KR101044108B1 - 초크랄스키법 단결정 잉곳의 직경의 측정 데이터 보정방법과 이를 이용한 직경 제어 방법 및 시스템 - Google Patents

Abstract

초크랄스키법 단결정 잉곳의 직경의 측정 데이터 보정 방법과 이를 이용한 직경 제어 방법 및 시스템이 개시된다. 상기 초크랄스키법 단결정 잉곳의 직경 측정 데이터 보정 방법은 쵸크랄스키법에 의한 단결정 잉곳의 직경에 대한 로데이터(raw data)를 센싱하는 단계, 상기 단결정 잉곳의 회전 주기를 산정하는 단계, 상기 회전 주기당 센싱되는 로데이터의 센싱 개수를 결정하는 단계, 상기 센싱 개수의 정배수를 사용하여 샘플링 데이터 개수를 설정하는 단계, 설정된 상기 샘플링 데이터를 획득하는 단계 및 상기 샘플링된 데이터의 평균을 산술하여 상기 단결정 잉곳의 회전에 의한 노이즈(noise)를 제거하는 단계를 포함한다. 따라서, 단결정의 회전에 따라 발생되는 미세한 세차(歲差, precession) 운동에 의한 주기적인 직경 데이터의 노이즈를 용이하게 제거할 수 있고, PID 컨트롤러에 실제 직경 변화를 제외한 다른 외란 정보가 입력되는 것을 방지하여, 용이하게 단결정 잉곳의 직경을 제어할 수 있는 이점이 있다.

초크랄스키법, 단결정 직경 제어, PID 컨트롤러

Description

초크랄스키법 단결정 잉곳의 직경의 측정 데이터 보정 방법과 이를 이용한 직경 제어 방법 및 시스템{REVISION METHOD OF DIAMETER OF CRYSTAL INGOT BY CZOCHRALSKI METHOD AND CONTROL METHOD AND SYSTEM USED THE SAME METHOD}

본 발명은 초크랄스키법 단결정 잉곳의 직경의 측정 데이터 보정 방법과 이를 이용한 직경 제정 방법 및 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 초크랄스키법 특유의 단결정 잉곳의 회전 인상에 따라 나타나는 주기적인 세차에 따른 직경 측정 데이터의 노이즈를 간단한 구조 변경으로서 제거함으로써 별도의 특수 장비를 사용하지 않으면서도 용이하게 노이즈를 제거할 수 있고, 회전 속도 변화와 같은 환경변화에 민감하게 대응할 수 있는 초크랄스키법 단결정 잉곳의 직경의 측정 데이터 보정 방법과 이를 이용한 직경 제정 방법 및 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 쵸크랄스키 법에 따라 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 방법에서는 석영 도가니의 내부에 다결정 실리콘을 적재하고 히터로부터 복사되는 열로 다결정 실리콘을 용융시켜 실리콘 융액으로 만든 다음, 실리콘 융액의 표면으로부터 실리콘 단결정 잉곳을 성장시킨다.

실리콘 단결정 잉곳을 성장시킬 때에는 석영 도가니를 지지하는 축을 회전시 키면서 석영 도가니를 상승시켜 고-액 계면이 동일한 높이를 유지하도록 하고, 실리콘 단결정 잉곳은 석영 도가니의 회전축과 동일한 축을 중심으로 하여 석영 도가니의 회전방향과 반대방향으로 회전시키면서 끌어 올린다.

또한, 원활한 실리콘 단결정 잉곳 성장을 위해, 아르곤(Ar) 가스와 같은 비활성 가스를 잉곳 성장 장치의 상부로 유입하였다가 잉곳 성장 장치의 하부로 배출시키는 방법을 많이 이용하고 있다.

그리고, 실리콘 단결정 잉곳과 도가니 사이에는 열실드가 구비되어, 실리콘 단결정 잉곳을 에워싸며 히터와 실리콘 융액에서 발산하는 열을 차단하여 실리콘 단결정 잉곳의 냉각이 잘 되도록 한다.

여기서, 상기 실리콘 단결정 잉곳을 생산함에 있어, 상기 단결정 잉곳의 직경 제어는 최우선적이며 가장 기본적인 품질 항목에 속한다. 특히 쵸크랄스키 공법을 사용하는 단결정 제조법에서는 액상의 실리콘 융액에서 일정한 속도로 고화시키는 역학적으로 불안정한 조건을 지니고 있다. 단결정 잉곳의 직경 제어를 위해서는 단결정 잉곳의 현 직경을 모니터링하며 목표값과 편차를 보일 경우 단결정 잉곳의 직경을 조정하기 위하여 다음과 같은 두 가지 방법을 사용할 수 있다.

첫째는 단결정 잉곳의 인상속도를 순간적으로 변경하여 단결정 잉곳의 수평방향 성장속도를 변경하여 직경을 제어하는데 있고, 둘째는 단결정 잉곳 또는 실리콘 융액의 온도를 변경하여 단결정 잉곳의 수평방향 성장속도를 변경하는데 있다. 보편적으로 온도의 변화는 주변부의 히터의 발열량에 의하여 변경되는데 이와 같은 방법은 온도 전달에 매우 긴 시간이 걸려 직경 변경의 반응 속도에 문제가 있을 수 있다.

