本发明涉及mocvd半导体设备，特别是指一种适用于上述半导体设备的过温保护装置及方法。
背景技术：
半导体器件基本通过在晶圆上进行处理而形成。典型地，晶圆通过晶体材料的沉积而形成，且为圆盘的形式。用于形成这种晶圆的一个常见过程为外延生长。例如，由半导体化合物应用金属有机化合物化学气相淀积(mocvd，metal-organicchemicalvapordeposition)通过生长半导体化合物的连续层而形成。在这个过程中，晶圆暴露在在其表面上方流动的气体组合物下方，同时晶圆需保持在一定高温的环境下。
目前在现有技术中广泛使用的mocvd装置，在mocvd反应腔内，晶圆放置在由旋转轴支撑的晶圆托盘上，使得晶圆上表面暴露在用于分配mo源和工艺气体的喷淋头的下方。进行mocvd工艺时，由设置在晶圆托盘下方的加热器对晶圆进行加热，使晶圆保持在反应所需的高温环境。并且使旋转轴高速旋转，其可带动放置在晶圆托盘上的晶圆一起高速旋转。mo源和工艺气体通过喷淋头进行混合后注入到mocvd反应腔内，向下引导至晶圆上表面上，与高速旋转中的晶圆上表面发生化学反应而沉积形成薄膜，并由晶圆上表面通过晶圆托盘向外周流动。
由于通过mocvd装置在晶圆上生长各层薄膜时，需要保证mocvd反应腔内的工作温度持续在400℃～1200℃之间，因此对于mocvd反应腔的机械结构、材料、温度控制以及安全保护都提出了非常严格的要求。因为mocvd装置结构的复杂性，有可能导致在某些极端情况下(例如因温度传感器故障导致加热器始终持续加热)，从而出现反应腔内温度失控并大大超过阈值的情形，会使反应腔内各部件以及晶圆产生变形或损坏，更有甚者，甚至会发生反应腔漏气的重大事故，反应腔内部超过1200℃的高温气体会对周围的操作人员造成严重的人身伤害，因此要求mocvd装置的电气控制系统具有周密的过温保护措施。一旦因温度失控使得危险或故障发生时，能够及时向操作人员发出警报，并及时自动采取紧急保护措施，关闭相关加热电源，使mocvd装置顺利地切换至安全模式，等待维护人员排除故障，修复后重新运行，从而有效防止因超高温而引起的反应腔变形、有害气体泄漏等危害人身健康的事故发生。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种过温保护装置及方法，适用于mocvd设备，通过采集运行参数信息对于可能发生的温度失控等事故进行准确的预测和判断，及时启动有效的应急保护措施，确保设备不受损伤并且避免人员伤亡。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种过温保护装置，适用于mocvd设备，包含：信息采集装置，采集mocvd设备的运行参数信息；信号转换装置，与所述的信息采集装置连接，对采集到的mocvd设备的运行参数信息进行信号转换；实时控制器，与所述的信号转换装置连接，接收转换后的mocvd设备的运行参数信息，并检测其是否满足mocvd设备的预设运行条件；连锁保护电路，与所述的实时控制器连接，当实时控制器检测到mocvd设备的当前运行参数不满足预设运行条件时，该连锁保护电路被触发，启动应急保护措施。
所述的mocvd设备包含：反应腔，由位于顶端的腔体盖板，位于底端的腔体底板，以及连接在腔体盖板和腔体底板之间的侧壁构成，呈筒状结构；托盘，设置在反应腔内，放置需要进行mocvd工艺的晶圆。
所述的反应腔内还设置有：进气装置，设置在腔体盖板上，与托盘相对设置，通过气体管道与工艺气体源头连接，且所述的气体管道上设置有气阀；旋转装置，由旋转驱动机构以及与该旋转驱动机构相连接的旋转轴组成；旋转驱动机构设置在反应腔的外部，托盘安装在旋转轴的顶端，在旋转驱动机构的驱动下使旋转轴带动托盘绕其中心轴旋转；加热装置，设置在托盘的下方，且围绕旋转轴设置。
所述的信息采集装置包含：至少一个热电偶，设置在反应腔内的加热装置上，用于探测并采集反应腔内部的位于托盘下方的温度信息，并转换成与温度信息相对应的电压信号输出；至少一个光学传感器，通过安装支架设置在反应腔外，且位于腔体盖板的上方，通过对应设置在其正下方的腔体盖板上的光学凹槽探测并采集反应腔内部的位于托盘上方的温度信息，并输出与温度信息相对应的光学信号；
