KR101623178B1

KR101623178B1 - 실리카 유리 도가니의 제조 조건의 설정을 지원하는 장치, 실리카 유리 도가니 제조용 몰드의 제조 조건의 설정을 지원하는 장치, 실리카 유리 도가니를 이용한 실리콘 단결정 인상의 조건 설정을 지원하는 장치

Info

Publication number: KR101623178B1
Application number: KR1020147020941A
Authority: KR
Inventors: 토시아키 스도; 타다히로 사토; 에리코 키타하라; 슈지 토비타; 코이치 스즈키
Original assignee: 가부시키가이샤 섬코
Priority date: 2011-12-31
Filing date: 2012-10-31
Publication date: 2016-05-20
Anticipated expiration: 2032-10-31
Also published as: KR20140108579A; CN104136665A; EP2799598A4; WO2013099433A1; CN104136665B; US20140358270A1; US9754052B2; EP2799598A1; TWI483132B; TW201337614A

Abstract

설계 데이터에 대한 삼차원 형상의 일치도가 높은 실리카 유리 도가니를 회전 몰드법으로 제조한다. 최초의 물성 파라미터에 의거하여 얻어진 시뮬레이션 데이터 및 측정 데이터의 삼차원 형상의 일치도가 소정의 수준을 밑돌고 있는 경우에는, 그 일치도가 소정의 수준 이상이 되는 개선 물성 파라미터를 설정한다. 또한, 최초의 제조 조건에 의거하여 얻어진 시뮬레이션 데이터 및 측정 데이터의 삼차원 형상의 일치도가 소정의 수준을 밑돌고 있는 경우에는, 설계 데이터와의 일치도가 소정의 수준 이상이 되는 시뮬레이션 데이터가 얻어지는 개선 제조 조건을 설정한다. 그 결과, 실리카 유리 도가니의 설계 데이터 및 측정 데이터의 삼차원 형상의 일치도를 소정의 수준 이상으로 높일 수 있다. 즉, 설계 데이터에 대한 삼차원 형상의 일치도가 높은 실리카 유리 도가니를 회전 몰드법으로 제조할 수 있다.

Description

실리카 유리 도가니의 제조 조건의 설정을 지원하는 장치, 실리카 유리 도가니 제조용 몰드의 제조 조건의 설정을 지원하는 장치, 실리카 유리 도가니를 이용한 실리콘 단결정 인상의 조건 설정을 지원하는 장치{DEVICE FOR ASSISTING WITH SETTING OF MANUFACTURING CONDITIONS FOR SILICA GLASS CRUCIBLE, DEVICE FOR ASSISTING WITH SETTING OF MANUFACTURING CONDITIONS FOR MOLD FOR MANUFACTURING SILICA GLASS CRUCIBLE, DEVICE FOR ASSISTING WITH CONDITION SETTING FOR RAISING MONOCRYSTALLINE SILICON USING SILICA GLASS CRUCIBLE}

본 발명은 실리카 유리 도가니의 제조 조건의 설정을 지원하는 장치 및 그 장치에 의해 얻어지는 데이터, 실리카 유리 도가니 제조용 몰드의 제조 조건의 설정을 지원하는 장치 및 그 장치에 의해 얻어지는 데이터, 실리카 유리 도가니를 이용한 실리콘 단결정 인상의 조건 설정을 지원하는 장치 및 그 장치에 의해 얻어지는 데이터에 관한 것이다.

이러한 실리카 유리 도가니의 제조 방법은, 일례에서는, 회전 몰드의 내표면에 평균 입자 크기 300μm 정도의 실리카 분말(가루)을 퇴적시켜 실리카 분말층을 형성하는 실리카 분말층 형성 공정과, 몰드측으로부터 실리카 분말층을 감압하면서 실리카 분말층을 아크 용융시킴으로써 실리카 유리층을 형성하는 아크 용융 공정을 구비한다(이 방법을 "회전 몰드법"이라고 함).

아크 용융 공정의 초기에는 실리카 분말층을 세게 감압함으로써 기포를 제거하여 투명 실리카 유리층(이하, "투명층"이라고 함.)을 형성하고, 그 후, 감압을 약하게 함으로써 기포가 잔류한 기포 함유 실리카 유리층(이하, "기포 함유층"이라고 함.)을 형성함으로써 내표면측에 투명층을 가지며, 외표면측에 기포 함유층을 갖는 이층 구조의 실리카 유리 도가니를 형성할 수 있다.

한편, 초크랄스키(이하, CZ라고 함.)법에 의해 실리카 유리 도가니를 이용하여 실리콘 단결정을 인상하여 제조하기 위해, 고체인 실리콘 단결정과 액체인 실리콘 융액(融液) 간의 고액 계면 형상이나 이 고액 계면 근방의 온도 분포를 컴퓨터에 의해 시뮬레이션을 수행하여 수치 해석을 수행하는 방법의 개발이 정력적으로 이루어지고 있다.

예를 들면, 특허 문헌 1에는 메시 구조로 모델화한 핫 존(hot zone)의 각 부재의 물성값을 컴퓨터에 입력하고, 각 부재의 표면 온도 분포를 히터의 발열량 및 각 부재의 복사율에 의거하여 구하는 것이 기재되어 있다.

특허 문헌 1 : 일본 특허 공개 공보 제2009-190926호

그러나, 상기 특허 문헌 1에 기재된 종래 기술은 실리카 유리 도가니를 회전 몰드법으로 제조할 때의 시뮬레이션에는 사용하기가 어려웠다. 그리고, 실리카 유리 도가니를 회전 몰드법으로 제조할 때에는 다양한 요인으로 인해 설계 데이터와 다른 삼차원 형상의 실리카 유리 도가니가 얻어지는 경우가 많다. 그 때문에, 현재까지는 설계 데이터와 동일한 삼차원 형상의 실리카 유리 도가니를 실제로 회전 몰드법으로 제조하기는 어려웠다. 또한, 실리카 유리 도가니의 설계 데이터와 동일한 삼차원 형상의 실리카 유리 도가니를 제조할 수 있는 몰드를 얻기도 어려웠다. 나아가, 실리카 유리 도가니마다의 특성에 적합한 단결정 실리콘의 인상 조건의 설정에 사용하기도 어려웠다.

또한, 최근에는 직경 300mm인 웨이퍼가 반도체 칩의 제조 프로세스의 주류가 되었으며, 직경 450mm인 웨이퍼를 사용하는 프로세스도 개발중이다. 이러한 웨이퍼를 제조하려면 당연히 단결정 실리콘 잉곳을 제조하기 위한 CZ법에서 사용되는 실리카 유리 도가니도 28인치(71cm), 32인치(81cm), 36인치(약 91cm) 또는 40인치 (102cm)의 대구경일 것이 요구되게 되었다. 직경 101cm인 도가니는 중량이 약 120kg이나 되는 거대한 것으로서, 그곳에 수용되는 실리콘 융액의 질량은 900kg 이상이다.

실리카 유리 도가니를 이용하여 인상되는 실리콘 단결정의 순도는 99.999999999% 이상일 것이 요구되므로, 인상에 사용되는 실리카 유리 도가니의 내표면은 설계 데이터의 3차원 형상과 동일하게 평활할 것이 요구된다. 만약 실리카 유리 도가니의 내표면이 설계 데이터와 동일하지 않고 균열 등이 있는 경우에는 그 균열로부터 실리카의 파편 등이 박리되어 혼입되어 큰 문제를 일으키는 경우가 있다.

현재까지는 소구경의 실리카 유리 도가니를 설계 데이터와 동일한 3차원 형상이 되도록 제조하기는 어렵지 않았다. 그러나, 실리카 유리 도가니가 대구경이 될수록 설계 데이터와 동일한 삼차원 형상의 실리카 유리 도가니를 실제로 회전 몰드법으로 제조하기가 어려워졌다. 또한, 실리카 유리 도가니가 대구경이 될수록 실리카 유리 도가니의 설계 데이터와 동일한 삼차원 형상의 실리카 유리 도가니를 제조할 수 있는 몰드를 얻기도 어려워졌다.

또한, 실리카 유리의 연화점은 1200 내지 1300℃ 정도인 데 반해, CZ법에서는 실리콘 융액을 1450 내지 1500℃의 고온으로 가열한 상태에서 2주일 이상의 장시간에 걸쳐 인상이 수행된다. 즉, 실리콘 단결정의 인상시에는 약 1500℃의 실리콘 융액이 900kg 이상이나 도가니에 수용되게 된다. 그리고, 실리카 유리 도가니는 한 번의 단결정 실리콘 잉곳의 인상이 끝나면 폐기되는 일회용 제품이다. 게다가, 일회용임에도 불구하고 1개에 수 백만엔이나 할 수도 있는 고가의 제품이다. 그 때문에, 사용자 입장에서는 단결정 실리콘 잉곳의 인상전에 미리 다결정 실리콘의 충전(charge)량, 인상 조건 등의 정보를 실리카 유리 도가니마다 설정해야 한다. 그리고, 실리카 유리 도가니가 대구경이 될수록 실리카 유리 도가니마다의 특성에 적합한 단결정 실리콘의 인상 조건의 설정은 어려워지고 있다.

본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 설계 데이터에 대한 삼차원 형상의 일치도가 높은 실리카 유리 도가니를 회전 몰드법으로 제조하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명의 다른 목적은, 실리카 유리 도가니의 설계 데이터에 대한 삼차원 형상의 일치도가 높은 실리카 유리 도가니를 제조할 수 있는 몰드를 얻는 것이다. 또한, 본 발명의 또 다른 목적은, 실리카 유리 도가니마다의 특성에 적합한 단결정 실리콘의 인상 조건의 설정을 용이하게 하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따르면, 실리카 유리 도가니의 제조 조건의 설정을 지원하는 장치가 제공된다. 이 장치는 임의의 형식, 제조 로트 또는 시리얼 넘버(serial number)의 실리카 유리 도가니의 삼차원 형상의 설계 데이터를 취득하는 설계 데이터 취득부와, 그 설계 데이터에 의거하여 실리카 유리 도가니의 제조 조건 데이터를 설정하는 제조 조건 데이터 설정부와, 열전달 계산(傳熱計算, 전열계산), 유체 계산(流體計算) 및 구조 계산(構造計算)으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 계산이 가능한 계산 엔진을 이용하여, 그 제조 조건에 의해 얻어지는 실리카 유리 도가니의 삼차원 형상의 시뮬레이션 데이터를 얻는 시뮬레이션부와, 그 계산 엔진이 사용하는 물성 파라미터를 설정하는 물성 파라미터 설정부와, 그 제조 조건에 의거하여 제조된 실리카 유리 도가니의 삼차원 형상의 측정 데이터를 취득하는 측정 데이터 취득부와, 그 설계 데이터, 그 시뮬레이션 데이터, 그 측정 데이터 중 2종류의 데이터를 비교 대조하여 양자의 삼차원 형상의 일치도를 판정하는 일치도 판정부와, 그 시뮬레이션 데이터 또는 제조 조건 데이터의 출력부를 구비한다.

또한, 이 물성 파라미터 설정부는, 최초의 물성 파라미터에 의거하여 얻어진 그 시뮬레이션 데이터 및 그 측정 데이터의 삼차원 형상의 일치도가 소정의 수준을 밑돌고 있는 경우에는 그 일치도가 소정의 수준 이상이 되는 개선 물성 파라미터를 설정하는 개선 물성 파라미터 설정부를 가지고 있다. 그리고, 이 제조 조건 설정부는 그 설계 데이터와의 일치도가 소정의 수준 이상이 되는 시뮬레이션 데이터가 얻어지는 제조 조건을 설정하는 개선 제조 조건 데이터 설정부를 가지고 있다.

이 구성에 따르면, 최초의 물성 파라미터에 의거하여 얻어진 시뮬레이션 데이터 및 측정 데이터의 삼차원 형상의 일치도가 소정의 수준을 밑돌고 있는 경우에는 그 일치도가 소정의 수준 이상이 되는 개선 물성 파라미터를 설정하기 때문에 시뮬레이션 데이터 및 측정 데이터의 삼차원 형상의 일치도를 소정의 수준 이상으로 높일 수 있다. 또한, 이 구성에 따르면, 설계 데이터와의 일치도가 소정의 수준 이상이 되는 시뮬레이션 데이터가 얻어지는 제조 조건을 설정하기 때문에 설계 데이터 및 시뮬레이션 데이터의 삼차원 형상의 일치도를 소정의 수준 이상으로 높일 수 있다. 그 결과, 이 구성에 따르면, 실리카 유리 도가니의 설계 데이터 및 측정 데이터의 삼차원 형상의 일치도를 소정의 수준 이상으로 높일 수 있다. 즉, 이 구성에 따르면, 설계 데이터에 대한 삼차원 형상의 일치도가 높은 실리카 유리 도가니를 회전 몰드법으로 제조할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기한 장치에 의해 얻어지는 시뮬레이션 데이터가 제공된다.

이 시뮬레이션 데이터 및 측정 데이터의 삼차원 형상의 일치도는 전술한 바와 같이 소정의 수준 이상이다. 그 때문에, 이 시뮬레이션 데이터를 사용하면 회전 몰드법으로 실제로 제조되는 실리카 유리 도가니의 삼차원 형상을 정밀하게 예측할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기한 장치에 의해 얻어지는 개선 제조 조건 데이터가 제공된다.

이 개선 제조 조건 데이터를 이용한 경우에는, 전술한 바와 같이 설계 데이터와의 일치도가 소정의 수준 이상이 되는 시뮬레이션 데이터가 얻어진다. 그리고, 상기한 장치를 사용하는 경우에는, 전술한 바와 같이 최초의 물성 파라미터에 의거하여 얻어진 시뮬레이션 데이터 및 측정 데이터의 삼차원 형상의 일치도가 소정의 수준을 밑돌고 있는 경우에는 그 일치도가 소정의 수준 이상이 되는 개선 물성 파라미터를 설정하기 때문에, 시뮬레이션 데이터 및 측정 데이터의 삼차원 형상의 일치도를 소정의 수준 이상으로 높일 수 있다. 그 때문에, 이 개선 제조 조건 데이터를 사용하면 설계 데이터에 대한 삼차원 형상의 일치도가 높은 실리카 유리 도가니를 회전 몰드법으로 제조할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 실리카 유리 도가니 제조용 몰드의 제조 조건의 설정을 지원하는 장치가 제공된다. 이 장치는 임의의 형식, 제조 로트 또는 시리얼 넘버의 실리카 유리 도가니의 삼차원 형상의 설계 데이터를 취득하는 도가니 설계 데이터 취득부와, 그 도가니 설계 데이터에 의거하여 몰드의 삼차원 형상의 설계 데이터를 설정하는 몰드 설계 데이터 설정부와, 열전달 계산, 유체 계산 및 구조 계산으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 계산이 가능한 계산 엔진을 이용하여 그 몰드 설계 데이터대로의 삼차원 형상의 몰드 상에서 실리카 분말을 아크 용융하여 얻어지는 실리카 유리 도가니의 삼차원 형상의 시뮬레이션 데이터를 얻는 시뮬레이션부와, 그 계산 엔진이 사용하는 물성 파라미터를 설정하는 파라미터 설정부와, 그 몰드 설계 데이터에 의거하여 제조되는 몰드 상에서 실리카 분말을 아크 용융하여 얻어지는 실리카 유리 도가니의 삼차원 형상의 도가니 측정 데이터를 취득하는 도가니 측정 데이터 취득부와, 그 도가니 설계 데이터, 그 시뮬레이션 데이터, 그 도가니 측정 데이터 중 2종류의 데이터를 비교 대조하여 양자의 삼차원 형상의 일치도를 판정하는 일치도 판정부와, 그 시뮬레이션 데이터 또는 몰드 설계 데이터의 출력부를 구비한다.

