KR102681152B1 - 단결정 잉곳 제조용 멜트 갭 유지장치 및 그를 이용한 멜트 갭 유지방법 - Google Patents
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Abstract
실리콘 용융액을 수용하는 도가니의 무게 변화를 측정하는 중량측정 모듈; 상기 도가니를 수용하는 챔버에 구비된 투명창의 외측에 설치되고, 실리콘 용융액 표면의 높이 변화를 측정하는 카메라 모듈; 및 도가니의 무게 변화량에 따라 도가니는 소정의 속도로 회전하며 상승하고, 도가니의 회전 상승과 동시에 측정된 상기 실리콘 용융액 표면의 높이로부터 도가니의 상승 위치를 보정하며 소정의 멜트 갭을 유지하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 제조용 멜트 갭 유지장치 및 그를 이용한 멜트 갭 유지방법을 제공한다.
Description
본 발명은 단결정 잉곳 성장 과정 중, 무게 변화 프로파일과 실리콘 용융액 표면의 높이 변화를 동시에 인식하여 도가니의 위치를 보정하며 공정 중 멜트 갭을 일정하게 유지시킬 수 있는 단결정 잉곳 제조용 멜트 갭 유지장치 및 그를 이용한 멜트 갭 유지방법에 관한 것이다.
실리콘 단결정 잉곳의 성장 방법은 플로우팅 존(floating zone, FZ)법 또는 초크랄스키(Czochralski, CZ)법 등이 있으며, 현재 일반화되어 있는 방법이 CZ법이라 할 수 있다. CZ법은 도가니에 다결정 실리콘을 장입하고, 이를 가열하여 용융시킨 후, 실리콘 용융액에 시드를 담그고 계면에서 결정화가 일어날 때 시드를 회전하면서 인상시킴으로써 단결정의 실리콘 잉곳을 성장시키는 방법이다. 이때, 도가니를 지지하는 축을 회전시키면서 도가니를 상승시켜 고-액 계면이 동일한 높이를 유지하고, 도가니의 회전축과 동축을 중심축으로 하여 실리콘 단결정 잉곳은 도가니의 회전방향과 반대방향으로 회전시키면서 끌어올리며 성장시킨다.
단결정 잉곳의 품질과 생산성을 위하여 CZ법의 제조장치는 실리콘 용융액의 표면과 가열부재로부터 복사되는 열이 실리콘 단결정 잉곳으로 전달되지 못하도록 차단하는 열차폐부재(Reflector)를 포함하며, 멜트 갭을 일정하게 유지 또는 가변 제어한다. 예로써, 실리콘 용융액의 표면 높이는 단결정 잉곳의 부피와 용융액이 담겨있는 도가니의 용적비를 계산하여 발생되는 차이값으로 제어하고, 단결정 잉곳의 성장에 의해 용융액의 표면 높이가 변화되는 경우 작업자가 수동으로 조작하여 보정하는 방법으로 실리콘 용융액의 표면 높이를 일정하게 유지한다. 즉, 상기 계산에 의한 제어에 있어서, 도 1과 같이 공정 중 도가니의 변형과 같은 원인에 의해 실제 값과 계산 값에 오차가 발생될 수 있다. 따라서, 작업자의 육안에 의한 수작업에 의존할 수 있는데, 이는 작업자의 숙련도에 따라 일정한 수준의 정밀 제어가 어려워 생산성이 떨어질 수 있으며, 공정 사고가 발생할 수 있다.
