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KR101283986B1 - 잉곳성장장치의 멜트 레벨 측정용 기준점 제공장치 - Google Patents

잉곳성장장치의 멜트 레벨 측정용 기준점 제공장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 CCD 카메라를 이용한 잉곳성장장치의 멜트 레벨 측정용 기준점 제공장치에 관한 것으로, CCD 카메라 촬상영역(A)에 기준부재(14)를 설치하여 CCD 카메라(15)를 이용하여 멜트 레벨(Melt Level)을 측정할 때 기준점(기준포인터)으로 제공되도록 함으로써 멜트(5) 표면(3a)을 정확히 측정할 수 있어서 도가니 구동수단(18)의 제어 및 멜트(5)의 레벨 제어가 안정화되며, 멜트(5) 온도 또한 안정화되어 잉곳(13)의 품질과 생산성이 크게 향상되도록 한 것이다.
상기 기준부재(14)는 소형으로 설치되어 잉곳(13)의 성장이나 다른 공정에 전혀 영향을 주지 아니할 뿐 아니라, 수냉실(또는 수냉관)의 하단부 또는 수냉실이 구비된 제2 챔버(6)의 하단부에 설치되어 냉각되므로 열변형이 방지되고 사용 수명이 향상된다.
잉곳성장장치, 멜트 레벨, 측정, CCD 카메라, 기준점, 기준부재, 석영, 잉곳

Description

잉곳성장장치의 멜트 레벨 측정용 기준점 제공장치{CONTROL POINT PROFFER DEVICE FOR MELT LEVEL MEASURING OF INGOT GROWING APPARATUS}
본 발명은 CCD 카메라를 이용하여 멜트 레벨(Melt Level)을 측정할 때, 기준부재에 의해 기준점(기준 포인터)이 제공되도록 함으로써 멜트 레벨 제어의 불안정성과 잉곳(Ingot)의 품질불량이 해소되는 잉곳성장장치의 멜트 레벨 측정용 기준점 제공장치에 관한 것이다.
일반적으로 단결정 잉곳(Ingot)은 초크랄스키(Czochralski) 결정 성장법(CZ 법)으로 제조되며, 핫죤 영역에 설치되는 도가니에 폴리 실리콘 등의 고체 원료를 충전하고 전열히터로 가열 및 용융시켜 융액(Melt)을 만든 다음, 단결정 시드(seed)를 시드 커넥터에 매달아 융액에 접촉시킨 후 서서히 회전 및 인상시키면, 네크부(neck part), 직경이 증가하는 숄더부(shoulder part), 직경이 일정한 원기둥 형태의 바디부(body part)의 순서로 인상되고, 마지막으로 직경이 감소하는 테일부(tail part)를 끝으로 단결정 잉곳이 얻어진다.
상기 잉곳성장장치(또는 잉곳생산장치)는 냉각수단이 구비된 베이스챔버(메인챔버)와, 베이스챔버 내부에 설치되고 폴리 실리콘(Hot Melt)을 용융시키는 석영도가니와, 석영도가니를 지지하는 흑연도가니와, 석영도가니와 흑연도가니를 지지하는 페데스탈과, 상기 도가니를 가열하는 전열히터와, 상기 전열히터로 대전력(大電力)을 공급하는 전원공급수단과, 상기 도가니 및 페데스탈을 지지ㆍ회전ㆍ상승ㆍ하강시키는 구동축 및 구동수단과, 메인챔버(Main Chamber) 상부에 설치되는 돔챔버(Dome Chamber)와, 상기 돔챔버에 설치되는 게이트밸브 및 뷰포트와, 돔챔버 상부에 설치되는 풀챔버(Pull Chamber)와, 상기 풀챔버에 설치되는 잉곳(Ingot) 인상케이블 및 인상수단(Seed Mechanism)과, 진공수단, 냉각수단, 감지수단, 제어수단 및 계측수단 등으로 구성된다.