또한, 이 물성 파라미터 설정부는, 최초의 물성 파라미터에 의거하여 얻어진 그 시뮬레이션 데이터 및 그 도가니 측정 데이터의 삼차원 형상의 일치도가 소정의 수준을 밑돌고 있는 경우에는, 그 일치도가 소정의 수준 이상이 되는 개선 물성 파라미터를 설정하는 개선 물성 파라미터 설정부를 가지고 있다. 그리고, 이 몰드 설계 데이터 설정부는 그 도가니 설계 데이터와의 일치도가 소정의 수준 이상이 되는 시뮬레이션 데이터가 얻어지는 개선 몰드 설계 데이터를 설정하는 개선 몰드 설계 데이터 설정부를 가지고 있다.

이 구성에 따르면, 최초의 물성 파라미터에 의거하여 얻어진 시뮬레이션 데이터 및 측정 데이터의 삼차원 형상의 일치도가 소정의 수준을 밑돌고 있는 경우에는 그 일치도가 소정의 수준 이상이 되는 개선 물성 파라미터를 설정하기 때문에 시뮬레이션 데이터 및 측정 데이터의 삼차원 형상의 일치도를 소정의 수준 이상으로 높일 수 있다. 또한, 이 구성에 따르면, 설계 데이터와의 일치도가 소정의 수준 이상이 되는 시뮬레이션 데이터가 얻어지는 몰드 설계 데이터를 설정하기 때문에 설계 데이터 및 시뮬레이션 데이터의 삼차원 형상의 일치도를 소정의 수준 이상으로 높일 수 있다. 그 결과, 이 구성에 따르면, 실리카 유리 도가니의 설계 데이터 및 측정 데이터의 삼차원 형상의 일치도를 소정의 수준 이상으로 높일 수 있다. 즉, 이 구성에 따르면, 실리카 유리 도가니의 설계 데이터에 대한 삼차원 형상의 일치도가 높은 실리카 유리 도가니를 제조할 수 있는 몰드가 얻어진다.

이 시뮬레이션 데이터 및 측정 데이터의 삼차원 형상의 일치도는 전술한 바와 같이 소정의 수준 이상이다. 그 때문에, 이 시뮬레이션 데이터를 사용하면 몰드 설계 데이터에 의거하여 제조된 몰드를 이용하여 실제로 제조되는 실리카 유리 도가니의 삼차원 형상을 정밀하게 예측할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기한 장치에 의해 얻어지는 개선 몰드 설계 데이터가 제공된다.

이 개선 몰드 설계 데이터를 이용한 경우에는, 전술한 바와 같이 설계 데이터와의 일치도가 소정의 수준 이상이 되는 시뮬레이션 데이터가 얻어진다. 그리고, 상기한 장치를 사용하는 경우에는, 전술한 바와 같이 최초의 물성 파라미터에 의거하여 얻어진 시뮬레이션 데이터 및 측정 데이터의 삼차원 형상의 일치도가 소정의 수준을 밑돌고 있는 경우에는 그 일치도가 소정의 수준 이상이 되는 개선 물성 파라미터를 설정하기 때문에 시뮬레이션 데이터 및 측정 데이터의 삼차원 형상의 일치도를 소정의 수준 이상으로 높일 수 있다. 그 때문에, 이 개선 몰드 설계 데이터에 의거하여 제조된 몰드를 사용하면 실리카 유리 도가니의 설계 데이터에 대한 삼차원 형상의 일치도가 높은 실리카 유리 도가니를 회전 몰드법으로 제조할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 실리카 유리 도가니를 이용한 실리콘 단결정 인상의 조건 설정을 지원하는 장치가 제공된다. 이 장치는 사용자에 의해 입력된 실리카 유리 도가니를 개별적으로 특정 가능한 도가니 특정 정보를 취득하는 도가니 특정 정보 취득부와, 그 도가니 특정 정보에 의해 개별적으로 특정되는 실리카 유리 도가니의 삼차원 형상의 측정 데이터를 취득하는 측정 데이터 취득부와, 열전달 계산, 유체 계산 및 구조 계산으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 계산이 가능한 계산 엔진을 이용하여, 그 측정 데이터대로의 삼차원 형상의 실리카 유리 도가니를 이용하여 실리콘 단결정의 인상을 수행한 경우의 결정 결함의 발생에 대해 시뮬레이션 데이터를 얻는 시뮬레이션부와, 그 시뮬레이션부가 사용하는 가열 온도, 인상 속도 및 회전수를 포함하는 인상 조건을 설정하고, 최초의 인상 조건에 의거하여 얻어진 그 시뮬레이션 데이터의 결정 결함의 발생률이 소정의 수준을 초과한 경우에는, 그 결정 결함의 발생률이 소정의 수준 이하가 되는 개선 인상 조건을 설정하는 인상 조건 설정부와, 그 인상 조건을 출력하는 출력부를 구비한다.

이 구성에 따르면, 사용자에 의해 입력된 실리카 유리 도가니를 개별적으로 특정한 후에 그 실리카 유리 도가니의 삼차원 형상의 측정 데이터에 의거하여 시뮬레이션을 수행하여 결정 결함의 발생률이 소정의 수준 이하가 되는 개선 인상 조건을 출력할 수 있다. 그 때문에, 사용자는 실리카 유리 도가니마다의 특성에 적합한 단결정 실리콘의 인상 조건의 설정을 용이하게 수행할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 다른 실리카 유리 도가니를 이용한 실리콘 단결정 인상의 조건 설정을 지원하는 장치가 제공된다. 이 장치는 사용자에 의해 입력된 실리카 유리 도가니를 개별적으로 특정 가능한 도가니 특정 정보를 취득하는 도가니 특정 정보 취득부와, 그 도가니 특정 정보에 의해 개별적으로 특정되는 실리카 유리 도가니의 삼차원 형상의 측정 데이터를 취득하는 측정 데이터 취득부와, 그 측정 데이터를 출력하는 출력부를 구비한다.

이 구성에 따르면, 사용자에 의해 입력된 실리카 유리 도가니를 개별적으로 특정한 후에 그 실리카 유리 도가니의 삼차원 형상의 측정 데이터를 출력한다. 그 때문에, 사용자는 그 실리카 유리 도가니의 삼차원 형상의 측정 데이터에 의거하여 실리카 유리 도가니마다의 특성에 적합한 단결정 실리콘의 인상 조건의 설정을 용이하게 수행할 수 있다.

본 발명에 따르면, 설계 데이터에 대한 삼차원 형상의 일치도가 높은 실리카 유리 도가니를 회전 몰드법으로 제조할 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 실리카 유리 도가니의 설계 데이터에 대한 삼차원 형상의 일치도가 높은 실리카 유리 도가니를 제조할 수 있는 몰드가 얻어진다. 또한, 본 발명에 따르면, 실리카 유리 도가니마다의 특성에 적합한 단결정 실리콘의 인상 조건의 설정을 용이하게 수행할 수 있다.

도 1은 실시 형태 1의 장치의 동작 원리를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 실시 형태 1 또는 실시 형태 2의 장치를 이용하여 얻어진 개선 제조 조건 데이터 또는 개선 몰드 설계 데이터를 이용하여 실리카 유리 도가니의 제조 프로세스에서의 아크 전원 및 감압 기구(機構)의 피드백 제어를 보다 치밀하게 수행하는 것에 대해 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 실시 형태 1의 장치의 전체 구성을 설명하기 위한 기능 블럭도이다.
도 4는 실시 형태 1의 장치의 시뮬레이션부, 제조 조건 데이터 설정부 및 물성 파라미터 설정부의 상세한 구성을 설명하기 위한 기능 블럭도이다.
도 5는 실시 형태 1 내지 3의 장치에서 사용하는 실리카 유리 도가니의 측정 데이터의 데이터 구성에 대해 설명하기 위한 데이터 테이블이다.
도 6은 실시 형태 1의 장치의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 7은 실시 형태 1 내지 3의 장치에서 사용하는 실리카 유리 도가니의 측정 데이터를 로봇 아암 및 측거부(測距部)를 이용하여 측정하는 방법에 대해 설명하기 위한 측정 공정도이다.
도 8은 도 7에서의 측정 원리를 설명하기 위한 개념도이다.
도 9는 도 7에서의 내부 측거부(內部測距部)의 측정 결과를 도시한 그래프이다.
도 10은 도 7에서의 외부 측거부(外部測距部)의 측정 결과를 도시한 그래프이다.
도 11은 실시 형태 2의 장치의 동작 원리를 설명하기 위한 개념도이다.
도 12는 실시 형태 2의 장치의 전체 구성을 설명하기 위한 기능 블럭도이다.
도 13은 실시 형태 2의 장치의 시뮬레이션부, 몰드 설계 데이터 설정부 및 물성 파라미터 설정부의 상세한 구성을 설명하기 위한 기능 블럭도이다.
도 14는 실시 형태 2의 장치의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 15는 실시 형태 3의 장치의 동작 원리를 설명하기 위한 개념도이다.
도 16은 실시 형태 3의 장치를 이용하여 얻어진 실리카 유리 도가니의 삼차원 형상의 측정 데이터를 이용하여, 사용자가 단결정 실리콘의 인상 프로세스에서의 다결정 실리콘 원료의 충전 및 용융을 적절하게 수행하는 것에 대해 설명하기 위한 개념도이다.
도 17은 실시 형태 3의 장치를 이용하여 얻어진 인상 조건의 데이터를 이용하여, 사용자가 단결정 실리콘의 인상 프로세스에서의 가열 온도, 인상 속도 및 회전수의 피드백 제어를 보다 치밀하게 수행하는 것에 대해 설명하기 위한 개념도이다.
도 18은 실시 형태 3의 장치의 전체 구성을 설명하기 위한 기능 블럭도이다.
도 19는 실시 형태 3의 장치의 시뮬레이션부 및 인상 조건 설정부의 상세한 구성을 설명하기 위한 기능 블럭도이다.
도 20은 실시 형태 3의 장치의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.

이하, 본 발명의 실시 형태에 대해 도면을 이용하여 설명한다. 또한, 실시 형태 1 내지 3에 있어서 서로 다른 구성 요소에 동일한 부호를 붙인 경우가 있는데, 구성 요소명이 서로 다른 경우에는 다른 것을 나타내고 있다.

<실시 형태 1: 실리카 유리 도가니의 제조 조건의 설정을 지원하는 장치>

도 1은 본 실시 형태의 장치의 동작 원리를 설명하기 위한 개념도이다. 본 실시 형태의 장치를 이용하여 실리카 유리 도가니의 제조 조건을 설정할 때에는 실리카 유리 도가니를 삼차원 CAD 등으로 설계한 설계 데이터를 먼저 준비한다. 이 삼차원 CAD의 설계 데이터는 이차원 CAD의 설계 데이터를 삼차원 CAD의 설계 데이터로 변환한 것일 수도 있다.

이어서, 그 설계 데이터에 의거하여 실리카 유리 도가니를 제조하기 위한 제조 조건 데이터(예를 들면, 아크 전력, 감압 조건, 몰드 회전수 등의 타임 테이블)를 설정한다. 이 경우, 최초의 제조 조건 데이터로는, 예를 들면, 숙련된 오퍼레이터 또는 엔지니어가 과거의 지식 및 경험에 의거하여 적절하다고 판단한 제조 조건 데이터를 설정할 수도 있다. 혹은, 최초의 제조 조건 데이터로는 과거의 실리카 유리 도가니의 제조 기록에 있어서 소정의 형식의 실리카 유리 도가니의 품질 검사의 결과가 양호했던 제조 조건 데이터를 그대로 사용할 수도 있다.

그리고, 이 최초 설정한 제조 조건 데이터를 이용하여, 전원, 카본 전극, 카본 몰드, 감압 기구 등을 구비하는 실리카 유리 도가니의 제조 장치를 이용하여, 몰드 위에 적층한 실리카 분말(다른 이름으로 석영 분말이라고도 함)을 용융하여 실리카 유리 도가니를 제조한다. 구체적으로 설명하면, 회전 몰드의 내표면에 평균 입자 크기 300μm 정도의 실리카 분말을 퇴적시켜 실리카 분말층을 형성하는 실리카 분말층 형성 공정과, 몰드측으로부터 실리카 분말층을 감압하면서 실리카 분말층을 아크 용융시킴으로써 실리카 유리층을 형성하는 아크 용융 공정에 의해 실리카 유리 도가니를 제조한다.

이 때, 아크 용융 공정의 초기에는 실리카 분말층을 세게 감압함으로써 기포를 제거하여 투명층을 형성하고, 그 후 감압을 약하게 함으로써 기포가 잔류한 기포 함유층을 형성함으로써 내표면측에 투명층을 가지며, 외표면측에 기포 함유층을 갖는 이층 구조의 실리카 유리 도가니를 형성할 수 있다.

그리고, 후술하는 로봇 아암을 이용하여 이 실리카 유리 도가니의 삼차원 형상을 측정하여, 실리카 유리 도가니의 삼차원 형상의 측정 데이터를 얻는다.

또한, 전술한 최초 설정한 제조 조건 데이터를 이용하여 실리카 유리 도가니를 제조한 경우에 얻어진다고 상정(想定)되는 실리카 유리 도가니의 삼차원 형상의 시뮬레이션 데이터를, 예를 들면 응력 해석 및 열유체 해석 등의 수치 해석 방법을 이용하여 생성한다. 이 때, 카본 몰드, 천연 석영 분말, 합성 실리카 분말, 투명층, 기포 함유층 등에 대한 물성 파라미터(예를 들면, 밀도, 유전율(誘電率), 투자율(透磁率), 자화율(磁化率), 강성률(剛性率), 영률, 도전율(導電率), 분극률(分極率), 경도(硬度), 비열(比熱), 선 팽창률(線膨張率), 끓는점(沸点), 융점(融点), 유리 전이점, 열전달 계수(傳熱係數, 전열 계수, coefficient of heat transfer), 포아송비(Poisson's ratio) 등)를 설정한다. 이들 물성 파라미터로는 시판하는 시뮬레이션 소프트웨어에 부속되는 디폴트(default)의 물성 파라미터를 최초의 물성 파라미터로서 사용할 수 있다. 혹은, 숙련된 오퍼레이터 또는 엔지니어가 과거의 지식 및 경험에 의거하여 적절하다고 판단한 물성 파라미터를 설정할 수도 있다.

