CN110646684A - 加热器故障检测装置及方法、加热系统、半导体加工设备 - Google Patents

加热器故障检测装置及方法、加热系统、半导体加工设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种加热器故障检测装置、加热系统、加热器故障检测方法和半导体加工设备。该加热腔故障检测装置包括电流互感模块和控制模块；所述电流互感模块，用于感应加热器所在加热回路上的电流信号并发送至所述控制模块；所述控制模块，用于根据所述电流互感模块感应到的电流信号计算提供至所述加热器的实际输入功率，并通过所述实际输入功率、预设输入功率以及偏差功率来判断所述加热器是否故障，其中，所述偏差功率是指在所述电流互感模块的一次侧电流为零的情况下所述控制模块施加电源后检测出的自身功率。实现加热回路故障的实时准确判定。

Description

加热器故障检测装置及方法、加热系统、半导体加工设备
技术领域
本发明涉及故障检测技术领域，更具体地，涉及一种加热器故障检测装置、一种加热系统、一种加热器故障检测方法、一种半导体加工设备。
背景技术
LED刻蚀机是LED光源生产过程中所需要的设备，主要用于对GaN基外延层或蓝宝石衬底刻蚀，刻蚀的效果直接关系到光源芯片的质量高低。LED刻蚀机在刻蚀时的工艺温度是影响刻蚀工艺结果重要因素之一。为了实现准确控温以及保证温度的均匀性，现有技术中对腔室的不同区域分别设置有加热器和测温器以及开关等部件进行温控。
由于加热器具有一定的寿命，且容易发生故障，而现有技术中却没有检测加热器是否故障的装置或者系统，因此，在实际应用中，若任意一个或一个以上的加热器发生故障但未人为发现，这样继续加热，会造成反应腔室的温度不均匀，从而影响工艺质量。
发明内容
本发明提供一种利用互感器确定加热回路故障的方法和一种加热回路故障检测装置，以解决现有技术中存在的至少一个技术问题。
根据本发明的第一个方面，提供一种加热器故障检测装置，包括电流互感模块和控制模块；
所述电流互感模块，用于感应加热器所在加热回路上的电流信号并发送至所述控制模块；
所述控制模块，用于根据所述电流互感模块感应到的电流信号计算提供至所述加热器的实际输入功率，并通过所述实际输入功率、预设输入功率以及偏差功率来判断所述加热器是否故障，其中，所述偏差功率是指在所述电流互感模块的一次侧电流为零的情况下所述控制模块施加电源后检测出的自身功率。
可选地，若所述实际输入功率减去所述预设输入功率等于所述偏差功率，则所述控制模块确定所述加热器正常；
若所述实际输入功率等于所述偏差功率且所述预设输入功率不为零，则所述控制模块确定所述加热器故障。
可选地，所述控制模块包括：电路处理子模块和计算判断子模块；
所述电路处理子模块，用于将所述电流信号进行整流处理和电压取样，并将取样到的取样电压发送至所述计算判断子模块；
所述计算判断子模块，用于根据所述取样电压计算所述加热器的所述实际输入功率。
可选地，所述控制模块还包括：光电隔离子模块；
所述光电隔离子模块分别与所述电路处理子模块和所述计算判断子模块相连，用于使所述电路处理子模块和所述计算判断子模块光电隔离，同时将所述电路处理子模块输出的取样电压等幅放大并发送至所述计算判断子模块。
可选地，所述电路处理子模块中的取样电阻R按照如下公式计算：
其中，U1为取样电压值；I为所述电流互感模块在二次侧的电流值，按照如下公式计算：
Figure BDA0001710901560000022
其中，P为所述加热器的功率；n为所述电流互感模块的二次侧和一次侧的线圈匝数变比；U为所述加热器两端的供电电压值。
根据本发明的第二方面，提供一种加热系统，包括温控装置以及本发明第一方面所提供的加热器故障检测装置。
可选地，所述温控装置包括：电源模块、测温模块、温控模块和过温保护模块；
所述测温模块用于测量反应腔室的实际温度并发送至温控模块；
所述温控模块用于对比实际温度和预设温度，并根据对比结果控制向所述加热器提供的功率；
所述过温保护模块用于在所述反应腔室的所述实际温度高于所述预设温度时切断所述电源模块和所述加热器之间的连接关系。
