大功率汞灯电源测控系统研究

随着微电子技术的不断发展，为最大程度提高微细加工的生产效率，超大面积光刻设备的需求也在不断增加。而大面积、高强度、高均匀性的曝光系统正是此类设备的核心单元系统，是影响其分辨力和生产率的关键因素。满足以上要求，除了具有高性能光学成像系统外，光源控制系统至关重要。超大面积光刻设备曝光系统一般采用kW级大功率汞灯作为光源，这种汞灯光源由于发热量大，汞灯运行状态及灯室环境对光强、光效等光电性能、汞灯及光源组件安全工作及寿命有很大影响。目前国内开发的汞灯电源控制系统仅仅能够提供恒流电源点亮汞灯的功能，或者有的系统能够工作在近似恒功率状态下，但这些都不能完全满足目前超大面积光刻设备对电源控制系统的要求，如友好的人机交互、及时故障诊断、系统有效保护、灯室温度控制、汞灯寿命控制、完全的恒功率恒光强控制、远程通信与控制等功能要求。为此，研究了用于i线光刻机大功率汞灯电源测控系统。这里主要论述了汞灯电源测控系统功能、组成及工作过程，模拟闭环控制输出的高压隔离以及模拟功率计算与负载线路补偿等关键技术单元设计。

1 汞灯电源测控系统
1．1 主要功能
    根据光源组件的实际工作情况和曝光系统控制需要，汞灯电源测控系统在汞灯启动(预热)、稳定工作、待机、停止状态转换过程中，对其电压、电流、功率、工作时间和灯室温度(或汞灯阳极温度)进行监控、显示及安全保护。同时该测控系统还具有故障诊断、系统重要参数设置、保存及定时曝光等功能。该测控系统通过程序控制可在其控制面板显示、设置并自动保存电压、电流、功率、汞灯总工作时间、灯室温度、当前快门曝光时间(倒计数)的运行值以及汞灯电源测控系统状态的显示切换。该控制器内部固化的额定参数限制检测可兼容两种型号的汞灯。此外，基于光刻工艺自动控制的需要，该测控系统可通过RS485串行接口与上位嵌入式计算机交换状态信号和各类参数信息，完成远程控制的功能。
1．2 结构组成与工作过程
    汞灯电源测控系统结构组成如图1所示。其工作过程为：启动由三相380 V交流电源供电的4 500 W恒流汞灯电源后，开始汞灯未工作，为开路状态，汞灯电源的辅助次高压电源对输出电容充电，当电容电压达到汞灯触发模块的启动电压后，触发器输出具有一定脉宽的高频电压(峰值大于20 kV)触发汞灯，同时汞灯电源输出低压大电流，汞灯点亮进入启动预热状态。汞灯电源的辅助次高压电源在开机后延时一段时间将自动切断，同时汞灯点亮后，其两端电压急剧下降到十多伏，这样就避免了触发器在汞灯导通后继续工作输出高压而造成汞灯或电源的损坏。为避免汞灯从高压触发到低压大电流点亮过程中的强电磁干扰对电压电流检测的影响而引起系统过流、过压、过功率保护等误动作以及闭环控制的不稳定，控制器在汞灯点亮过程中输出固定电平使汞灯电源工作于固定电压控制的恒流工作状态，通过磁平衡霍尔电流传感器检测到汞灯电流大于某值可认为汞灯点亮，若在一段时间后且电源电压已能使汞灯触发器工作，仍未检测到汞灯点亮，即认为汞灯未接、开路、损坏或触发器损坏，为保护整个系统，切断电源(OFF)并指示错误状态。汞灯确认点亮后，由控制系统闭环控制汞灯电流输出为最大允许值，以使汞灯迅速加热，汞灯电压逐渐上升，这期间通过电压和电流传感器检测汞灯电压、电流，单片机计算得出汞灯功率，当电压达到额定值的90％或功率达到给定值的95％时切换到恒电流或恒功率(由用户设置，缺省为恒功率)状态，当电流或功率达到给定状态并稳定在一定误差范围即认为汞灯稳定并允许曝光(实际可能还要等待一段时间使光强稳定)并给出相应信号，当光源暂时不需要使用时，为节省能源和延长汞灯使用寿命，允许汞灯电流和功率降低，即在待机模式下工作。由于汞灯启动和正常工作(并保证正常的光效)等过程中均必须有合适的温度环境，这也是灯室和汞灯、光源组件安全工作的需要，这项任务由单片机监控系统采样温度信号并对风机进行控制来完成。

2 汞灯电源测控系统电路设计
2．1 电流／光强控制模拟隔离驱动
    为保证汞灯电源的电流、功率或光强的长期稳定性，需要对电源进行隔离控制。电源接收模拟控制电压输入以改变输出电流，测控系统经过专门设计的模拟量输出通道执行来自数字控制系统的D／A转换器输出(包括对电流、功率或光强的输出)，同时为隔离数字控制系统弱电部分与汞灯开关电源强电系统，以避免地线环流和强电对弱电造成干扰或破坏，本系统采用高线性光耦HCNR200构成模拟信号高电压隔离放大器输出控制信号，如图2所示。