이를 해결하기 위하여 한국공개특허 제10-2014-0097834호, '단결정 잉곳 성장 장치'에서는 열차폐부의 하단에 결합하되 용융액 상에 배치되는 측정봉의 반사상에 대한 영상을 챔버의 뷰포트를 통하여 촬영하는 영상촬영부를 구비하여 멜트 갭을 측정하는 기술을 개시한 바 있다. 하지만, 도가니와 잉곳의 회전으로 인해 반사상의 이미지가 왜곡될 수 있으며, 이로 인해 멜트 갭 측정의 정확성은 낮아질 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 도가니의 무게 변화량과 실리콘 용융액 표면의 높이 변화를 동시에 인식하여 작업자의 숙련도에 관계 없이 도가니의 위치를 용이하게 보정할 수 있으며, 공정 중 멜트 갭을 일정하게 유지시킬 수 있는 단결정 잉곳 제조용 멜트 갭 유지장치 및 그를 이용한 멜트 갭 유지방법을 제공하는 것에 목적이 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 문제를 해결하기 위하여 본 발명은 실리콘 용융액을 수용하는 도가니의 무게 변화를 측정하는 중량측정 모듈; 상기 도가니를 수용하는 챔버에 구비된 투명창의 외측에 설치되고, 실리콘 용융액 표면의 높이 변화를 측정하는 카메라 모듈; 및 도가니의 무게 변화량에 따라 도가니는 소정의 속도로 회전하며 상승하고, 도가니의 회전 상승과 동시에 측정된 상기 실리콘 용융액 표면의 높이로부터 도가니의 상승 위치를 보정하며 소정의 멜트 갭을 유지하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 제조용 멜트 갭 유지장치를 제공할 수 있다.
상기 카메라 모듈은, 삼각측량법으로 상기 실리콘 용융액 표면의 높이 변화를 측정하는 한 쌍의 적외선 스테레오 카메라를 포함하는 것일 수 있다.
상기 중량측정 모듈은, 상기 도가니의 하부에 위치하는 로드셀을 포함하는 것일 수 있다.
상기 단결정 잉곳 제조용 멜트 갭 유지장치는, 테일 공정 시 결정 성장률이 -0.2 내지 0.2mm/min가 되도록 제어하는 것일 수 있다.
상기 단결정 잉곳은, 200 내지 450mm의 직경을 가지는 것일 수 있다.
또한, 상기의 문제를 해결하기 위하여 본 발명은 중량측정 모듈이 실리콘 용융액을 수용하는 도가니의 무게 변화를 측정하는 (a) 단계; 챔버에 구비된 투명창의 외측에 설치된 카메라 모듈이 실리콘 용융액 계면의 높이 변화를 측정하는 (b) 단계; 및 도가니의 무게 변화량에 따라 도가니는 소정의 속도로 회전하며 상승하고, 도가니의 회전 상승과 동시에 측정된 상기 실리콘 용융액 표면의 높이로부터 제어부는 도가니의 상승 위치를 보정하며 소정의 멜트 갭을 유지하는 (c) 단계;를 포함하고, 상기 (a) 단계와 (b) 단계는 동시에 수행되는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 제조용 멜트 갭 유지방법을 제공할 수 있다.
상기 (b) 단계는, 상기 카메라 모듈이 한 쌍의 적외선 스테레오 카메라를 포함하고, 삼각측량법으로 상기 실리콘 용융액 계면의 높이 변화를 측정하는 것일 수 있다.
상기 단결정 잉곳 제조용 멜트 갭 유지방법은, 테일 공정 단계에서 성장률이 -0.2 내지 0.2mm/min가 되도록 제어하는 것일 수 있다.
