KR101152884B1 - 레이저와 광-파이버를 이용한 잉곳성장장치의 멜트 레벨 측정장치 - Google Patents

레이저와 광-파이버를 이용한 잉곳성장장치의 멜트 레벨 측정장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 잉곳성장장치의 멜트 레벨(Melt Level) 측정장치에 관한 것으로, 멜트(Melt)의 상부 공간에 위치하는 수냉실(또는 수냉관) 하부에 뷰포터(View Port)를 설치하고, 레이저(Laser)거리측정기(L)에 광(光) 접속되는 광-파이버(Fiber optic)를 상기 뷰포터(13)에 설치하되 하부의 멜트(M)를 향하도록 구성되며, 레이저빔(B)을 이용하여 멜트 레벨(Melt Level)을 ㎛ 단위로 정밀 측정하여 일정 레벨로 유지할 수 있어서 멜트(M)의 온도가 안정화되고, 잉곳(11)의 품질과 생산성이 크게 향상되도록 한 것이다.
본 발명은 레이저빔(B)을 이용하므로 멜트(M)의 미세한 진동이나, 소정 규모 이상의 진동도 측정할 수 있으며, 이를 이용하여 도가니(4)의 회전 이상이나 상승 이상을 검출하여 대처(처리)할 수 있으며, 상기 수냉실(7) 또는 수냉관은 잉곳의 성장 및 기타 공정을 방해하거나 간섭하지 않는 공간에 별도로 설치하거나, 또는 돔챔버(Dome Chamber) 등의 수냉실을 이용할 수 있다.
잉곳, 멜트 레벨, 레이저, 광-파이버, 도가니, 수냉실, 뷰포터, 돔챔버