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    光电二极管信号经模拟光耦HCNR200进行线性隔离，经LF412进行电压放大，最后经共模滤波输出控制电压，电路设计如图3所示。其中，HCNR200高线性模拟光耦包含一个高性能的LED，该LED光耦合到两个密切配合的光电二极管。输入光电二极管可用于监测，并借此稳定LED的光输出。因此，LED的非线性和漂移特性几乎可被完全消除，具有高线性和稳定增益特性。LF412运算放大器具有双JFET输入特性、内部消除漂移电压、低输入偏置电流、低电压噪声高电压增益。运放采用TLA31C作为基准电压源，该器件具有良好的热稳定性，输出电压可用两个电阻进行方便设置。

2．2 模拟功率计算与负载线路补偿
    电压、电流经过信号调理，A／D转换，MCU进行乘法运算得到汞灯电源输出功率并与给定功率相比较进行数字控制，可实现恒功率控制，但这种单纯数字控制的办法由于有较长的计算时间，特别是所用MCU处理速度较慢且任务繁重的情况下，无法有效提高系统响应速度，影响了系统性能的进一步提高。实测表明，在恒电流工作模式下短期汞灯电源输出电流稳定度可达±O.05％，而在恒功率模式下仅有±O.5％，还差1个数量级。这尽管有电压传感器检测精度比较低、汞灯放电性能限制造成的影响，但系统响应速度也是一个不可忽视的因素。从已完成的光强模拟闭环反馈恒光强控制系统的项目经验看，模拟PID控制能有效改善系统光强稳定性，由此可以使用模拟功率PID反馈控制提高系统恒功率控制性能，采用模拟乘法器来实现相关电路。对于线路的功率损耗补偿(汞灯工作在大电流状态，线路上压降很小而产生功率损耗相当大)，也可通过模拟乘法器来实现，进一步提高功率控制的准确性。则功率合成及负载线路补偿的结构原理图如图4所示。

    根据图4所示的结构框图可推导出：
    对于同相放大器1：
  

 

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    取N=0，M=0，同相放大器变为电压跟随器，同时取Z2=0，
  

    其中VOUT、IOUT分别为测得的汞灯电源输出电压、电流；PLAMP为汞灯实际工作功率。
    对比VP和RLAMP可知，它们有相似的公式结构，可用VP表示RLAMP。由于VV和VI从电压电流信号调理电路输出获得电压，对于电流，同前述假定100A转换成2．5 V，即：
   

    其中：KI=1／40。同样对于电压，同前述假定90 V转换成3 V，即：
   

    其中：KV=1／30。
    假定对于汞灯功率PLAMP，1 000W转换成1 V，即：
   

    因VV和VI的最大有效值为5 V，根据乘法器使用说明取SF=5。并代入KI、KV和KP的值可得：
   

    这说明1／KZ环节确实是比例衰减环节，可由VP的分压器构成，实际上各比例因子均可能有误差，由KI、KV、KZ和SF求取KP进行计算是必要的：
   

    可见衰减比KZ减小后(也即基于VP的反馈信号增强)，同样VP值代表的功率变大了。
    关于K的计算，由于实际上线路电阻RLOST非常小不易直接测量，需通过别的方式反映RLOST的大小，可实测电流为IOUT时线路的电压降VLOST的值VLOST=VOUT-VLAMP，则有：
   

   

    由于负载线路补偿具有正反馈特性，所以宁可欠补偿也不能过补偿以免引起系统振荡或不稳定，也就是说衰减要比K大，但不能小。通过上述示例计算，设计出参数确定的基于硬件乘法器的功率合成及负载线路补偿电路硬件，实际电路设计中由于电路中不可避免存在偏置电压，需在适当位置处分别加上调零电路。
    在得到功率合成信号VP以后，类似光强模拟PID控制，构造独立功率模拟PID控制电路实现具有模拟PID功率控制内环的恒功率控制系统。相应的需对图3控制电路作相应的改变，即改成电流／功率／光强(功率PID与光强PID为各自独立的线路，给定可用同一信号)控制模拟隔离驱动电路。

3 结论
    该汞灯电源测控系统目前已成功应用到西部之光计划项目“用于平板显示器制造的反射式大面积照明系统研制”上，经过近一年运行结果表明，该系统功能完善、运行稳定、可靠、有效，恒电流控制稳定性达±0．05％，恒功率控制稳定性达±0．5％。该系统的突出特点是：采用模拟PID控制与数字控制相结合的方式实现了恒电流、恒光强、恒功率控制，能使汞灯安全、稳定工作，发挥最佳光电性能；采用模拟闭环控制输出的高压隔离、模拟乘法器计算功率信号并进行负载线路功率损耗补偿的实时功率计算的方法、并使用模拟控制与数字控制相结合的方式有效提高了功率控制的稳定性。