따라서 단결정의 인상 속도를 일시적으로 변경하는 제어 방법이 사용되는데, 단결정의 현재 직경의 모니터링과 변화에 따른 인상속도의 제어를 위하여 PID 컨트롤러(Proportional integral derivative controller)가 사용된다. 여기서, 상기 단결정의 인상 속도를 제어하는 방법에 대해 설명하면 다음과 같다. 도 1은 일반적인 단결정 잉곳의 직경제어 시스템을 도시한 구조도이다.

이에 도시된 바와 같이, 상기 단결정 잉곳의 직경 제어 시스템은, 초크랄스키법에 의해 단결정 잉곳(10)을 제조하는 단결정 잉곳(10) 제조 장치(100), 상기 단결정 잉곳(10)의 직경 데이터를 센싱하는 직경 모니터링 센서(21), 상기 직경 데이터를 필터링하는 필터(22), 상기 평균과 목표값을 비교하여 변경값을 출력하는 PID 컨트롤러(23) 및 상기 단결정 잉곳(10)의 인상 속도를 변경하는 인상유닛(24)를 포함한다.

여기서, 상기 단결정 잉곳(10)의 직경 제어 시스템의 작동을 간략히 설명하면, 상기 직경 모니터링 센서(21)가 상기 단결정 잉곳(10)의 직경 데이터를 센싱하고, 상기 필터(22)에 의해 상기 직경 데이터가 상대적으로 보다 매끄럽게 필터링되며, 이후 상기 필터링된 데이터에 일정 주기적으로 평균화하여 이를 상기 PID 컨트롤러(23)에 현재값으로 사용하게 된다.

이 후, 상기 PID 컨트롤러(23)는 상기 현재 값과 상기 목표 값의 편차와 편차의 변화를 연산하여 상기 단결정 잉곳(10)의 인상속도를 변경하는 변화량을 출력하고, 상기 변화량에 의해 상기 인상유닛(24)가 작동하여, 상기 단결정 잉곳(10)의 인상 속도가 변화하게 된다.

여기서, 상기 단결정 잉곳(10)의 인상 속도에 따른 직경의 변화를 간단히 설명하기 위해 도 2를 도시한다. 도 2는 상기 단결정 잉곳(10)의 인상 속도의 변화에 따른 직경의 변화를 도시한 도면이다.

이에 도시된 바와 같이, 상기 단결정 잉곳(10)의 인상 속도를 빠르게 하는 경우(H)에는 상기 단결정 잉곳(10)의 직경이 줄어들게 되고, 반대로, 상기 단결정 잉곳(10)의 인상 속도를 느리게 하는 경우(L)에는 상기 단결정 잉곳(10)의 직경이 늘어나게 된다. 따라서, 상기 인상유닛(24)를 제어하여 상기 단결정 잉곳(10)의 인상속도를 조절하게 되면, 용이하게 상기 단결정 잉곳(10)의 직경을 변화시킬 수 있다.

그러나, 종래의 단결정 잉곳의 직경 제어 시스템은 몇 가지 문제점이 있다.

먼저, 초크랄스키 법에 의한 단결정 잉곳은, 그 제조 방법의 특성 상 일정한 속도로 축의 회전을 하게 되는데, 이러한 단결정의 회전에 따라 미세한 세차(歲差, precession) 운동을 하게 되고, 이에 따라, 주기적으로 직경의 변화가 발생하며, 이를 평균화하여 PID 컨트롤러에 입력할 경우 실제 직경의 변화 외의 큰 외란 정보가 입력되는 문제점이 있다.

즉, 단결정 잉곳의 회전에 의한 주기적이며, 상대적으로 강한 시그널(signal)이 실제 직경 제어에 필요한 데이터에 포함되어 실제 직경을 감지하고 제어하는 것이 곤란한 문제점이 있다.

또한, 보편적으로 센서의 데이터를 평균화 하기 전 필터를 사용하여 데이터 의 산포를 줄이고 의미있는 데이터만을 유추하고자 하지만 이와 같은 방법은 강한 주기적 시그널(signal)이 존재할 경우 바로 작동하지 못하는 문제점이 있다.

특히, 상기 단결정 잉곳의 회전에 의한 주기적인 직경 변화를 제거하기 위해서는 대역 저지 필터(band stop filter)를 적용하는 것이 적절하나, CPU 파워면에서 공업용 PLC(Programmable Controller)로는 부담이 생기는 문제점이 있고, 또한, 물리적인 필터는 회전 속도의 변동에 따라 쉽게 변경할 수 없는 문제점이 있다.

특히, 일정한 주기의 노이즈를 정확하게 제거하기 위해서는 특수 장비의 사용이 요구되는 문제점이 있다.

상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 목적은 단결정의 회전에 따라 발생되는 미세한 세차(歲差, precession) 운동에 의한 주기적인 직경 데이터의 노이즈를 용이하게 제거할 수 있고, PID 컨트롤러에 실제 직경 변화를 제외한 다른 외란 정보가 입력되는 것을 방지하는 초크랄스키법 단결정 잉곳의 직경의 측정 데이터 보정 방법과 이를 이용한 직경 제정 방법 및 시스템을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은, 단결정 잉곳의 회전에 의한 주기적이며, 상대적으로 강한 시그널(signal)이 실제 직경 제어에 필요한 데이터에 포함되는 것을 방지하여 실제 직경을 용이하게 감지하고 제어할 수 있는 초크랄스키법 단결정 잉곳의 직경의 측정 데이터 보정 방법과 이를 이용한 직경 제정 방법 및 시스템을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 강한 주기적 시그널(signal)이 존재하는 경우에도 센서의 데이터를에서 의미있는 데이터만을 신속하게 추출하여 대응하는 것이 용이한 초크랄스키법 단결정 잉곳의 직경의 측정 데이터 보정 방법과 이를 이용한 직경 제정 방법 및 시스템을 제공함에 있다.