所述的信号转换装置包含：第一信号转换器，与所述的热电偶连接，将热电偶输出的与温度信息相对应的电压信号转换成实时控制器可读取的第一标准电压信号；光学测量装置，与所述的光学传感器连接，将光学传感器输出的与温度信息相对应的光学信号转换成实时控制器可读取的温度信号。
所述的信息采集装置还包含：光电编码器，设置在旋转轴上，用于探测并采集旋转轴的旋转速度，并输出与旋转速度相对应的电信号；当旋转驱动机构驱动旋转轴进行匀速旋转时，光电编码器输出的是以相同周期连续重复的电信号。
所述的信号转换装置还包含：第二信号转换器，与所述的光电编码器连接，将光电编码器输出的与旋转速度相对应的高低电平信号转换成实时控制器可读取的第二标准电压信号。
所述的实时控制器分别接收第一信号转换器输出的第一标准电压信号、光学测量装置输出的温度信号以及第二信号转换器输出的第二标准电压信号，并分别判断其是否满足预设运行条件，即第一标准电压信号是否小于第一阈值，温度信号是否小于第二阈值，以及第二标准电压信号的波形是否以相同周期连续重复。
所述的第一阈值为与1300℃的温度信号相对应的电压信号；所述的第二阈值为1300℃的温度信号。
所述的连锁保护电路分别与加热装置的电源、进气装置的气阀、以及旋转装置的旋转驱动机构连接，接收实时控制器输出的逻辑判断结果；当第一标准电压信号小于第一阈值，且温度信号小于第二阈值，且第二标准电压信号的波形是以相同周期连续重复的，连锁保护电路未被触发，mocvd设备正常运行；当第一标准电压信号、温度信号或第二标准电压信号中的任意一个或多个未满足预设运行条件，则连锁保护电路被触发，发出控制信号依次关闭加热装置的电源、进气装置的气阀和旋转驱动机构。
本发明还提供一种mocvd设备，包含上述的过温保护装置。
本发明还提供一种过温保护方法，适用于mocvd设备，采用所述的过温保护装置实现，包含以下步骤：
s1、通过信息采集装置采集mocvd设备的运行参数信息；
s2、通过信号转换装置对采集到的mocvd设备的运行参数信息进行转换；
s3、通过实时控制器接收转换后的mocvd设备的运行参数信息，并检测其是否满足mocvd设备的预设运行条件；
s4、当实时控制器检测到mocvd设备的当前运行参数不满足预设运行条件时，触发连锁保护电路，启动应急保护措施。
所述的s1中，具体包含以下同时进行的步骤：
通过设置在加热装置上的热电偶探测并采集反应腔内部的位于托盘下方的温度信息，并转换成与温度信息相对应的电压信号输出；
通过设置在腔体盖板上方的光学传感器探测并采集反应腔内部的位于托盘上方的温度信息，并输出与温度信息相对应的光学信号；
通过设置在反应腔外的旋转轴上的光电编码器探测并采集旋转轴的旋转速度，并输出与旋转速度相对应的高低电平信号。
所述的s2中，具体包含以下同时进行的步骤：
通过第一信号转换器，将热电偶输出的与温度信息相对应的电压信号转换成实时控制器可读取的第一标准电压信号；
通过光学测量装置，将光学传感器输出的与温度信息相对应的光学信号转换成实时控制器可读取的温度信号；
通过第二信号转换器，将光电编码器输出的与旋转速度相对应的高低电平信号转换成实时控制器可读取的第二标准电压信号。
所述的s3中，具体包含以下步骤：
实时控制器接收第一信号转换器输出的第一标准电压信号，并判断其是否小于第一阈值，生成并输出对应的逻辑信号；
实时控制器接收光学测量装置输出的温度信号，并判断其是否小于第二阈值，生成并输出对应的逻辑信号；
实时控制器接收第二信号转换器输出的第二标准电压信号，并判断其波形是否以相同周期连续重复，生成并输出对应的逻辑信号。
所述的第一阈值为与1300℃的温度信号相对应的电压信号；所述的第二阈值为1300℃的温度信号。
所述的s4中，具体包含以下步骤：
连锁保护电路接收实时控制器输出的逻辑信号；
当第一标准电压信号小于第一阈值，且温度信号小于第二阈值，且第二标准电压信号的波形是以相同周期连续重复的，连锁保护电路未被触发，mocvd设备正常运行；