그 후, 전술한 바와 같이 하여 얻어진 시뮬레이션 데이터 및 측정 데이터의 일치도를 계산하여 그 일치도가 소정의 수준을 밑도는 경우에는, 카본 몰드, 천연 석영 분말, 합성 실리카 분말, 투명층, 기포 함유층 등에 대한 물성 파라미터를 변경하여, 상기한 일치도가 소정의 수준 이상이 될 때까지 시뮬레이션을 반복한다. 그 결과, 상기한 일치도가 소정의 수준 이상이 된 물성 파라미터를 개선 물성 파라미터로서 채용한다. 이러한 일치도를 나타내는 지표로는 기존의 각종 패턴 매칭법을 이용할 수 있다.

계속해서, 그 개선 물성 파라미터를 이용한 경우의 설계 데이터 및 시뮬레이션 데이터의 일치도를 계산하여 그 일치도가 소정의 수준을 밑도는 경우에는, 실리카 유리 도가니를 제조하기 위한 제조 조건 데이터(예를 들면, 아크 전력, 감압 조건, 몰드 회전수 등의 타임 테이블)를 변경하여 상기한 일치도가 소정의 수준 이상이 될 때까지 시뮬레이션을 반복한다. 그 결과, 상기한 일치도가 소정의 수준 이상이 된 제조 조건 데이터를 개선 제조 조건 데이터로서 채용한다. 이러한 일치도를 나타내는 지표로는 기존의 각종 패턴 매칭법을 동일하게 이용할 수 있다.

이와 같이 하면, 최초의 물성 파라미터에 의거하여 얻어진 시뮬레이션 데이터 및 측정 데이터의 삼차원 형상의 일치도가 소정의 수준을 밑돌고 있는 경우에는 그 일치도가 소정의 수준 이상이 되는 개선 물성 파라미터를 설정하기 때문에 시뮬레이션 데이터 및 측정 데이터의 삼차원 형상의 일치도를 소정의 수준 이상으로 높일 수 있다. 또한, 이와 같이 하면, 설계 데이터와의 일치도가 소정의 수준 이상이 되는 시뮬레이션 데이터가 얻어지는 제조 조건을 설정하기 때문에 설계 데이터 및 시뮬레이션 데이터의 삼차원 형상의 일치도를 소정의 수준 이상으로 높일 수 있다. 그 결과, 이와 같이 하면, 실리카 유리 도가니의 설계 데이터 및 측정 데이터의 삼차원 형상의 일치도를 소정의 수준 이상으로 높일 수 있다. 즉, 이와 같이 하면, 설계 데이터에 대한 삼차원 형상의 일치도가 높은 실리카 유리 도가니를 회전 몰드법으로 제조할 수 있다.

도 2는 본 실시 형태의 장치를 이용하여 얻어진 개선 제조 조건 데이터를 이용하여 실리카 유리 도가니의 제조 프로세스에서의 아크 전원 및 감압 기구의 피드백 제어를 보다 치밀하게 수행하는 것에 대해 설명하기 위한 개념도이다. 도 1에서 설명한 방법을 이용하여 얻어진 개선 제조 조건 데이터를 사용함으로써 이 도면에 도시한 바와 같이, 아크 전력, 감압 조건, 몰드 회전수 등의 타임 테이블에 있어서 보다 치밀한 피드백을 가할 수 있다. 그 결과, 설계 데이터에 대한 삼차원 형상의 일치도가 높은 실리카 유리 도가니를 회전 몰드법으로 제조할 수 있다.

도 3은 본 실시 형태의 장치의 전체 구성을 설명하기 위한 기능 블럭도이다. 이 제조 조건 설정 지원 장치(1000)에는 임의의 형식, 제조 로트 또는 시리얼 넘버의 실리카 유리 도가니의 삼차원 형상의 설계 데이터를 취득하는 설계 데이터 취득부(104)가 설치되어 있다. 이 설계 데이터 취득부(104)는 숙련된 오퍼레이터 또는 엔지니어가 조작부(124)를 통해 입력한 실리카 유리 도가니의 삼차원 형상의 설계 데이터를 취득할 수 있다. 또한, 이 설계 데이터 취득부(104)는 외부의 서버(126)에 저장되어 있는 실리카 유리 도가니의 삼차원 형상의 설계 데이터를 네트워크(118)를 개재하여(통하여) 취득할 수도 있다.

이 제조 조건 설정 지원 장치(1000)에는, 설계 데이터에 의거하여 실리카 유리 도가니의 제조 조건 데이터를 설정하는 제조 조건 데이터 설정부(140)가 설치되어 있다. 이 제조 조건 데이터 설정부(140)는 숙련된 오퍼레이터 또는 엔지니어가 조작부(124)를 통해 입력한 실리카 유리 도가니의 제조 조건 데이터(예를 들면, 아크 전력, 감압 조건, 몰드 회전수 등의 타임 테이블)를 최초의 제조 조건 데이터로서 설정할 수 있다. 또한, 이 제조 조건 데이터 설정부(140)는 외부의 서버(126)에 저장되어 있는 과거의 실리카 유리 도가니의 제조 기록에 있어서 소정의 형식의 실리카 유리 도가니의 품질 검사의 결과가 양호했던 제조 조건 데이터를 네트워크(118)를 개재하여 취득할 수도 있다.

이 제조 조건 설정 지원 장치(1000)에는, 열전달 계산, 유체 계산 및 구조 계산으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 계산이 가능한 계산 엔진을 이용하여, 상기한 제조 조건에 의해 얻어지는 실리카 유리 도가니의 삼차원 형상의 시뮬레이션 데이터를 응력 해석 및 열유체 해석 등의 수치 해석 방법을 이용하여 얻는 시뮬레이션부(112)를 구비한다. 또한, 이 제조 조건 설정 지원 장치(1000)에는 상기한 시뮬레이션부(112)의 계산 엔진이 사용하는 물성 파라미터를 설정하는 물성 파라미터 설정부(106)가 설치되어 있다. 이 물성 파라미터 설정부(106)는 숙련된 오퍼레이터 또는 엔지니어가 조작부(124)를 통해 입력한 카본 몰드, 천연 석영 분말, 합성 실리카 분말, 투명층, 기포 함유층 등에 대한 물성 파라미터(예를 들면, 밀도, 유전율, 투자율, 자화율, 강성률, 영률, 도전율, 분극률, 경도, 비열, 선 팽창률, 끓는점, 융점, 유리 전이점, 열전달 계수, 포아송비 등)를 최초의 물성 파라미터로서 설정할 수 있다. 혹은, 이 물성 파라미터 설정부(106)는 외부의 서버(126)에 저장되어 있는 물성 파라미터 등을 네트워크(118)를 개재하여 취득할 수도 있다. 또는, 이 물성 파라미터 설정부(106)는 물성 파라미터 기억부(142)에 저장되어 있는 시판하는 시뮬레이션 소프트웨어에 부속되는 디폴트의 물성 파라미터를 최초의 물성 파라미터로서 사용할 수 있다.

이 제조 조건 설정 지원 장치(1000)에는, 상기한 제조 조건에 의거하여 실제로 제조된 실리카 유리 도가니의 삼차원 형상의 측정 데이터를 취득하는 측정 데이터 취득부(102)가 설치되어 있다. 이 측정 데이터 취득부(102)는 후술하는 측정 장치(128)로부터 측정 데이터를 네트워크(118)를 개재하여 다이렉트로 취득할 수 있다. 혹은, 이 측정 데이터 취득부(102)는 외부의 서버(126)에 저장되어 있는 실리카 유리 도가니의 삼차원 형상의 측정 데이터를 네트워크(118)를 개재하여 취득할 수도 있다.

이 제조 조건 설정 지원 장치(1000)에는, 상기한 설계 데이터, 상기한 시뮬레이션 데이터, 상기한 측정 데이터 중 2종류의 데이터를 비교 대조하여 양자의 삼차원 형상의 일치도를 판정하는 일치도 판정부(114)가 설치되어 있다. 이 일치도 판정부(114)는 기존의 각종 패턴 매칭법을 수행할 수 있으면 된다. 이러한 패턴 매칭의 방법으로는 잔차(殘差) 매칭, 정규화 상관법, 위상 한정 상관, 기하 매칭, 벡터 상관, 일반화 허프 변환(Hough transform) 등을 바람직하게 사용할 수 있다.

이 제조 조건 설정 지원 장치(1000)에는, 시뮬레이션 데이터 또는 제조 조건 데이터의 출력부(116)가 설치되어 있다. 이 출력부(116)는 시뮬레이션 데이터 또는 제조 조건 데이터를 화상 표시부(122)를 통해 화상 데이터로서 출력할 수 있다. 또한, 이 출력부(116)는 시뮬레이션 데이터 또는 제조 조건 데이터를 네트워크(120)를 개재하여 화상 표시부(130), 프린터(132), 서버(134) 등에 출력할 수도 있다.

도 4는 본 실시 형태의 장치의 시뮬레이션부, 제조 조건 데이터 설정부 및 물성 파라미터 설정부의 상세한 구성을 설명하기 위한 기능 블럭도이다. 이 도면에 도시한 바와 같이, 상기한 시뮬레이션부(112)에는 열전달 계산 엔진(204), 유체 계산 엔진(206), 구조 계산 엔진(208) 등을 저장하는 계산 엔진 기억부(210)가 설치되어 있다. 그리고, 이 시뮬레이션부(112)에는 이들 열전달 계산 엔진(204), 유체 계산 엔진(206), 구조 계산 엔진(208)을 계산 엔진 기억부(210)로부터 읽어들여 응력 해석 및 열유체 해석 등의 수치 해석을 수행하는 해석부(202)도 설치되어 있다.

상기한 물성 파라미터 설정부(106)에는, 최초의 물성 파라미터에 의거하여 얻어진 시뮬레이션 데이터 및 측정 데이터의 삼차원 형상의 일치도가 소정의 수준을 밑돌고 있는 경우에는, 일치도가 소정의 수준 이상이 되는 개선 물성 파라미터를 설정하는 개선 물성 파라미터 설정부(402)가 설치되어 있다. 일치도 판정부(114)에 있어서 시뮬레이션 데이터 및 측정 데이터의 일치도를 계산하여 그 일치도가 소정의 수준을 밑도는 경우에는, 일치도 판정부(114)가 물성 파라미터 설정부(106)로 물성 파라미터의 변경 명령을 전달한다. 그리고, 이 변경 명령을 전달받은 물성 파라미터 설정부(106)의 개선 물성 파라미터 설정부(402)는, 예를 들면, 카본 몰드, 천연 석영 분말, 합성 실리카 분말, 투명층, 기포 함유층 등에 대한 물성 파라미터(예를 들면, 밀도, 유전율, 투자율, 자화율, 강성률, 영률, 도전율, 분극률, 경도, 비열, 선 팽창률, 끓는점, 융점, 유리 전이점, 열전달 계수, 포아송비 등)를 변경한다. 이와 같이 하여 변경된 개선 물성 파라미터는 시뮬레이션부(112)로 전달된다. 이 개선 물성 파라미터를 전달받은 시뮬레이션부(112)는 개선 물성 파라미터를 이용하여 다시 시뮬레이션을 수행하여 시뮬레이션 결과를 일치도 판정부(114)로 전달한다. 이 일련의 동작이 상기한 일치도가 소정의 수준 이상이 될 때까지 반복된다.

상기한 제조 조건 데이터 설정부(140)에는, 설계 데이터와의 일치도가 소정의 수준 이상이 되는 시뮬레이션 데이터가 얻어지는 제조 조건을 설정하는 개선 제조 조건 설정부(308)가 설치되어 있다. 이 개선 제조 조건 설정부(308)에는 아크 방전 조건 설정부(302), 회전수 설정부(304), 감압 조건 설정부(306)가 설치되어 있다. 일치도 판정부(114)에 있어서 설계 데이터 및 시뮬레이션 데이터의 일치도를 계산하여 그 일치도가 소정의 수준을 밑도는 경우에는, 일치도 판정부(114)가 제조 조건 데이터 설정부(140)로 제조 조건 데이터의 변경 명령을 전달한다. 그리고, 이 변경 명령을 전달받은 제조 조건 데이터 설정부(140)의 개선 제조 조건 설정부(308)는, 아크 방전 조건 설정부(302), 회전수 설정부(304), 감압 조건 설정부(306)로 하여금 제조 조건 데이터(예를 들면, 아크 전력, 감압 조건, 몰드 회전수 등의 타임 테이블)를 변경시키도록 한다. 이와 같이 하여 변경된 개선 제조 조건 데이터는 시뮬레이션부(112)로 전달된다. 이 개선 제조 조건 데이터를 전달받은 시뮬레이션부(112)는 개선 제조 조건 데이터를 이용하여 다시 시뮬레이션을 수행하여 시뮬레이션 결과를 일치도 판정부(114)로 전달한다. 이 일련의 동작이 상기한 일치도가 소정의 수준 이상이 될 때까지 반복된다.

도 5는 본 실시 형태의 장치에서 사용하는 실리카 유리 도가니의 측정 데이터의 데이터 구성에 대해 설명하기 위한 데이터 테이블이다. 이 도면에 도시한 바와 같이, 측정 데이터 취득부(102)는 후술하는 측정 장치(128)로부터 이 도면에 도시한 바와 같은 데이터 구조를 갖는 측정 데이터를 네트워크(118)를 개재하여 다이렉트로 취득할 수 있다. 이 측정 데이터에서는 각각의 위치 A, 위치 B, 위치 C, 위치 D, 위치 E마다 내측 XYZ 좌표, 외측 XYZ 좌표, 기포 함유율, FT-IR 스펙트럼, 라만 스펙트럼, 표면 거칠기 등의 데이터가 테이블 형식으로 기록되어 있다.

도 6은 본 실시 형태의 장치의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다. 제일 먼저, 이 제조 조건 설정 지원 장치(1000)의 전력이 온되어 일련의 동작이 시작된다. 그러면, 먼저, 설계 데이터 취득부(104)가 외부의 서버(126)에 저장되어 있는 실리카 유리 도가니의 삼차원 형상의 설계 데이터를 네트워크(118)를 개재하여 취득한다(S102). 다음, 제조 조건 데이터 설정부(140)가 외부의 서버(126)에 저장되어 있는 과거의 실리카 유리 도가니의 제조 기록에 있어서 소정의 형식의 실리카 유리 도가니의 품질 검사의 결과가 양호했던 제조 조건 데이터를 네트워크(118)를 개재하여 취득한다(S104).

계속해서, 물성 파라미터 설정부(106)가 외부의 서버(126)에 저장되어 있는 물성 파라미터 등을 네트워크(118)를 개재하여 취득한다(S106). 그리고, 시뮬레이션부(112)가 상기한 제조 조건에 의해 얻어지는 실리카 유리 도가니의 삼차원 형상의 시뮬레이션 데이터를 응력 해석 및 열유체 해석 등의 수치 해석 방법을 이용하여 얻는다(S108).

