超高压汞灯功率控制研究

2012-06-28刘卫平葛劢冲

电子工业专用设备 2012年4期

刘卫平，葛劢冲

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京100176)

目前在接触—接近式光刻机中，普遍采用超高压汞灯作为发光源，该灯属于高强度气体放电灯，亮度高、近紫外谱线集中，光谱基本覆盖了聚酯胶类抗蚀剂的感光灵敏区，但该灯需高压触发方可点燃，启动电流大，发光易受环境温度、电网电压、以及汞灯老化等因素的影响而波动，影响曝光效果；因此超高压汞灯对控制电源要求苛刻，控制难度高；不仅要求点灯可靠，过渡过程平稳，还需要保证汞灯发光的稳定性以满足生产工艺的要求。本文介绍的开关汞灯电源，采用恒功率控制，经过微电子工艺线实际使用，不仅可靠，而且光强稳定性好。

1 电源的控制原理及主要电路结构

如原理框图（见图1）所示，系统主要由功率电路、控制驱动电路、信号采样电路、高压触发电路，以及辅助电源构成。其中，功率电路是电源的主功率通道；采样电路、控制电路、驱动电路几部分构成功率闭环控制电路，控制汞灯的供电功率；高压触发电路用于启动瞬间产生高电压触发汞灯。

图1 超高压汞灯电源原理框图

1.1 功率电路

微电子专用设备对电源可靠性要求高，功率电路是功率传输通道，其能否长时间可靠运行是设计成功与否的关键，考虑到半桥逆变电路结构简单，抗不平衡能力强，所以功率主回路采用半桥电路，这样有利于提高电源的可靠性。

图2是功率电路示意图，其工作原理：两功率开关管V1、V2在相差为180°的双路脉冲驱动下交替导通和截止，在变压器T原边产生高压开关脉冲，从而在副边感应出交变的方波脉冲，高频变压器次级两只快恢复二极管V3、V4亦随之交替导通，两管轮流通过电感L向负载提供功率；电感L在V3、V4任一管导通时，一方面向负载供给功率，另一方面储存能量，当两管都关断时，储存在电感中的能量继续向负载供电，这样负载得到的将是连续的能量供给。

图2 功率电路示意图

假设二极管V3、V4、电感 L、电容C4均为理想元件，任一管导通和两管同时关断视为一个周期，那么在一个周期内：

当任一整流管导通时（Ton），半桥电路通过高频变压器、快恢复二极管向电感L储存磁能，同时供给输出电流；电感L上的电压电流方程为：

上式左边即为整流管导通期间电感L上电流增加部分：

在Ton至T这段时间内，整流管截止，电感L在释放磁能的同时供给输出电流。此时电感L上的电压电流方程为：

上式左边为整流管截止期间电感L上电流的减少量：

在稳定状态下，电感L上的磁能和释放的磁能达到平衡，即 △Ion=△Ioff，所以：

因为电感L输入输出电流相等，所以有：

由此可见，在一定工作频率下，改变导通时间Ton（即调节导通脉冲的宽度）即可调节、稳定输出功率，达到稳定光强的目的。

1.2 功率控制电路

要提高光源的光强稳定性，必须要供给超高压汞灯稳定的供电功率，这就要求功率控制电路不仅能稳定可靠的工作，而且要响应速度快，灵敏度高，才能降低汞灯功率的波动，保证光强的稳定性，为此，功率控制电路采用模拟功率负反馈控制，将采样电路采集的汞灯电压、电流信号通过乘法器相乘(P=U×I)，形成功率型号，此信号作为反馈信号与功率给定信号比较，再通过脉宽控制电路（PWM）调节功率电路的输出、稳定输出功率。调节系统采用模拟电路控制，信号传输时间短，反应速度快。电压电流信号检测元件用霍尔磁平衡传感器(反应时间＜500 ns)，反应时间短、检测精度高，有利于进一步提高灵敏度。（见图 3）。

图3 控制电路框图

1.3 高压触发电路

超高压汞灯属于高强度气体放电灯，须用数千伏乃至上万伏的高压才能触发点燃，为保证汞灯的正常起弧，触发电路需能产生10 kV以上的高压脉冲，同时为了保证汞灯能有长的寿命，点灯时需要起弧时间短，触发器功率适当，否则会影响灯的使用寿命。

图4 触发电路原路图

触发电路原理如图4所示，触发开关S1接通后。输入电压经升压变压器T1一次升压，引起连接在次级的放电火花塞放电，火花放电会在脉冲变压器T2初级和电容C1所在的回路中产生频谱非常丰富的电流波，引起LC电路谐振，再经脉冲变压器升压，形成上万伏的高压触发汞灯；为保证有足够的触发能量，脉冲变压器和谐振电路元器件功率容量要设计的足够大。

2 设计结果分析

恒功率超高压汞灯电源按照设计路线、技术指标完成样机，在空载状态下开机时，电源的各项参数均符合要求，但在点灯试验时，发现控制系统多次发生紊乱，个别控制电路出现损坏现象，分析原因，是高压触发干扰窜入控制电路，导致控制系统紊乱，分别对干扰源和干扰对象采取相应的抗干扰措施，并经过反复试验，系统终于工作正常，触发可靠，过渡过程平稳；用示波仪观察高频变压器原边脉冲电压波形，如图5所示。