한편, 잉곳(Ingot)이 성장함에 따라 도가니의 멜트(Melt)가 점차적으로 소모되면서 멜트 레벨(액위)이 낮아질 뿐 아니라, 잉곳 성장 속도에 맞쳐 케이블을 인상시키는 방법으로 시드(Seed)를 상승시키고 있으며, 시드의 상승 속도에 비례하여 도가니를 상승시키게되나, 비례 상승속도가 80% 수준으로 오차가 심할 뿐 아니라, 시간과 온도에 따라 도가니가 변형되면서 멜트 레벨(Melt Level) 또한 달라지게 되므로 측정수단을 이용하여 멜트 레벨의 변동 추이를 측정하면서 도가니 구동수단으로 도가니를 상승시켜 멜트 레벨을 일정하게 유지하고 있다.
멜트 레벨 측정방법 중에는 멜트를 들여다 볼 수 있도록 챔버 상부에 위치하는 뷰포트(View Port) 외부에 CCD 카메라를 설치하여 챔버 내부의 멜트(Melt)를 촬상한 후 화상 처리과정을 거쳐 멜트 레벨의 변동 여부를 비교 판단한 다음 멜트 레벨에 변동이 있는 경우 도가니 구동수단으로 도가니를 상승시켜 멜트 레벨이 일정하게 유지되도록 하고 있으나, CCD 카메라로 멜트(Melt)를 촬영할 때 기준점없이 멜트 표면만 촬영하는 방법으로 측정하고 있어서 그 오차가 심한 편이다.
따라서 멜트 레벨의 정밀 측정 및 도가니 구동수단을 이용한 멜트의 레벨 제어가 어려워 멜트 온도 안정화에 크게 기여하지 못할 뿐 아니라, 성장 잉곳(Ingot)의 품질이 저하되고 불량율도 높아 생산성이 떨어지는 등의 문제점이 있었다.
본 발명은 촬상영역에 기준(基準)부재를 설치하여 기준점(基準点)으로 제공되도록 함으로써 CCD 카메라로 멜트 레벨(Melt Level)을 측정할 때 멜트의 레벨 변위를 비교 측정할 수 있어서 잉곳(Ingot)의 품질불량과 멜트 레벨 제어의 불안정성이 해소되는 멜트 레벨 측정용 기준점 제공장치를 제공함에 특징이 있다.
본 발명은 잉곳성장장치의 멜트(Melt) 상부에 위치하는 챔버(수냉실이 구비 된 챔버) 하단부에 기준부재를 설치하여 CCD 카메라로 멜트 레벨(Melt Level)을 측정할 때 측정 기준점으로 제공될 수 있게 구성함으로써 멜트 레벨이 일정하게 유지되어 잉곳의 품질불량과 레벨 제어의 불안정이 해소된다.
상기 기준부재는 소정길이로 하향 돌출되는 석영이 바람직하며, CCD 카메라의 촬상영역에 설치되어 망점형의 기준포인터 또는 소정길이의 기준포인터가 제공되어 멜트의 레벨 변위를 비교 측정할 수 있게 구성된다.
상기 기준부재는 잉곳의 성장을 방해하거나 간섭하지 않는 공간에 별도로 설치하거나, 또는 수냉실이 구비된 제2 챔버 하단부에 돌출되게 설치하여 CCD 카메라로 촬상할 수 있는 위치가 바람직하다.
본 발명은 CCD 카메라를 이용하여 멜트 레벨(Melt Level)을 측정할 때 CCD 카메라(15) 촬상영역에 설치되는 기준부재(14)에 의해 촬상 기준포인터가 제공되므로 잉곳성장장치의 멜트 표면(3a)의 변위를 비교 측정할 수 있어서 도가니 구동수단(18)의 제어가 안정화되고 멜트 레벨이 일정하게 유지되므로, 멜트(5) 온도가 안정화되고 잉곳(13)의 품질과 생산성이 크게 향상되는 효과가 있다.