다른 한편, 상기한 제조 조건 데이터를 이용하여, 전원, 카본 전극, 카본 몰드, 감압 기구 등을 구비하는 실리카 유리 도가니의 제조 장치에 의해, 몰드 위에 적층한 실리카 분말을 용융하여 실제로 실리카 유리 도가니를 제조한다(S110). 그리고, 측정 데이터 취득부(102)가 상기한 제조 조건에 의거하여 실제로 제조된 실리카 유리 도가니의 삼차원 형상의 측정 데이터를 취득한다(S112).

그 후, 일치도 판정부(114)가 상기한 시뮬레이션 데이터 및 상기한 측정 데이터를 비교 대조하여 양자의 삼차원 형상의 일치도를 판정한다(S114). 구체적으로 설명하면, 일치도 판정부(114)에 있어서 시뮬레이션 데이터 및 측정 데이터의 일치도를 계산하여 그 일치도가 소정의 수준을 밑도는지 여부를 판정한다(S116). 만약 시뮬레이션 데이터 및 측정 데이터의 일치도가 소정의 수준을 밑도는 경우에는, 개선 물성 파라미터 설정부(402)가 일치도가 소정의 수준 이상이 되는 개선 물성 파라미터를 설정한다(S118). 이 경우, 시뮬레이션부(112)가 개선 물성 파라미터를 이용하여 시뮬레이션을 다시 한다. 한편, 시뮬레이션 데이터 및 측정 데이터의 일치도가 소정의 수준 이상인 경우에는 그 물성 파라미터를 그대로 사용한다.

다음, 일치도 판정부(114)가 상기한 설계 데이터 및 상기한 시뮬레이션 데이터를 비교 대조하여 양자의 삼차원 형상의 일치도를 판정한다(S120). 구체적으로 설명하면, 일치도 판정부(114)에 있어서 설계 데이터 및 시뮬레이션 데이터의 일치도를 계산하여 그 일치도가 소정의 수준을 밑도는지 여부를 판정한다(S122). 만약 설계 데이터 및 시뮬레이션 데이터의 일치도가 소정의 수준을 밑도는 경우에는, 개선 제조 조건 설정부(308)가 일치도가 소정의 수준 이상이 되는 개선 제조 조건 데이터를 설정한다(S124). 이 경우, 시뮬레이션부(112)가 개선 제조 조건 데이터를 이용하여 시뮬레이션을 다시 한다. 한편, 설계 데이터 및 시뮬레이션 데이터의 일치도가 소정의 수준 이상인 경우에는 그 제조 조건 데이터를 그대로 사용한다. 그리고, 출력부(116)가 시뮬레이션 데이터 또는 제조 조건 데이터를 네트워크(120)를 개재하여 화상 표시부(130), 프린터(132), 서버(134) 등으로 출력한다(S126). 이로써 일련의 동작이 종료된다.

<실리카 유리 도가니의 삼차원 형상 측정 장치>

이하, 도 7 내지 도 10을 이용하여, 상기한 실시 형태에서 사용하는 실리카 유리 도가니의 삼차원 형상의 측정 데이터를 취득하기 위한 실리카 유리 도가니의 삼차원 형상 측정 방법을 설명한다.

<실리카 유리 도가니>

도 7은 본 실시 형태의 장치에서 사용하는 실리카 유리 도가니의 측정 데이터를 로봇 아암 및 측거부를 이용하여 측정하는 방법에 대해 설명하기 위한 측정 공정도이다. 측정 대상인 실리카 유리 도가니(11)는 내표면측에 투명층(13)과 외표면측에 기포 함유층(15)을 갖는 것으로서, 개구부가 아래를 향하도록 회전 가능한 회전대(9) 위에 안착되어 있다. 실리카 유리 도가니(11)는 곡률이 비교적 큰 라운드부(11b)와, 상면에 개구한 가장자리부를 갖는 원통형의 측벽부(11a)와, 직선 또는 곡률이 비교적 작은 곡선으로 이루어지는 절구 형태의 바닥부(11c)를 갖는다. 본 실시 형태에 있어서, 라운드부란 측벽부(11a)와 바닥부(11c)를 서로 맞닿게 하는 부분으로서, 라운드부의 곡선의 접선이 실리카 유리 도가니의 측벽부(11a)와 중첩되는 점부터 바닥부(11c)와 공통 접선을 갖는 점까지의 부분을 의미한다. 바꾸어 말하면, 실리카 유리 도가니(11)의 측벽부(11a)가 굴곡되기 시작하는 점이 측벽부(11a)와 라운드부(11b)의 경계이다. 나아가, 도가니의 바닥의 곡률이 일정한 부분이 바닥부(11c)이고, 도가니의 바닥의 중심으로부터의 거리가 증가했을 때 곡률이 변화하기 시작하는 점이 바닥부(11c)와 라운드부(11b) 간의 경계이다.

<내부 로봇 아암, 내부 측거부>

도가니(11)에 의해 덮이는 위치에 설치된 베이스대(基台; 1) 위에는 내부 로봇 아암(5)이 설치되어 있다. 내부 로봇 아암(5)은, 복수 개의 아암(5a)과, 이들 아암(5a)을 회전 가능하게 지지하는 복수 개의 조인트(5b)와, 본체부(5c)를 구비한다. 본체부(5c)에는 도시하지 않은 외부 단자가 설치되어 있어 외부와의 데이터 교환이 가능하게 되어 있다. 내부 로봇 아암(5)의 선단에는 도가니(11)의 내표면 형상의 측정을 수행하는 내부 측거부(17)가 설치되어 있다. 내부 측거부(17)는 도가니(11)의 내표면에 대해 레이저광을 조사하고, 내표면으로부터의 반사광을 검출함으로써 내부 측거부(17)로부터 도가니(11)의 내표면까지의 거리를 측정한다. 본체부(5c) 내에는 조인트(5b) 및 내부 측거부(17)의 제어를 수행하는 제어부가 설치되어 있다. 제어부는 본체부(5c)에 설치된 프로그램 또는 외부 입력 신호에 의거하여 조인트(5b)를 회전시켜 아암(5)을 움직임으로써 내부 측거부(17)를 임의의 삼차원 위치로 이동시킨다. 구체적으로 설명하면, 내부 측거부(17)를 도가니 내표면을 따라 비접촉으로 이동시킨다. 따라서, 제어부에는 도가니 내표면의 대략적인 형상 데이터를 주고, 그 데이터에 따라 내부 측거부(17)의 위치를 이동시킨다. 보다 구체적으로 설명하면, 예를 들면, 도 7(a)에 도시한 바와 같은 도가니(11)의 개구부 근방에 가까운 위치부터 측정을 시작하고, 도 7(b)에 도시한 바와 같이, 도가니(11)의 바닥부(11c)를 향해 내부 측거부(17)를 이동시키고, 이동 경로 위의 복수 개의 측정점에 있어서 측정을 수행한다. 측정 간격은, 예를 들면, 1 내지 5mm이며, 예를 들면 2mm이다. 측정은 미리 내부 측거부(17) 내에 기억된 타이밍에 수행하거나, 또는 외부 트리거에 따라 수행한다. 측정 결과는 내부 측거부(17) 내의 기억부에 저장되어 측정 종료 후에 한꺼번에 본체부(5c)로 보내지거나, 또는 측정할 때마다 차례로 본체부(5c)로 보내지도록 한다. 내부 측거부(17)는 본체부(5c)와 별도로 설치된 제어부에 의해 제어하도록 구성할 수도 있다.

도가니의 개구부로부터 바닥부(11c)까지의 측정이 끝나면 회전대(9)를 조금 회전시켜 동일하게 측정 수행한다. 이 측정은 바닥부(11c)로부터 개구부를 향해 수행할 수도 있다. 회전대(9)의 회전각은 정밀도와 측정 시간의 고려하여 결정되는데, 예를 들면, 2 내지 10도이다. 회전각이 너무 크면 측정 정밀도가 충분하지 않고, 너무 작으면 측정 시간이 과도하게 소요된다. 회전대(9)의 회전은 내장 프로그램 또는 외부 입력 신호에 의거하여 제어된다. 회전대(9)의 회전각은 로터리 엔코더 등에 의해 검출 가능하다. 회전대(9)의 회전은 내부 측거부(17) 및 후술하는 외부 측거부(19)의 이동과 연동하여 하는 것이 바람직하며, 이에 따라 내부 측거부(17) 및 외부 측거부(19)의 3차원 좌표의 산출이 용이해진다.

후술하겠지만, 내부 측거부(17)는 내부 측거부(17)로부터 내표면까지의 거리(내표면 거리) 및 내부 측거부(17)로부터 투명층(13)과 기포 함유층(15)의 계면까지의 거리(계면 거리)를 모두 측정할 수 있다. 조인트(5b)의 각도는 조인트(5b)에 설치된 로터리 엔코더 등에 의해 이미 알고 있으므로, 각 측정점에서의 내부 측거부(17)의 위치의 삼차원 좌표 및 방향을 이미 알고 있게 되므로, 내표면 거리 및 계면 거리가 구해지면 내표면에서의 삼차원 좌표 및 계면에서의 삼차원 좌표를 이미 알고 있게 된다. 그리고, 도가니(11)의 개구부로부터 바닥부(11c)까지의 측정이 도가니(11)의 전체 둘레에 걸쳐 수행되므로 도가니(11)의 내표면의 삼차원 형상 및 계면의 삼차원 형상을 이미 알고 있게 된다. 또한, 내표면과 계면 사이의 거리를 이미 알고 있게 되므로 투명층(13)의 두께도 이미 알고 있게 되어 투명층의 두께의 삼차원 분포를 구할 수 있다.

<외부 로봇 아암, 외부 측거부>

도가니(11)의 외부에 설치된 베이스대(3) 위에는 외부 로봇 아암(7)이 설치되어 있다. 외부 로봇 아암(7)은, 복수 개의 아암(7a)과, 이들 아암을 회전 가능하게 지지하는 복수 개의 조인트(7b)와, 본체부(7c)를 구비한다. 본체부(7c)에는 도시하지 않은 외부 단자가 설치되어 있으며, 외부와의 데이터 교환이 가능하게 되어 있다. 외부 로봇 아암(7)의 선단에는 도가니(11)의 외표면 형상의 측정을 수행하는 외부 측거부(19)가 설치되어 있다. 외부 측거부(19)는 도가니(11)의 외표면에 대해 레이저광을 조사하고, 외표면으로부터의 반사광을 검출함으로써 외부 측거부(19)로부터 도가니(11)의 외표면까지의 거리를 측정한다. 본체부(7c) 내에는 조인트(7b) 및 외부 측거부(19)의 제어를 수행하는 제어부가 설치되어 있다. 제어부는 본체부(7c)에 설치된 프로그램 또는 외부 입력 신호에 의거하여 조인트(7b)를 회전시켜 아암(7)을 움직임으로써 외부 측거부(19)를 임의의 삼차원 위치로 이동시킨다. 구체적으로 설명하면, 외부 측거부(19)를 도가니 외표면을 따라 비접촉으로 이동시킨다. 따라서, 제어부에는 도가니 외표면의 대략적인 형상 데이터를 주고, 그 데이터에 따라 외부 측거부(19)의 위치를 이동시킨다. 보다 구체적으로 설명하면, 예를 들면, 도 7(a)에 도시한 바와 같은 도가니(11)의 개구부 근방에 가까운 위치부터 측정을 시작하고, 도 7(b)에 도시한 바와 같이, 도가니(11)의 바닥부(11c)를 향해 외부 측거부(19)를 이동시키고, 이동 경로 위의 복수 개의 측정점에 있어서 측정을 수행한다. 측정 간격은, 예를 들면, 1 내지 5mm이며, 예를 들면 2mm이다. 측정은 미리 외부 측거부(19) 내에 기억된 타이밍에 수행하거나, 또는 외부 트리거에 따라 수행한다. 측정 결과는 외부 측거부(19) 내의 기억부에 저장되어 측정 종료 후에 한꺼번에 본체부(7c)로 보내지거나, 또는 측정할 때마다 차례로 본체부(7c)에 보내지도록 한다. 외부 측거부(19)는 본체부(7c)와 별도로 설치된 제어부에 의해 제어하도록 구성할 수도 있다.

내부 측거부(17)와 외부 측거부(19)는 동기시켜 이동시킬 수도 있으나, 내표면 형상의 측정과 외표면 형상의 측정은 독립적으로 수행되므로 반드시 동기시킬 필요는 없다.

외부 측거부(19)는 외부 측거부(19)로부터 외표면까지의 거리(외표면 거리)를 측정할 수 있다. 조인트(7b)의 각도는 조인트(7b)에 설치된 로터리 엔코더 등에 의해 이미 알고 있으므로, 외부 측거부(19)의 위치의 삼차원 좌표 및 방향을 이미 알고 있게 되므로, 외표면 거리가 구해지면 외표면에서의 삼차원 좌표를 이미 알고 있게 된다. 그리고, 도가니(11)의 개구부로부터 바닥부(11c)까지의 측정이 도가니(11)의 전체 둘레에 걸쳐 수행되므로 도가니(11)의 외표면의 삼차원 형상을 이미 알고 있게 된다. 이상으로부터, 도가니의 내표면 및 외표면의 삼차원 형상을 이미 알고 있게 되므로 도가니의 벽 두께의 삼차원 분포를 구할 수 있다.

<거리 측정의 구체적인 내용>

다음, 도 8을 이용하여 내부 측거부(17) 및 외부 측거부(19)에 의한 거리 측정의 구체적인 내용을 설명한다.

도 8에 도시한 바와 같이, 내부 측거부(17)는 도가니(11)의 내표면측(투명층(13) 측)에 배치되고, 외부 측거부(19)는 도가니(11)의 외표면측(기포 함유층(15) 측)에 배치된다. 내부 측거부(17)는 출사부(17a) 및 검출부(17b)를 구비한다. 외부 측거부(19)는 출사부(19a) 및 검출부(19b)를 구비한다. 또한, 내부 측거부(17) 및 외부 측거부(19)는 도시하지 않은 제어부 및 외부 단자를 구비한다. 출사부(17a 및 19a)는 레이저광을 출사하는 것으로서, 예를 들면, 반도체 레이저를 구비하는 것이다. 출사되는 레이저광의 파장은 특별히 한정되지 않으나, 예를 들면, 파장 600 내지 700nm의 적색 레이저광이다. 검출부(17b 및 19b)는 예를 들면 CCD로 구성되며, 광이 부딪친 위치에 의거하여 삼각 측량법의 원리에 의거하여 타겟까지의 거리가 결정된다.

내부 측거부(17)의 출사부(17a)로부터 출사된 레이저광은 일부가 내표면(투명층(13)의 표면)에서 반사되고, 일부가 투명층(13)과 기포 함유층(15)의 계면에서 반사되고, 이들 반사광(내표면 반사광, 계면 반사광)이 검출부(17b)에 부딪쳐서 검출된다. 도 8로부터 자명한 바와 같이, 내표면 반사광과 계면 반사광은 검출부(17b)의 서로 다른 위치에 부딪치고 있으며, 이 위치의 차이에 의해 내부 측거부(17)로부터 내표면까지의 거리(내표면 거리) 및 계면까지의 거리(계면 거리)가 각각 결정된다. 바람직한 입사각(θ)은 내표면의 상태, 투명층(13)의 두께, 기포 함유층(15)의 상태 등에 따라 변화할 수 있으나 예를 들면 30 내지 60도이다.