본 발명이 또 다른 목적은, 특수 장비나 대역 저지 필터와 같은 물리적인 필터의 사용을 배제하면서도, 단결정 잉곳의 회전에 의한 주기적인 직경 데이터 노이즈를 용이하게 제거할 수 있는 초크랄스키법 단결정 잉곳의 직경의 측정 데이터 보정 방법과 이를 이용한 직경 제정 방법 및 시스템을 제공함에 있다.

상술한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 초크랄스키법 단결정 잉곳의 직경 측정 데이터 보정 방법은 쵸크랄스키법에 의한 단결정 잉곳의 직경에 대한 로데이터(raw data)를 센싱하는 단계, 상기 단결정 잉곳의 회전 주기를 산정하는 단계, 상기 회전 주기당 센싱되는 로데이터의 센싱 개수를 결정하는 단계, 상기 센싱 개수의 정배수를 사용하여 샘플링 데이터 개수를 설정하는 단계, 설정된 상기 샘플링 데이터를 획득하는 단계 및 상기 샘플링된 데이터의 평균을 산술하여 상기 단결정 잉곳의 회전에 의한 노이즈(noise)를 제거하는 단계를 포함한다.

이 때, 상기 정배수는 1배수 내지 15배수인 것이 바람직하다.

또한, 상기 로데이터를 센싱하는 단계는 상기 단결정 잉곳의 직경에 대한 디지털(digital)값을 직접 센싱하는 것이 가능하며, 또한, 상기 단결정 잉곳의 직경에 대한 센싱 값을 센싱하는 단계 및 상기 센싱 값을 A/D 컨버터(A/D converter)를 사용하여 디지털 값인 로데이터로 변환하는 단계를 포함하는 것도 가능하다.

더불어, 상기 센싱하는 단계는 적외선 센서(IR sensor), CCD 카메라 또는 고온계(pyrometer) 중 적어도 하나를 이용하여 상기 단결정 잉곳의 직경을 측정하는 것이 바람직하다.

또한, 상술한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 쵸크랄스키법 단결정 잉곳의 직경 제어 방법은 상술한 쵸크랄스키법 단결정 잉곳의 직경 측정 데이터 보정 방법을 포함하고, 상기 노이즈가 제거 된 데이터를 보정 데이터로 선정하는 단계, 상기 보정 데이터를 현재 값(present value)으로 제공하는 단계, 상기 현재 값과 입력 값(set value)를 비교하여 편차를 산술하는 단계, 상기 편차에 따라 변경 값(manipulated value)을 출력하는 단계 및 상기 변경 값에 따라 상기 단결정 잉곳의 인상 속도를 제어하는 단계를 포함한다.

여기서, 상기 현재 값과 입력 값(set value)를 비교하여 편차를 산술하는 단계 및 상기 편차에 따라 변경 값(manipulated value)을 출력하는 단계는 PID 컨트롤러(Proportional Integral Derivative controller)에 의해 시행되는 것이 더욱 바람직하다.

또한, 상술한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따르면, 쵸크랄스키법 단결정 잉곳의 직경 제어 시스템은 쵸크랄스키법에 의한 단결정 잉곳의 직경에 대한 로데이터(raw data)를 센싱하는 센서, 상기 단결정 잉곳의 회전 주기를 산정하고, 상기 회전 주기당 센싱되는 로데이터의 센싱 개수를 결정하는 제 1 프로세서, 상기 센싱 개수의 정배수를 사용하여 샘플링 데이터 개수를 설정하고, 설정된 상기 샘플링 데이터를 샘플링하는 제 2프로세서, 상기 샘플링 된 데이터의 이동 평균을 산술하여 상기 단결정 잉곳의 회전에 의한 노이즈(noise)를 제거하고, 상기 노이즈가 제거된 데이터를 보정 데이터로 선정하여, 상기 보정 데이터를 현재 값(present value)으로 제공하는 제 3 프로세서, 상기 현재 값과 입력 값(set value)를 비교하여 편차를 산술하고, 상기 편차에 따라 변경 값(manipulated value)을 출력하는 PID 컨트롤러, 상기 단결정 잉곳을 인상시키는 인상유닛, 상기 변경 값에 따라 상기 인상유닛을 제어하여 상기 단결정 잉곳 의 인상 속도를 제어하는 제어유닛을 포함한다.

본 발명에 따르면, 단결정의 회전에 따라 발생되는 미세한 세차(歲差, precession) 운동에 의한 주기적인 직경 데이터의 노이즈를 용이하게 제거할 수 있는 이점이 있다. 이에 따라, PID 컨트롤러에 실제 직경 변화를 제외한 다른 외란 정보가 입력되는 것을 방지하는 효과가 있다.

또한, 단결정 잉곳의 회전에 의한 주기적이며, 상대적으로 강한 시그널(signal)이 실제 직경 제어에 필요한 데이터에 포함되는 것을 방지하여 실제 직경을 용이하게 감지하고 제어할 수 있는 이점이 있다.

또한, 강한 주기적 시그널(signal)이 존재하는 경우에도 센서의 데이터를에서 의미있는 데이터만을 신속하게 추출하여 대응하는 것이 용이한 효과가 있다.

