構框圖Fig.1 Structure frame diagram of measuring and controlling system for mercury lamp

2 汞燈電源測控系統電路設計

2.1 電流/光強控制模擬隔離驅動

為保證汞燈電源的電流、功率或光強的長期穩定性，需要對電源進行隔離控制。電源接收模擬控制電壓輸入以改變輸出電流，測控系統經過專門設計的模擬量輸出通道執行來自數字控制系統的D/A轉換器輸出（包括對電流、功率或光強的輸出），同時為隔離數字控制系統弱電部分與汞燈開關電源強電系統，以避免地線環流和強電對弱電造成干擾或破壞，本系統采用高線性光耦HCNR200構成模擬信號高電壓隔離放大器輸出控制信號[3-6]，如圖2所示。

圖2 電流/光強控制模擬隔離驅動電路結構圖Fig.2 Structure diagram of insulating and drive circuit controlled by analog signals for current and intensity

光電二極管信號經模擬光耦HCNR200進行線性隔離，經LF412進行電壓放大，最后經共模濾波輸出控制電壓，電路設計如圖3所示。其中，HCNR200高線性模擬光耦包含一個高性能的LED，該LED光耦合到兩個密切配合的光電二極管。輸入光電二極管可用于監測，并借此穩定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，具有高線性和穩定增益特性。LF412運算放大器具有雙JFET輸入特性、內部消除漂移電壓、低輸入偏置電流、低電壓噪聲高電壓增益。運放采用TL431C作為基準電壓源，該器件具有良好的熱穩定性，輸出電壓可用兩個電阻進行方便設置。

圖3 電流/光強控制模擬隔離驅動電路原理圖Fig.3 Schematic of insulating and drive circuit controlled by analog signals for current and intensity

2.2 模擬功率計算與負載線路補償

電壓、電流經過信號調理，A/D轉換，MCU進行乘法運算得到汞燈電源輸出功率并與給定功率相比較進行數字控制，可實現恒功率控制，但這種單純數字控制的辦法由于有較長的計算時間，特別是所用MCU處理速度較慢且任務繁重的情況下，無法有效提高系統響應速度，影響了系統性能的進一步提高。實測表明，在恒電流工作模式下，短期汞燈電源輸出電流穩定度可達±0.05%，而在恒功率模式下僅有±0.5%，還差1個數量級。這盡管有電壓傳感器檢測精度比較低、汞燈放電性能限制造成的影響，但系統響應速度也是一個不可忽視的因素。從已完成的光強模擬閉環反饋恒光強控制系統的項目經驗看，模擬PID控制能有效改善系統光強穩定性，由此可以使用模擬功率PID反饋控制提高系統恒功率控制性能，采用模擬乘法器來實現相關電路。對于線路的功率損耗補償（汞燈工作在大電流狀態，線路上壓降很小而產生功率損耗相當大），也可通過模擬乘法器來實現，進一步提高功率控制的準確性。則功率合成及負載線路補償的結構原理圖如圖4所示。

根據圖4所示的結構框圖可推導出：

圖4 功率合成及負載線路補償結構框圖Fig.4 Structure diagram of power synthesis and load circuitry compensating

對于同相放大器1：

對于同相放大器 2：

乘法器的傳遞函數為：

其中，A＞＞1，SF=10～3，KZ〈10。

則有：

則有：

因為 A＞＞1，令 KZ〈10，故 A/KZ＞＞1，所以有：

又：

以及：

則：

取N=0，M=0，同相放大器變為電壓跟隨器，同時取Z2=0，則有：

令：

在實際系統中，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分別為測得的汞燈電源輸出電壓、電流；PLAMP為汞燈實際工作功率。

對比VP和PLAMP可知，它們有相似的公式結構，可用VP表示PLAMP。由于VV和VI從電壓電流信號調理電路輸出獲得電壓，對于電流，同前述假定100 A轉換成2.5 V，即：

其中：KI=1/40。同樣對于電壓，同前述假定90 V轉換成3 V，即：

其中：KV=1/30。

假定對于汞燈功率PLAMP，1000 W轉換成1 V，即：

其中：

因為：

則有：

對比可得：

則有：

所以有：

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

這說明1/KZ環節確實是比例衰減環節，可由VP的分壓器構成，實際上各比例因子均可能有誤差，由KI、KV、KZ和SF求取KP進行計算是必要的：

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的反饋信號增強），同樣VP值代表的功率變大了。

關于K的計算，由于實際上線路電阻RLOST非常小不易直接測量，需通過別的方式反映RLOST的大小，可實測電流為IOUT時線路的電壓降VLOST的值VLOST=VOUT-VLAMP，則有：

可計算K值：

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

由于負載線路補償具有正反饋特性，所以寧可欠補償也不能過補償以免引起系統振蕩或不穩定，也就是說衰減要比K大，但不能小。通過上述示例計算，設計出參數確定的基于硬件乘法器的功率合成及負載線路補償電路硬件，實際電路設計中由于電路中不可避免存在偏置電壓，需在適當位置處分別加上調零電路。

在得到功率合成信號VP以后，類似光強模擬PID控制，構造獨立功率模擬PID控制電路實現具有模擬PID功率控制內環的恒功率控制系統。相應的需對圖3控制電路作相應的改變，即改成電流/功率/光強（功率PID與光強PID為各自獨立的線路，給定可用同一信號）控制模擬隔離驅動電路。

3 結 論

該汞燈電源測控系統目前已成功應用到西部之光計劃項目 “用于平板顯示器制造的反射式大面積照明系統研制”上，經過近一年運行結果表明，該系統功能完善、運行穩定、可靠、有效，恒電流控制穩定性達±0.05%，恒功率控制穩定性達±0.5%。該系統的突出特點是：采用模擬PID控制與數字控制相結合的方式實現了恒電流、恒光強、恒功率控制，能使汞燈安全、穩定工作，發揮最佳光電性能；采用模擬閉環控制輸出的高壓隔離、模擬乘法器計算功率信號并進行負載線路功率損耗補償的實時功率計算的方法、并使用模擬控制與數字控制相結合的方式有效提高了功率控制的穩定性。

[1] 陳小鐸.超高壓汞燈電源及其控制技術[J].電子工業專用設備,1996,25（3）:25-28.CHEN Xiao-duo.Exceeding high voltage mercury lamp power supply and it's controlling technique[J].Equipment for Electronic Products Manufacturing,1996,25（3）:25-28.

[2] 丁嘉群.曝光能量控制方式的分析及應用[J].LSI制造與測試,1991,12（4）:26-33.DING Jia-qun.Analysis and application on controlling mode of exposure energy[J].Manufacture and Testing for LSI,1991,12（4）:26-33.

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[4] 謝嘉奎,金寶琴,謝洪臐.電子線路[M].北京:高等教育出版社,1988.

[5] 黃俊.半導體變流技術[M].北京.機械工業出版社,1986.

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