도 9는 시판하는 레이저 변위계를 이용하여 측정된 실제의 측정 결과를 나타낸다. 도 9에 도시한 바와 같이, 2개의 피크가 관찰되고 있으며, Near측의 피크가 내표면 반사광에 의한 피크이고, Far측의 피크가 계면 반사광에 의한 피크에 대응한다. 이와 같이 투명층(13)과 기포 함유층(15)의 계면으로부터의 반사광에 의한 피크도 클리어하게 검출되고 있다. 종래에는 이러한 방법으로 계면의 특정이 이루어지지 않아 이 결과는 매우 참신하다.

내부 측거부(17)로부터 내표면까지의 거리가 너무 먼 경우나 내표면 또는 계면이 국소적으로 기울어져 있는 경우에는 2개의 피크가 관측되지 않는 경우가 있다. 그 경우에는 내부 측거부(17)를 내표면에 근접시키거나 내부 측거부(17)를 기울여서 레이저광의 출사 방향을 변화시켜 2개의 피크가 관측되는 위치 및 각도를 탐색하는 것이 바람직하다. 또한, 2개의 피크가 동시에 관측되지 않아도, 어느 한 위치 및 각도에 있어서 내표면 반사광에 의한 피크를 관측하고, 다른 위치 및 각도에 있어서 계면 반사광에 의한 피크를 관측하도록 할 수도 있다. 또한, 내부 측거부(17)가 내표면에 접촉하는 것을 피하기 위해 최대 근접 위치를 설정해 두어 피크가 관측되지 않는 경우라도 그 위치보다 내표면에 근접시키지 않도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 투명층(13) 중에 독립된 기포가 존재하는 경우, 이 기포로부터의 반사광을 내부 측거부(17)가 검출하여 버려, 투명층(13)과 기포 함유층(15)의 계면을 적절하게 검출할 수 없는 경우가 있다. 따라서, 어느 한 측정점(A)에서 측정된 계면의 위치가 전후의 측정점에서 측정된 계면의 위치로부터 크게(소정의 기준값을 초과하여) 벗어나 있는 경우에는 측정점(A)에서의 데이터를 제외할 수도 있다. 또한, 그 경우, 측정점(A)으로부터 약간 벗어난 위치에서 다시 측정을 수행하여 얻어진 데이터를 채용할 수도 있다.

또한, 외부 측거부(19)의 출사부(19a)로부터 출사된 레이저광은 외표면(기포 함유층(15))의 표면에서 반사되고, 그 반사광(외표면 반사광)이 검출부(19b)에 부딪쳐서 검출되고, 검출부(19b) 위에서의 검출 위치에 의거하여 외부 측거부(19)와 외표면 사이의 거리가 결정된다. 도 10은 시판하는 레이저 변위계를 이용하여 측정된 실제의 측정 결과를 나타낸다. 도 4에 도시한 바와 같이, 하나의 피크만이 관찰된다. 피크가 관측되지 않는 경우에는 외부 측거부(19)를 내표면에 근접시키거나 외부 측거부(19)를 기울여서 레이저광의 출사 방향을 변화시켜 피크가 관측되는 위치 및 각도를 탐색하는 것이 바람직하다.

본 발명자들은, 도가니의 성능 향상이나 품질 관리를 용이하게 하려면 도가니의 내표면의 삼차원 형상이나 투명층의 두께의 삼차원 분포의 데이터를 취득하는 것이 필수적이라고 생각했으나, 도가니가 투명체이므로 광학적으로 삼차원 형상을 측정하기는 어려웠다. 도가니 내표면에 광을 조사하여 화상을 취득하고 그 화상을 해석하는 방법도 시도해 보았으나, 이 방법에서는 화상의 해석에 매우 긴 시간이 소요되기 때문에 도가니의 내표면 전체의 삼차원 형상의 측정에는 도저히 사용할 수 있는 것이 아니었다.

이러한 상황에 있어서, 본 발명자들은 도가니의 내표면에 대해 비스듬한 방향에서 레이저광을 조사했더니, 도가니 내표면으로부터의 반사광(내표면 반사광) 이외에 투명층과 기포 함유층의 계면으로부터의 반사광(계면 반사광)도 검출이 가능하다는 사실을 발견했다. 투명층과 기포 함유층의 계면은 기포 함유율이 급격하게 변화하는 면인데, 공기와 유리의 계면과 같은 명확한 계면은 아니기 때문에 투명층과 기포 함유층의 계면으로부터의 반사광이 검출 가능하다는 사실은 경이로운 발견이었다. 그리고, 상기한 실시 형태의 실리카 유리 도가니의 제조 조건의 설정을 지원하는 장치는 이러한 실리카 유리 도가니의 삼차원 형상 측정 장치의 개발이 있어야 비로소 가능해진 것이다.

<실리카 유리 도가니의 삼차원 형상에 관련시켜진 특성값>

상기한 설계 데이터, 상기한 시뮬레이션 데이터, 상기한 측정 데이터는 모두 상기한 실리카 유리 도가니의 삼차원 형상에 관련시켜진 특성값의 데이터를 포함하고 있을 수도 있다. 이 특성값으로는, 예를 들면, 기포 함유율, 표면 거칠기, 적외 흡수 스펙트럼 및 라만 스펙트럼에서 선택되는 하나 이상의 특성값을 바람직하게 사용할 수 있다.

이 경우에는 일치도 판정부(114)는 상기한 설계 데이터, 상기한 시뮬레이션 데이터, 상기한 측정 데이터 중 2개의 데이터에 포함되는 특성값의 일치도도 판정하도록 구성된다. 그리고, 개선 물성 파라미터 설정부(402)는 최초의 물성 파라미터에 의거하여 얻어진 시뮬레이션 데이터 및 측정 데이터의 삼차원 형상 또는 특성값의 일치도의 어느 하나가 소정의 수준을 밑돌고 있는 경우에는, 삼차원 형상 및 특성값의 일치도가 모두 소정의 수준 이상이 되는 개선 물성 파라미터를 설정하도록 구성된다. 또한, 개선 제조 조건 데이터 설정부(308)는 설계 데이터와의 삼차원 형상 및 특성값의 일치도가 소정의 수준 이상이 되는 시뮬레이션 데이터가 얻어지는 제조 조건을 설정하도록 구성된다.

이와 같이 삼차원 형상 이외에 기포 함유율, 표면 거칠기, 적외 흡수 스펙트럼 및 라만 스펙트럼 등의 특성값에 대해서도 고려함으로써 보다 훨씬 시뮬레이션의 정밀도를 높일 수 있다. 그 결과, 설계 데이터에 대한 삼차원 형상의 일치도가 더 높은 실리카 유리 도가니를 회전 몰드법으로 제조할 수 있다.

<도가니의 기포 분포의 삼차원 분포의 결정 방법>

도가니의 내표면의 삼차원 형상이 구해진 후에는, 이 삼차원 형상 위의 복수 개의 측정점에 있어서 각 측정점에 대응한 위치의 도가니의 벽에서의 기포 분포를 측정함으로써 기포 분포의 삼차원 분포를 결정한다. 각 측정점에서의 도가니의 벽에서의 기포 분포의 측정 방법은 비접촉식이면 특별히 한정되지 않으나, 초점이 맞은 면으로부터의 정보를 선택적으로 취득할 수 있는 공초점 현미경(共焦點顯微鏡)을 이용하면 기포의 위치를 명확하게 알 수 있는 클리어한 화상을 취득할 수 있으므로, 정밀도 높은 측정이 가능하다. 또한, 초점 위치를 옮기면서 각 초점 위치의 면에 있어서 화상을 취득하여 합성함으로써 기포의 삼차원 배치를 알 수 있고, 각 기포의 사이즈를 알 수 있으므로 기포 분포를 구할 수 있다. 초점 위치를 이동시키는 방법으로는, (1) 도가니를 이동시키거나, (2) 프로브를 이동시키거나, (3) 프로브의 대물 렌즈를 이동시키는 방법이 있다.

측정점의 배치는 특별히 한정되지 않으나, 예를 들면, 도가니의 개구부로부터 바닥부를 향하는 방향으로는 5 내지 20mm 간격으로 배치하고, 원주 방향으로는 예를 들면 10 내지 60도 간격이다. 구체적인 측정은, 예를 들면, 공초점 현미경용 프로브를 내부 로봇 아암(5)의 선단에 부착하고, 내부 측거부(17)와 동일한 방법으로 비접촉으로 내표면을 따라 이동시킨다. 내부 측거부(17)를 이동시킬 때에는 내표면의 대략적인 삼차원 형상을 알고 있을 뿐 내표면의 정확한 삼차원 형상은 알고 있지 않았으므로 그 대략적인 삼차원 형상에 의거하여 내부 측거부(17)를 이동시켰으나, 기포 분포의 측정시에는 내표면의 정확한 삼차원 형상을 알고 있으므로 공초점 현미경용 프로브를 이동시킬 때 내표면과 프로브 간의 거리를 높은 정밀도로 제어하는 것이 가능하다.

공초점 현미경용 프로브를 도가니의 개구부로부터 바닥부까지 이동시키고, 그 이동 경로 위의 복수 점에서 기포 분포를 측정한 후에는 회전대(9)를 회전시켜 도가니(11)의 다른 부위의 기포 분포의 측정을 수행한다. 이러한 방법으로 도가니의 내표면 전체에 걸쳐 기포 분포를 측정할 수 있고, 그 측정 결과에 따라 도가니의 기포 분포의 삼차원 분포를 결정할 수 있다.

<도가니의 내표면의 표면 거칠기의 삼차원 분포의 결정 방법>

도가니의 내표면의 삼차원 형상이 구해진 후에는, 이 삼차원 형상 위의 복수 개의 측정점에 있어서 내표면의 표면 거칠기를 측정함으로써 그 삼차원 분포를 결정한다. 각 측정점에서의 표면 거칠기의 측정 방법은 비접촉식이면 특별히 한정되지 않으나, 초점이 맞은 면으로부터의 정보를 선택적으로 취득할 수 있는 공초점 현미경을 사용하면 정밀도가 높은 측정이 가능하다. 또한, 공초점 현미경을 사용하면 표면의 상세한 삼차원 구조의 정보를 취득할 수 있으므로, 이 정보를 이용하여 표면 거칠기를 구할 수 있다. 표면 거칠기에는 중심선 평균 거칠기(Ra), 최대 높이(Rmax), 10점 평균 높이(Rz)가 있으며, 이들의 어느 것을 채용해도 좋고, 표면의 거칠기를 반영하는 다른 파라미터를 채용해도 좋다. 또한, 측정점의 배치 및 구체적인 측정 방법은 상기한 도가니의 기포 분포의 삼차원 분포의 결정 방법의 경우와 동일하다.

<도가니의 내표면의 적외 흡수 스펙트럼의 삼차원 분포의 결정 방법>

도가니의 내표면의 삼차원 형상이 구해진 후에는, 이 삼차원 형상 위의 복수 개의 측정점에 있어서 내표면의 적외 흡수 스펙트럼을 측정함으로써 그 삼차원 분포를 결정한다. 각 측정점에서의 적외 흡수 스펙트럼의 측정 방법은 비접촉식이면 특별히 한정되지 않으나, 내표면을 향해 적외선을 조사하여 그 반사광을 검출하고, 조사광의 스펙트럼과 반사광의 스펙트럼의 차이를 구함으로써 측정할 수 있다. 또한, 측정점의 배치 및 구체적인 측정 방법은 상기한 도가니의 기포 분포의 삼차원 분포의 결정 방법의 경우와 동일하다.

<도가니의 내표면의 라만 스펙트럼의 삼차원 분포의 결정 방법>

도가니의 내표면의 삼차원 형상이 구해진 후에는, 이 삼차원 형상 위의 복수 개의 측정점에 있어서 내표면의 라만 스펙트럼을 측정함으로써 그 삼차원 분포를 결정한다. 각 측정점에서의 라만 스펙트럼의 측정 방법은 비접촉식이면 특별히 한정되지 않으나, 내표면을 향해 레이저광을 조사하여 그 라만 산란광을 검출함으로써 측정할 수 있다. 또한, 측정점의 배치 및 구체적인 측정 방법은 상기한 도가니의 기포 분포의 삼차원 분포의 결정 방법의 경우와 동일하다.

<실시 형태 2: 실리카 유리 도가니를 제조하기 위한 몰드의 설계 데이터의 설정을 지원하는 장치>

도 11은 본 실시 형태의 장치의 동작 원리를 설명하기 위한 개념도이다. 본 실시 형태의 장치를 이용하여 실리카 유리 도가니를 제조하기 위한 몰드의 설계 데이터를 설정할 때에는 실리카 유리 도가니를 삼차원 CAD등으로 설계한 설계 데이터를 먼저 준비한다. 이 삼차원 CAD의 설계 데이터는 이차원 CAD의 설계 데이터를 삼차원 CAD의 설계 데이터로 변환한 것일 수도 있다.

이어서, 그 실리카 유리 도가니의 설계 데이터에 의거하여 몰드를 제조하기 위한 몰드 설계 데이터(예를 들면, 몰드 삼차원 형상, 몰드 온도 구배, 몰드 감압 배관 등)를 설정한다. 이 경우, 최초의 몰드 설계 데이터로는, 예를 들면, 숙련된 오퍼레이터 또는 엔지니어가 과거의 지식 및 경험에 의거하여 적절하다고 판단한 몰드 설계 데이터를 설정할 수도 있다. 혹은, 최초의 몰드 설계 데이터로는 과거의 실리카 유리 도가니의 제조 기록에 있어서 소정의 형식의 실리카 유리 도가니의 품질 검사의 결과가 양호했던 몰드 설계 데이터를 그대로 사용할 수도 있다.

그리고, 이 최초 설정한 몰드 설계 데이터(삼차원 CAD 데이터)를 이용하여 절삭 또는 연삭 가공이 가능한 NC 공작 기계 등을 이용하여 몰드 설계 데이터와 거의 일치한 삼차원 형상의 카본 몰드를 깎아낸다. 또한, 현재의 NC 공작 기계의 가공 정밀도는 매우 정밀하기 때문에 깍여져나온 카본 몰드의 삼차원 형상은 몰드 설계 데이터와 거의 일치하게 된다.

다음, 이 몰드 위에 적층한 실리카 분말(다른 이름으로 석영 분말이라고도 함)을 용융하여 실리카 유리 도가니를 제조한다. 구체적으로 설명하면, 회전 몰드의 내표면에 평균 입자 크기 300μm 정도의 실리카 분말을 퇴적시켜 실리카 분말층을 형성하는 실리카 분말층 형성 공정과, 몰드측으로부터 실리카 분말층을 감압하면서 실리카 분말층을 아크 용융시킴으로써 실리카 유리층을 형성하는 아크 용융 공정에 의해 실리카 유리 도가니를 제조한다. 이 때, 아크 용융 공정의 초기에는 실리카 분말층을 세게 감압함으로써 기포를 제거하여 투명층을 형성하고, 그 후 감압을 약하게 함으로써 기포가 잔류한 기포 함유층을 형성함으로써 내표면측에 투명층을 가지며, 외표면측에 기포 함유층을 갖는 이층 구조의 실리카 유리 도가니를 형성할 수 있다.

