超高壓汞燈功率控制研究

劉衛(wèi)平，葛勱沖

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京100176)

目前在接觸—接近式光刻機(jī)中，普遍采用超高壓汞燈作為發(fā)光源，該燈屬于高強(qiáng)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(qū)，但該燈需高壓觸發(fā)方可點(diǎn)燃，啟動(dòng)電流大，發(fā)光易受環(huán)境溫度、電網(wǎng)電壓、以及汞燈老化等因素的影響而波動(dòng)，影響曝光效果；因此超高壓汞燈對(duì)控制電源要求苛刻，控制難度高；不僅要求點(diǎn)燈可靠，過渡過程平穩(wěn)，還需要保證汞燈發(fā)光的穩(wěn)定性以滿足生產(chǎn)工藝的要求。本文介紹的開關(guān)汞燈電源，采用恒功率控制，經(jīng)過微電子工藝線實(shí)際使用，不僅可靠，而且光強(qiáng)穩(wěn)定性好。

1 電源的控制原理及主要電路結(jié)構(gòu)

如原理框圖（見圖1）所示，系統(tǒng)主要由功率電路、控制驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)采樣電路、高壓觸發(fā)電路，以及輔助電源構(gòu)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(qū)動(dòng)電路幾部分構(gòu)成功率閉環(huán)控制電路，控制汞燈的供電功率；高壓觸發(fā)電路用于啟動(dòng)瞬間產(chǎn)生高電壓觸發(fā)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(shè)備對(duì)電源可靠性要求高，功率電路是功率傳輸通道，其能否長(zhǎng)時(shí)間可靠運(yùn)行是設(shè)計(jì)成功與否的關(guān)鍵，考慮到半橋逆變電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗不平衡能力強(qiáng)，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(guān)管V1、V2在相差為180°的雙路脈沖驅(qū)動(dòng)下交替導(dǎo)通和截止，在變壓器T原邊產(chǎn)生高壓開關(guān)脈沖，從而在副邊感應(yīng)出交變的方波脈沖，高頻變壓器次級(jí)兩只快恢復(fù)二極管V3、V4亦隨之交替導(dǎo)通，兩管輪流通過電感L向負(fù)載提供功率；電感L在V3、V4任一管導(dǎo)通時(shí)，一方面向負(fù)載供給功率，另一方面儲(chǔ)存能量，當(dāng)兩管都關(guān)斷時(shí)，儲(chǔ)存在電感中的能量繼續(xù)向負(fù)載供電，這樣負(fù)載得到的將是連續(xù)的能量供給。

圖2 功率電路示意圖

假設(shè)二極管V3、V4、電感 L、電容C4均為理想元件，任一管導(dǎo)通和兩管同時(shí)關(guān)斷視為一個(gè)周期，那么在一個(gè)周期內(nèi)：

當(dāng)任一整流管導(dǎo)通時(shí)（Ton），半橋電路通過高頻變壓器、快恢復(fù)二極管向電感L儲(chǔ)存磁能，同時(shí)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(dǎo)通期間電感L上電流增加部分：

在Ton至T這段時(shí)間內(nèi)，整流管截止，電感L在釋放磁能的同時(shí)供給輸出電流。此時(shí)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(wěn)定狀態(tài)下，電感L上的磁能和釋放的磁能達(dá)到平衡，即 △Ion=△Ioff，所以：

因?yàn)殡姼蠰輸入輸出電流相等，所以有：

由此可見，在一定工作頻率下，改變導(dǎo)通時(shí)間Ton（即調(diào)節(jié)導(dǎo)通脈沖的寬度）即可調(diào)節(jié)、穩(wěn)定輸出功率，達(dá)到穩(wěn)定光強(qiáng)的目的。

1.2 功率控制電路

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

圖3 控制電路框圖

1.3 高壓觸發(fā)電路

超高壓汞燈屬于高強(qiáng)度氣體放電燈，須用數(shù)千伏乃至上萬伏的高壓才能觸發(fā)點(diǎn)燃，為保證汞燈的正常起弧，觸發(fā)電路需能產(chǎn)生10 kV以上的高壓脈沖，同時(shí)為了保證汞燈能有長(zhǎng)的壽命，點(diǎn)燈時(shí)需要起弧時(shí)間短，觸發(fā)器功率適當(dāng)，否則會(huì)影響燈的使用壽命。

圖4 觸發(fā)電路原路圖

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

2 設(shè)計(jì)結(jié)果分析

恒功率超高壓汞燈電源按照設(shè)計(jì)路線、技術(shù)指標(biāo)完成樣機(jī)，在空載狀態(tài)下開機(jī)時(shí)，電源的各項(xiàng)參數(shù)均符合要求，但在點(diǎn)燈試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)控制系統(tǒng)多次發(fā)生紊亂，個(gè)別控制電路出現(xiàn)損壞現(xiàn)象，分析原因，是高壓觸發(fā)干擾竄入控制電路，導(dǎo)致控制系統(tǒng)紊亂，分別對(duì)干擾源和干擾對(duì)象采取相應(yīng)的抗干擾措施，并經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，系統(tǒng)終于工作正常，觸發(fā)可靠，過渡過程平穩(wěn)；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(shù)（磁芯容量、導(dǎo)磁率，繞組匝數(shù)、電感）與半橋電路參數(shù)（頻率、開關(guān)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?jī)A斜。經(jīng)過測(cè)試，功率穩(wěn)定度＜0.5%。

3 結(jié)束語(yǔ)

恒功率開關(guān)汞燈電源的研制，目前已應(yīng)用在200 W到1 000 W多種型號(hào)的汞燈電源中，廣泛應(yīng)用在微電子工藝線上，對(duì)提高光刻機(jī)曝光光源的穩(wěn)定性起到了重要的作用，并為研制大功率、高穩(wěn)定度電源積累了許多經(jīng)驗(yàn)。

[1]宋 健，尚秀紅.論光刻機(jī)的曝光控制系統(tǒng)［J］.電子工業(yè)專用設(shè)備，1998，12:8-11.

[2]五建平，黎 偉.氘類開關(guān)電源的研制［J］.電源技術(shù)應(yīng)用，2001.3(3):81-82.

[3]常敏慧，何希才.新型開關(guān)電源實(shí)用技術(shù)［M］.電子工業(yè)出版社，1999.

[4]劉勝利.現(xiàn)代高頻開關(guān)電源實(shí)用技術(shù)［M］.電子工業(yè)出版社，2001.