상기 단결정 잉곳은 200 내지 450mm의 직경을 가지는 것일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 단결정 잉곳 제조용 멜트 갭 유지장치 및 그를 이용한 멜트 갭 유지방법은 중량측정 모듈과 카메라 모듈을 구비함으로써 도가니의 무게 변화량과 실리콘 용융액 표면의 높이 변화를 동시에 인식하여 작업자의 숙련도에 관계 없이 도가니의 위치를 용이하게 보정할 수 있으며, 공정 중 멜트 갭을 일정하게 유지시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 도가니 상승 속도에 대한 계산 값과 실제 값을 나타낸 그래프,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 단결정 잉곳 제조용 멜트 갭 유지장치를 나타낸 블록도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 단결정 잉곳 제조용 멜트 갭 유지장치를 나타낸 단면도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 단결정 잉곳 제조용 멜트 갭 유지장치의 카메라 모듈의 삼각측량과 멜트 갭 보정을 나타낸 간략도,
도 5는 테일 공정 중 단결정의 슬립 현상을 나타낸 사진과 단면도,
도 6은 단결정 직경에 따라 측정된 테일 무게를 비교한 것을 나타낸 그래프,
도 7은 테일 공정 시 성장률과 테일 Loss를 비교한 것을 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 단결정 잉곳 제조용 멜트 갭 유지장치를 나타낸 블록도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 단결정 잉곳 제조용 멜트 갭 유지장치를 나타낸 단면도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 단결정 잉곳 제조용 멜트 갭 유지장치의 카메라 모듈의 삼각측량과 멜트 갭 보정을 나타낸 간략도,
도 5는 테일 공정 중 단결정의 슬립 현상을 나타낸 사진과 단면도,
도 6은 단결정 직경에 따라 측정된 테일 무게를 비교한 것을 나타낸 그래프,
도 7은 테일 공정 시 성장률과 테일 Loss를 비교한 것을 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되어지는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 층 및 영역의 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 도가니 상승 속도에 대한 계산 값과 실제 값을 나타낸 그래프이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 단결정 잉곳 제조용 멜트 갭 유지장치를 나타낸 블록도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 단결정 잉곳 제조용 멜트 갭 유지장치를 나타낸 단면도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 단결정 잉곳 제조용 멜트 갭 유지장치의 카메라 모듈의 삼각측량과 멜트 갭 보정을 나타낸 간략도이고, 도 5는 테일 공정 중 단결정의 슬립 현상을 나타낸 사진과 단면도이고, 도 6은 단결정 직경에 따라 측정된 테일 무게를 비교한 것을 나타낸 그래프이고, 도 7은 테일 공정 시 성장률과 테일 Loss를 비교한 것을 나타낸 그래프이다.
도 2 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 단결정 잉곳 제조용 멜트 갭 유지장치(10)는 실리콘 용융액(M)을 수용하는 도가니(20)의 무게 변화를 측정하는 중량측정 모듈(100); 상기 도가니(20)를 수용하는 챔버(40)에 구비된 투명창(44)의 외측에 설치되고, 실리콘 용융액 표면(S)의 높이 변화를 측정하는 카메라 모듈(200); 및 도가니(20)의 무게 변화량에 따라 도가니(20)는 소정의 속도로 회전하며 상승하고, 도가니(20)의 회전 상승과 동시에 측정된 상기 실리콘 용융액 표면(S)의 높이로부터 도가니(20)의 상승 위치를 보정하며 소정의 멜트 갭을 유지하는 제어부(300);를 포함할 수 있다. 따라서 상기 단결정 잉곳 제조용 멜트 갭 유지장치(10)는 중량측정 모듈(100)과 카메라 모듈(200)을 구비함으로써 도가니(20)의 무게 변화량과 실리콘 용융액 표면(S)의 높이 변화를 동시에 인식하여 작업자의 숙련도에 관계 없이 도가니(20)의 위치를 용이하게 보정할 수 있으며, 공정 중 멜트 갭을 일정하게 유지시킬 수 있는 장점이 있다.
상세히 설명하면, 도가니(20)는 회전축(60)이 하부의 중심에 결합된 서셉터와 상기 서셉터의 내측에 결합된 내부 도가니를 포함할 수 있다. 상기 도가니(20) 내부로 다결정 실리콘 및 안티몬, 붕소, 인과 같은 도펀트(dopant)가 함께 장입되어 용융될 수 있다. 상기 용융을 위한 열은 도가니(20) 주변에 위치하는 가열수단(미도시)에 의해 공급될 수 있다.