그리고, 후술하는 로봇 아암을 이용하여 이 실리카 유리 도가니의 삼차원 형상을 측정하여 실리카 유리 도가니의 삼차원 형상의 측정 데이터를 얻는다.

또한, 전술한 최초 설정한 몰드 설계 데이터를 이용하여 실리카 유리 도가니를 제조한 경우에 얻어진다고 상정되는 실리카 유리 도가니의 삼차원 형상의 시뮬레이션 데이터를 예를 들면 응력 해석 및 열유체 해석 등의 수치 해석 방법을 이용하여 생성한다. 이 때, 카본 몰드, 천연 석영 분말, 합성 실리카 분말, 투명층, 기포 함유층 등에 대한 물성 파라미터(예를 들면, 밀도, 유전율, 투자율, 자화율, 강성률, 영률, 도전율, 분극률, 경도, 비열, 선 팽창률, 끓는점, 융점, 유리 전이점, 열전달 계수, 포아송비 등)를 설정한다. 이들 물성 파라미터로는 시판하는 시뮬레이션 소프트웨어에 부속되는 디폴트의 물성 파라미터를 최초의 물성 파라미터로서 사용할 수 있다. 혹은, 숙련된 오퍼레이터 또는 엔지니어가 과거의 지식 및 경험에 의거하여 적절하다고 판단한 물성 파라미터를 설정할 수도 있다.

그 후, 전술한 바와 같이 하여 얻어진 시뮬레이션 데이터 및 측정 데이터의 일치도를 계산하여 그 일치도가 소정의 수준을 밑도는 경우에는 카본 몰드, 천연 석영 분말, 합성 실리카 분말, 투명층, 기포 함유층 등에 대한 물성 파라미터를 변경하여 상기한 일치도가 소정의 수준 이상이 될 때까지 시뮬레이션을 반복한다. 그 결과, 상기한 일치도가 소정의 수준 이상이 된 물성 파라미터를 개선 물성 파라미터로서 채용한다. 이러한 일치도를 나타내는 지표로는 기존의 각종 패턴 매칭법을 이용할 수 있다.

계속해서, 그 개선 물성 파라미터를 이용한 경우의 설계 데이터 및 시뮬레이션 데이터의 일치도를 계산하여 그 일치도가 소정의 수준을 밑도는 경우에는, 실리카 유리 도가니를 제조하기 위한 몰드 설계 데이터(예를 들면, 몰드 삼차원 형상, 몰드 온도 구배, 몰드 감압 배관 등)를 변경하여 상기한 일치도가 소정의 수준 이상이 될 때까지 시뮬레이션을 반복한다. 그 결과, 상기한 일치도가 소정의 수준 이상이 된 몰드 설계 데이터를 개선 몰드 설계 데이터로서 채용한다. 이러한 일치도를 나타내는 지표로는 기존의 각종 패턴 매칭법을 동일하게 이용할 수 있다.

이와 같이 하면, 최초의 물성 파라미터에 의거하여 얻어진 시뮬레이션 데이터 및 측정 데이터의 삼차원 형상의 일치도가 소정의 수준을 밑돌고 있는 경우에는, 그 일치도가 소정의 수준 이상이 되는 개선 물성 파라미터를 설정하기 때문에 시뮬레이션 데이터 및 측정 데이터의 삼차원 형상의 일치도를 소정의 수준 이상으로 높일 수 있다. 또한, 이와 같이 하면, 설계 데이터와의 일치도가 소정의 수준 이상이 되는 시뮬레이션 데이터가 얻어지는 몰드 설계 데이터를 설정하기 때문에 설계 데이터 및 시뮬레이션 데이터의 삼차원 형상의 일치도를 소정의 수준 이상으로 높일 수 있다. 그 결과, 이와 같이 하면, 실리카 유리 도가니의 설계 데이터 및 측정 데이터의 삼차원 형상의 일치도를 소정의 수준 이상으로 높일 수 있다. 즉, 이와 같이 하면, 실리카 유리 도가니의 설계 데이터에 대한 삼차원 형상의 일치도가 높은 실리카 유리 도가니를 제조할 수 있는 몰드가 얻어진다.

도 2는 본 실시 형태의 장치를 이용하여 얻어진 개선 몰드 설계 데이터에 의거하여 제조된 몰드를 이용하여 실리카 유리 도가니를 제조하는 것에 대해 설명하기 위한 개념도이다. 또한, 이 개념도의 내용은 실시 형태 1과 동일하기 때문에 설명을 반복하지 않는다.

도 12는 본 실시 형태의 장치의 전체 구성을 설명하기 위한 기능 블럭도이다. 이 제조 조건 설정 지원 장치(1000)에는 임의의 형식, 제조 로트 또는 시리얼 넘버의 실리카 유리 도가니의 삼차원 형상의 설계 데이터를 취득하는 도가니 설계 데이터 취득부(104)가 설치되어 있다. 이 도가니 설계 데이터 취득부(104)는 숙련된 오퍼레이터 또는 엔지니어가 조작부(124)를 통해 입력한 실리카 유리 도가니의 삼차원 형상의 설계 데이터를 취득할 수 있다. 또한, 이 도가니 설계 데이터 취득부(104)는 외부의 서버(126)에 저장되어 있는 실리카 유리 도가니의 삼차원 형상의 설계 데이터를 네트워크(118)를 개재하여 취득할 수도 있다.

이 제조 조건 설정 지원 장치(1000)에는 실리카 유리 도가니의 설계 데이터에 의거하여 몰드 설계 데이터를 설정하는 몰드 설계 데이터 설정부(140)가 설치되어 있다. 이 몰드 설계 데이터 설정부(140)는 숙련된 오퍼레이터 또는 엔지니어가 조작부(124)를 통해 입력한 몰드 설계 데이터(예를 들면, 몰드 삼차원 형상, 몰드 온도 구배, 몰드 감압 배관 등)를 최초의 몰드 설계 데이터로서 설정할 수 있다. 또한, 이 몰드 설계 데이터 설정부(140)는 외부의 서버(126)에 저장되어 있는 과거의 실리카 유리 도가니의 제조 기록에 있어서 소정의 형식의 실리카 유리 도가니의 품질 검사의 결과가 양호했던 몰드 설계 데이터를 네트워크(118)를 개재하여 취득할 수도 있다.

이 제조 조건 설정 지원 장치(1000)에는, 상기한 설계 데이터, 상기한 시뮬레이션 데이터, 상기한 측정 데이터 중 2종류의 데이터를 비교 대조하여 양자의 삼차원 형상의 일치도를 판정하는 일치도 판정부(114)가 설치되어 있다. 이 일치도 판정부(114)는 기존의 각종 패턴 매칭법을 수행할 수 있으면 된다. 이러한 패턴 매칭의 방법으로는 잔차 매칭, 정규화 상관법, 위상 한정 상관, 기하 매칭, 벡터 상관, 일반화 허프 변환 등을 바람직하게 사용할 수 있다.

이 제조 조건 설정 지원 장치(1000)에는, 시뮬레이션 데이터 또는 몰드 설계 데이터의 출력부(116)가 설치되어 있다. 이 출력부(116)는 시뮬레이션 데이터 또는 몰드 설계 데이터를 화상 표시부(122)를 통해 화상 데이터로서 출력할 수 있다. 또한, 이 출력부(116)는 시뮬레이션 데이터 또는 몰드 설계 데이터를 네트워크(120)를 개재하여 화상 표시부(130), 프린터(132), 서버(134) 등으로 출력할 수도 있다.

도 13은 본 실시 형태의 장치의 시뮬레이션부, 제조 조건 데이터 설정부 및 물성 파라미터 설정부의 상세한 구성을 설명하기 위한 기능 블럭도이다. 이 도면에 도시한 바와 같이, 상기한 시뮬레이션부(112)에는 열전달 계산 엔진(204), 유체 계산 엔진(206), 구조 계산 엔진(208) 등을 저장하는 계산 엔진 기억부(210)가 설치되어 있다. 그리고, 이 시뮬레이션부(112)에는 이들 열전달 계산 엔진(204), 유체 계산 엔진(206), 구조 계산 엔진(208)을 계산 엔진 기억부(210)로부터 읽어들여 응력 해석 및 열유체 해석 등의 수치 해석을 수행하는 해석부(202)도 설치되어 있다.

상기한 물성 파라미터 설정부(106)에는 최초의 물성 파라미터에 의거하여 얻어진 시뮬레이션 데이터 및 측정 데이터의 삼차원 형상의 일치도가 소정의 수준을 밑돌고 있는 경우에는, 일치도가 소정의 수준 이상이 되는 개선 물성 파라미터를 설정하는 개선 물성 파라미터 설정부(402)가 설치되어 있다. 일치도 판정부(114)에 있어서 시뮬레이션 데이터 및 측정 데이터의 일치도를 계산하여 그 일치도가 소정의 수준을 밑도는 경우에는, 일치도 판정부(114)가 물성 파라미터 설정부(106)로 물성 파라미터의 변경 명령을 전달한다. 그리고, 이 변경 명령을 전달받은 물성 파라미터 설정부(106)의 개선 물성 파라미터 설정부(402)는, 예를 들면, 카본 몰드, 천연 석영 분말, 합성 실리카 분말, 투명층, 기포 함유층 등에 대한 물성 파라미터(예를 들면, 밀도, 유전율, 투자율, 자화율, 강성률, 영률, 도전율, 분극률, 경도, 비열, 선 팽창률, 끓는점, 융점, 유리 전이점, 열전달 계수, 포아송비 등)를 변경한다. 이와 같이 하여 변경된 개선 물성 파라미터는 시뮬레이션부(112)로 전달된다. 이 개선 물성 파라미터를 전달받은 시뮬레이션부(112)는 개선 물성 파라미터를 이용하여 다시 시뮬레이션을 수행하여 시뮬레이션 결과를 일치도 판정부(114)로 전달한다. 이 일련의 동작이 상기한 일치도가 소정의 수준 이상이 될 때까지 반복된다.

상기한 몰드 설계 데이터 설정부(140)에는 실리카 유리 도가니의 설계 데이터와의 일치도가 소정의 수준 이상이 되는 시뮬레이션 데이터가 얻어지는 몰드 설계 데이터를 설정하는 개선 몰드 설계 데이터 설정부(308)가 설치되어 있다. 이 개선 몰드 설계 데이터 설정부(308)에는 몰드 삼차원 형상 설정부(302), 몰드 온도 구배 설정부(304), 몰드 감압 배관 설정부(306)가 설치되어 있다. 일치도 판정부(114)에 있어서 실리카 유리 도가니의 설계 데이터 및 시뮬레이션 데이터의 일치도를 계산하여 그 일치도가 소정의 수준을 밑도는 경우에는, 일치도 판정부(114)가 몰드 설계 데이터 설정부(140)로 제조 조건 데이터의 변경 명령을 전달한다. 그리고, 이 변경 명령을 전달받은 몰드 설계 데이터 설정부(140)의 개선 몰드 설계 데이터 설정부(308)는, 몰드 삼차원 형상 설정부(302), 몰드 온도 구배 설정부(304), 몰드 감압 배관 설정부(306)로 하여금 몰드 설계 데이터(예를 들면, 몰드 삼차원 형상, 몰드 온도 구배, 몰드 감압 배관 등)를 변경시키도록 한다. 이와 같이 하여 변경된 개선 몰드 설계 데이터는 시뮬레이션부(112)로 전달된다. 이 개선 몰드 설계 데이터를 전달받은 시뮬레이션부(112)는 개선 몰드 설계 데이터를 이용하여 다시 시뮬레이션을 수행하여 시뮬레이션 결과를 일치도 판정부(114)로 전달한다. 이 일련의 동작이 상기한 일치도가 소정의 수준 이상이 될 때까지 반복된다.

도 5는 본 실시 형태의 장치에서 사용하는 실리카 유리 도가니의 측정 데이터의 데이터 구성에 대해 설명하기 위한 데이터 테이블이다. 또한, 이 데이터 테이블의 구성은 실시 형태 1과 동일하기 때문에 설명을 반복하지 않는다.

도 14는 본 실시 형태의 장치의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다. 제일 먼저, 이 제조 조건 설정 지원 장치(1000)의 전력이 온되어 일련의 동작이 시작된다. 그러면, 먼저, 설계 데이터 취득부(104)가 외부의 서버(126)에 저장되어 있는 실리카 유리 도가니의 삼차원 형상의 설계 데이터를 네트워크(118)를 개재하여 취득한다(S102). 다음, 도가니 설계 데이터 설정부(140)가 외부의 서버(126)에 저장되어 있는 과거의 실리카 유리 도가니의 제조 기록에 있어서 소정의 형식의 실리카 유리 도가니의 품질 검사의 결과가 양호했던 도가니 설계 데이터를 네트워크(118)를 개재하여 취득한다(S104).

계속해서, 물성 파라미터 설정부(106)가 외부의 서버(126)에 저장되어 있는 물성 파라미터 등을 네트워크(118)를 개재하여 취득한다(S106). 그리고, 시뮬레이션부(112)가 상기한 도가니 설계 데이터에 의해 얻어지는 실리카 유리 도가니의 삼차원 형상의 시뮬레이션 데이터를 응력 해석 및 열유체 해석 등의 수치 해석 방법을 이용하여 얻는다(S108).

다른 한편, 상기 도가니 설계 데이터에 의거하여 제조되는 카본 몰드를 이용하여 전원, 카본 전극, 감압 기구 등을 구비하는 실리카 유리 도가니의 제조 장치에 의해 몰드 위에 적층한 실리카 분말을 용융하여 실제로 실리카 유리 도가니를 제조한다(S110). 그리고, 측정 데이터 취득부(102)가 상기한 제조 조건에 의거하여 실제로 제조된 실리카 유리 도가니의 삼차원 형상의 측정 데이터를 취득한다(S112).

다음, 일치도 판정부(114)가 상기한 실리카 유리 도가니의 설계 데이터 및 상기한 시뮬레이션 데이터를 비교 대조하여 양자의 삼차원 형상의 일치도를 판정한다(S120). 구체적으로 설명하면, 일치도 판정부(114)에 있어서 실리카 유리 도가니의 설계 데이터 및 시뮬레이션 데이터의 일치도를 계산하여 그 일치도가 소정의 수준을 밑도는지 여부를 판정한다(S122). 만약 실리카 유리 도가니의 설계 데이터 및 시뮬레이션 데이터의 일치도가 소정의 수준을 밑도는 경우에는, 개선 도가니 설계 데이터 설정부(302)가 일치도가 소정의 수준 이상이 되는 개선 도가니 설계 데이터를 설정한다(S124). 이 경우, 시뮬레이션부(112)가 개선 도가니 설계 데이터를 이용하여 시뮬레이션을 다시 한다. 한편, 실리카 유리 도가니의 설계 데이터 및 시뮬레이션 데이터의 일치도가 소정의 수준 이상인 경우에는 그 도가니 설계 데이터를 그대로 사용한다. 그리고, 출력부(116)가 시뮬레이션 데이터 또는 몰드 설계 데이터를 네트워크(120)를 개재하여 화상 표시부(130), 프린터(132), 서버(134) 등으로 출력한다(S126). 이로써 일련의 동작이 종료된다.