또한 본 발명의 기준부재(14)는 수냉실 또는 수냉관이 구비된 제2 챔버(6) 하단부 등에 설치되어 냉각되므로 열변형등이 방지되어 사용 수명이 크게 향상되며, 소형으로 설치되어 잉곳(13) 성장이나 다른 공정에 전혀 영향을 주지 않는 등 의 효과가 있는 매우 유용한 발명이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예들을 첨부한 도면에 따라 상세히 설명하고자 한다. 본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어 도면들 중 동일한 구성 요소들은 가능한 한 동일 부호로 기재하고, 관련된 공지구성이나 기능에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지가 모호해지지 않도록 생략한다.
도 1은 본 발명 일 예로 도시한 잉곳성장장치의 멜트 레벨 측정용 기준점 제공장치(1)의 구성도로, CCD 카메라(15)를 이용하여 멜트 레벨(Melt Level)을 측정할 때 기준점(기준포인터)으로 제공되는 기준부재(14)가 고정 설치되어 잉곳성장장치의 멜트(5)의 레벨 변위를 비교 측정할 수 있게 구성되며, 이에 따라 도가니 구동수단(18)의 제어 및 멜트 레벨의 제어가 안정화되며, 멜트(5) 온도가 안정화되고 잉곳(13)의 품질과 생산성이 크게 향상된다.
본 발명이 적용되는 초크랄스키(Czochralski) 결정 성장법(CZ 법)에 의한 잉곳성장장치의 구조를 살펴보면, 수냉실(도시안됨)이 구비되는 제1 챔버(메인챔버)(2) 내부에 고온의 멜트(5) 용용액이 수용되는 도가니(3)가 설치되고, 도가니(3) 하부에 페데스탈(16)과 구동축(17) 및 도가니 구동수단(18)이 차례로 설치되고, 도가니(3) 바깥에는 전열히터(4)가 빙둘러 설치되고, 핫죤(HZ) 상부에는 멜 트(5)의 온도가 유지될 수 있게 차열부재(8)가 위치하며, 상기 차열부재(8)는 지지부재(9)에 고정된다.
도가니(3) 상부에는 수냉실이 구비된 제2 챔버(6)가 설치되며, 제2 챔버(6)의 공간부(12)에는 성장중인 잉곳(13)을 적정 속도로 인상시킬 수 있는 시드(11)와 시드척 및 인상케이블(10)이 설치되며, 제1 챔버(2)의 상부에는 제1 챔버(2) 내부를 들여다 볼 수 있는 하나 이상 복수의 뷰포트(View Port)(7)가 설치되며, 도 1에 도시한 것처럼 상기 뷰포터(7)를 통하여 도가니(3) 내부의 멜트(5)를 촬영하는 방법으로 멜트의 표면(3a)을 촬영하여 측정하는 CCD 카메라(15)가 뷰포터(7) 외부에 근접 설치된다.
즉, 상기 기준부재(14)는 잉곳(13)의 성장을 방해하거나 간섭하지 않는 공간, 또는 잉곳성장장치의 멜트(Melt) 상부에 위치하는 제2 챔버(수냉실이 구비된 챔버)(6)의 하단부, 이를테면 촬상영역(A) 또는 촬상 시작영역에 하향 돌출형으로 설치되어 CCD 카메라(15)로 멜트 레벨(Melt Level)을 측정할 때 측정 기준점으로 제공된다.
상기 기준부재(14)는 CCD 카메라(15)로 멜트(5)를 촬영할 때 망점형의 기준포인터 또는 소정길이의 기준포인터가 제공되어 멜트(5)의 레벨 변위 정도를 비교 측정할 수 있게 된다.
상기 CCD 카메라(15)가 뷰포트(7)를 통하여 도가니(3) 내부의 멜트(5) 표면(3a)을 촬영할 때 기준점인 기준부재(14)가 망점 형태로 함께 촬영되며, 화상 처리시 기준점으로 제공되어 멜트 레벨의 변위(변동) 여부가 비교 판단되며, 멜트 레벨에 변동이 있는 경우 CCD 카메라(15)에 접속되는 제어기에 의해 도가니 구동수단(18)이 동작하여 도가니(3)를 상승시켜 멜트(5) 레벨이 일정하게 유지되므로 멜트(5)의 레벨 제어가 안정화되며, 멜트(5) 온도 또한 안정화되어 잉곳(13)의 품질과 생산성이 크게 향상된다.