当第一标准电压信号、温度信号或第二标准电压信号中的任意一个或多个未满足预设运行条件，连锁保护电路被触发，发出控制信号依次关闭加热装置的电源、进气装置的气阀和旋转驱动机构。
本发明提供的过温保护装置及方法，具有以下优点和有益效果：能够实时采集mocvd设备运行过程中托盘的温度以及旋转轴的转速信息等，并且根据预设的运行条件判断是否出现温度失控等各种意外故障，对于可能发生的事故进行准确的预测和判断，从而及时启动有效的应急保护措施，包括关闭加热器电源等，使设备顺利地切换至安全模式，确保设备不受损伤并且避免人员伤亡；后续等待维护人员排除故障，修复设备重新运行。本发明满足半导体设备的国际标准(semis2)，具有广泛的应用和推广价值。
附图说明
图1是本发明中的过温保护装置的结构示意图。
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说明。
如图1所示，本发明提供一种mocvd设备，其包含反应腔1，以及分别设置在该反应腔1内部的：用于放置晶圆的托盘4、进气装置、旋转装置和加热装置。
所述的反应腔1由位于顶端的腔体盖板7，位于底端的腔体底板，以及连接在腔体盖板7和腔体底板之间的筒状侧壁构成，从而形成气密性的内部反应空间，容纳由进气装置提供的工艺气体。本实施例中，所述的反应腔1为圆筒状，当然在其他实施例中反应腔1也可以是其他形状，例如方形筒状、六角形筒状、八角形筒状或任意其他适当的形状等。
所述的反应腔1上还设置有用于晶圆移入移出的晶圆进出口，以及紧邻侧壁设置并可沿侧壁方向进行上下移动的、呈环形的反应腔内衬。所述的反应腔内衬的环状形状与反应腔1的形状相匹配，该反应腔内衬具有位于上方的关闭位置和位于下方的打开位置。反应腔1内的晶圆在完成mocvd处理后，可下移反应腔内衬(使其处于打开位置)，从而露出晶圆进出口，进而可将晶圆由晶圆进出口处移出。下批次的待处理晶圆也可紧接着从晶圆进出口移入反应腔1。晶圆移入后，可上移反应腔内衬(使其处于关闭位置)，将晶圆进出口遮盖。此时，由反应腔内衬所界定出的反应腔1的内部空间呈对称形状，晶圆进出口被隐藏在反应腔内衬的后面，使得晶圆进出口与反应腔1的内部空间分隔开，因而其不会与反应腔1内的工艺处理气体有接触，从而保证了整个反应腔1的内部空间的环境均匀性。用于控制和驱动反应腔内衬上下移动的驱动机构可以是任意类型的驱动器，例如机械的、机电的、液压的或气动的驱动器。
本实施例中，所述的反应腔内衬一般为圆筒形，其界定出的反应腔1的内部空间呈圆形。当然在其他实施例中反应腔内衬也可以是其他形状，例如方形筒状、六角形筒状、八角形筒状或任意其他适当的形状等。
所述的进气装置由多个设置在反应腔1的腔体盖板7上的喷淋头5组成，与用于供应在mocvd反应过程中所使用的工艺气体源头通过气体管道连接，从而允许工艺气体进入反应腔1内。由于工艺气体一般包含载体气体和反应气体，所述的反应气体如金属有机化合物及v族金属元素的来源物质；而所述的载体气体典型的可为氮气、氢气或氮气和氢气的混合物。因此所述的进气装置用于接收各种气体并将其传递进入反应腔1内形成工艺气体，并引导该工艺气体大致以向下的方向流动。在喷淋头5与工艺气体源头连接的气体管道上还设置有气阀，用于控制允许工艺气体进入反应腔1内，或者切断气阀使工艺气体停止进入反应腔1内。
所述的托盘4与进气装置相对设置，用于放置需要进行mocvd工艺的晶圆。本实施例中，所述的托盘4呈圆盘状，具有约500毫米至1000毫米的直径，可由不污染mocvd工艺过程且能承受该工艺过程所经历温度的材料制成，例如石墨、碳化硅或其他耐热材料。
所述的旋转装置由旋转驱动机构3以及与该旋转驱动机构3相连接的旋转轴2组成；所述的旋转驱动机构3设置在反应腔1的外部，所述的托盘4安装在旋转轴2的顶端并可随其转动，在旋转驱动机构3的驱动下使旋转轴2带动托盘4绕其中心轴进行旋转。本实施例中，所述的旋转驱动机构3可以是马达等。
所述的加热装置6设置在托盘4的下方，且围绕旋转轴2设置，以保证反应腔1内能够达到mocvd工艺所需的高温环境。加热装置6主要通过辐射传递热量至托盘4的底面。施加至托盘4底面的热量可向上流动穿过该托盘4进而传递至放置在其上的晶圆底面，并向上穿过晶圆至其顶面。热量进一步可从托盘3的顶面与晶圆的顶面辐射至整个反应腔1，从而传递至由进气装置提供的位于晶圆上方的工艺气体。
