KR100977619B1 - 단결정 잉곳의 직경 측정 장치와 측정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 융액으로부터 인상되는 단결정 잉곳의 직경과 융액 레벨을 측정하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 단결정 잉곳의 직경 측정 장치는, 초크랄스키법에 의해 융액으로부터 인상되는 단결정 잉곳의 직경을 측정하는 장치로서, 융액과 단결정 잉곳의 경계선 상의 일 지점의 영상을 상기 경계선의 접선방향에서 촬상하도록 장착되는 카메라를 구비하고, 상기 카메라가, 상기 일 지점과 단결정 잉곳의 중심을 잇는 반경방향을 따라 평행이동 가능한 것을 특징으로 한다. 이로써 별도의 환산이나 계산 없이 왜곡 없는 잉곳의 직경을 간편하게 측정할 수 있다. 또한, 상기 카메라를, 상기 일 지점의 상승 및 하강에 대응하여 단결정 잉곳의 길이방향을 따라 회동가능하게 하면, 매우 단순한 계산만으로 융액 레벨을 왜곡 없이 간편하게 측정할 수 있다.

잉곳 직경, 융액 레벨, 측정, 카메라, 평행이동, 회동

Description

단결정 잉곳의 직경 측정 장치와 측정 방법{Measuring Apparatus and Method of Single Crystal Ingot Diameter}

본 발명은 초크랄스키법(Czochralski Method)에 의해 성장되는 단결정 잉곳의 직경과 융액 레벨을 측정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

실리콘 등의 단결정 잉곳은, 일반적으로 초크랄스키 결정 성장법으로 제조된다. 즉, 도가니에 다결정 실리콘 등의 고체 원료를 충전하고 히터로 가열하여 용융시켜 융액을 만든 다음에, 단결정 시드(seed)를 시드 커넥터에 매달아 융액에 접촉시킨 후 서서히 회전시키며 인상한다. 그러면, 차례로 매우 가는 네크(neck)부, 직경이 증가하는 숄더(shoulder)부, 직경이 일정한 원기둥 형태의 바디(body)부의 순서로 인상되고, 마지막으로 직경이 감소하는 테일(tail)부를 끝으로 단결정 잉곳이 얻어진다.

이때, 융액으로부터 인상되는 단결정 잉곳의 직경과 융액 레벨(melt level)을 정확히 측정하는 것은, 생산성 향상과 단결정 잉곳의 품질 확보를 위해서 필수적이다. 이를 위한 종래의 측정 시스템은 크게 두 가지로 구별되는데, 첫 번째가 특허공개 제2003-34357호 등에 개시된 광학 온도계를 이용한 측정 시스템이고, 두 번째가 특허공개 제2001-80008호 등에 개시된 CCD(Charge-Coupled Device) 카메라를 이용한 측정 시스템이다. 광학 온도계는 피측정 대상물로부터 그 온도에 대응하여 방출되는 빛의 파장을 검출함으로써 대상물의 온도를 측정하는 것이다. 또한, CCD 카메라를 이용한 측정 시스템은 CCD 카메라에 의해 촬상된 화상을 해석하여 잉곳의 직경과 융액 레벨을 계산한다.

구체적으로, 종래의 광학 온도계를 이용한 측정 시스템에서는, 도 1을 참조하면, 단결정 잉곳 성장장치의 경사 상방에 마련된 투명창 영역에 광학 온도계(30)를 고정하고, 인상되는 단결정 잉곳(20)과 융액(10)의 경계선에 형성되는 밝은 영역인 메니스커스(meniscus) 중 광학 온도계에서 최단거리 지점에 스폿(spot)(40)을 설정하여, 이 스폿 안에서 방출되는 특정 파장대의 빛의 세기를 측정함으로써 잉곳(20)의 직경을 측정한다.

