4500W超高壓汞燈光源控制系統(tǒng)研究

馬 平，胡志成，胡 松，徐文祥

(中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所，四川成都610209)

隨著微細(xì)加工技術(shù)的迅猛發(fā)展，集成度要求越來(lái)越高，芯片面積越來(lái)越大，這一趨勢(shì)也直接促使目前對(duì)超大面積光刻設(shè)備(12英寸以上)的巨大現(xiàn)實(shí)需求。特別是近年來(lái)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?lián)Q代，其相應(yīng)的光刻加工設(shè)備也必須向超大面積方向跨越發(fā)展，而曝光系統(tǒng)作為超大面積光刻設(shè)備的核心關(guān)鍵單元，可以說(shuō)代表了此類設(shè)備的整體研制水平。超大面積曝光系統(tǒng)要求照明區(qū)域大、照明強(qiáng)度高和照明均勻性好，是超大面積光刻設(shè)備研制的一個(gè)難點(diǎn)，而要滿足以上要求，除了高性能光學(xué)成像系統(tǒng)外，光源控制系統(tǒng)同樣至關(guān)重要。就目前而言，國(guó)內(nèi)外超大面積光刻、制版設(shè)備曝光系統(tǒng)大都采用超高壓球形汞燈作為曝光光源[1]，因?yàn)樵摴庠垂β蚀?、電流大、點(diǎn)亮后可輻射出很強(qiáng)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(qū)。但該光源具有難點(diǎn)亮、易爆碎、價(jià)格昂貴、壽命短的缺點(diǎn)[2]，特別是對(duì)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(qiáng)的穩(wěn)定性和使用壽命。對(duì)于一臺(tái)性能優(yōu)良的光刻設(shè)備來(lái)說(shuō)，必須要有一個(gè)能夠提供安全、可靠、光強(qiáng)穩(wěn)定的曝光光源控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量微細(xì)加工。本文將就用于超大面積光刻設(shè)備(曝光面積＞370mm×430mm)汞燈光源控制系統(tǒng)的總體控制方案進(jìn)行簡(jiǎn)要闡述，重點(diǎn)研究控制系統(tǒng)信號(hào)放大電路、燈室溫度采樣放大電路及信號(hào)反饋控制方法。

1 光源控制系統(tǒng)研究

1.1 光源控制系統(tǒng)總體方案及其特點(diǎn)

光源控制系統(tǒng)主要包括低波動(dòng)電源(提供穩(wěn)定的工作電壓和電流)，啟動(dòng)點(diǎn)亮裝置(提供啟動(dòng)時(shí)的高電壓)，狀態(tài)檢測(cè)設(shè)備(監(jiān)測(cè)電源的工作狀態(tài))和通風(fēng)制冷設(shè)備，溫度傳感器(監(jiān)控?zé)羰业臏囟?等。

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，光源組件包括 OFF(停止)，WARMUP(預(yù)熱)，STANDBY(待機(jī))和EXPOSE(允許曝光)4個(gè)狀態(tài)：

(1)OFF：光源組件已經(jīng)Power On，但是高壓汞燈還未點(diǎn)亮的時(shí)候，光源組件處于OFF狀態(tài)。

(2)WARMUP：高壓點(diǎn)亮過(guò)程中，光源組件的電壓和電流波動(dòng)很大，此時(shí)光源組件處于WARMUP狀態(tài)。

(3)EXPOSE：高壓點(diǎn)亮流程結(jié)束，光源組件已經(jīng)達(dá)到額定的工作電流和電壓，能夠穩(wěn)定工作的時(shí)候，光源組件處于EXPOSE狀態(tài)。

(4)STANDBY：在EXPOSE狀態(tài)下，光源組件能夠?qū)?shí)際功率降至額定功率的70%，進(jìn)入STANDBY狀態(tài)，并能夠快速恢復(fù)到EXPOSE狀態(tài)(不需要高壓點(diǎn)亮)。

狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖1所示。

圖1 光源狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

光源控制系統(tǒng)整體控制方案如圖2所示。

圖2 光源控制系統(tǒng)整體控制方案框圖

該控制系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)及特點(diǎn)：

(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(fā)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(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)，并由此獲得汞燈電源的電壓、電流、功率以及工作狀態(tài)；

(3)對(duì)燈室進(jìn)行風(fēng)冷并進(jìn)行溫度監(jiān)控，同時(shí)檢測(cè)光源系統(tǒng)輸出光強(qiáng)以對(duì)電源進(jìn)行控制；