시드와이어(30)의 일단부에는 단결정 시드가 위치한다. 다결정 실리콘이 용융된 실리콘 용융액(M)에 단결정 시드가 담겨진 상태에서 인상수단(미도시)은 성장되는 실리콘 단결정을 이동 및 회전시킬 수 있다. 즉, 인상수단은 시드와이어(30)를 인상하며, 단결정 시드로 인해 실리콘 용융액(M)은 소정의 직경을 가지는 단결정의 잉곳(I)으로 제조될 수 있다. 실리콘 단결정 잉곳(I) 제조는 재료 장입, 재료 용융, 시드의 인상 등의 과정으로 이루어지는데, 시드의 인상은 실리콘 용융액(M)에 시드를 접촉한 후, 도가니(20)와 시드를 반대방향으로 회전시켜가면서 시드를 서서히 인상하는 것이며, 이로 인해 실리콘 단결정 잉곳(I)을 성장시킬 수 있다. 예로써, 상기 실리콘 단결정 잉곳(I)은 비저항 0.01Ω㎝ 이하, 200 내지 450mm의 직경을 가지는 것일 수 있다.
실리콘 용융액(M)과 일정한 갭을 유지하며 실리콘 용융액(M)의 상부에 위치하는 열차폐수단(50)은 단결정 잉곳(I)의 성장 시 그 주변에 배치되어 단열 작용을 하며, 잉곳(I)의 인상 속도나 성장된 잉곳의 품질 등에 영향을 주는 것으로 양측이 개방된 중공 형상으로 이루어질 수 있다. 일반적으로, 열차폐수단(50)은 상측 개구부의 직경이 하측 개구부의 직경보다 더 크게 형성될 수 있다.
상기 도가니(20), 시드 와이어(30), 열차폐수단(50)을 수용하는 챔버(40)는 불활성 가스가 유입될 수 있다. 즉, 챔버(40) 내부로 공급되는 불활성 가스는 챔버(40) 내의 일정한 압력을 유지하고, 실리콘 단결정 잉곳(I)의 생산과정 중에 발생할 수 있는 산화안티몬 또는 산소 등과 같은 기체 불순물을 챔버(40) 외부로 배출시킬 수 있다.
실리콘 용융액(M)을 수용하는 도가니(20)의 무게 변화를 측정하는 중량측정 모듈(100)은, 상기 도가니(20)의 하부에 위치하는 로드셀을 포함하는 것일 수 있다. 즉, 성장된 잉곳(I)의 무게는 최초 실리콘 용융액(M)에서 실리콘 용융액의 잔량을 차감한 무게와 대응될 수 있으며, 이는 도가니(20) 하부에 위치하는 로드셀의 도가니 무게 측정값으로 도출될 수 있다. 그리고 성장되는 잉곳에 따라 실리콘 용융액은 감소되므로, 멜트 갭 유지를 위하여 도가니는 소정의 속도로 회전하며 높이가 상승될 수 있다.
상기 도가니(20)를 수용하는 챔버(40)에 구비된 투명창(44)의 외측에 설치되고, 실리콘 용융액 표면(S)의 높이 변화를 측정(감지)하는 카메라 모듈(200)은 도 4와 같이, 삼각측량법으로 상기 실리콘 용융액 표면(S)의 높이 변화를 측정하는 한 쌍의 적외선 스테레오 카메라(201, 202)를 포함하는 것일 수 있다. 한 쌍의 적외선 스테레오 카메라(201, 202)는 잉곳 성장이 시작되는 초기의 실리콘 용융액 표면(S)에 초점이 맞추어지도록 설정될 수 있다. 즉, 멜트 갭이 결정되는 시점에 실리콘 용융액 표면(S)에 대해 한 쌍의 적외선 스테레오 카메라(201, 202)의 초점이 맞추어질 수 있다.
