大功率汞燈電源測(cè)控系統(tǒng)研究

馬 平，胡志成，胡 松，徐文祥

（中國科學(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。其工作過程為：啟動(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)過流、過壓、過功率保護(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(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(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），也可通過模擬乘法器來實(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)乘法器使用說明取 SF=5，并代入 KI、KV和 KP的值可得：

這說明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)償也不能過補(bǔ)償以免引起系統(tǒng)振蕩或不穩(wěn)定，也就是說衰減要比K大，但不能小。通過上述示例計(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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