또한, 특수 장비나 대역 저지 필터와 같은 물리적인 필터의 사용을 배제하면서도, 단결정 잉곳의 회전에 의한 주기적인 직경 데이터 노이즈를 용이하게 제거할 수 있는 효과가 있다.

또한, 상기 단결정 잉곳의 회전속도를 변경하는 경우에도 용이하게 상기 노이즈를 제거할 수 있는 효과가 있음은 물론, 주기적 시그널에 대해 즉시 적용할 수 있는 이점이 있다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 참고로, 이 하 설명에서는 구성 및 기능이 거의 동일하여 동일하게 취급될 수 있는 요소는 동일한 참조번호로 특정될 수 있다.

제 1실시예

본 발명의 제 1실시예에 따른 초크랄스키법 단결정 잉곳의 직경 측정 데이터 보정 방법을 설명하면 다음과 같다. 도 3은 본 발명의 제 1실시예에 따른 초크랄스키법 단결정 잉곳의 직경 측정 데이터 보정 방법을 순서대로 도시한 순서도이다.

이에 도시된 바와 같이, 초크랄스키법 단결정 잉곳의 직경 측정 데이터 보정하기 위하여 먼저, 쵸크랄스키법에 의한 단결정 잉곳의 직경에 대한 로데이터(raw data)를 센싱하는 단계(S1)를 거친다. 이 때, 상기 로데이터를 측정함에 있어서, 상기 단결정 잉곳의 직경에 대한 디지털(digital)값을 직접 센싱하는 것이 가능하나, 이에 한정되거나 제한되는 것은 아니며, 이를 좀 더 상세히 설명하기 위해 도 4를 제시한다. 도 4는 도 3의 로데이터(raw data)를 센싱하는 단계(S1)를 상세히 도시한 순서도이다.

이에 도시된 바와 같이, 상기 로데이터를 센싱하는 단계(S1)는, 상기 상기 단결정 잉곳의 직경에 대한 아날로그(analogue) 센싱 값을 센싱하는 단계(S11)를 거치고, 상기 센싱 값을 A/D 컨버터를 사용하여 디지털 값인 로데이터로 변환하는 단계(S12)를 거친다.

이 때, 상기 로데이터를 센싱하는 단계(S1)에서 상기 로데이터를 센싱하기 위하여, 적외선 센서(IR sensor), CCD 카메라 또는 고온계(pyrometer) 중 적어도 하나를 이용하여 상기 단결정 잉곳의 직경을 측정하는 것이 바람직하다.

다음, 상기 단결정 잉곳의 회전 주기를 산정하는 단계(S2)를 거친다. 이 때, 상기 단결정 잉곳의 회전 주기는 상기 단결정 잉곳의 회전을 위해 상술한 단결정 잉곳 성장장치에 구비된 후술하는 인상유닛(24)의 회전 속도에 따라 결정되나, 이에 한정되거나 제한되는 것은 아니며, 주기적으로 나타나는 상기 로데이타에 의해 결정되는 것도 가능하다.

여기서, 상기 단결정 잉곳의 회전에 따른 상기 로데이터 값의 변화에 대해 설명하기 위하여 도 5를 제시한다. 도 5는 단결정 잉곳 제조 장치에서 단결정 잉곳의 회전에 따른 로데이터 값을 설명하기 위해 도시한 도면이다.

이에 도시된 바와 같이, 상기 단결정 잉곳 제조 장치에서 상기 단결정 잉곳(10)은 일정 속도로 회전(4)하며 인상된다. 이 때, 초크랄스키법에 의한 단결정 잉곳(10)은 상기 초크랄스키법의 특성상 일정한 속도로 축의 회전(4)을 하게 되고, 이러한 단결정 잉곳의 회전(4)에 따라 미세한 세차(2)가 발생하게 된다. 이에 따라, 상기 로데이터를 센싱하는 단계(S1)에서 센서에 의해 상기 단결정 잉곳(10)의 직경을 센싱하게 되면, 상기 세차(2)에 의해 노이즈(3)가 발생하게 된다.

이 때, 상기 세차(3)에 의한 노이즈(3)는 직경의 주기적인 진동으로 나타나는 것이 일반적이다.

다음, 상기 회전 주기당 센싱되는 로데이터의 센싱 개수를 결정하는 단계(S3)를 거친다. 상기 로데이터는 기 설정된 일정한 시간 단위별로 센싱되고, 상기 회전주기는 상기 실리콘 잉곳의 1회전하는데 걸리는 시간을 의미한다. 예를 들면, 상기 로데이터가 0.2초마다 한번씩 센싱되고, 상기 실리콘 잉곳의 회전 속도가 10 RPM인 경우, 상기 실리콘 잉곳의 회전 주기는 6초이며, 이에 따라, 상기 회전 주기당 센싱되는 로데이터의 센싱 개수는 30개이다.

다음, 상기 센싱 개수의 정배수를 사용하여 샘플링 데이터 개수를 설정하는 단계(S4)를 거치고, 다음으로, 설정된 상기 샘플링 데이터를 획득하는 단계를 거친다. 이 때, 상기 센싱 개수의 정배수라 함은 상기 센싱 개수의 정수 배수를 의미하며, 상기 단계들(S4 및 S5)을 좀 더 상세히 설명하기 위하여 도 6 내지 도 8을 제시한다. 도 6은 샘플링 데이터 획득 방법을 모식적으로 도시한 도면이고, 도 7은 실리콘 잉곳의 회전에 의한 시그널에 대한 로데이터를 도시한 그래프이며, 도 8은 샘플링 개수에 따른 이동 평균을 도시한 그래프이다.