도가니(20)의 무게 변화량에 따라 도가니(20)는 계산되어 기설정된 소정의 속도로 회전하며 상승하고, 제어부(300)는 도가니(20)의 회전 상승과 동시에 측정된 상기 실리콘 용융액 표면(S)의 높이로부터 도가니(20)의 상승 위치를 보정하며 소정의 멜트 갭을 유지할 수 있다.
제품마다 도가니의 두께는 차이가 있으며, 두께 차이에 따른 열변형은 도가니마다 다른 양상이 나타날 수 있다. 따라서, 단결정 잉곳 제조 공정을 위한 도가니(20)의 상승 시, 실제 도가니 위치와 기설정된 값에 따라 이동되는 도가니 위치는 도가니의 변형으로 인해 차이가 발생할 수 있다.
만약, 기설정된 계산값에 따른 도가니의 위치가 실제 도가니 위치와 동일하다면 실리콘 용융액 표면(S)에 대해 한 쌍의 적외선 스테레오 카메라(201, 202)의 초점은 유지될 수 있다. 하지만, ΔH1이 발생하는 경우, 즉 계산된 위치보다 실제 도가니가 더 상승하여 멜트 갭이 정상보다 감소되는 경우, ΔH1만큼 도가니를 하강시켜 멜트 갭을 보정할 수 있다. 또한, 계산된 위치보다 실제 도가니가 낮게 상승되어 멜트 갭이 정상보다 증가되는 경우, 즉 ΔH2가 발생하는 경우, ΔH2만큼 도가니를 상승시켜 멜트 갭을 보정할 수 있다. 따라서, 작업자의 육안이 아닌 한 쌍의 적외선 스테레오 카메라(201, 202)의 삼각측량법을 이용함으로써, 더욱 정확한 멜트 갭 보정과 유지가 이루어질 수 있다.
도 6은 단결정 직경에 따라 측정된 테일 무게를 비교한 것을 나타낸 그래프이고, 표 1은 A 내지 E 각각의 잉곳 성장 시 시드 와이어(30)의 사용 회수와 로드셀 위치를 정리한 표이다. 도 6 및 표 1을 참조하면, 본 발명의 실시예라 볼 수 있는 E와 F의 경우, 한 쌍의 적외선 스테레오 카메라(201, 202)의 삼각측량법을 이용하여 도가니의 상승 정도를 보정하며 잉곳을 성장시킨 것으로, 다른 예들보다 테일 무게의 실측값과 계산값이 더욱 가까운 결과를 보여준다. 즉, 도가니 하부에 중량측정 모듈(100)을 위치시키고 카메라 모듈(200)로 도가니 위치를 보정하며 잉곳을 성장한 경우(E, F), 단결정 직경에 따른 테일의 크기는 실제 성장된 크기와 계산된 크기가 거의 일치됨을 보여준다. 이는 멜트 갭 유지의 정확성을 보여주는 것이라 할 수 있다.
