4500W超高压汞灯光源控制系统研究

马 平，胡志成，胡 松，徐文祥

(中国科学院光电技术研究所，四川成都610209)

随着微细加工技术的迅猛发展，集成度要求越来越高，芯片面积越来越大，这一趋势也直接促使目前对超大面积光刻设备(12英寸以上)的巨大现实需求。特别是近年来随着声表器件及超大面积、高容量液晶显示器等器件加速更新换代，其相应的光刻加工设备也必须向超大面积方向跨越发展，而曝光系统作为超大面积光刻设备的核心关键单元，可以说代表了此类设备的整体研制水平。超大面积曝光系统要求照明区域大、照明强度高和照明均匀性好，是超大面积光刻设备研制的一个难点，而要满足以上要求，除了高性能光学成像系统外，光源控制系统同样至关重要。就目前而言，国内外超大面积光刻、制版设备曝光系统大都采用超高压球形汞灯作为曝光光源[1]，因为该光源功率大、电流大、点亮后可辐射出很强的紫外光谱，这些谱线基本上覆盖了聚酯类光刻胶的感光区。但该光源具有难点亮、易爆碎、价格昂贵、寿命短的缺点[2]，特别是对于超大功率、高压汞灯，其控制电源的性能直接影响了该灯光强的稳定性和使用寿命。对于一台性能优良的光刻设备来说，必须要有一个能够提供安全、可靠、光强稳定的曝光光源控制系统来实现高质量微细加工。本文将就用于超大面积光刻设备(曝光面积＞370mm×430mm)汞灯光源控制系统的总体控制方案进行简要阐述，重点研究控制系统信号放大电路、灯室温度采样放大电路及信号反馈控制方法。

1 光源控制系统研究

1.1 光源控制系统总体方案及其特点

光源控制系统主要包括低波动电源(提供稳定的工作电压和电流)，启动点亮装置(提供启动时的高电压)，状态检测设备(监测电源的工作状态)和通风制冷设备，温度传感器(监控灯室的温度)等。

根据光源组件的实际工作情况和曝光系统控制需要，光源组件包括 OFF(停止)，WARMUP(预热)，STANDBY(待机)和EXPOSE(允许曝光)4个状态：

(1)OFF：光源组件已经Power On，但是高压汞灯还未点亮的时候，光源组件处于OFF状态。

(2)WARMUP：高压点亮过程中，光源组件的电压和电流波动很大，此时光源组件处于WARMUP状态。

(3)EXPOSE：高压点亮流程结束，光源组件已经达到额定的工作电流和电压，能够稳定工作的时候，光源组件处于EXPOSE状态。

(4)STANDBY：在EXPOSE状态下，光源组件能够将实际功率降至额定功率的70%，进入STANDBY状态，并能够快速恢复到EXPOSE状态(不需要高压点亮)。

状态之间的转换关系如图1所示。

图1 光源状态转换图

光源控制系统整体控制方案如图2所示。

图2 光源控制系统整体控制方案框图

该控制系统主要技术指标及特点：

(1)额定输出电压为0～40 V、额定输出电流为100～150 A、额定输出功率为4 500W、汞灯触发模块输出电压大于20 kV；

(2)采用霍尔电压电流隔离变换器隔离汞灯电源系统和监控系统，并由此获得汞灯电源的电压、电流、功率以及工作状态；

(3)对灯室进行风冷并进行温度监控，同时检测光源系统输出光强以对电源进行控制；

(4)上下位机采用RS485协议通信，并采用光耦隔离提高抗干扰性能；

(5)用于光源组件的曝光控制和状态监测的汞灯并行接口采用光藕隔离；

(6)采用单片机构成监控系统下位机，其主要负责：

a.汞灯电源输出电压电流转换、用于灯室温度检测的信号调理电路、A/D转换电路，灯室风扇监控电路；

b.光刻机曝光快门时间控制电路及汞灯工作时间累计；

c.调节汞灯电源电流的模拟调节电路、D/A转换电路；

d.电源工作状态进行转换、监控的继电保护电路以及各个部分的光电隔离电路(包括汞灯触发模块的隔离控制电路及RS485光电隔离电路)。

1.2 信号放大电路

输出电压采样放大电路如图3所示，输出电压信号Vo经霍尔电压隔离传感器 (实际上由电阻网络将电压信号变成电流信号，再由磁平衡电流传感器产生电流信号构成)变换成0～10mA电流信号IVOS，经取样电阻再次变换成电压信号Vs1，经信号调理放大器进行零位调节和增益调节，经过低通滤波和单位增益放大器生成待采样的信号VSout1。

图3 输出电压采样放大电路框图

与电压信号放大电路类似，输出电流采样放大电路如图4所示，输出电流信号Io经霍尔电流隔离传感器(磁平衡电流传感器)变换成0～100mA电流信号Iios，经取样电阻再次变换成电压信号Vs2，经信号调理放大器进行零位调节和增益调节，经过低通滤波和单位增益放大器生成待采样的信号VSout2。

图4 输出电流采样放大电路框图

1.3 灯室温度采样放大电路

灯室温度采样放大电路如图5所示，灯室空气温度经由恒流源激励的三线铂热电阻产生电压信号Vt，与电阻分压网络产生的电压信号一起送入差分放大器、经增益调节、低通滤波和单位增益放大器生成待采样的信号VSout3。

图5 灯室温度采样放大电路框图

1.4 信号反馈控制

信号反馈控制如图6所示，各路待采样信号经8选1模拟开关送入16位A/D将模拟信号变换成数字信号，经MCU处理判断，再经12位D/A变换为模拟信号(用于控制电源输出电流的电压信号)，送至4 500W 电源，构成闭环反馈控制流。另外，MCU根据采样的输入信号，经处理判断产生报警信号、LED数码管显示信号、以及相应的继电器控制信号。同时MCU还处理开关量输入输出、键盘信号、以及RS485通讯(完成和上位机之间的参数传输、信号控制)、EEPROM存储管理以完成参数保存(电压、电流、功率、时间等)。

图6 信号反馈控制方框图

2 结论

本文所述大功率、超高压汞灯光源控制系统同时具有恒电流控制、恒光强控制和恒功率控制功能，并且启动时采用脉冲式软点燃工作方式，可有效延长汞灯的使用寿命等诸多优点。当然，汞灯属于高强度气体放电灯(HID)，控制难度很高，目前该控制系统已经运行近一年，虽有不足之处需继续改进，但总体设计是成功的，相信通过我们的不断努力、精益求精，必能使该系统性能达到更高的水平。

[1]丁嘉群.曝光能量控制方式的分析及应用[J].LSI制造与测试，199l,(4):26-33.

[2]陈小铎.超高压汞灯电源及其控制技术[J].电子工业专用设备，1996,(3):25-28.