根据本发明的第三方面，提供一种基于本发明第二方面所提供的加热系统的加热器故障检测方法，包括：
所述控制模块根据所述电流互感模块感应到的电流信号计算提供至加热器的实际输入功率；
确定偏差功率和预设输入功率，其中，所述偏差功率是指在电流互感模块的一次侧电流为零的情况下控制模块施加电源后检测出的自身功率；
所述控制模块通过所述实际输入功率、预设输入功率以及所述偏差功率来判断所述加热器是否故障。
可选地，若所述实际输入功率减去预设输入功率等于所述偏差功率，则所述控制模块确定所述加热器正常；若所述实际输入功率等于所述偏差功率且所述预设输入功率不为零，则所述控制模块确定所述加热器故障。
根据本发明的第四方面，提供一种半导体加工设备，包括反应腔室，还包括本发明第二方面所提供的加热系统，其中，所述反应腔室的底部设有加热器。
根据本发明的实施例所提供的方法，在判定所述加热器故障时，同时考察实际输入功率、预设输入功率以及偏差功率三个参数，排除了偏差功率对判定的影响，判定结果更加准确。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明实施例1的加热器故障检测装置的框图；
图2是本发明实施例2的加热器故障检测装置的框图；
图3是本发明中加热回路的一个具体例子的电路图；
图4是本发明的实施例3的加热器故障检测装置的电路图；
图5是本发明的实施例4的加热系统的电路原理图；
图6是本发明的实施例5的加热器故障检测方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
实施例1：
本实施例提供一种加热器故障检测装置，如图1所示，包括电流互感模块10和控制模块20。
电流互感模块10，用于感应加热器100所在加热回路上的电流信号并发送至控制模块20。具体地，电流互感模块10由互感器构成，该互感器的原侧串联在该加热回路中，该互感器的二次侧101连接在控制模块20的两端，供控制模块20检测该互感器的二次侧101的电流。
控制模块20，用于根据电流互感模块10感应到的电流信号计算提供至加热器100的实际输入功率，并通过所述实际输入功率、预设输入功率以及偏差功率来判断加热器100是否故障，其中，所述偏差功率是指在电流互感模块10的一次侧电流为零的情况下控制模块20施加电源后检测出的自身功率。
具体地，根据互感器100本身的功率-电流函数关系，由控制模块20计算出加热电路输出给加热器100的实际输入功率。
具体地，加热器100的预设输入功率是根据该加热回路的预设的工作状态确定的一个理论值。例如加热器100持续处于正常工作状态，那么预设输入功率就是加热器100的额定功率；如果加热器100交替地处于导通状态和关断状态，那么根据控制加热器100处于导通状态的时间占比的控制信号及加热器100的额定功率可计算出加热器100的预设输入功率。
偏差功率也即是加热器100完全没有工作，而控制模块20因自身偏差而错误地计算得到功率。
实施例1所提供的加热器故障检测装置能够实时准确地判断加热器100是否故障，并且在判定的过程中排出了加热器故障检测装置自身的误差。
可选地，若所述实际输入功率减去所述预设输入功率等于所述偏差功率，则控制模块20确定加热器100正常。即控制模块20计算得到的实际输入功率是加热器故障检测装置自身的误差与预设输入功率之和，那么可以推定加热器100正常工作。
可选地，若所述实际输入功率等于所述偏差功率且所述预设输入功率不为零，则控制模块20确定加热器100故障。即控制模块20计算得到的实际功率就是该加热器故障检测装置自身的误差，而且此时加热器100理论上如果正常工作应当有输入功率，那么可以推定此时加热器100故障。
实施例2：
如图2所示，本实施例是实施例1的一种具体实施方式。与实施例1相同部分不做赘述。
可选地，控制模块20包括：电路处理子模块201和计算判断子模块202。
电路处理子模块201，用于将所述电流信号进行整流处理和电压取样，并将取样到的取样电压发送至计算判断子模块202。
计算判断子模块202，用于根据所述取样电压计算所述加热器的所述实际输入功率。