또한, CCD 카메라를 이용한 종래의 측정 시스템에는, CCD 카메라(50)를 잉곳 성장장치의 투명창 영역에 고정하고, 도 1에서와 같이 메니스커스의 최단거리 지점에 초점을 맞추어 촬상한 화상을 해석함으로써 잉곳의 직경을 계산하는 방법과, 도 2와 같이, 메니스커스의 양 끝 지점(60)에 초점을 맞추어 촬상한 화상을 해석함으로써 잉곳의 직경을 계산하는 방법이 있다. 이 후자의 방법은 메니스커스의 양 끝 지점의 이동을 추적함으로써 잉곳(20)의 직경과 융액(10)의 레벨을 동시에 계산할 수 있다.

그런데, 도 1에 도시된 측정 시스템은, 잉곳 직경의 변화와 융액 레벨의 변화를 구분하지 못하는 문제점이 있다. 즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 융액 레벨이 C1에서 C2로 상승하고, 동시에 잉곳 직경이 B1에서 B2로 증가하면, 메니스커스의 스폿은 A1에서 A2로 이동하였지만, 광학 온도계(30) 또는 CCD 카메라에게는 스폿의 이동이 정확히 검출되지 않는다.

한편, 도 2에 도시된 측정 시스템에서는 잉곳의 직경의 변화와 융액 레벨의 변화를 분리하여 검출할 수 있다. 그렇지만, 도 2에 도시된 시스템에서 CCD 카메라(50)는 고정되어 있기 때문에, 잉곳의 직경이 변하거나 융액 레벨이 변화하는 경우 메니스커스가 촬상된 화상의 중앙에 위치하지 못하게 된다. 따라서, 복잡한 화상 처리과정을 거쳐서 메니스커스가 화상의 중앙으로부터 벗어난 정도로부터 실제 메니스커스의 위치를 계산하게 되는데, 이때 화상에는 CCD 카메라 렌즈의 왜곡현상(수차)에 의한 오차가 내재되어 있기 때문에 잉곳 직경이나 융액 레벨의 측정 오차가 발생하게 된다. 또한, 복잡한 화상 처리를 하여야 하는 단점이 있다.

본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 단결정 잉곳의 성장시 잉곳의 직경과 융액 레벨을 간편하면서도 정확하게 측정할 수 있는 측정 장치 및 방법을 제공하는 데에 있다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에서는 카메라를 이용하여 단결정 잉곳의 직경과 융액 레벨을 측정하되, 상기 카메라를 잉곳의 반경방향을 따라 평행이동시키거나 잉곳의 길이방향을 따라 회동시킴으로써, 잉곳 직경 및 융액 레벨을 간편하고 정확하게 측정한다.

즉, 본 발명의 일 측면에 따른 단결정 잉곳의 직경 측정 장치는, 초크랄스키법에 의해 융액으로부터 인상되는 단결정 잉곳의 직경을 측정하는 장치로서, 융액과 단결정 잉곳의 경계선 상의 일 지점의 영상을 상기 경계선의 접선방향에서 촬상하도록 장착되는 카메라를 구비하고, 상기 카메라가, 상기 일 지점과 단결정 잉곳의 중심을 잇는 반경방향을 따라 평행이동 가능한 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 다른 측면에 따른 융액 레벨 측정 장치는, 초크랄스키법에 의해 융액으로부터 단결정 잉곳을 인상할 때 융액의 레벨을 측정하는 장치로서, 융액과 단결정 잉곳의 경계선 상의 일 지점의 영상을 상기 경계선의 접선방향에서 촬상하도록 장착되는 카메라를 구비하고, 상기 카메라가, 상기 일 지점의 상승 및 하강에 대응하여 단결정 잉곳의 길이방향을 따라 회동가능한 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따른 단결정 잉곳의 직경 측정 방법은, 초크랄스키법에 의해 융액으로부터 인상되는 단결정 잉곳의 직경을 카메라를 이용하여 측정하는 방법으로서, 단결정 잉곳이 인상되기 시작한 중심점이 카메라에 의해 촬상된 화상의 중심점과 일치하도록 카메라의 원점 위치를 설정하는 단계; 상기 카메라에 의해, 융액과 단결정 잉곳의 경계선 상의 일 지점의 영상을 상기 경계선의 접선방향에서 촬상하는 단계; 상기 일 지점이 카메라에 의해 촬상된 화상의 횡축방향 중심에 위치하도록, 카메라를 상기 일 지점과 단결정 잉곳의 중심을 잇는 반경방향을 따라 평행이동시키는 단계; 및 카메라가 상기 원점 위치에서 상기 반경방향을 따라 평행이동된 거리를 상기 단결정 잉곳의 반경으로서 출력하는 단계;를 포함한다.

