隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展,，為最大程度提高微細(xì)加工的生產(chǎn)效率,，超大面積光刻設(shè)備的需求也在不斷增加。而大面積,、高強(qiáng)度,、高均勻性的曝光系統(tǒng)正是此類(lèi)設(shè)備的核心單元系統(tǒng)，是影響其分辨力和生產(chǎn)率的關(guān)鍵因素,。滿足以上要求,，除了具有高性能光學(xué)成像系統(tǒng)外，光源控制系統(tǒng)至關(guān)重要,。超大面積光刻設(shè)備曝光系統(tǒng)一般采用kW級(jí)大功率汞燈作為光源,，這種汞燈光源由于發(fā)熱量大，汞燈運(yùn)行狀態(tài)及燈室環(huán)境對(duì)光強(qiáng),、光效等光電性能,、汞燈及光源組件安全工作及壽命有很大影響。目前國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)的汞燈電源控制系統(tǒng)僅僅能夠提供恒流電源點(diǎn)亮汞燈的功能,，或者有的系統(tǒng)能夠工作在近似恒功率" title="恒功率">恒功率狀態(tài)下,，但這些都不能完全滿足目前超大面積光刻設(shè)備對(duì)電源控制系統(tǒng)的要求，如友好的人機(jī)交互,、及時(shí)故障診斷,、系統(tǒng)有效保護(hù)、燈室溫度控制,、汞燈壽命控制,、完全的恒功率恒光強(qiáng)控制、遠(yuǎn)程通信與控制等功能要求,。為此,，研究了用于i線光刻機(jī)大功率汞燈電源測(cè)控系統(tǒng)" title="測(cè)控系統(tǒng)">測(cè)控系統(tǒng)。這里主要論述了汞燈電源測(cè)控系統(tǒng)功能,、組成及工作過(guò)程,，模擬閉環(huán)控制" title="閉環(huán)控制">閉環(huán)控制輸出的高壓隔離以及模擬功率計(jì)算與負(fù)載線路補(bǔ)償?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)單元設(shè)計(jì)。