参见图3所示的加热回路，正常工作状态下过温开关4是处于导通状态的，只有加热器100的温度过高才会断开。正常工作状态下端子继电器5也是处于导通状态的。正常工作状态下交流接触器6处于导通状态。上位机1给温控器2输出指令，温控器2根据该指令控制固态继电器3处于始终导通状态(即加热器100始终工作)、交替地处于导通状态和关断状态(即加热器100非满功率输出)或者控制固态继电器3始终处于关断状态(即加热器100不工作)。控制模块20由此可通过与上位机1的通信得到加热器100的工作状态，从而可以推定所述预设输入功率。
可选地，控制模块10还包括：光电隔离子模块203。光电隔离子模块203分别与电路处理子模块201和计算判断子模块202相连，用于使电路处理子模块201和计算判断子模块202光电隔离，同时将电路处理子模块201输出的取样电压等幅放大并发送至计算判断子模块201。虽然光电隔离子模块实现其前后两级的隔离，但光电隔离子模块中的光电隔离器本身也是偏差功率的来源之一。即光电隔离器的输入端无电压时其输出端也会有电压。
实施例3：
实施例3为实施例2所提供的加热器故障检测装置的进一步具体化。其与是实施例2相同的部分不做赘述。
光电隔离子模块203由芯片ISO100及周边电阻R1构成。电路处理子模块201由整流电路和取样电阻R构成。整流电路例如是图4中四个二极管D1-D4构成，取样电路R将整流后的的互感器二次侧101的电流信号转换为电压信号。
可选地，所述电路处理子模块中的取样电阻R按照如下公式计算：
Figure BDA0001710901560000061
其中，U1为取样电压值；I为所述电流互感模块在二次侧的电流值，按照如下公式计算：
Figure BDA0001710901560000062
其中，P为所述加热器的功率；n为所述电流互感模块的二次侧和一次侧的线圈匝数变比；U为所述加热器两端的供电电压值。
举例而言，若P＝500W，U1＝10V，U＝208V，则I接近0.1A，R取值为100Ω，这样获得的取样电压U’则接近10V；若P＝1000W时，R取值为50Ω，可以采用20Ω和30Ω的电阻串接。如此，可控制光电隔离子模块203的输入电压及其输出电压还有计算判断子模块202的输入电压不要超出其自身的最大允许输入电压值。
实施例4：
本实施例提供一种加热系统，如图5所示，包括温控装置以及实施例1-3任意一项所提供的加热器故障检测装置。即由温控装置控制加热器100的工作状态进而控制待加热对象(例如等离子体反应腔室)的温度，并由本发明所提供的加热腔故障检测装置实时检测其中的加热器是否故障。
可选地，所述温控装置包括：电源模块30、测温模块40、温控模块50和过温保护模块30。测温模块40用于测量反应腔室的实际温度并发送至温控模块50；温控模块50用于对比实际温度和预设温度，并根据对比结果控制向加热器100提供的功率；过温保护模块60用于在所述反应腔室的所述实际温度高于所述预设温度时切断电源模块30和加热器100之间的连接关系。
在实现加热器100的温度的准确控制的同时实现加热器100故障的实时检测。
实施例5：
本实施例提供一种基于实施例4的加热器故障检测方法，如图6所示，该方法包括：
在步骤S1中，所述控制模块根据所述电流互感模块感应到的电流信号计算提供至加热器的实际输入功率。
具体地，按照设定频率对该电流信息进行采样，并计算电流有效值，之后根据该电流有效值和该加热器自身的功率-电流函数关系确定该加热器的实际输入功率。
在步骤S2中，确定偏差功率和预设输入功率，其中，所述偏差功率是指在电流互感模块的一次侧电流为零的情况下控制模块施加电源后检测出的自身功率。
具体地，通过与温控模块50通信或者通过与控制温控模块50的上位机等通信获取到当前加热回路的工作状态，从而推定预设输入功率。或者也可以是通过与上位机等通信直接获取当前加热器的预设输入功率。
具体地，偏差功率需要在加热回路断开时由控制模块10通过电流互感模块20感应到的电流信号计算得到。
在步骤S3中，所述控制模块通过所述实际输入功率、预设输入功率以及所述偏差功率来判断所述加热器是否故障。