| 시드 와이어 사용회수 | 로드셀 위치 | 카메라 모듈 측정 유무 | |
| A | 15 | 인상수단 | ○ |
| B | 20 | 인상수단 | ○ |
| C | 15 | 인상수단 | × |
| D | 20 | 인상수단 | × |
| E | 15 | 도가니 하부 | ○ |
| F | 20 | 도가니 하부 | ○ |
나아가서, 상기 단결정 잉곳 제조용 멜트 갭 유지장치(10)는, 테일 공정 시 결정 성장률이 -0.2 내지 0.2mm/min가 되도록 제어하는 것일 수 있다. 상기 단결정 잉곳(I)은, 길이가 증가 될수록 저항 분포가 감소될 수 있는데, 그 원인은 용융액에 남아 있는 불순물들이 잉곳 내부로 들어갈 수 있는 비율(편석계수) 때문이라 할 수 있다. 바디(Body) 공정 후반, 그 중에서 Tail 공정 시 불순물 농도가 높아질 수 있고, 이로 인해 Tail Loss가 발생할 수 있다. 도 5와 같이, Tail Loss가 발생하면 발생한 위치에 지름 크기의 약 1.2 이상 Slip이 발생하여 수율을 감소시킬 수 있으므로, Tail Loss를 감소시키기 위하여 Tail 공정 결정 성장률을 -0.2 내지 0.2mm/min으로 제어할 수 있다. 테일 공정 시 성장률과 테일 Loss를 비교한 것을 나타낸 그래프인 도 7을 참조하면, a 내지 d의 잉곳의 성장 길이는 모두 1200mm, 직경은 365mm인 것으로, 성장시킨 잉곳의 Tail Loss를 비교한 것이다. a 내지 d의 비교표는 다음의 표 2와 같다. 도 7 및 표 2에 나타난 바와 같이 도가니 하부에 중량측정 모듈(100)을 위치시키고 카메라 모듈(200)로 도가니 위치를 보정하며 잉곳을 성장하되, 테일 공정 시 결정 성장률이 -0.2 내지 0.2mm/min가 되도록 제어하는 경우(d) 저저항의 잉곳을 성장시키더라도 Tail Loss가 발생하지 않음을 알 수 있다.
| 저항수준 | 로드셀 위치 | Tail Loss | |
| a | 저저항 | 인상수단 | ○ |
| b | 저저항 | 인상수단 | ○ |
| c | 일반저항 | 인상수단 | × |
| d | 저저항 | 도가니 하부 | × |
또한, 본 발명의 실시예에 따른 단결정 잉곳 제조용 멜트 갭 유지방법은 중량측정 모듈(100)이 실리콘 용융액(M)을 수용하는 도가니(20)의 무게 변화를 측정하는 (a) 단계; 챔버(40)에 구비된 투명창(44)의 외측에 설치된 카메라 모듈(200)이 실리콘 용융액 계면(S)의 높이 변화를 측정하는 (b) 단계; 및 도가니(20)의 무게 변화량에 따라 도가니(20)는 소정의 속도로 회전하며 상승하고, 도가니(20)의 회전 상승과 동시에 측정된 상기 실리콘 용융액 표면(S)의 높이로부터 제어부(300)는 도가니(20)의 상승 위치를 보정하며 소정의 멜트 갭을 유지하는 (c) 단계;를 포함하고, 상기 (a) 단계와 (b) 단계는 동시에 수행되는 것일 수 있다.
상세히 설명하면, 먼저 도가니(20) 내부로 다결정 실리콘 및 안티몬, 붕소, 인과 같은 도펀트(dopant)가 함께 장입되고, 도가니(20) 주변의 가열수단에 의해 용융될 수 있다. 실리콘 단결정 잉곳(I) 제조 과정 중 챔버(40)는 불활성 가스가 유입될 수 있다. 챔버(40) 내부로 공급되는 불활성 가스는 챔버(40) 내의 일정한 압력을 유지하고, 실리콘 단결정 잉곳(I)의 생산과정 중에 발생할 수 있는 산화안티몬 또는 산소 등과 같은 기체 불순물을 챔버(40) 외부로 배출시킬 수 있다.
다결정 실리콘이 용융되어 실리콘 용융액(M)이 제조되면, 일단부에 단결정 시드가 위치하는 시드 와이어(30)가 인상수단에 의해 실리콘 용융액(M)을 향하여 하강할 수 있다. 단결정 시드가 실리콘 용융액(M)에 담겨진 상태에서 인상수단(미도시)은 성장되는 실리콘 단결정을 이동 및 회전시킬 수 있다. 시드의 인상은 실리콘 용융액(M)에 시드를 접촉한 후, 도가니(20)와 시드를 반대방향으로 회전시켜가면서 시드를 서서히 인상할 수 있으며, 이로 인해 실리콘 단결정 잉곳(I)을 성장시킬 수 있다. 예로써, 상기 실리콘 단결정 잉곳(I)은 비저항 0.01Ω㎝ 이하, 200 내지 450mm의 직경을 가지는 것일 수 있다.
