超高壓汞燈功率控制研究

劉衛平，葛勱沖

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176)

目前在接觸—接近式光刻機中，普遍采用超高壓汞燈作為發光源，該燈屬于高強度氣體放電燈，亮度高、近紫外譜線集中，光譜基本覆蓋了聚酯膠類抗蝕劑的感光靈敏區，但該燈需高壓觸發方可點燃，啟動電流大，發光易受環境溫度、電網電壓、以及汞燈老化等因素的影響而波動，影響曝光效果；因此超高壓汞燈對控制電源要求苛刻，控制難度高；不僅要求點燈可靠，過渡過程平穩，還需要保證汞燈發光的穩定性以滿足生產工藝的要求。本文介紹的開關汞燈電源，采用恒功率控制，經過微電子工藝線實際使用，不僅可靠，而且光強穩定性好。

1 電源的控制原理及主要電路結構

如原理框圖（見圖1）所示，系統主要由功率電路、控制驅動電路、信號采樣電路、高壓觸發電路，以及輔助電源構成。其中，功率電路是電源的主功率通道；采樣電路、控制電路、驅動電路幾部分構成功率閉環控制電路，控制汞燈的供電功率；高壓觸發電路用于啟動瞬間產生高電壓觸發汞燈。

圖1 超高壓汞燈電源原理框圖

1.1 功率電路

微電子專用設備對電源可靠性要求高，功率電路是功率傳輸通道，其能否長時間可靠運行是設計成功與否的關鍵，考慮到半橋逆變電路結構簡單，抗不平衡能力強，所以功率主回路采用半橋電路，這樣有利于提高電源的可靠性。

圖2是功率電路示意圖，其工作原理：兩功率開關管V1、V2在相差為180°的雙路脈沖驅動下交替導通和截止，在變壓器T原邊產生高壓開關脈沖，從而在副邊感應出交變的方波脈沖，高頻變壓器次級兩只快恢復二極管V3、V4亦隨之交替導通，兩管輪流通過電感L向負載提供功率；電感L在V3、V4任一管導通時，一方面向負載供給功率，另一方面儲存能量，當兩管都關斷時，儲存在電感中的能量繼續向負載供電，這樣負載得到的將是連續的能量供給。

圖2 功率電路示意圖

假設二極管V3、V4、電感 L、電容C4均為理想元件，任一管導通和兩管同時關斷視為一個周期，那么在一個周期內：

當任一整流管導通時（Ton），半橋電路通過高頻變壓器、快恢復二極管向電感L儲存磁能，同時供給輸出電流；電感L上的電壓電流方程為：

上式左邊即為整流管導通期間電感L上電流增加部分：

在Ton至T這段時間內，整流管截止，電感L在釋放磁能的同時供給輸出電流。此時電感L上的電壓電流方程為：

上式左邊為整流管截止期間電感L上電流的減少量：

在穩定狀態下，電感L上的磁能和釋放的磁能達到平衡，即 △Ion=△Ioff，所以：

因為電感L輸入輸出電流相等，所以有：

由此可見，在一定工作頻率下，改變導通時間Ton（即調節導通脈沖的寬度）即可調節、穩定輸出功率，達到穩定光強的目的。

1.2 功率控制電路

要提高光源的光強穩定性，必須要供給超高壓汞燈穩定的供電功率，這就要求功率控制電路不僅能穩定可靠的工作，而且要響應速度快，靈敏度高，才能降低汞燈功率的波動，保證光強的穩定性，為此，功率控制電路采用模擬功率負反饋控制，將采樣電路采集的汞燈電壓、電流信號通過乘法器相乘(P=U×I)，形成功率型號，此信號作為反饋信號與功率給定信號比較，再通過脈寬控制電路（PWM）調節功率電路的輸出、穩定輸出功率。調節系統采用模擬電路控制，信號傳輸時間短，反應速度快。電壓電流信號檢測元件用霍爾磁平衡傳感器(反應時間＜500 ns)，反應時間短、檢測精度高，有利于進一步提高靈敏度。（見圖 3）。

圖3 控制電路框圖

1.3 高壓觸發電路

超高壓汞燈屬于高強度氣體放電燈，須用數千伏乃至上萬伏的高壓才能觸發點燃，為保證汞燈的正常起弧，觸發電路需能產生10 kV以上的高壓脈沖，同時為了保證汞燈能有長的壽命，點燈時需要起弧時間短，觸發器功率適當，否則會影響燈的使用壽命。

圖4 觸發電路原路圖

觸發電路原理如圖4所示，觸發開關S1接通后。輸入電壓經升壓變壓器T1一次升壓，引起連接在次級的放電火花塞放電，火花放電會在脈沖變壓器T2初級和電容C1所在的回路中產生頻譜非常豐富的電流波，引起LC電路諧振，再經脈沖變壓器升壓，形成上萬伏的高壓觸發汞燈；為保證有足夠的觸發能量，脈沖變壓器和諧振電路元器件功率容量要設計的足夠大。

2 設計結果分析

恒功率超高壓汞燈電源按照設計路線、技術指標完成樣機，在空載狀態下開機時，電源的各項參數均符合要求，但在點燈試驗時，發現控制系統多次發生紊亂，個別控制電路出現損壞現象，分析原因，是高壓觸發干擾竄入控制電路，導致控制系統紊亂，分別對干擾源和干擾對象采取相應的抗干擾措施，并經過反復試驗，系統終于工作正常，觸發可靠，過渡過程平穩；用示波儀觀察高頻變壓器原邊脈沖電壓波形，如圖5所示。

圖5 半橋變換器高頻變壓器原邊電壓脈沖波形

可以看出，高頻變壓器原邊波形邊緣陡直，無其它的寄生振蕩和雜波干擾，說明高頻變壓器的磁芯和繞組參數（磁芯容量、導磁率，繞組匝數、電感）與半橋電路參數（頻率、開關器件的性能）十分匹配。不足之處是由于分壓電容器的充放電，使脈沖電壓的頂部傾斜。經過測試，功率穩定度＜0.5%。

3 結束語

恒功率開關汞燈電源的研制，目前已應用在200 W到1 000 W多種型號的汞燈電源中，廣泛應用在微電子工藝線上，對提高光刻機曝光光源的穩定性起到了重要的作用，并為研制大功率、高穩定度電源積累了許多經驗。

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