可选地，若所述实际输入功率减去预设输入功率等于所述偏差功率，则所述控制模块确定所述加热器正常；若所述实际输入功率等于所述偏差功率且所述预设输入功率不为零，则所述控制模块确定所述加热器故障。
如此，实现加热器故障的准确实时判断。
实施例6：
本实施例提供一种半导体加工设备，包括反应腔室，还包括本发明实施例4所提供的加热系统，其中，所述反应腔室的底部设有加热器。
即由本发明实施例4所提供的加热系统对反应腔室进行加热，并实时监控其中的加热器是否故障。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种加热器故障检测装置，其特征在于，包括电流互感模块和控制模块；
所述电流互感模块，用于感应加热器所在加热回路上的电流信号并发送至所述控制模块；
所述控制模块，用于根据所述电流互感模块感应到的电流信号计算提供至所述加热器的实际输入功率，并通过所述实际输入功率、预设输入功率以及偏差功率来判断所述加热器是否故障，其中，所述偏差功率是指在所述电流互感模块的一次侧电流为零的情况下所述控制模块施加电源后检测出的自身功率。
2.根据权利要求1所述的加热器故障检测装置，其特征在于，若所述实际输入功率减去所述预设输入功率等于所述偏差功率，则所述控制模块确定所述加热器正常；
若所述实际输入功率等于所述偏差功率且所述预设输入功率不为零，则所述控制模块确定所述加热器故障。
3.根据权利要求1所述的加热器故障检测装置，其特征在于，所述控制模块包括：电路处理子模块和计算判断子模块；
所述电路处理子模块，用于将所述电流信号进行整流处理和电压取样，并将取样到的取样电压发送至所述计算判断子模块；
所述计算判断子模块，用于根据所述取样电压计算所述加热器的所述实际输入功率。
4.根据权利要求3所述的加热器故障检测装置，其特征在于，所述控制模块还包括：光电隔离子模块；
所述光电隔离子模块分别与所述电路处理子模块和所述计算判断子模块相连，用于使所述电路处理子模块和所述计算判断子模块光电隔离，同时将所述电路处理子模块输出的取样电压等幅放大并发送至所述计算判断子模块。
5.根据权利要求3所述的加热器故障检测装置，所述电路处理子模块中的取样电阻R按照如下公式计算：
Figure FDA0001710901550000021
其中，U1为取样电压值；I为所述电流互感模块在二次侧的电流值，按照如下公式计算：
Figure FDA0001710901550000022
其中，P为所述加热器的功率；n为所述电流互感模块的二次侧和一次侧的线圈匝数变比；U为所述加热器两端的供电电压值。
6.一种加热系统，其特征在于，包括温控装置以及权利要求1-5任意一项所述的加热器故障检测装置。
7.根据权利要求6所述的加热系统，其特征在于，所述温控装置包括：电源模块、测温模块、温控模块和过温保护模块；
所述测温模块用于测量反应腔室的实际温度并发送至温控模块；
所述温控模块用于对比实际温度和预设温度，并根据对比结果控制向所述加热器提供的功率；
所述过温保护模块用于在所述反应腔室的所述实际温度高于所述预设温度时切断所述电源模块和所述加热器之间的连接关系。
8.一种基于权利要求6或7所述的加热系统的加热器故障检测方法，其特征在于，包括：
所述控制模块根据所述电流互感模块感应到的电流信号计算提供至加热器的实际输入功率；
确定偏差功率和预设输入功率，其中，所述偏差功率是指在电流互感模块的一次侧电流为零的情况下控制模块施加电源后检测出的自身功率；
所述控制模块通过所述实际输入功率、预设输入功率以及所述偏差功率来判断所述加热器是否故障。
9.根据权利要求8所述的加热器故障检测方法，其特征在于，若所述实际输入功率减去所述预设输入功率等于所述偏差功率，则所述控制模块确定所述加热器正常；
若所述实际输入功率等于所述偏差功率且所述预设输入功率不为零，则所述控制模块确定所述加热器故障。
10.一种半导体加工设备，包括反应腔室，其特征在于，还包括权利要求6或7所述的加热系统，其中，所述反应腔室的底部设有加热器。
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