또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따른 융액 레벨 측정 방법은, 초크랄스키법에 의해 융액으로부터 단결정 잉곳을 인상할 때 융액의 레벨을 측정하는 방법으로서, 단결정 잉곳이 인상되기 시작한 중심점이 카메라에 의해 촬상된 화상의 중심점과 일치하도록 카메라의 원점 위치를 설정하는 단계; 상기 카메라에 의해, 융액과 단결정 잉곳의 경계선 상의 일 지점의 영상을 상기 경계선의 접선방향에서 촬상하는 단계; 상기 일 지점이 카메라에 의해 촬상된 화상의 종축방향 중심에 위치하도록, 카메라를 단결정 잉곳의 길이방향을 따라 회동시키는 단계; 및 상기 카메라가 단결정 잉곳의 길이방향을 따라 회동한 각도로부터 융액의 레벨 변화량을 계산하여 출력하는 단계;를 포함한다.

본 발명에 의하면, 단결정 잉곳의 직경 변화에 대응하여 카메라를 잉곳의 반경방향을 따라 평행이동시키고, 그 평행이동량을 이용하여 바로 잉곳의 반경을 측정할 수 있으므로, 복잡한 화상 처리를 필요로 하지 않고 간편하게 잉곳의 직경을 측정할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 융액 레벨의 변화에 대응하여 카메라를 잉곳의 길이방향을 따라 회동시키고, 그 회동각을 이용하여 바로 융액 레벨의 변화량을 측정할 수 있으므로, 복잡한 화상 처리를 필요로 하지 않고 간편하게 잉곳의 직경을 측정할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 메니스커스가 항상 화상의 중심에 위치하므로, 초점의 불일치나 카메라 렌즈의 수차 등에 의한 측정오차를 원천적으로 제거할 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 4는 본 발명에 따라 잉곳의 직경을 측정하는 과정을 도시한 평면도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 단결정 잉곳의 직경 측정 장치는, 잉곳(20)의 반경방향(도면에서 y축)을 따라 평행이동 가능하게 장착된 카메라(50)를 구비한다. 이 카메라(50) 자체는 전형적으로 CCD 카메라로 이루어질 수 있으나, 반드시 이에 한하지는 않는다. 한편, 카메라(50)의 수직방향(잉곳의 길이방향) 상에서의 위치는 도 5에 도시된 바와 같이, 잉곳의 경사 상방으로 카메라의 위치 자체는 종래(도 2 참조)와 동일하다. 또한, 본 실시예에서 카메라(50)는 종래와 마찬가지로, 메니스커스의 일 지점에 대하여 잉곳(20)의 접선방향에서 영상을 촬상하도록 배치된다. 다만, 본 발명이 종래와 다른 점은 카메라(50)가 잉곳(20)의 반경방향을 따라 평행이동 가능하게 장착된다는 점이다. 이러한 카메라의 수평이동은, 리니어 모터(linear motor)나, 서보 모터(servo motor) 및 직선운동과 회전운동을 변환하는 동력전달계를 이용하여 구현될 수 있고, 이러한 동력전달계는 널리 알려져 있으므로 그 상세한 설명을 생략한다.

이와 같이 구성된 잉곳 직경 측정 장치를 이용하여 단결정 잉곳의 직경을 측정하는 방법을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 카메라(50)의 원점 위치를 설정한다. 카메라의 원점은, 단결정 잉곳이 시딩(seeding)(인상)되기 시작한 중심점(O)이 이 카메라에 의해 촬상된 화상의 중심점과 일치하도록 카메라를 이동함으로써 잡을 수 있다. 한편, 여기서 잉곳이 인상되기 시작한 점이 화상의 중심점(즉, 화상의 횡축 및 종축의 중심)에 위치하도록 한다고 하였으나, 잉곳의 직경만을 측정하는 경우에는 인상 시작점(O)이 화상의 횡축방향의 중심에 위치하도록 하기만 하면 된다.