상기 기준부재(14)는 소형으로 설치되어 잉곳 성장이나 다른 공정에 전혀 영향을 주지 아니할 뿐 아니라, 수냉실(또는 수냉관)하단부 또는 수냉실이 구비된 제2 챔버(6) 하단부에 돌출형으로 설치되더라도 냉각에 의해 열변형이 방지되므로 사용 수명이 향상된다.
본 발명에서 기준부재(14)는 석영(Quartz)일 수 있으며, 상기 석영(Quartz)은 주위의 환경, 이를테면 핫죤(Hot Zone)의 고온 환경하에서도 화학조성과 형태가 유지되는 고온형(β)석영(육방정계)이 바람직하다.
본 발명에서 제2 챔버(6)의 하단부와 차열부재(8) 및/또는 지지부재(9)에 의해 뷰포트(7)로 내부를 관망할 수 있는 영역이 제한되며, 따라서 CCD 카메라(15)로 촬영할 수 있는 영역은 (B1)와 (B2) 사이가 되며, 상기 (B1)(B2)는 CCD 카메라(15)로 촬영할 수 있는 멜트 표면을 표시한 것이다.
이상과 같이 설명한 본 발명은 본 실시 예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하며, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 자명한 것이다.
도 1 : 본 발명 일 예로 도시한 기준부재 설치 상태도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
(1)--잉곳성장장치의 멜트 레벨 측정용 기준점 제공장치
(2)--제1 챔버 (3)--도가니
(3a)--멜트 표면 (4)--전열히터
(5)--멜트(Melt) (6)--제2 챔버
(7)--뷰포트 (8)--차열부재
(9)--지지부재 (10)--인상케이블
(11)--시드 (12)--공간부
(13)--잉곳 (14)--기준부재
(15)--CCD 카메라 (16)--페데스탈
(17)--구동축 (18)--도가니 구동수단
(A)--촬상영역 (HZ)--핫죤

Claims (2)

  1. 수냉실이 구비되는 제1 챔버(2) 내부에 고온의 멜트(5) 용용액이 수용되는 도가니(3)가 설치되고, 상기 도가니(3) 하부에 페데스탈(16)과 구동축(17) 및 도가니 구동수단(18)이 차례로 설치되고, 상기 도가니(3) 바깥에 전열히터(4)가 빙둘러 설치되고, 핫죤(HZ) 상부에 멜트(5)의 온도가 유지될 수 있게 차열부재(8)가 위치하고, 상기 도가니(3) 상부에 수냉실이 구비된 제2 챔버(6)가 설치되고, 상기 제2 챔버(6)의 공간부(12)에 성장중인 잉곳(13)을 인상시킬 수 있는 시드(11)와 시드척 및 인상케이블(10)이 설치되고, 상기 제1 챔버(2)의 상부에 제1 챔버(2) 내부를 들여다 볼 수 있는 뷰포트(7)가 설치되고, 차열부재(8) 하단에 멜트 레벨 측정용 기준부재가 설치된 잉곳성장장치에 있어서;
    상기 차열부재(8) 대신 수냉실이 구비된 제2 챔버(6)의 하단부에 하향 돌출형의 고온형 석영 기준부재(14)를 설치하여 망점 형태의 기준포인터가 제공되도록 함으로써, CCD 카메라(15)가 뷰포터(7)를 통하여 도가니(3) 내부의 멜트(5) 표면(3a)을 촬영할 때 상기 기준부재(14)가 망점 형태로 함께 촬영되어 멜트(5)의 레벨 변위를 비교 측정할 수 있도록 함을 특징으로 하는 잉곳성장장치의 멜트 레벨 측정용 기준점 제공장치.
  2. 삭제
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