所述的mocvd设备还包含装载机构，其用于将托盘4通过晶圆进出口移入反应腔1内，并将托盘4安装在旋转轴2的顶端；还能使托盘4与旋转轴2脱离，并通过晶圆进出口移出反应腔1。
所述的mocvd设备还包含气体抽取装置，其沿着反应腔1的侧壁底端设置，用于均匀分配由托盘4的边缘流下的气体(既包括mocvd反应生成的废气，也包括还未来得及参加反应的部分工艺气体)，并将其排出反应腔1。所述的气体抽取装置与设置在反应腔1外部的泵或其他真空源相连接，所述的泵或其他真空源用于提供气体流动动力。
如图1所示，本发明所提供的过温保护装置，其适用于mocvd设备，包含：信息采集装置，采集mocvd设备的运行参数信息；信号转换装置，与所述的信息采集装置连接，对采集到的mocvd设备的运行参数信息进行信号转换；实时控制器30，与所述的信号转换装置连接，接收转换后的mocvd设备的运行参数信息，并检测其是否满足mocvd设备的预设运行条件；连锁保护电路40，与所述的实时控制器30连接，当实时控制器30检测到mocvd设备的当前运行参数不满足预设运行条件时，该连锁保护电路40启动应急保护措施，以保护mocvd设备避免发生重大意外事故。
所述的信息采集装置包含：至少一个热电偶11，设置在反应腔1内的加热装置6上，用于探测并采集反应腔1内部的位于托盘4下方的温度信息，并转换成与温度信息相对应的电压信号输出。
本实施例中，当mocvd设备的反应腔1内部的温度处于小于或等于1300℃的正常范围内时，所述的热电偶11输出的是mv级的电压信号。
本实施例中，在加热装置6上设置一个热电偶11，用于探测并采集反应腔1内部的位于托盘4下方的整个区域的温度信息。当然在其他实施例中，也可以采用多个热电偶，分别均匀或不均匀的间隔设置在加热装置6上，用于探测并采集反应腔1内部的位于托盘4下方的各个不同区域的温度信息，并将每个区域的温度信息转换成电压信号输出。
所述的信号转换装置包含：第一信号转换器21，与所述的热电偶11连接，将热电偶11输出的与温度信息相对应的电压信号转换成实时控制器30可读取的第一标准电压信号。本实施例中，所述的第一信号转换器21将热电偶11输出的mv级电压信号转换成0～10v范围内的电压信号。
所述的信息采集装置还包含：至少一个光学传感器12，通过安装支架14设置在反应腔1外，且位于腔体盖板7的上方，通过对应设置在其正下方的腔体盖板7上的光学凹槽(图中未示)探测并采集反应腔1内部的位于托盘4上方的温度信息，并输出与温度信息相对应的光学信号。
所述光学凹槽为由石英材质制成的玻璃槽。
本实施例中，如图1所示，设置三个光学传感器12，均匀或不均匀的间隔设置在安装支架14上，分别对应采集反应腔1内部的位于托盘4上方的三个不同区域的温度信息，并分别输出与温度信息相对应的光学信号。当然在其他实施例中，也可以设置更多的光学传感器12，使得每个光学传感器12覆盖的采集区域相对更小，由此得到的探测精度更高。
所述的信号转换装置还包含：光学测量装置22，与所述的光学传感器12连接，将光学传感器12输出的与温度信息相对应的光学信号转换成实时控制器30可读取的温度信号。
所述的信息采集装置还包含：光电编码器13，设置在旋转轴2上，用于探测并采集旋转轴2的旋转速度，并输出与旋转速度相对应的电信号。当旋转驱动机构3驱动旋转轴2进行匀速旋转时，光电编码器13输出的是相同周期连续重复的电信号；当旋转轴2在旋转的过程中发生突然停止、转速加快或转速减慢的情况，那么光电编码器13输出的电信号将不再有规律的以同一个周期重复，其中电信号的转换频率会根据转速的变化而变化。
本实施例中，所述的光电编码器13设置在反应腔1外的旋转轴2上，其探测到旋转轴2的旋转速度，并且输出与旋转速度相对应的高低电平信号。当旋转驱动机构3驱动旋转轴2进行匀速旋转时，光电编码器13输出的是相同周期连续重复的高低电平信号(开关信号)；而一旦旋转轴2以非匀速旋转时，光电编码器13输出的高低电平信号的转换频率会根据旋转轴2转速的变化而变化。