상기 로데이터는 상술한 바와 같이 일정한 주기마다 한번씩 센싱되고, 지속적으로 센싱되는 상기 로데이터의 개수와 셈플링 주기를 설정하여 현재 직경을 모니터링 하게 된다. 이 때, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 로데이터(5)가 일정 주기(t1)마다 한번씩 센싱되고, 또한, 일정 시간(t2)마다 한번씩 샘플링을 실시하며, 각 샘플링 지점(6)마다 일정한 개수(n)의 로데이터를 획득하여 평균화한다.

이 때, 도 6은 예를 들어, 상기 일정 주기(t1)가 0.2초이고, 상기 일정 시간(t2)가 1.4초이며, 일정한 개수(n)가 5개인 경우를 도시한 도면이다.

여기서, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 로데이터(5)의 값을 도시하면, 점선으로 나타나는 상기 로데이터(5)는 전체적으로 사인 패턴(sine pattern)을 형성하게 되다. 즉, 상기 단결정 잉곳의 실제 직경은 일정한 기준(0)으로 변함이 없지만, 상기 단결정 잉곳의 회전에 따라 일정한 진폭(-1 내지 1)을 보여주는 결과이다.

이와 같이 단주기적인 사인 패턴(sine pattern)을 가지고 있는 로데이터는 평균화 방법에 따라 평균치 결과가 크게 변경될 수 있다.

상술한 예에서 1주기에 6초간의 로데이터가 있으며 0.2초마다 로데이터가 입력되기 때문에 1주기에 30개의 로데이터가 있다. 어느 한 시점에서 30개의 로데이터를 평균화 하였을 때 1주기 내의 로데이터를 평균화 하는 것이다. 하지만 45개의 로데이터를 평균화 하는 경우 1.5주기의 로데이터를 갖고 평균화 하는 것으로 임의적으로 당시의 평균이 크게 평가되는 것이다.

이를 도 8에서, 동일한 상기 사인 패턴을 샘플링 개수가 30개인 경우(a), 45개인 경우(b) 및 60개인 경우(c)로 나누어 3가지의 샘플링개수로 평가하여 각각 도 7의 그래프에 점선으로 도시하였다. 보편적으로 평균화 개수가 늘어날수록 평균치의 그래프가 부드러워지지만 도시한 바와 같이 개수 설정을 잘못할 경우 오히려 큰 오류의 결과를 보여준다.

이에 따라, 본 발명의 경우와 같이, 상기 샘플링 개수를 정배수로 하는 경우, 상기 단결정 잉곳의 회전과 같이 주기적으로 강한 시그널이 나타나는 경우 용이하게 노이즈를 제거할 수 있는 효과가 있다.

이 때, 상기 정배수는 1배수 내지 15배수로 선정되나, 이에 한정되거나 제한되는 것은 아니다. 다만, 상기 정배수가 15배수를 초과하는 경우에는 상기 실리콘 잉곳의 직경 변화에 대한 정보가 둔감하게 나타날 수 있으므로 15배수 이하인 것이 바람직하다.

여기서, 상기 노이즈를 제거해야만 하는 이유에 대해 간단히 설명하면 다음과 같다. 도 9는 주기적인 데이터 시그널과 비주기적인 데이터 시그널을 시간에 따라 도시한 그래프이고, 도 10은 도 9의 시그널들을 각각 단, 장기별로 평균을 비교한 그래프이며, 도 11은 주기적 및 비주기적 데이터의 이동 평균 필터의 적용 결과를 도시한 그래프이다.

이에 도시된 바와 같이, 도 9에서, 증폭(amplitude)가 비슷한 주기적인 데이터 시그널(d)과 비주기적인 데이터 시그널(e)를 도시하였고, 이를 평균화하여 도 10에서 각각, 주기적 데이터의 단, 장기 평균을 도시하였다.

이 때, 비정기적인 시그널의 평균(e’)을 살펴보면 장주기, 즉, 평균에 포함되는 개수가 증가하는 경우의 평균이 단주기의 평균에 의한 것보다 상대적으로 부드러운 그래프로 나타나지만, 주기적인 시그널의 평균(d’)을 살펴보면, 장주기의 데이터를 평균하여도 주기적 정보가 크게 나타남을 알 수 있다. 상술한 바와 같이, 주기적인 시그널은 평균 후에도 주기적인 경향성을 보여주면 실제 상술한 상기 단결정 잉곳의 실제 직경변동에 대한 정보를 왜곡할 수 있으므로 이러한 노이즈를 제거하여야 한다.

또한, 도 11에 도시된 바와 같이, 비주기적 시그널의 이동 평균 필터를 사용한 결과(e’’)의 경우에는 데이터의 산포가 감소되고 있으나, 주기적인 시그널의 이동 평균 필터를 사용한 결과(d’’)의 경우에는 상술한 바와 같이, 강한 주기적 시그널이 아직 잔존하고 있는 것을 알 수 있으며, 이러한 경우에는 상술한 주기적 인 시그널을 노이즈로 인식하여 제거하는 것이 필요하다.

다음으로, 상기 샘플링된 데이터의 평균을 산술하여 상기 단결정 잉곳의 회전에 의한 노이즈(noise)를 제거하는 단계(S6)를 거침으로써, 상기 초크랄스키법 단결정 잉곳의 직경 측정 데이터 보정 방법이 완료된다.