1 汞燈電源測(cè)控系統(tǒng)
1．1 主要功能
    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,，汞燈電源測(cè)控系統(tǒng)在汞燈啟動(dòng)(預(yù)熱),、穩(wěn)定工作,、待機(jī)、停止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中,，對(duì)其電壓,、電流、功率,、工作時(shí)間和燈室溫度(或汞燈陽(yáng)極溫度)進(jìn)行監(jiān)控、顯示及安全保護(hù),。同時(shí)該測(cè)控系統(tǒng)還具有故障診斷,、系統(tǒng)重要參數(shù)設(shè)置、保存及定時(shí)曝光等功能,。該測(cè)控系統(tǒng)通過(guò)程序控制可在其控制面板顯示,、設(shè)置并自動(dòng)保存電壓、電流,、功率,、汞燈總工作時(shí)間、燈室溫度,、當(dāng)前快門(mén)曝光時(shí)間(倒計(jì)數(shù))的運(yùn)行值以及汞燈電源測(cè)控系統(tǒng)狀態(tài)的顯示切換,。該控制器內(nèi)部固化的額定參數(shù)限制檢測(cè)可兼容兩種型號(hào)的汞燈。此外,，基于光刻工藝自動(dòng)控制的需要,，該測(cè)控系統(tǒng)可通過(guò)RS485串行接口與上位嵌入式計(jì)算機(jī)交換狀態(tài)信號(hào)和各類(lèi)參數(shù)信息，完成遠(yuǎn)程控制的功能,。
1．2 結(jié)構(gòu)組成與工作過(guò)程
    汞燈電源測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示,。其工作過(guò)程為：?jiǎn)?dòng)由三相380 V交流電源供電的4 500 W恒流汞燈電源后，開(kāi)始汞燈未工作,，為開(kāi)路狀態(tài),，汞燈電源的輔助次高壓電源對(duì)輸出電容充電，當(dāng)電容電壓達(dá)到汞燈觸發(fā)模塊的啟動(dòng)電壓后,，觸發(fā)器輸出具有一定脈寬的高頻電壓(峰值大于20 kV)觸發(fā)汞燈,，同時(shí)汞燈電源輸出低壓大電流，汞燈點(diǎn)亮進(jìn)入啟動(dòng)預(yù)熱狀態(tài),。汞燈電源的輔助次高壓電源在開(kāi)機(jī)后延時(shí)一段時(shí)間將自動(dòng)切斷,，同時(shí)汞燈點(diǎn)亮后，其兩端電壓急劇下降到十多伏,，這樣就避免了觸發(fā)器在汞燈導(dǎo)通后繼續(xù)工作輸出高壓而造成汞燈或電源的損壞,。為避免汞燈從高壓觸發(fā)到低壓大電流點(diǎn)亮過(guò)程中的強(qiáng)電磁干擾對(duì)電壓電流檢測(cè)的影響而引起系統(tǒng)過(guò)流、過(guò)壓,、過(guò)功率保護(hù)等誤動(dòng)作以及閉環(huán)控制的不穩(wěn)定,，控制器在汞燈點(diǎn)亮過(guò)程中輸出固定電平使汞燈電源工作于固定電壓控制的恒流工作狀態(tài),，通過(guò)磁平衡霍爾電流傳感器檢測(cè)到汞燈電流大于某值可認(rèn)為汞燈點(diǎn)亮，若在一段時(shí)間后且電源電壓已能使汞燈觸發(fā)器工作,，仍未檢測(cè)到汞燈點(diǎn)亮,，即認(rèn)為汞燈未接、開(kāi)路,、損壞或觸發(fā)器損壞,，為保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)，切斷電源(OFF)并指示錯(cuò)誤狀態(tài),。汞燈確認(rèn)點(diǎn)亮后,，由控制系統(tǒng)閉環(huán)控制汞燈電流輸出為最大允許值，以使汞燈迅速加熱,，汞燈電壓逐漸上升,，這期間通過(guò)電壓和電流傳感器檢測(cè)汞燈電壓、電流,，單片機(jī)計(jì)算得出汞燈功率,，當(dāng)電壓達(dá)到額定值的90％或功率達(dá)到給定值的95％時(shí)切換到恒電流" title="恒電流">恒電流或恒功率(由用戶設(shè)置，缺省為恒功率)狀態(tài),，當(dāng)電流或功率達(dá)到給定狀態(tài)并穩(wěn)定在一定誤差范圍即認(rèn)為汞燈穩(wěn)定并允許曝光(實(shí)際可能還要等待一段時(shí)間使光強(qiáng)穩(wěn)定)并給出相應(yīng)信號(hào),，當(dāng)光源暫時(shí)不需要使用時(shí)，為節(jié)省能源和延長(zhǎng)汞燈使用壽命,，允許汞燈電流和功率降低,，即在待機(jī)模式下工作。由于汞燈啟動(dòng)和正常工作(并保證正常的光效)等過(guò)程中均必須有合適的溫度環(huán)境,，這也是燈室和汞燈,、光源組件安全工作的需要，這項(xiàng)任務(wù)由單片機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采樣溫度信號(hào)并對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制來(lái)完成,。

2 汞燈電源測(cè)控系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)
2．1 電流／光強(qiáng)控制模擬隔離驅(qū)動(dòng)
    為保證汞燈電源的電流,、功率或光強(qiáng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，需要對(duì)電源進(jìn)行隔離控制,。電源接收模擬控制電壓輸入以改變輸出電流,，測(cè)控系統(tǒng)經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的模擬量輸出通道執(zhí)行來(lái)自數(shù)字控制系統(tǒng)的D／A轉(zhuǎn)換器輸出(包括對(duì)電流、功率或光強(qiáng)的輸出),，同時(shí)為隔離數(shù)字控制系統(tǒng)弱電部分與汞燈開(kāi)關(guān)電源強(qiáng)電系統(tǒng),，以避免地線環(huán)流和強(qiáng)電對(duì)弱電造成干擾或破壞，本系統(tǒng)采用高線性光耦HCNR200構(gòu)成模擬信號(hào)高電壓隔離放大器輸出控制信號(hào),，如圖2所示,。