<실리카 유리 도가니의 삼차원 형상 측정 장치>

도 7 내지 도 10은 상기한 실시 형태에서 사용하는 실리카 유리 도가니의 삼차원 형상의 측정 데이터를 취득하기 위한 실리카 유리 도가니의 삼차원 형상 측정 방법에 대해 설명하기 위한 도면이다. 또한, 이 실리카 유리 도가니의 삼차원 형상 측정 방법에 대해서는 실시 형태 1과 동일하기 때문에 설명을 반복하지 않는다.

<실시 형태 3: 실리카 유리 도가니를 이용한 실리콘 단결정 인상의 조건 설정을 지원하는 장치>

도 15는 본 실시 형태의 장치의 동작 원리를 설명하기 위한 개념도이다. 본 실시 형태에서는, 먼저, 전원, 카본 전극, 카본 몰드, 감압 기구 등을 구비하는 실리카 유리 도가니의 제조 장치를 이용하여 몰드 위에 적층한 실리카 분말(다른 이름으로 석영 분말이라고도 함)을 용융하여 실리카 유리 도가니를 제조한다. 구체적으로 설명하면, 회전 몰드의 내표면에 평균 입자 크기 300μm 정도의 실리카 분말을 퇴적시켜 실리카 분말층을 형성하는 실리카 분말층 형성 공정과, 몰드측으로부터 실리카 분말층을 감압하면서 실리카 분말층을 아크 용융시킴으로써 실리카 유리층을 형성하는 아크 용융 공정에 의해 실리카 유리 도가니를 제조한다.

이어서, 후술하는 로봇 아암을 이용하여가 실리카 유리 도가니의 삼차원 형상을 측정하여 실리카 유리 도가니의 삼차원 형상의 측정 데이터를 얻는다.

그 후, 사용자의 요구에 따라 이 실리카 유리 도가니의 삼차원 형상의 측정 데이터를 제공한다.

그리고, 그 측정 데이터대로의 삼차원 형상의 실리카 유리 도가니를 이용하여 초크랄스키법에 의한 실리콘 단결정의 인상을 수행한 경우의 결정 결함의 발생에 대해 시뮬레이션을 수행하여 결정 결함의 발생률이 소정의 수준 이하가 되는 인상 조건을 설정한다. 계속해서, 그 결정 결함의 발생률이 소정의 수준 이하가 되는 인상 조건을 사용자에게 제공한다. 그 결과, 사용자는 실리카 유리 도가니마다의 특성에 적합한 단결정 실리콘의 인상 조건의 설정을 용이하게 수행할 수 있다.

도 16은 본 실시 형태의 장치를 이용하여 얻어진 실리카 유리 도가니의 삼차원 형상의 측정 데이터를 이용하여 사용자가 단결정 실리콘의 인상 프로세스에서의 다결정 실리콘 원료의 충전 및 용융을 적절하게 수행하는 것에 대해 설명하기 위한 개념도이다. 실리콘 단결정의 인상시에는, 도 16(a)에 도시한 바와 같이 도가니(11) 내에 다결정 실리콘(21)을 충전하고, 이 상태에서 도가니(11)의 주위에 배치된 카본 히터로 다결정 실리콘을 가열하여 용융시켜, 도 16(b)에 도시한 바와 같이 실리콘 융액(23)을 얻는다.

실리콘 융액(23)의 부피는 다결정 실리콘(21)의 질량에 의해 정해지므로, 실리콘 융액(23)의 액면(23a)의 높이 위치(H)는 다결정 실리콘(21)의 질량과 도가니(11)의 내표면의 삼차원 형상에 의해 결정된다. 본 실시 형태에 따르면, 도가니(11)의 내표면의 삼차원 형상의 측정 데이터가 제공되므로 도가니(11)의 임의의 높이 위치까지의 용적이 특정되고, 따라서, 실리콘 융액(23) 액면(23a)의 높이 위치(H)가 결정된다. 실리콘 융액(23)의 초기 액면의 높이 위치(H)가 결정된 후에는 종자 결정의 선단(先端)을 높이 위치(H)까지 하강시켜 실리콘 융액(23)에 접촉시키고, 그 후 서서히 인상함으로써 실리콘 단결정을 제조할 수 있다.

도 17은 본 실시 형태의 장치를 이용하여 얻어진 인상 조건의 데이터를 이용하여, 사용자가 단결정 실리콘의 인상 프로세스에서의 가열 온도, 인상 속도 및 회전수의 피드백 제어를 보다 치밀하게 수행하는 것에 대해 설명하기 위한 개념도이다. 실리콘 단결정의 인상시에는 도가니(11) 내에 다결정 실리콘을 충전하고, 이 상태에서 도가니(11)의 주위에 배치된 카본 히터로 다결정 실리콘을 가열하여 용융시켜, 도 17(a)에 도시한 바와 같이 실리콘 융액(23)을 얻는다.

실리콘 융액(23)의 부피는 다결정 실리콘(21)의 질량에 의해 정해지므로, 실리콘 융액(23)의 액면(23a)의 초기의 높이 위치(H0)는 다결정 실리콘(21)의 질량과 도가니(11)의 내표면의 삼차원 형상에 의해 결정된다. 본 실시 형태에 따르면, 도가니(11)의 내표면의 삼차원 형상의 측정 데이터가 제공되므로 도가니(11)의 임의의 높이 위치까지의 용적이 특정되고, 따라서, 실리콘 융액(23) 액면(23a)의 초기의 높이 위치(H0)가 결정된다.

실리콘 융액(23)의 액면(23a)의 초기의 높이 위치(H0)가 결정된 후에는, 도 17(a)에 도시한 바와 같이 종자 결정(24)의 선단을 높이 위치(H0)까지 하강시켜 실리콘 융액(23)에 접촉시키고, 그 후 본 실시 형태에서 제공되는 가열 온도, 인상 속도 및 회전수를 포함하는 인상 조건에 따라, 서서히 인상함으로써, 실리콘 단결정(25)의 인상을 수행한다.

도 17(b)에 도시한 바와 같이, 실리콘 단결정(25)의 직동부(직경이 일정한 부위)를 인상하고 있을 때, 액면(23a)이 도가니(11)의 측벽부(11a)에 위치해 있는 경우에는, 본 실시 형태에서 제공되는 가열 온도, 인상 속도 및 회전수를 포함하는 인상 조건에 따라 일정한 속도로 인상하면 액면(23a)의 강하 속도(V)는 대략 일정해지므로, 인상의 제어는 용이하다.

그러나, 도 17(c)에 도시한 바와 같이 액면(23a)이 도가니(11)의 라운드부(11b)에 도달하면, 액면(23a)의 하강에 수반하여 그 면적이 급격하게 축소되므로 액면(23a)의 강하 속도(V)가 급격하게 커진다. 강하 속도(V)는 라운드부(11b)의 내표면 형상에 의존하나, 이 내표면 형상이 도가니마다 약간 다르므로 강하 속도(V)가 어떻게 변화하는지를 사전에 파악하기는 어려워 인상의 자동화의 걸림돌이 되었다.

본 실시 형태에서는 후술하는 방법에 의해 도가니의 내표면의 삼차원 형상을 정확하게 측정하므로 라운드부(11b)의 내표면 형상(라운드부의 요철의 데이터)을 사전에 알 수 있고, 따라서, 강하 속도(V)가 어떻게 변화하는지를 정확하게 예측할 수 있으므로 그 예측에 의거하여 실리콘 단결정(25)의 인상 속도 등의 인상 조건을 결정하여 사용자에게 제공함으로써, 라운드부(11b)에 있어서도 유전위화(有轉位化)를 방지하면서 인상을 자동화하는 것이 가능하다.

도 18은 본 실시 형태의 장치의 전체 구성을 설명하기 위한 기능 블럭도이다. 이 제조 조건 설정 지원 장치(1000)에는, 사용자에 의해 입력된 실리카 유리 도가니를 개별적으로 특정 가능한 도가니 특정 정보를 취득하는 도가니 특정 정보 취득부(140)가 설치되어 있다. 이 도가니 특정 정보 취득부(140)는 사용자가 사용자 단말기(152)로 입력한 실리카 유리 도가니의 형식, 제조 로트, 시리얼 넘버 등의 실리카 유리 도가니를 개별적으로 특정 가능한 정보를 인터넷(150) 및 구내 LAN(118)을 개재하여 취득할 수도 있다.

이 제조 조건 설정 지원 장치(1000)에는, 상기한 도가니 특정 정보에 의해 개별적으로 특정되는 실리카 유리 도가니의 삼차원 형상의 측정 데이터를 취득하는 측정 데이터 취득부(102)가 설치되어 있다. 이 측정 데이터 취득부(102)는 외부의 서버(126)에 저장되어 있는 실리카 유리 도가니의 삼차원 형상의 측정 데이터를 구내 LAN(118)을 개재하여 취득할 수도 있다.

이 제조 조건 설정 지원 장치(1000)에는, 열전달 계산, 유체 계산 및 구조 계산으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 계산이 가능한 계산 엔진을 이용하여, 상기한 측정 데이터대로의 삼차원 형상의 실리카 유리 도가니를 이용하여 실리콘 단결정의 인상을 수행한 경우의 결정 결함의 발생에 대해 시뮬레이션 데이터를 얻는 시뮬레이션부(112)가 설치되어 있다.

이 제조 조건 설정 지원 장치(1000)에는, 상기한 시뮬레이션부(112)가 사용하는 가열 온도, 인상 속도 및 회전수를 포함하는 인상 조건을 설정하고, 최초의 인상 조건에 의거하여 얻어진 시뮬레이션 데이터의 결정 결함의 발생률이 소정의 수준을 초과한 경우에는, 결정 결함의 발생률이 소정의 수준 이하가 되는 개선 인상 조건을 설정하는 인상 조건 설정부(114)가 설치되어 있다.

이 제조 조건 설정 지원 장치(1000)에는, 상기한 인상 조건을 출력하는 출력부(116)가 설치되어 있다. 이 출력부(116)는 실리카 유리 도가니의 삼차원 형상의 측정 데이터 또는 실리콘 단결정의 인상 조건을 구내 LAN(118) 및 인터넷(150)을 개재하여 사용자 단말기(152)로 출력할 수 있다.

도 19는 본 실시 형태의 장치의 시뮬레이션부 및 인상 조건 설정부의 상세한 구성을 설명하기 위한 기능 블럭도이다. 이 도면에 도시한 바와 같이, 상기한 시뮬레이션부(112)에는 열전달 계산 엔진(204), 유체 계산 엔진(206), 구조 계산 엔진(208) 등을 저장하는 계산 엔진 기억부(210)가 설치되어 있다. 그리고, 이 시뮬레이션부(112)에는 이들 열전달 계산 엔진(204), 유체 계산 엔진(206), 구조 계산 엔진(208)을 계산 엔진 기억부(210)로부터 읽어들여 응력 해석 및 열유체 해석 등의 수치 해석을 수행하는 해석부(202)도 설치되어 있다.

이 시뮬레이션부(112)에는, 열전달 계산, 유체 계산 및 구조 계산으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 계산이 가능한 계산 엔진을 이용하여, 측정 데이터대로의 삼차원 형상의 실리카 유리 도가니를 이용하여 실리콘 단결정의 인상을 수행한 경우의 결정 결함의 발생에 대해 예측하는 결정 결함 예측부(106)가 설치되어 있다. 이 결정 결함 예측부(106)에는 열전달 계산, 유체 계산 및 구조 계산으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 계산이 가능한 계산 엔진을 이용하여, 측정 데이터대로의 삼차원 형상의 실리카 유리 도가니를 이용하여 실리콘 단결정의 인상을 수행한 경우의 결정 구조의 시뮬레이션을 수행하는 결정 구조 계산부(402)가 설치되어 있다. 또한, 이 시뮬레이션부(112)에는 결정 결함의 발생률이 초과하면 안되는 소정의 수준(문턱값(易値, 역치), threshold value))을 기억하고 있는 문턱값 기억부(404)가 설치되어 있다.

한편, 인상 조건 설정부(114)에는, 시뮬레이션부(112)가 사용하는 가열 온도, 인상 속도 및 회전수를 포함하는 인상 조건을 디폴트의 인상 조건으로 설정하는 디폴트 인상 조건 설정부(310)가 설치되어 있다. 이 디폴트 인상 조건 설정부(310)는 디폴트 기억부(312)로부터 그 실리카 유리 도가니의 형식의 경우에 일반적으로 사용되는 디폴트 인상 조건을 읽어낸다. 또한, 인상 조건 설정부(114)에는 최초의 인상 조건에 의거하여 얻어진 시뮬레이션 데이터의 결정 결함의 발생률이 문턱값 기억부(404)에 저장되어 있는 소정의 수준(문턱값)을 초과한 경우에는, 결정 결함의 발생률이 소정의 수준 이하가 되는 개선 인상 조건을 설정하는 개선 인상 조건 설정부(308)가 설치되어 있다. 이 개선 인상 조건 설정부(308)에는 시뮬레이션부(112)가 사용하는 가열 온도, 인상 속도 및 회전수를 포함하는 인상 조건을 각각 설정하는 가열 온도 설정부(302), 인상 속도 설정부(304), 회전수 설정부(306)가 설치되어 있다. 이 개선 인상 조건 설정부(308)는 디폴트 인상 조건에서는 결정 결함의 발생률이 소정의 수준을 초과하는 경우에는, 그 실리카 유리 도가니의 삼차원 형상의 개별의 측정 데이터 및 후술하는 추가 정보를 고려한 후에, 결정 결함의 발생률이 소정의 수준 이하가 되는 개선 인상 조건을 설정한다.

여기서, 도 18로 돌아가면, 이 제조 조건 설정 지원 장치(1000)에는 사용자에 의해 입력된 다결정 실리콘 원료, 인상 장치의 직경(또는 인상 장치의 제조사명, 시리즈명 등), 인가되는 자기장의 세기(자기장의 유무의 입력을 포함함), 인상하는 실리콘 단결정의 사이즈, 인상하는 실리콘 단결정의 길이, 가열 방식(고주파 유도, 카본 히터 등), 분위기 가스의 종류(아르곤, 질소, 수소 가스 등), 분위기 가스의 감압도, 연속 인상 조건, 추가 원료 충전 조건 및 보관 조건(날씨 조건, 보관 기간 등)으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 추가 정보를 취득하는 추가 정보 취득부(104)가 추가로 설치되어 있다. 또한, 날씨 조건은 보관 중인 도가니에 습도 및 온도가 작용하기(크랙이 퍼지기) 때문에 중요한 정보이다. 이 추가 정보 취득부(104)는 사용자가 사용자 단말기(152)로 입력한 이들 추가 정보를 인터넷(150) 및 구내 LAN(118)을 개재하여 취득할 수도 있다.