따라서, 주기적으로 나타나는 직경에 대해 로데이터를 주기적 노이즈를 제거하여 실제 직경 변화에 대한 데이터로 변경할 수 있는 이점이 있다. 또한, 이에 따라, 상기 단결정 잉곳의 회전속도를 변경하는 경우에도 용이하게 상기 노이즈를 제거할 수 있는 효과가 있음은 물론, 주기적 시그널에 대해 즉시 적용할 수 있는 이점이 있다.

제 2실시예

본 발명의 제 2실시예에 따른 쵸크랄스키법 단결정 잉곳의 직경 제어 방법에 대해 설명하면 다음과 같다. 도 12는 본 발명의 제 2실시예에 따른 쵸크랄스키법 단결정 잉곳의 직경 제어 방법을 순서대로 도시한 순서도이다. 참고로 설명의 편의를 위하여 제 1실시예와 유사하거나 동일한 구성에 대한 설명은 간략히 설명하기로 한다.

이에 도시된 바와 같이, 상기 쵸크랄스키법 단결정 잉곳의 직경 제어 방법은 차례대로, 쵸크랄스키법에 의한 단결정 잉곳의 직경에 대한 로데이터(raw data)를 센싱하는 단계(S1), 상기 단결정 잉곳의 회전 주기를 산정하는 단계(S2) 및 상기 회전 주기당 센싱되는 로데이터의 센싱 개수를 파악하는 단계(S3)를 거친다. 이 후, 상기 센싱 개수의 정배수를 사용하여 샘플링 데이터 개수를 설정하는 단계(S4), 설정된 상기 샘플링 데이터를 샘플링하는 단계(S5) 및 상기 샘플링 된 데이터의 이동 평균을 산술하여 상기 단결정 잉곳의 회전에 의한 노이즈(noise)를 제거하는 단계(S6)를 거친다.

다음, 상기 노이즈가 제거된 데이터를 보정 데이터로 선정하는 단계(S7)를 거친다. 이 때, 상기 보정 데이터는 상기 단결정 잉곳(10)이 상술한 인상유닛(24)의 회전으로 인한 노이즈를 제거한 상태이므로, 실질적으로 상기 단결정 잉곳(10)의 직경의 변화에 대한 데이터이다.

다음, 상기 보정 데이터를 현재 값(present value)으로 제공하는 단계(S8)를 거친다.

다음, 상기 현재 값과 입력 값(set value)를 비교하여 편차를 산술하는 단계(S9)를 거치고, 상기 편차에 따라 변경 값(manipulated value)을 출력하는 단계(S10)를 거친다.

여기서, 상기 상기 현재 값과 입력 값(set value)를 비교하여 편차를 산술하는 단계 및 상기 편차에 따라 변경 값(manipulated value)을 출력하는 단계는 PID 컨트롤러(Proportional Integral Derivative controller)에 의해 시행되는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 PID 컨트롤러에 대해 간략히 설명하기 위하여 도 13을 제시한다. 도 13은 PID 컨트롤러의 성분별 출력값을 각각 도시한 그래프이다.

이에 도시된 바와 같이, 상기 PID컨트롤러는 각각 비례(proportional), 적분(integral), 미분(derivative)의 성분으로 구분되고, 총 출력에 기여하게 되며, 각각의 비례, 적분 및 미분 값의 설정에 따라 도시한 바와 같이 각 성분의 출력강도가 결정된다.

이 때, 상기 PID 컨트롤러의 작동에 대한 중요 부분은 상기 PID 컨트롤러에 입력되는 현재값의 인식 방법에 있으며, 본 발명에서 상기 단결정 잉곳의 직경을 제어하기 위해 인식하는 직경 데이터의 샘플링 속도, 주기 및 방식에 따라 출력값에 큰 영향을 주게 된다. 따라서, 본 발명의 제 1실시예 및 제 2실시예에 따른 단결정 잉곳의 회전에 의한 노이즈가 제거된 상기 보정 데이터를 현재 값(present value)으로 입력함으로써, 상기 PID 컨트롤러에 의해 출력하는 변경 값(manipulated value)이 상기 단결정 잉곳의 실제 직경을 인식하여 제어하도록 하는데 용이하도록 하는 이점이 있다.

다음, 상기 변경 값에 따라 상기 단결정 잉곳의 인상 속도를 제어하는 단계(S11)를 거침으로써, 상기 쵸크랄스키법 단결정 잉곳의 직경 제어 방법이 완료된다.

따라서, 상기 쵸크랄스키법 단결정 잉곳의 직경 제어 방법에 의해 상기 단결정 잉곳의 직경을 제어하는 경우에, 상기 단결정 잉곳의 회전에 의한 주기적 노이즈를 별도의 물리적인 필터 또는 특수 장비의 사용 없이 제거할 수 있는 이점이 있다.

또한, 상기 단결정 잉곳의 회전에 따라 세차가 발생되고, 이에 따라 주기적인 변화가 발생하는 경우에도, 이를 주기에 따라 샘플링하는 개수를 변경하여 실제 직경 변화에 대한 데이터만 용이하게 추출할 수 있는 효과가 있다. 즉, 상기 PID 컨트롤러에 입력되는 상기 입력 값에 실제 직경의 변화 외의 큰 외란 정보가 포함되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

제 3실시예

본 발명의 제 3실시예에 따른 쵸크랄스키법 단결정 잉곳의 직경 제어 시스템을 설명하면 다음과 같다. 도 14는 본 발명의 제 3실시예에 따른 쵸크랄스키법 단결정 잉곳의 직경 제어 시스템의 구성을 도시한 구성도이다.