所述的信号转换装置还包含：第二信号转换器22，与所述的光电编码器13连接，将光电编码器13输出的与旋转速度相对应的高低电平信号转换成实时控制器30可读取的第二标准电压信号。本实施例中，所述的第二信号转换器22将光电编码器13输出的与旋转速度相对应的高低电平信号转换成对应的标准电压信号，其中低电平信号对应0v电压信号，高电平信号对应0～10v范围内的电压信号。
所述的实时控制器30分别接收第一信号转换器21输出的第一标准电压信号、第二信号转换器22输出的第二标准电压信号以及光学测量装置22输出的温度信号，并分别判断其是否满足预设运行条件，即第一标准电压信号是否小于第一阈值，温度信号是否小于第二阈值，以及第二标准电压信号的波形是否以相同周期连续重复。
所述的第一阈值为与1300℃的温度信号相对应的电压信号，当第一信号转换器21输出的第一标准电压信号大于第一阈值时，说明反应腔1内的托盘4下方的温度已经超过1300℃，如果温度继续上升，将会对反应腔1内的各个部件造成损坏甚至发生漏气的重大事故。所述的第二阈值为1300℃的温度信号，当光学测量装置22输出的温度信号大于第二阈值时，说明反应腔1内的托盘4上方的温度已经超过1300℃，如果温度继续上升，将会对反应腔1内的各个部件造成损坏甚至发生漏气的重大事故。所述的第二标准电压信号的波形如果是以相同周期连续重复的，则说明旋转轴2是以匀速带动托盘4旋转的，此时整个托盘4周围的温度分布是均匀的；如果第二标准电压信号的波形不是以相同周期连续重复的，则说明旋转轴2是非匀速带动托盘4旋转的，或者旋转轴2停止旋转了，这将会导致托盘4周围的温度分布不均匀，进而使得托盘4裂开而影响mocvd设备的运行。
所述的连锁保护电路40为一电子线路板，其分别与所述的加热装置6的电源、进气装置的气阀、以及旋转装置的旋转驱动机构3连接，接收实时控制器30输出的逻辑判断结果；当第一标准电压信号小于第一阈值，且温度信号小于第二阈值，且第二标准电压信号的波形是以相同周期连续重复的，连锁保护电路40未被触发，mocvd设备正常运行；当第一标准电压信号、温度信号或第二标准电压信号中的任意一个或多个未满足预设运行条件，则连锁保护电路40被触发，发出控制信号依次关闭加热装置6的电源、进气装置的气阀和旋转驱动机构3。
当所述的连锁保护电路40被触发后，首先需要关闭加热装置6的电源，使得加热装置停止加热；但此时仍然通过进气装置向反应腔1的内部引入常温的工艺气体(相对于反应腔1内超过1300℃的高温，引入反应腔1的工艺气体的温度相对非常低)，使得反应腔1内的托盘4周围的温度能够慢慢的逐步降低，不会瞬间使得温度骤变；维持一段时间之后，再关闭进气装置的气阀，停止向反应腔1内引入工艺气体；最后关闭旋转驱动机构3，使得旋转轴2带动托盘4停止旋转，使得mocvd设备完全停下。
本实施例中，所述的连锁保护电路40为采用逻辑信号进行控制的电子线路板。当实时控制器30判断得到第一标准电压信号小于第一阈值时，生成逻辑信号1，反之生成逻辑信号0；当实时控制器30判断得到温度信号小于第二阈值时，生成逻辑信号1，反之生成逻辑信号0；当实时控制器30判断得到第二标准电压信号的波形是以相同周期连续重复时，生成逻辑信号1，反之生成逻辑信号0。所述的连锁保护电路40根据接收到的全部逻辑信号，进行“与”逻辑运算，只有当结果为1时，即所有运行参数信息均满足预设运行条件时，连锁保护电路40才不会被触发；否则当其中有任何一个或多个逻辑信号为0时，也就是有任何一个或多个运行参数信息未满足预设运行条件时，连锁保护电路40就会被触发以开启保护功能。
综上所述，本发明提供的过温保护装置及方法，通过实时采集mocvd设备运行过程中托盘的温度以及旋转轴的转速信息，根据预设的运行条件判断是否出现温度失控等各种意外故障，对于可能发生的事故进行准确的预测和判断，从而及时启动有效的应急保护措施，包括关闭加热器电源等，使设备顺利地切换至安全模式，确保设备不受损伤并且避免人员伤亡。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。