이렇게 카메라(50)의 원점을 설정한 다음, 잉곳(20)의 인상에 의해 점차 증가하는 잉곳의 직경을 따라 카메라를 잉곳(20)의 반경방향을 따라 평행이동시키면서, 메니스커스의 일 지점의 영상을 메니스커스의 접선방향에서 촬상한다. 구체적으로, 카메라(50)에 의해 촬상된 화상에서 상기 일 지점이 횡축방향 중심에 위치하도록 카메라를 평행이동시킨다. 예컨대, 도 4에서 잉곳(20)의 직경이 B1에서 B2로 증가된 경우, 카메라(50)는 그에 대응하여 원점에서 시작하여 D1까지, 이어서 D1에서 D2까지 평행이동되게 된다.

그러면, 잉곳(20)의 반경은 카메라(50)의 평행이동량과 동일하므로, 별도의 환산이나 계산, 화상 처리 과정 없이, 곧바로 카메라의 평행이동량 D1 또는 D를 잉곳의 반경으로 얻을 수 있다.

이렇게 얻어진 잉곳의 직경 정보는 단결정 잉곳의 인상 제어 즉, 인상속도의 증감이나 히터의 전력 증감 등 공정조건의 제어에 이용된다.

이어서, 도 5를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 융액 레벨 측정 장치 및 방법에 대해 설명한다.

본 실시예의 융액 레벨 측정 장치의 구성은, 도 4에 도시된 잉곳 직경 측정 장치의 구성과 기본적으로 유사하다. 즉, 본 실시예에서 카메라(50)는 잉곳의 경사 상방에 배치되어 메니스커스의 일 지점에 대하여 잉곳(20)의 접선방향에서 영상을 촬상하도록 배치된다. 다만, 본 실시예에서 카메라(50)는, 잉곳(20)의 길이방향을 따라 회동가능하게 장착된다는 점이다. 이러한 카메라의 회동은, 서보 모터 등의 회동수단을 이용하여 구현될 수 있고, 이러한 회동수단은 널리 알려져 있으므로 그 상세한 설명을 생략한다.

이와 같이 구성된 융액 레벨 측정 장치를 이용하여 융액 레벨을 측정하는 방법을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 카메라(50)의 원점 위치를 설정한다. 이 카메라의 원점 설정 과정은 전술한 실시예의 잉곳 직경 측정 방법에서와 동일하므로 상세한 설명을 생략한다. 다만, 융액 레벨만을 측정하는 경우에는 인상 시작점(O)이 화상의 종축방향의 중심에 위치하도록 하기만 하면 된다.

이렇게 카메라(50)의 원점을 설정한 다음, 융액 레벨의 상승 또는 하강에 따라 카메라를 잉곳(20)의 길이방향을 따라 회동시키면서, 메니스커스의 일 지점의 영상을 메니스커스의 접선방향에서 촬상한다. 구체적으로, 카메라(50)에 의해 촬상된 화상에서 상기 일 지점이 종축방향 중심에 위치하도록 카메라를 회동시킨다. 예컨대, 도 5에서 융액의 레벨이 C1에서 C2로 상승된 경우, 카메라(50)는 그에 대응하여 그 경사각이 θ2에서 θ1이 되도록 회동하게 된다.

그러면, 융액 레벨 C1 및 C2에 대응하는 융액 표면의 상대적 위치 z1 및 z2는, 각각 z1=L/tanθ1, z2=L/tanθ2가 되고, 융액 레벨의 변화량 z3=|z1-z2|으로, 매우 간단한 계산으로 얻을 수 있다.

이렇게 얻어진 융액 레벨 정보는 단결정 잉곳의 인상 제어 즉, 융액을 담고 있는 도가니의 상승속도의 증감 등 공정조건의 제어에 이용된다.