이에 도시된 바와 같이, 상기 직경 제어 시스템은 센서(21), 제 1 프로세서(210), 제 2프로세서(211), 제 3 프로세서(212), PID 컨트롤러(23), 인상유닛(24) 및 제어유닛(미도시)을 포함한다.

상기 센서(21)는 단결정 잉곳(10)의 직경에 대한 로데이터(raw data)를 센싱하도록 구비되며, 적외선 센서(IR sensor), CCD 카메라 또는 고온계(pyrometer) 중 적어도 하나로 구비된다.

상기 제 1프로세서(210)는 상기 단결정 잉곳의 회전 주기를 산정하고, 상기 회전 주기당 센싱되는 로데이터의 센싱 개수를 결정하도록 구비되며, 상기 제 2프로세서(211)는 상기 센싱 개수의 정배수를 사용하여 샘플링 데이터 개수를 설정하고, 설정된 상기 샘플링 데이터를 샘플링하도록 구비된다.

그리고, 상기 제 3프로세서(212)는 상기 샘플링 된 데이터의 이동 평균을 산술하여 상기 단결정 잉곳의 회전에 의한 노이즈(noise)를 제거하고, 상기 노이즈가 제거된 데이터를 보정 데이터로 선정하여, 상기 보정 데이터를 현재 값(present value)으로 제공하도록 구비된다.

이 때, 본 실시예에서는 상기 제 1 내지 상기 제 3프로세서(210, 211, 212)를 별도로 구비되는 것으로 도시하였지만, 이에 한정되거나, 제한되는 것은 아니며, 예를 들면 일반적으로 상용되는 하나의 마이크로프로세서 또는 공업용 PLC로 상기 제 1, 제 2 및 상기 제 3 프로세서(210, 211, 212)를 구비하는 것도 가능하다.

상기 인상유닛(24)은 상기 단결정 잉곳을 인상시키도록 구비되며, 초크랄스키법으로 상기 단결정 잉곳을 제조하는 단결정 잉곳 제조장치(100)에 구비된다.

상기 PID 컨트롤러(23)는 상기 현재 값과 입력 값(set value)를 비교하여 편차를 산술하고, 상기 편차에 따라 변경 값(manipulated value)을 출력하도록 구비되며, 상기 제어유닛(미도시)은 상기 변경 값에 따라 상기 인상유닛을 제어하여 상기 단결정 잉곳의 인상 속도를 제어하도록 구비된다.

본 실시예에서는 상기 PID 컨트롤러(23)와 상기 제어유닛(미도시)을 별도로 구비하는 것으로 제시하였지만, 이에 한정되거나 제한되는 것은 아니며, 상기 인상유닛(24)이 상기 PID 컨트롤러(23)의 출력 값에 의해 직접 제어되도록 하는 것도 가능함은 물론이다.

따라서, 물리적인 필터나, 대역 저지 필터와 같은 특수 장비를 사용하지 않으면서도, 일정한 주기의 노이즈를 정확하게 제거하여 상기 단결정 잉곳(10)의 직경을 용이하게 제어할 수 있는 효과이 있다.

특히, 단결정 잉곳의 회전에 의한 주기적이며, 상대적으로 강한 시그널(signal)을 실제 직경 제어에 필요한 데이터에서 제외하여 실제 직경을 감지하고 제어하는 것이 용이한 이점이 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 일반적인 단결정 잉곳의 직경제어 시스템을 도시한 구조도이다.

도 2는 상기 단결정 잉곳(10)의 인상 속도의 변화에 따른 직경의 변화를 도시한 도면이다.

도 3은 본 발명의 제 1실시예에 따른 초크랄스키법 단결정 잉곳의 직경 측정 데이터 보정 방법을 순서대로 도시한 순서도이다.

도 4는 도 3의 로데이터(raw data)를 센싱하는 단계(S1)를 상세히 도시한 순서도이다.

도 5는 단결정 잉곳 제조 장치에서 단결정 잉곳의 회전에 따른 로데이터 값을 설명하기 위해 도시한 도면이다.

도 6은 샘플링 데이터 획득 방법을 모식적으로 도시한 도면이다.

도 7은 실리콘 잉곳의 회전에 의한 시그널에 대한 로데이터를 도시한 그래프이다.

도 8은 샘플링 개수에 따른 이동 평균을 도시한 그래프이다.

도 9는 주기적인 데이터 시그널과 비주기적인 데이터 시그널을 시간에 따라 도시한 그래프이다.

도 10은 도 9의 시그널들을 각각 단, 장기별로 평균을 비교한 그래프이다.

도 11은 주기적 및 비주기적 데이터의 이동 평균 필터의 적용 결과를 도시한 그래프이다.

도 12는 본 발명의 제 2실시예에 따른 쵸크랄스키법 단결정 잉곳의 직경 제 어 방법을 순서대로 도시한 순서도이다.

도 13은 PID 컨트롤러의 성분별 출력값을 각각 도시한 그래프이다.

