4500W超高壓汞燈光源控制系統研究

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)

隨著微細加工技術的迅猛發展，集成度要求越來越高，芯片面積越來越大，這一趨勢也直接促使目前對超大面積光刻設備(12英寸以上)的巨大現實需求。特別是近年來隨著聲表器件及超大面積、高容量液晶顯示器等器件加速更新換代，其相應的光刻加工設備也必須向超大面積方向跨越發展，而曝光系統作為超大面積光刻設備的核心關鍵單元，可以說代表了此類設備的整體研制水平。超大面積曝光系統要求照明區域大、照明強度高和照明均勻性好，是超大面積光刻設備研制的一個難點，而要滿足以上要求，除了高性能光學成像系統外，光源控制系統同樣至關重要。就目前而言，國內外超大面積光刻、制版設備曝光系統大都采用超高壓球形汞燈作為曝光光源[1]，因為該光源功率大、電流大、點亮后可輻射出很強的紫外光譜，這些譜線基本上覆蓋了聚酯類光刻膠的感光區。但該光源具有難點亮、易爆碎、價格昂貴、壽命短的缺點[2]，特別是對于超大功率、高壓汞燈，其控制電源的性能直接影響了該燈光強的穩定性和使用壽命。對于一臺性能優良的光刻設備來說，必須要有一個能夠提供安全、可靠、光強穩定的曝光光源控制系統來實現高質量微細加工。本文將就用于超大面積光刻設備(曝光面積＞370mm×430mm)汞燈光源控制系統的總體控制方案進行簡要闡述，重點研究控制系統信號放大電路、燈室溫度采樣放大電路及信號反饋控制方法。

1 光源控制系統研究

1.1 光源控制系統總體方案及其特點

光源控制系統主要包括低波動電源(提供穩定的工作電壓和電流)，啟動點亮裝置(提供啟動時的高電壓)，狀態檢測設備(監測電源的工作狀態)和通風制冷設備，溫度傳感器(監控燈室的溫度)等。

根據光源組件的實際工作情況和曝光系統控制需要，光源組件包括 OFF(停止)，WARMUP(預熱)，STANDBY(待機)和EXPOSE(允許曝光)4個狀態：

(1)OFF：光源組件已經Power On，但是高壓汞燈還未點亮的時候，光源組件處于OFF狀態。

(2)WARMUP：高壓點亮過程中，光源組件的電壓和電流波動很大，此時光源組件處于WARMUP狀態。

(3)EXPOSE：高壓點亮流程結束，光源組件已經達到額定的工作電流和電壓，能夠穩定工作的時候，光源組件處于EXPOSE狀態。

(4)STANDBY：在EXPOSE狀態下，光源組件能夠將實際功率降至額定功率的70%，進入STANDBY狀態，并能夠快速恢復到EXPOSE狀態(不需要高壓點亮)。

狀態之間的轉換關系如圖1所示。

圖1 光源狀態轉換圖

光源控制系統整體控制方案如圖2所示。

圖2 光源控制系統整體控制方案框圖

該控制系統主要技術指標及特點：

(1)額定輸出電壓為0～40 V、額定輸出電流為100～150 A、額定輸出功率為4 500W、汞燈觸發模塊輸出電壓大于20 kV；

(2)采用霍爾電壓電流隔離變換器隔離汞燈電源系統和監控系統，并由此獲得汞燈電源的電壓、電流、功率以及工作狀態；

(3)對燈室進行風冷并進行溫度監控，同時檢測光源系統輸出光強以對電源進行控制；

(4)上下位機采用RS485協議通信，并采用光耦隔離提高抗干擾性能；

(5)用于光源組件的曝光控制和狀態監測的汞燈并行接口采用光藕隔離；

(6)采用單片機構成監控系統下位機，其主要負責：

a.汞燈電源輸出電壓電流轉換、用于燈室溫度檢測的信號調理電路、A/D轉換電路，燈室風扇監控電路；

b.光刻機曝光快門時間控制電路及汞燈工作時間累計；

c.調節汞燈電源電流的模擬調節電路、D/A轉換電路；

d.電源工作狀態進行轉換、監控的繼電保護電路以及各個部分的光電隔離電路(包括汞燈觸發模塊的隔離控制電路及RS485光電隔離電路)。

1.2 信號放大電路

輸出電壓采樣放大電路如圖3所示，輸出電壓信號Vo經霍爾電壓隔離傳感器 (實際上由電阻網絡將電壓信號變成電流信號，再由磁平衡電流傳感器產生電流信號構成)變換成0～10mA電流信號IVOS，經取樣電阻再次變換成電壓信號Vs1，經信號調理放大器進行零位調節和增益調節，經過低通濾波和單位增益放大器生成待采樣的信號VSout1。

圖3 輸出電壓采樣放大電路框圖

與電壓信號放大電路類似，輸出電流采樣放大電路如圖4所示，輸出電流信號Io經霍爾電流隔離傳感器(磁平衡電流傳感器)變換成0～100mA電流信號Iios，經取樣電阻再次變換成電壓信號Vs2，經信號調理放大器進行零位調節和增益調節，經過低通濾波和單位增益放大器生成待采樣的信號VSout2。

圖4 輸出電流采樣放大電路框圖

1.3 燈室溫度采樣放大電路

燈室溫度采樣放大電路如圖5所示，燈室空氣溫度經由恒流源激勵的三線鉑熱電阻產生電壓信號Vt，與電阻分壓網絡產生的電壓信號一起送入差分放大器、經增益調節、低通濾波和單位增益放大器生成待采樣的信號VSout3。

圖5 燈室溫度采樣放大電路框圖

1.4 信號反饋控制

信號反饋控制如圖6所示，各路待采樣信號經8選1模擬開關送入16位A/D將模擬信號變換成數字信號，經MCU處理判斷，再經12位D/A變換為模擬信號(用于控制電源輸出電流的電壓信號)，送至4 500W 電源，構成閉環反饋控制流。另外，MCU根據采樣的輸入信號，經處理判斷產生報警信號、LED數碼管顯示信號、以及相應的繼電器控制信號。同時MCU還處理開關量輸入輸出、鍵盤信號、以及RS485通訊(完成和上位機之間的參數傳輸、信號控制)、EEPROM存儲管理以完成參數保存(電壓、電流、功率、時間等)。

圖6 信號反饋控制方框圖

2 結論

本文所述大功率、超高壓汞燈光源控制系統同時具有恒電流控制、恒光強控制和恒功率控制功能，并且啟動時采用脈沖式軟點燃工作方式，可有效延長汞燈的使用壽命等諸多優點。當然，汞燈屬于高強度氣體放電燈(HID)，控制難度很高，目前該控制系統已經運行近一年，雖有不足之處需繼續改進，但總體設計是成功的，相信通過我們的不斷努力、精益求精，必能使該系統性能達到更高的水平。

[1]丁嘉群.曝光能量控制方式的分析及應用[J].LSI制造與測試，199l,(4):26-33.

[2]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,(3):25-28.