시드의 인상 및 잉곳의 성장 과정 전반에 걸쳐 중량측정 모듈(100)이 실리콘 용융액(M)을 수용하는 도가니(20)의 무게 변화를 측정할 수 있다((a) 단계). 그리고, 챔버(40)에 구비된 투명창(44)의 외측에 설치된 카메라 모듈(200)이 실리콘 용융액 계면(S)의 높이 변화를 측정할 수 있다((b) 단계). 이 경우 상기 (a) 단계와 (b) 단계는 동시에 수행되는 것일 수 있다.
성장되는 잉곳(I)의 무게는 최초 실리콘 용융액(M)에서 실리콘 용융액의 잔량을 차감한 무게에 대응될 수 있으며, 이는 도가니(20) 하부에 위치하는 로드셀의 도가니(20) 무게 측정값으로 도출될 수 있다. 그리고 성장되는 잉곳에 따라 실리콘 용융액(M)은 감소되므로, 멜트 갭 유지를 위하여 도가니는 소정의 속도로 회전하며 높이가 상승될 수 있다. 나아가서, 상기 (b) 단계는, 상기 카메라 모듈(200)이 한 쌍의 적외선 스테레오 카메라(201, 202)를 포함하고, 상기에 설명한 바와 같이 삼각측량법으로 상기 실리콘 용융액 계면(S)의 높이 변화를 측정하는 것일 수 있다.
다음으로, 도가니(20)의 무게 변화량에 따라 도가니(20)는 계산되어 기설정된 소정의 속도로 회전하며 상승하고, 제어부(300)는 도가니(20)의 회전 상승과 동시에 측정된 상기 실리콘 용융액 표면(S)의 높이로부터 도가니(20)의 상승 위치를 보정하며 소정의 멜트 갭을 유지할 수 있다((c) 단계).
제품마다 도가니(20)의 두께는 차이가 있으며, 두께 차이에 따른 열변형은 도가니마다 다른 양상이 나타날 수 있다. 따라서, 단결정 잉곳 제조 공정을 위한 도가니(20)의 상승 시, 실제 도가니 위치와 기설정된 값에 따라 이동되는 도가니 위치는 차이가 발생할 수 있다.
만약, 기설정된 계산값에 따른 도가니의 위치가 실제 도가니 위치와 동일하다면 실리콘 용융액 표면(S)에 대해 한 쌍의 적외선 스테레오 카메라(201, 202)의 초점은 유지될 수 있다. 하지만, ΔH1이 발생하는 경우, 즉 계산된 위치보다 실제 도가니가 더 상승하여 멜트 갭이 정상보다 감소되는 경우, ΔH1만큼 도가니를 하강시켜 멜트 갭을 보정할 수 있다. 또한, 계산된 위치보다 실제 도가니가 낮게 상승되어 멜트 갭이 정상보다 증가되는 경우, 즉 ΔH2가 발생하는 경우, ΔH2만큼 도가니를 상승시켜 멜트 갭을 보정할 수 있다. 따라서, 작업자의 육안이 아닌 한 쌍의 적외선 스테레오 카메라(201, 202)의 삼각측량법을 이용함으로써, 더욱 정확한 멜트 갭 보정과 유지가 이루어질 수 있다.