이상 상술한 바와 같이, 본 발명의 잉곳 직경 및 융액 레벨 측정 장치 및 방법에 따르면 카메라의 평행이동량 또는 회동각도로부터 별도의 계산 없이, 또는 매우 간단한 계산만으로 왜곡 없는 잉곳의 직경 및 융액 레벨을 측정할 수 있다.

한편, 상술한 설명에서는 잉곳의 직경 측정과 융액 레벨 측정을 별도의 실시예로 나누어 설명하였으나, 이 두 가지는 결합되어 실시될 수 있다. 즉, 카메라(50)를 잉곳(20)의 반경방향을 따라 평행이동 가능하면서 동시에 잉곳의 길이방향을 따라 회동가능하게 하면, 하나의 측정 장치로 잉곳의 직경과 융액 레벨을 동시에 측정할 수 있다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

도 1은 종래의 광학 온도계를 이용하여 잉곳의 직경 및 융액 레벨을 측정하는 시스템을 도시한 개략적인 도면으로서, 도면 우측은 그 평면도이다.

도 2는 종래의 CCD 카메라를 이용하여 잉곳의 직경 및 융액 레벨을 측정하는 시스템을 도시한 개략적인 도면으로서, 도면 우측은 그 평면도이다.

도 3은 도 1에 도시된 시스템에서 잉곳의 직경 및 융액 레벨을 측정할 때 잉곳의 직경과 융액 레벨이 동시에 변화할 때 측정오차가 생기는 과정을 도시한 도면이다.

도 4는 본 발명에 따라 잉곳의 직경을 측정하는 과정을 도시한 평면도이다.

도 5는 본 발명에 따라 융액 레벨을 측정하는 과정을 도시한 정면도이다.

Claims (8)

1. 초크랄스키법에 의해 융액으로부터 인상되는 단결정 잉곳의 직경을 측정하는 장치로서,

   상기 융액과 단결정 잉곳의 경계선 상의 일 지점의 영상을 상기 경계선의 접선방향에서 촬상하도록 장착되는 카메라를 구비하고,

   상기 카메라가, 상기 일 지점과 상기 단결정 잉곳의 중심을 잇는 반경방향을 따라 평행이동 가능한 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳의 직경 측정 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 카메라가, 상기 일 지점의 상승 및 하강에 대응하여 상기 단결정 잉곳의 길이방향을 따라 회동가능한 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳의 직경 측정 장치.
3. 삭제
4. 삭제
5. 초크랄스키법에 의해 융액으로부터 인상되는 단결정 잉곳의 직경을 카메라를 이용하여 측정하는 방법으로서,

   상기 단결정 잉곳이 인상되기 시작한 중심점이 상기 카메라에 의해 촬상된 화상의 중심점과 일치하도록 상기 카메라의 원점 위치를 설정하는 단계;

   상기 카메라에 의해, 상기 융액과 단결정 잉곳의 경계선 상의 일 지점의 영상을 상기 경계선의 접선방향에서 촬상하는 단계;

   상기 일 지점이 상기 카메라에 의해 촬상된 화상의 횡축방향 중심에 위치하도록, 상기 카메라를 상기 일 지점과 상기 단결정 잉곳의 중심을 잇는 반경방향을 따라 평행이동시키는 단계; 및

   상기 카메라가 상기 원점 위치에서 상기 반경방향을 따라 평행이동된 거리를 상기 단결정 잉곳의 반경으로서 출력하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳의 직경 측정 방법.
6. 제5항에 있어서,

   상기 일 지점이 상기 카메라에 의해 촬상된 화상의 종축방향 중심에 위치하 도록, 상기 카메라를 상기 단결정 잉곳의 길이방향을 따라 회동시키는 단계; 및

   상기 카메라가 상기 단결정 잉곳의 길이방향을 따라 회동한 각도로부터 상기 융액의 레벨 변화량을 계산하여 출력하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳의 직경 측정 방법.
7. 삭제
8. 삭제

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