(4)上下位機(jī)采用RS485協(xié)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(tài)監(jiān)測(cè)的汞燈并行接口采用光藕隔離；

(6)采用單片機(jī)構(gòu)成監(jiān)控系統(tǒng)下位機(jī)，其主要負(fù)責(zé)：

a.汞燈電源輸出電壓電流轉(zhuǎn)換、用于燈室溫度檢測(cè)的信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路，燈室風(fēng)扇監(jiān)控電路；

b.光刻機(jī)曝光快門時(shí)間控制電路及汞燈工作時(shí)間累計(jì)；

c.調(diào)節(jié)汞燈電源電流的模擬調(diào)節(jié)電路、D/A轉(zhuǎn)換電路；

d.電源工作狀態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、監(jiān)控的繼電保護(hù)電路以及各個(gè)部分的光電隔離電路(包括汞燈觸發(fā)模塊的隔離控制電路及RS485光電隔離電路)。

1.2 信號(hào)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(hào)Vo經(jīng)霍爾電壓隔離傳感器 (實(shí)際上由電阻網(wǎng)絡(luò)將電壓信號(hào)變成電流信號(hào)，再由磁平衡電流傳感器產(chǎn)生電流信號(hào)構(gòu)成)變換成0～10mA電流信號(hào)IVOS，經(jīng)取樣電阻再次變換成電壓信號(hào)Vs1，經(jīng)信號(hào)調(diào)理放大器進(jìn)行零位調(diào)節(jié)和增益調(diào)節(jié)，經(jīng)過(guò)低通濾波和單位增益放大器生成待采樣的信號(hào)VSout1。

圖3 輸出電壓采樣放大電路框圖

與電壓信號(hào)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(hào)Io經(jīng)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(hào)Iios，經(jīng)取樣電阻再次變換成電壓信號(hào)Vs2，經(jīng)信號(hào)調(diào)理放大器進(jìn)行零位調(diào)節(jié)和增益調(diào)節(jié)，經(jīng)過(guò)低通濾波和單位增益放大器生成待采樣的信號(hào)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(jīng)由恒流源激勵(lì)的三線鉑熱電阻產(chǎn)生電壓信號(hào)Vt，與電阻分壓網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的電壓信號(hào)一起送入差分放大器、經(jīng)增益調(diào)節(jié)、低通濾波和單位增益放大器生成待采樣的信號(hào)VSout3。

圖5 燈室溫度采樣放大電路框圖

1.4 信號(hào)反饋控制

信號(hào)反饋控制如圖6所示，各路待采樣信號(hào)經(jīng)8選1模擬開(kāi)關(guān)送入16位A/D將模擬信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)MCU處理判斷，再經(jīng)12位D/A變換為模擬信號(hào)(用于控制電源輸出電流的電壓信號(hào))，送至4 500W 電源，構(gòu)成閉環(huán)反饋控制流。另外，MCU根據(jù)采樣的輸入信號(hào)，經(jīng)處理判斷產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)、LED數(shù)碼管顯示信號(hào)、以及相應(yīng)的繼電器控制信號(hào)。同時(shí)MCU還處理開(kāi)關(guān)量輸入輸出、鍵盤信號(hào)、以及RS485通訊(完成和上位機(jī)之間的參數(shù)傳輸、信號(hào)控制)、EEPROM存儲(chǔ)管理以完成參數(shù)保存(電壓、電流、功率、時(shí)間等)。

圖6 信號(hào)反饋控制方框圖

2 結(jié)論

本文所述大功率、超高壓汞燈光源控制系統(tǒng)同時(shí)具有恒電流控制、恒光強(qiáng)控制和恒功率控制功能，并且啟動(dòng)時(shí)采用脈沖式軟點(diǎn)燃工作方式，可有效延長(zhǎng)汞燈的使用壽命等諸多優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)然，汞燈屬于高強(qiáng)度氣體放電燈(HID)，控制難度很高，目前該控制系統(tǒng)已經(jīng)運(yùn)行近一年，雖有不足之處需繼續(xù)改進(jìn)，但總體設(shè)計(jì)是成功的，相信通過(guò)我們的不斷努力、精益求精，必能使該系統(tǒng)性能達(dá)到更高的水平。

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

[2]陳小鐸.超高壓汞燈電源及其控制技術(shù)[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，1996,(3):25-28.