또한, 상기 단결정 잉곳 제조용 멜트 갭 유지방법은, 테일 공정 단계에서 성장률이 -0.2 내지 0.2mm/min가 되도록 제어하는 것일 수 있다. 이는 상기의 도 7과 표 2에서 설명한 바와 같이, 도가니 하부에 중량측정 모듈(100)을 위치시키고 카메라 모듈(200)로 도가니 위치를 보정하며 잉곳을 성장하되, 테일 공정 시 결정 성장률이 -0.2 내지 0.2mm/min가 되도록 제어하는 경우(d) 저저항의 잉곳을 성장시키더라도 Tail Loss가 발생하지 않음을 알 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 단결정 잉곳 제조용 멜트 갭 유지장치(10) 및 그를 이용한 멜트 갭 유지방법은 중량측정 모듈(100)과 카메라 모듈(200)을 구비함으로써 도가니(20)의 무게 변화량과 실리콘 용융액 표면(S)의 높이 변화를 동시에 인식하여 작업자의 숙련도에 관계 없이 도가니(20)의 위치를 용이하게 보정할 수 있으며, 공정 중 멜트 갭을 일정하게 유지시킬 수 있는 장점이 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10; 단결정 잉곳 제조용 멜트 갭 유지장치
20; 도가니
30; 시드 와이어
40; 챔버
44; 투명창
50; 열차폐수단
100; 중량측정 모듈
200; 카메라 모듈
300; 제어부
I; 실리콘 단결정 잉곳
M; 실리콘 용융액
S; 실리콘 용융액 표면
20; 도가니
30; 시드 와이어
40; 챔버
44; 투명창
50; 열차폐수단
100; 중량측정 모듈
200; 카메라 모듈
300; 제어부
I; 실리콘 단결정 잉곳
M; 실리콘 용융액
S; 실리콘 용융액 표면
Claims (9)
- 실리콘 용융액을 수용하는 도가니의 무게 변화를 측정하는 중량측정 모듈;
상기 도가니를 수용하는 챔버에 구비된 투명창의 외측에 설치되고, 실리콘 용융액 표면의 높이 변화를 측정하는 카메라 모듈; 및
도가니의 무게 변화량에 따라 도가니는 소정의 속도로 회전하며 상승하고, 도가니의 회전 상승과 동시에 측정된 상기 실리콘 용융액 표면의 높이로부터 도가니의 상승 위치를 보정하며 소정의 멜트 갭을 유지하는 제어부;를 포함하고,
테일 공정 시 결정 성장률이 -0.2 내지 0.2mm/min가 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 제조용 멜트 갭 유지장치. - 제1항에 있어서,
상기 카메라 모듈은, 삼각측량법으로 상기 실리콘 용융액 표면의 높이 변화를 측정하는 한 쌍의 적외선 스테레오 카메라를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 제조용 멜트 갭 유지장치. - 제1항에 있어서,
상기 중량측정 모듈은, 상기 도가니의 하부에 위치하는 로드셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 제조용 멜트 갭 유지장치. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 단결정 잉곳은, 200 내지 450mm의 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 제조용 멜트 갭 유지장치. - 중량측정 모듈이 실리콘 용융액을 수용하는 도가니의 무게 변화를 측정하는 (a) 단계;
챔버에 구비된 투명창의 외측에 설치된 카메라 모듈이 실리콘 용융액 계면의 높이 변화를 측정하는 (b) 단계; 및
도가니의 무게 변화량에 따라 도가니는 소정의 속도로 회전하며 상승하고, 도가니의 회전 상승과 동시에 측정된 상기 실리콘 용융액 표면의 높이로부터 제어부는 도가니의 상승 위치를 보정하며 소정의 멜트 갭을 유지하는 (c) 단계;를 포함하고,
상기 (a) 단계와 (b) 단계는 동시에 수행되고,
테일 공정 단계에서 성장률이 -0.2 내지 0.2mm/min가 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 제조용 멜트 갭 유지방법. - 제6항에 있어서,
상기 (b) 단계는, 상기 카메라 모듈이 한 쌍의 적외선 스테레오 카메라를 포함하고, 삼각측량법으로 상기 실리콘 용융액 계면의 높이 변화를 측정하는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 제조용 멜트 갭 유지방법. - 삭제
- 제6항에 있어서,
상기 단결정 잉곳은 200 내지 450mm의 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 제조용 멜트 갭 유지방법.
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