    光電二極管信號(hào)經(jīng)模擬光耦HCNR200進(jìn)行線性隔離，經(jīng)LF412進(jìn)行電壓放大,，最后經(jīng)共模濾波輸出控制電壓,，電路設(shè)計(jì)如圖3所示,。其中，HCNR200高線性模擬光耦包含一個(gè)高性能的LED,，該LED光耦合到兩個(gè)密切配合的光電二極管,。輸入光電二極管可用于監(jiān)測(cè)，并借此穩(wěn)定LED的光輸出,。因此,，LED的非線性和漂移特性幾乎可被完全消除，具有高線性和穩(wěn)定增益特性,。LF412運(yùn)算放大器具有雙JFET輸入特性,、內(nèi)部消除漂移電壓、低輸入偏置電流,、低電壓噪聲高電壓增益。運(yùn)放采用TLA31C作為基準(zhǔn)電壓源,，該器件具有良好的熱穩(wěn)定性,，輸出電壓可用兩個(gè)電阻進(jìn)行方便設(shè)置。

2．2 模擬功率計(jì)算與負(fù)載線路補(bǔ)償
    電壓,、電流經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理,，A／D轉(zhuǎn)換，MCU進(jìn)行乘法運(yùn)算得到汞燈電源輸出功率并與給定功率相比較進(jìn)行數(shù)字控制,，可實(shí)現(xiàn)恒功率控制,，但這種單純數(shù)字控制的辦法由于有較長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間，特別是所用MCU處理速度較慢且任務(wù)繁重的情況下,，無(wú)法有效提高系統(tǒng)響應(yīng)速度,，影響了系統(tǒng)性能的進(jìn)一步提高。實(shí)測(cè)表明,，在恒電流工作模式下短期汞燈電源輸出電流穩(wěn)定度可達(dá)±O.05％,，而在恒功率模式下僅有±O.5％，還差1個(gè)數(shù)量級(jí),。這盡管有電壓傳感器檢測(cè)精度比較低,、汞燈放電性能限制造成的影響，但系統(tǒng)響應(yīng)速度也是一個(gè)不可忽視的因素,。從已完成的光強(qiáng)模擬閉環(huán)反饋恒光強(qiáng)控制系統(tǒng)的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)看,，模擬PID控制能有效改善系統(tǒng)光強(qiáng)穩(wěn)定性，由此可以使用模擬功率PID反饋控制提高系統(tǒng)恒功率控制性能,，采用模擬乘法器來(lái)實(shí)現(xiàn)相關(guān)電路,。對(duì)于線路的功率損耗補(bǔ)償(汞燈工作在大電流狀態(tài)，線路上壓降很小而產(chǎn)生功率損耗相當(dāng)大),，也可通過(guò)模擬乘法器來(lái)實(shí)現(xiàn),，進(jìn)一步提高功率控制的準(zhǔn)確性,。則功率合成及負(fù)載線路補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)構(gòu)原理圖如圖4所示。

    根據(jù)圖4所示的結(jié)構(gòu)框圖可推導(dǎo)出：
    對(duì)于同相放大器1：
  
 
    取N=0,，M=0,，同相放大器變?yōu)殡妷焊S器，同時(shí)取Z2=0,，
  
    其中VOUT,、IOUT分別為測(cè)得的汞燈電源輸出電壓、電流,；PLAMP為汞燈實(shí)際工作功率,。
    對(duì)比VP和RLAMP可知，它們有相似的公式結(jié)構(gòu),，可用VP表示RLAMP,。由于VV和VI從電壓電流信號(hào)調(diào)理電路輸出獲得電壓，對(duì)于電流,，同前述假定100A轉(zhuǎn)換成2．5 V,，即：
   