도 14는 본 발명의 제 3실시예에 따른 쵸크랄스키법 단결정 잉곳의 직경 제어 시스템의 구성을 도시한 구성도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 단결정 잉곳 21: 센서

22: 필터 23: PID 컨트롤러

24: 인상유닛 100: 단결정 잉곳 제조장치

210: 제 1 프로세서 211: 제 2프로세서

212: 제 3 프로세서

Claims (9)

1. 쵸크랄스키법에 의한 단결정 잉곳의 직경에 대한 로데이터(raw data)를 센싱하는 단계;

   상기 단결정 잉곳의 회전 주기를 산정하는 단계;

   상기 회전 주기당 센싱되는 로데이터의 센싱 개수를 결정하는 단계;

   상기 센싱 개수의 정배수를 사용하여 샘플링 데이터 개수를 설정하는 단계;

   설정된 상기 샘플링 데이터를 획득하는 단계; 및

   상기 단결정 잉곳의 회전에 따라 발생되는 세차 운동(歲差, precession)에 의한 노이즈(noise)를 제거하기 위하여 상기 샘플링된 데이터의 평균을 산술하는 단계;

   를 포함하는 초크랄스키법 단결정 잉곳의 직경 측정 데이터 보정 방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 정배수는 1배수 내지 15배수인 것을 특징으로 하는 초크랄스키법 단결정 잉곳의 직경 측정 데이터 보정 방법.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 로데이터를 센싱하는 단계는 상기 단결정 잉곳의 직경에 대한 디지털(digital)값을 직접 센싱하는 것을 특징으로 하는 초크랄스키법 단결정 잉곳의 직경 측정 데이터 보정 방법.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 로데이터를 센싱하는 단계는

   상기 단결정 잉곳의 직경에 대한 센싱 값을 센싱하는 단계; 및

   상기 센싱 값을 A/D 컨버터(A/D converter)를 사용하여 디지털 값인 로데이터로 변환하는 단계;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 초크랄스키법 단결정 잉곳의 직경 측정 데이터 보정 방법.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 센싱하는 단계는 적외선 센서(IR sensor), CCD 카메라 또는 고온계(pyrometer) 중 적어도 하나를 이용하여 상기 단결정 잉곳의 직경을 측정하는 것을 특징으로 하는 초크랄스키법 단결정 잉곳의 직경 측정 데이터 보정 방법.
6. 쵸크랄스키법에 의한 단결정 잉곳의 직경에 대한 로데이터(raw data)를 센싱하는 단계;

   상기 단결정 잉곳의 회전 주기를 산정하는 단계;

   상기 회전 주기당 센싱되는 로데이터의 센싱 개수를 파악하는 단계;

   상기 센싱 개수의 정배수를 사용하여 샘플링 데이터 개수를 설정하는 단계;

   설정된 상기 샘플링 데이터를 샘플링하는 단계;

   상기 단결정 잉곳의 회전에 따라 발생되는 세차 운동(歲差, precession)에 의한 노이즈(noise)를 제거하기 위하여 상기 샘플링된 데이터의 이동 평균을 산술하는 단계;

   상기 노이즈가 제거된 데이터를 보정 데이터로 선정하는 단계;

   상기 보정 데이터를 현재 값(present value)으로 제공하는 단계;

   상기 현재 값과 입력 값(set value)를 비교하여 편차를 산술하는 단계;

   상기 편차에 따라 변경 값(manipulated value)을 출력하는 단계; 및

   상기 변경 값에 따라 상기 단결정 잉곳의 인상 속도를 제어하는 단계;

   를 포함하는 쵸크랄스키법 단결정 잉곳의 직경 제어 방법.
7. 제 6항에 있어서,

   상기 현재 값과 입력 값(set value)를 비교하여 편차를 산술하는 단계 및 상기 편차에 따라 변경 값(manipulated value)을 출력하는 단계는 PID 컨트롤러(Proportional Integral Derivative controller)에 의해 시행되는 것을 특징으로 하는 쵸크랄스키법 단결정 잉곳의 직경 제어 방법.
8. 제 6항에 있어서,

   상기 정배수는 1배수 내지 15배수인 것을 특징으로 하는 쵸크랄스키법 단결정 잉곳의 직경 제어 방법.
9. 쵸크랄스키법에 의한 단결정 잉곳의 직경에 대한 로데이터(raw data)를 센싱하는 센서;

   상기 단결정 잉곳의 회전 주기를 산정하고, 상기 회전 주기당 센싱되는 로데이터의 센싱 개수를 결정하는 제 1 프로세서;

   상기 센싱 개수의 정배수를 사용하여 샘플링 데이터 개수를 설정하고, 설정된 상기 샘플링 데이터를 샘플링하는 제 2프로세서;

   상기 단결정 잉곳의 회전에 의한 노이즈(noise)를 제거하기 위하여 상기 샘플링된 데이터의 이동 평균을 산술하고, 상기 노이즈가 제거된 데이터를 보정 데이터로 선정하여, 상기 보정 데이터를 현재 값(present value)으로 제공하는 제 3 프로세서;

   상기 현재 값과 입력 값(set value)를 비교하여 편차를 산술하고, 상기 편차에 따라 변경 값(manipulated value)을 출력하는 PID 컨트롤러;

   상기 단결정 잉곳을 인상시키는 인상유닛;

   상기 변경 값에 따라 상기 인상유닛을 제어하여 상기 단결정 잉곳의 인상 속도를 제어하는 제어유닛;

   를 포함하는 쵸크랄스키법 단결정 잉곳의 직경 제어 시스템.

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