이들 추가 정보를 고려하여 시뮬레이션부(112)가 실리콘 단결정의 인상을 수행한 경우의 결정 결함의 발생에 대해 예측하는 경우에는 시뮬레이션의 정밀도가 더 향상된다. 그 때문에, 인상 조건 설정부(114)가 더 적절한 인상 조건을 설정할 수 있다. 그 결과, 사용자는 실리카 유리 도가니마다의 특성에 적합한 단결정 실리콘의 인상 조건의 설정을 더 용이하게 수행할 수 있다.

도 20은 본 실시 형태의 장치의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다. 제일 먼저, 이 제조 조건 설정 지원 장치(1000)의 전력이 온되어 일련의 동작이 시작된다. 그러면, 먼저, 도가니 특정 정보 취득부(104)가 사용자가 사용자 단말기(152)로 입력한 실리카 유리 도가니의 형식, 제조 로트, 시리얼 넘버 등의 실리카 유리 도가니를 개별적으로 특정 가능한 정보를 인터넷(150) 및 구내 LAN(118)을 개재하여 취득한다(S102). 그러면, 측정 데이터 취득부(102)가 외부의 서버(126)에 저장되어 있는 실리카 유리 도가니의 삼차원 형상의 측정 데이터를 구내 LAN(118)을 개재하여 취득한다(S104).

한편, 추가 정보 취득부(104)가, 사용자가 사용자 단말기(152)로 입력한 결정 실리콘 원료, 인상 장치의 직경, 인가되는 자기장의 세기, 인상하는 실리콘 단결정의 사이즈, 인상하는 실리콘 단결정의 길이, 가열 방식, 분위기 가스의 종류, 분위기 가스의 감압도, 연속 인상 조건, 추가 원료 충전 조건 및 보관 조건 등의 추가 정보를 취득하는을 인터넷(150) 및 구내 LAN(118)를 개재하여 취득한다(S106).

그 후, 시뮬레이션부(112)가, 열전달 계산, 유체 계산 및 구조 계산으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 계산이 가능한 계산 엔진을 이용하여, 상기한 측정 데이터대로의 삼차원 형상의 실리카 유리 도가니를 이용하여 실리콘 단결정의 인상을 수행한 경우의 결정 결함의 발생에 대해 시뮬레이션 데이터를 얻는다(S108).

그리고, 인상 조건 설정부(114)가, 상기한 시뮬레이션부(112)가 사용하는 가열 온도, 인상 속도 및 회전수를 포함하는 인상 조건을 설정하고, 최초의 인상 조건에 의거하여 얻어진 시뮬레이션 데이터의 결정 결함의 발생률이 소정의 수준을 초과했는지 여부를 판정한다(S110). 그 결과, 인상 조건 설정부(114)는, 결정 결함의 발생률이 소정의 수준을 초과한 경우에는, 결정 결함의 발생률이 소정의 수준 이하가 되는 개선 인상 조건을 설정한다(S112). 한편, 인상 조건 설정부(114)는 결정 결함의 발생률이 소정의 수준 이하인 경우에는 그 인상 조건을 그대로 사용한다.

그리고, 출력부(116)가, 실리카 유리 도가니의 삼차원 형상의 측정 데이터 또는 실리콘 단결정의 인상 조건을 구내 LAN(118) 및 인터넷(150)을 개재하여 사용자 단말기(152)로 출력한다(S114). 이와 같이 하여 일련의 동작이 종료된다.

<실리카 유리 도가니의 삼차원 형상 측정 장치>

Claims

실리카 유리 도가니의 제조 조건의 설정을 지원하는 장치로서,
임의의 형식, 제조 로트 또는 시리얼 넘버의 실리카 유리 도가니의 삼차원 형상의 설계 데이터를 취득하는 설계 데이터 취득부와,
상기 설계 데이터에 의거하여 실리카 유리 도가니의 제조 조건 데이터를 설정하는 제조 조건 데이터 설정부와,
열전달 계산, 유체 계산 및 구조 계산으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 계산이 가능한 계산 엔진을 이용하여, 상기 제조 조건에 의해 얻어지는 실리카 유리 도가니의 삼차원 형상의 시뮬레이션 데이터를 얻는 시뮬레이션부와,
상기 계산 엔진이 사용하는 물성 파라미터를 설정하는 물성 파라미터 설정부와,
상기 제조 조건에 의거하여 제조된 실리카 유리 도가니의 삼차원 형상의 측정 데이터를 취득하는 측정 데이터 취득부와,
상기 설계 데이터, 상기 시뮬레이션 데이터, 상기 측정 데이터 중 2종류의 데이터를 비교 대조하여, 양자의 삼차원 형상의 일치도를 판정하는 일치도 판정부와,
상기 시뮬레이션 데이터 또는 제조 조건 데이터의 출력부와,
를 구비하고,
상기 물성 파라미터 설정부는, 최초의 물성 파라미터에 의거하여 얻어진 상기 시뮬레이션 데이터 및 상기 측정 데이터의 삼차원 형상의 일치도가 소정의 수준을 밑돌고 있는 경우에는, 상기 일치도가 소정의 수준 이상이 되는 개선 물성 파라미터를 설정하는 개선 물성 파라미터 설정부를 가지고 있으며,
상기 제조 조건 설정부는, 상기 설계 데이터와의 일치도가 소정의 수준 이상이 되는 시뮬레이션 데이터가 얻어지는 제조 조건을 설정하는 개선 제조 조건 데이터 설정부를 가지고 있는 장치.
청구항 1에 기재된 장치에 있어서,
상기 시뮬레이션부는 상기 계산 엔진을 이용하여, 응력 해석 또는 열유체 해석을 실행할 수 있도록 구성되어 있는 장치.
청구항 1에 기재된 장치에 있어서,
상기 설계 데이터, 상기 시뮬레이션 데이터, 상기 측정 데이터는, 모두 상기 실리카 유리 도가니의 삼차원 형상에 관련시켜진 특성값의 데이터를 포함하고,
상기 일치도 판정부는, 상기 양자의 특성값의 일치도도 판정하도록 구성되어 있고,
상기 개선 물성 파라미터 설정부는, 최초의 물성 파라미터에 의거하여 얻어진 상기 시뮬레이션 데이터 및 상기 측정 데이터의 삼차원 형상 또는 특성값의 일치도 중 어느 하나가 소정의 수준을 밑돌고 있는 경우에는, 삼차원 형상 및 특성값의 일치도가 모두 소정의 수준 이상이 되는 개선 물성 파라미터를 설정하도록 구성되어 있으며,
상기 개선 제조 조건 데이터 설정부는, 상기 설계 데이터와의 삼차원 형상 및 특성값의 일치도가 소정의 수준 이상이 되는 시뮬레이션 데이터가 얻어지는 제조 조건을 설정하도록 구성되어 있는 장치.
청구항 3에 기재된 장치에 있어서,
상기 특성값이, 기포 함유율, 표면 거칠기, 적외 흡수 스펙트럼 및 라만 스펙트럼에서 선택되는 하나 이상의 특성값인 장치.
청구항 1에 기재된 장치에 의해 얻어지는, 시뮬레이션 데이터를 기록하는 장치.
청구항 1에 기재된 장치에 의해 얻어지는, 개선 제조 조건 데이터를 기록하는 장치.
실리카 유리 도가니 제조용 몰드의 제조 조건의 설정을 지원하는 장치로서,
임의의 형식, 제조 로트 또는 시리얼 넘버의 실리카 유리 도가니의 삼차원 형상의 설계 데이터를 취득하는 도가니 설계 데이터 취득부와,
상기 도가니 설계 데이터에 의거하여 몰드의 삼차원 형상의 설계 데이터를 설정하는 몰드 설계 데이터 설정부와,
열전달 계산, 유체 계산 및 구조 계산으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 계산이 가능한 계산 엔진을 이용하여, 상기 몰드 설계 데이터대로의 삼차원 형상의 몰드 상에서 실리카 분말을 아크 용융하여 얻어지는 실리카 유리 도가니의 삼차원 형상의 시뮬레이션 데이터를 얻는 시뮬레이션부와,
상기 계산 엔진이 사용하는 물성 파라미터를 설정하는 파라미터 설정부와,
상기 몰드 설계 데이터에 의거하여 제조되는 몰드 상에서 실리카 분말을 아크 용융하여 얻어지는 실리카 유리 도가니의 삼차원 형상의 도가니 측정 데이터를 취득하는 도가니 측정 데이터 취득부와,
상기 도가니 설계 데이터, 상기 시뮬레이션 데이터, 상기 도가니 측정 데이터 중 2종류의 데이터를 비교 대조하여, 양자의 삼차원 형상의 일치도를 판정하는 일치도 판정부와,
상기 시뮬레이션 데이터 또는 몰드 설계 데이터의 출력부와,
를 구비하고,
상기 물성 파라미터 설정부는, 최초의 물성 파라미터에 의거하여 얻어진 상기 시뮬레이션 데이터 및 상기 도가니 측정 데이터의 삼차원 형상의 일치도가 소정의 수준을 밑돌고 있는 경우에는, 상기 일치도가 소정의 수준 이상이 되는 개선 물성 파라미터를 설정하는 개선 물성 파라미터 설정부를 가지고 있으며,
상기 몰드 설계 데이터 설정부는, 상기 도가니 설계 데이터와의 일치도가 소정의 수준 이상이 되는 시뮬레이션 데이터가 얻어지는 개선 몰드 설계 데이터를 설정하는 개선 몰드 설계 데이터 설정부를 가지고 있는 장치.
청구항 7에 기재된 장치에 있어서,
상기 시뮬레이션부는, 상기 계산 엔진을 이용하여, 응력 해석 또는 열유체 해석을 실행할 수 있도록 구성되어 있는 장치.
청구항 7에 기재된 장치에 있어서,
상기 도가니 설계 데이터, 상기 시뮬레이션 데이터, 상기 도가니 측정 데이터는, 모두 상기 실리카 유리 도가니의 삼차원 형상에 관련시켜진 특성값의 데이터를 포함하고,
상기 일치도 판정부는, 상기 양자의 특성값의 일치도도 판정하도록 구성되어 있고,
상기 개선 파라미터 설정부는, 최초의 파라미터에 의거하여 얻어진 상기 시뮬레이션 데이터 및 상기 도가니 측정 데이터의 삼차원 형상 또는 특성값의 일치도 중 어느 하나가 소정의 수준을 밑돌고 있는 경우에는, 삼차원 형상 및 특성값의 일치도가 모두 소정의 수준 이상이 되는 개선 파라미터를 설정하도록 구성되어 있으며,
상기 개선 몰드 설계 데이터 설정부는, 상기 개선 파라미터를 이용한 경우에, 상기 도가니 설계 데이터와의 삼차원 형상 및 특성값의 일치도가 소정의 수준 이상이 되는 시뮬레이션 데이터가 얻어지는 개선 몰드 설계 데이터를 설정하도록 구성되어 있는 장치.
청구항 9에 기재된 장치에 있어서,
상기 특성값이, 기포 함유율, 표면 거칠기, 적외 흡수 스펙트럼 및 라만 스펙트럼에서 선택되는 하나 이상의 특성값인 장치.
청구항 7에 기재된 장치에 의해 얻어지는, 시뮬레이션 데이터를 기록하는 장치.
청구항 7에 기재된 장치에 의해 얻어지는, 개선 몰드 설계 데이터를 기록하는 장치.
실리카 유리 도가니를 이용한 실리콘 단결정 인상의 조건 설정을 지원하는 장치로서,
사용자에 의해 입력된 실리카 유리 도가니 정보에서 개별적으로 특정 가능한 도가니 특정 정보를 취득하는 도가니 특정 정보 취득부와,
상기 도가니 특정 정보에 의해 개별적으로 특정되는 실리카 유리 도가니의 삼차원 형상의 측정 데이터를 취득하는 측정 데이터 취득부와,
열전달 계산, 유체 계산 및 구조 계산으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 계산이 가능한 계산 엔진을 이용하여, 상기 측정 데이터대로의 삼차원 형상의 실리카 유리 도가니를 이용하여 실리콘 단결정의 인상을 수행한 경우의 결정 결함의 발생에 대해 시뮬레이션 데이터를 얻는 시뮬레이션부와,
상기 시뮬레이션부가 사용하는 가열 온도, 인상 속도 및 회전수를 포함하는 인상 조건을 설정하고, 최초의 인상 조건에 의거하여 얻어진 상기 시뮬레이션 데이터의 결정 결함의 발생률이 소정의 수준을 초과한 경우에는, 상기 결정 결함의 발생률이 소정의 수준 이하가 되는 개선 인상 조건을 설정하는 인상 조건 설정부와,
상기 인상 조건을 출력하는 출력부와,
를 구비하는 장치.
청구항 13에 기재된 장치에 있어서,
상기 시뮬레이션부는, 상기 계산 엔진을 이용하여, 응력 해석 또는 열유체 해석을 실행할 수 있도록 구성되어 있는 장치.
청구항 13에 기재된 장치에 있어서,
상기 측정 데이터가, 상기 실리카 유리 도가니의 삼차원 형상에 관련시켜진 특성값의 데이터를 포함하고,
상기 시뮬레이션부는, 상기 측정 데이터대로의 삼차원 형상 및 특성값을 갖는 실리카 유리 도가니를 이용하여 실리콘 단결정의 인상을 수행한 경우의 결정 결함의 발생에 대해 시뮬레이션 데이터를 얻도록 구성되어 있는 장치.
청구항 15에 기재된 장치에 있어서,
상기 특성값이, 기포 함유율, 표면 거칠기, 적외 흡수 스펙트럼 및 라만 스펙트럼에서 선택되는 하나 이상의 특성값인 장치.
청구항 13에 기재된 장치에 있어서,
상기 측정 데이터가, 상기 실리카 유리 도가니의 라운드부의 요철의 데이터를 포함하고,
상기 인상 조건이, 상기 라운드부 부근에서의 인상 속도, 가열 온도 및 회전수의 타임 테이블을 포함하는 장치.
청구항 13에 기재된 장치에 있어서,
사용자에 의해 입력된 다결정 실리콘 원료, 인상 장치의 직경, 인가되는 자기장의 세기, 인상하는 실리콘 단결정의 사이즈, 인상하는 실리콘 단결정의 길이, 가열 방식, 분위기 가스의 종류, 분위기 가스의 감압도, 연속 인상 조건, 추가 원료 충전 조건 및 보관 조건으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 추가 정보를 취득하는 추가 정보 취득부를 더 구비하는 장치.
청구항 13에 기재된 장치에 있어서,
상기 출력부가, 상기 측정 데이터를 더 출력하도록 구성되어 있는 장치.
실리카 유리 도가니를 이용한 실리콘 단결정 인상의 조건 설정을 지원하는 장치로서,
사용자에 의해 입력된 실리카 유리 도가니 정보에서 개별적으로 특정 가능한 도가니 특정 정보를 취득하는 도가니 특정 정보 취득부와,
상기 도가니 특정 정보에 의해 개별적으로 특정되는 실리카 유리 도가니의 삼차원 형상의 측정 데이터를 취득하는 측정 데이터 취득부와,
상기 측정 데이터를 출력하는 출력부와,
를 구비하는 장치.