    其中：KI=1／40。同樣對(duì)于電壓,，同前述假定90 V轉(zhuǎn)換成3 V,，即：
   
    其中：KV=1／30。
    假定對(duì)于汞燈功率PLAMP,，1 000W轉(zhuǎn)換成1 V,，即：
   
    因VV和VI的最大有效值為5 V，根據(jù)乘法器使用說(shuō)明取SF=5,。并代入KI,、KV和KP的值可得：
   
    這說(shuō)明1／KZ環(huán)節(jié)確實(shí)是比例衰減環(huán)節(jié)，可由VP的分壓器構(gòu)成,，實(shí)際上各比例因子均可能有誤差,，由KI、KV,、KZ和SF求取KP進(jìn)行計(jì)算是必要的：
   
    可見(jiàn)衰減比KZ減小后(也即基于VP的反饋信號(hào)增強(qiáng)),，同樣VP值代表的功率變大了。
    關(guān)于K的計(jì)算,，由于實(shí)際上線路電阻RLOST非常小不易直接測(cè)量,，需通過(guò)別的方式反映RLOST的大小，可實(shí)測(cè)電流為IOUT時(shí)線路的電壓降VLOST的值VLOST=VOUT-VLAMP,，則有：
   
   
    由于負(fù)載線路補(bǔ)償具有正反饋特性,，所以寧可欠補(bǔ)償也不能過(guò)補(bǔ)償以免引起系統(tǒng)振蕩或不穩(wěn)定，也就是說(shuō)衰減要比K大，但不能小,。通過(guò)上述示例計(jì)算,，設(shè)計(jì)出參數(shù)確定的基于硬件乘法器的功率合成及負(fù)載線路補(bǔ)償電路硬件，實(shí)際電路設(shè)計(jì)中由于電路中不可避免存在偏置電壓,，需在適當(dāng)位置處分別加上調(diào)零電路,。
    在得到功率合成信號(hào)VP以后，類(lèi)似光強(qiáng)模擬PID控制,，構(gòu)造獨(dú)立功率模擬PID控制電路實(shí)現(xiàn)具有模擬PID功率控制內(nèi)環(huán)的恒功率控制系統(tǒng),。相應(yīng)的需對(duì)圖3控制電路作相應(yīng)的改變，即改成電流／功率／光強(qiáng)(功率PID與光強(qiáng)PID為各自獨(dú)立的線路,，給定可用同一信號(hào))控制模擬隔離驅(qū)動(dòng)電路,。

3 結(jié)論
    該汞燈電源測(cè)控系統(tǒng)目前已成功應(yīng)用到西部之光計(jì)劃項(xiàng)目“用于平板顯示器制造的反射式大面積照明系統(tǒng)研制”上，經(jīng)過(guò)近一年運(yùn)行結(jié)果表明,，該系統(tǒng)功能完善,、運(yùn)行穩(wěn)定、可靠,、有效,，恒電流控制穩(wěn)定性達(dá)±0．05％，恒功率控制穩(wěn)定性達(dá)±0．5％,。該系統(tǒng)的突出特點(diǎn)是：采用模擬PID控制與數(shù)字控制相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)了恒電流、恒光強(qiáng),、恒功率控制,，能使汞燈安全、穩(wěn)定工作,，發(fā)揮最佳光電性能,；采用模擬閉環(huán)控制輸出的高壓隔離、模擬乘法器計(jì)算功率信號(hào)并進(jìn)行負(fù)載線路功率損耗補(bǔ)償?shù)膶?shí)時(shí)功率計(jì)算的方法,、并使用模擬控制與數(shù)字控制相結(jié)合的方式有效提高了功率控制的穩(wěn)定性,。