Description

레이저와 광-파이버를 이용한 잉곳성장장치의 멜트 레벨 측정장치{MELT LEVEL MEASURING DEVICE OF A LASER AND FIBER OPTIC USING FOR INGOT GROWING APPARATUS}
본 발명은 레이저와 광-파이버를 이용한 잉곳성장장치의 멜트 레벨 측정장치에 관한 것으로, 상세하게는 멜트(Melt) 상부 공간에 위치하는 수냉실(또는 수냉관) 하부에 뷰포터(View Port)를 설치하고, 레이저(Laser)거리측정기에 광(光)접속되는 광-파이버(Fiber optic)를 상기 뷰포터에 설치하여 멜트 레벨을 ㎛ 단위로 정밀 측정할 수 있도록 한 것이다.
일반적으로 단결정 잉곳(Ingot)은 초크랄스키(Czochralski) 결정 성장법(CZ 법)으로 제조된다. 즉, 핫죤 영역에 설치되는 도가니에 폴리 실리콘 등의 고체 원료를 충전하고 히터로 가열 및 용융시켜 융액(Melt)을 만든 다음에, 단결정 시드(seed)를 시드 커넥터에 매달아 융액에 접촉시킨 후 서서히 회전 및 인상시키면, 네크부(neck part), 직경이 증가하는 숄더부(shoulder part), 직경이 일정한 원기 둥 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 히터와, 상기 히터로 대전력(大電力)을 공급하는 전원공급수단과, 상기 도가니 및 페데스탈을 지지ㆍ회전ㆍ상승ㆍ하강시키는 구동축 및 구동수단과, 베이스챔버 상부에 설치되는 돔챔버(Dome Chamber)와, 상기 돔챔버에 설치되는 게이트밸브 및 뷰포인트와, 돔챔버 상부에 설치되는 풀챔버와, 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 낮아지게 될 뿐 아니라, 잉곳 성장 속도에 맞쳐 케이블을 인상시키는 방법으로 시드(Seed)를 상승시키고 있으며, 상기 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 레벨을 측정하면서 구동수단으로 도가 니를 상승시켜 멜트 레벨을 일정하게 유지하고 있다.
멜트 레벨 측정방법 중에는 레이저(Laser)거리측정기를 이용하여 멜트 레벨(Melt Level)을 측정하면서 도가니를 상승시켜 멜트 레벨이 일정하게 유지되도록 하는 방법이 제공된 바 있으나, 챔버 내부는 1,000℃ 이상의 고온(高溫) 및 고진공 환경일 뿐 아니라, 설치하기 위한 공간확보에도 어려움이 있었다.
따라서 잉곳성장장치의 내부 공간에 레이저 반사수단, 이를테면 석영 프리즘을 설치한 다음, 외부의 레이저거리측정기로부터 투광되는 레이저빔을 베이스 챔버 상부의 뷰포트를 통하여 상기 석영 프리즘으로 입사시킨 다음 멜트 표면으로 반사시켜, 멜트 표면에서 역반사되는 레이저빔이 석영 프리즘에서 역반사 된 다음 상기 뷰포트를 통하여 레이저거리측정기로 입사되게 함으로써 멜트 레벨이 측정되게 한 구성으로, 내부에 설치되는 석영 프리즘이 핫존(Hot Zone)의 영향을 받을 뿐 아니라, 레이저빔이 실ㆍ내외로 노출되는 뷰포터를 통과하면서 외부의 영향도 많이 받게되면서 측정 오차가 ㎜단위로 심한 편이다. 또한 멜트 레벨의 정밀 측정과 제어가 어려워 멜트 온도 안정화에 크게 기여하지 못할 뿐 아니라, 성장 잉곳(Ingot)의 품질이 저하되어 불량율이 높고, 아울러 생산성도 떨어지는 등의 문제점이 있었다.
또한 CCD 카메라를 이용하여 잉곳의 직경이 변하거나 멜트 레벨이 변화하는 화상을 검출한 다음 복잡한 화상 처리과정을 거쳐서 메니스커스가 화상의 중앙으로 부터 벗어난 정도와 실제 메니스커스의 위치를 계산하는 방법으로 잉곳의 직경이나 멜트 레벨을 측정하는 방법도 있으나, CCD 카메라 렌즈의 왜곡현상(수차)에 의한 오차분이 내재되어 있어서 잉곳 직경이나 멜트 레벨의 측정 오차가 심할 뿐 아니라, 복잡한 화상 처리과정을 거치므로 구성이 복잡하고 응답속도도 떨어지는 등의 문제점이 있었다.
즉, 기존의 멜트 레벨 측정방법들은 레벨 측정오차가 심하고 설치 및 유지보수가 어려워 거의 사용하고 있지 않는 편이며, 이러한 저변에는 잉곳이 성장하고 있어서 반사광 및/또는 산란광이 없으며, 또한 측정수단이나 측정에 필요한 기구나 소자등을 챔버 내부나 핫죤 영역에 설치할 수 없는 구조적인 원인에 기인하는 바가 크다.
본 발명은 멜트 상부 공간에 위치하는 수냉실(또는 수냉관) 하부에 뷰포터를 설치하고, 상기 뷰포터의 상부면에 레이저(Laser)거리측정기에 광(光)접속되는 광-파이버(Fiber optic)를 설치하여 멜트 레벨(Melt Level)을 ㎛ 단위로 정밀 측정하여 멜트 레벨이 일정하게 유지되도록 도가니 구동수단을 제어하는 레이저와 광-파이버를 이용한 잉곳성장장치의 멜트 레벨 측정장치를 제공함에 목적이 있다.
본 발명은 잉곳성장장치의 멜트(Melt) 상부 공간에 위치하는 수냉실(또는 수냉관) 하부에 뷰포터(View Port)를 설치하고, 레이저(Laser)거리측정기에 광(光)접속되는 광-파이버(Fiber optic)를 상기 뷰포터에 설치하여 멜트 레벨을 ㎛ 단위로 정밀 측정할 수 있는 레이저와 광-파이버를 이용한 잉곳성장장치의 멜트 레벨 측정장치를 제공함에 목적이 있다.
상기 측정장치는 잉곳성장장치의 멜트 상부 공간에 설치되는 수냉실과, 상기 수냉실 하부에 설치되는 뷰포터와, 상기 뷰포터에 설치되는 광-파이버와, 상기 광-파이버에 광접속되는 레이저거리측정기와, 상기 레이저거리측정기에 접속되는 제어기를 포함하여 구성된다.
상기 수냉실 또는 수냉부는 잉곳의 성장을 방해하거나 간섭하지 않는 공간에 별도로 설치하거나, 또는 돔챔버(Dome Chamber) 등의 수냉실을 이용할 수 있다.
본 발명은 잉곳성장장치의 수냉실(또는 수냉관)에 설치되는 광-파이버 및 광-파이버가 광접속되는 레이저거리측정기를 이용하여 멜트 레벨(Melt Level)을 ㎛ 단위로 정밀 측정할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명은 레이저빔(B)을 투ㆍ수광시키는 광-파이버가 잉곳성장장치의 내부에 위치하는 수냉실(7)에 노출되지 않도록 설치되는 구조이므로 잉곳 성장이나 다른 공정에 전혀 영향을 주지 아니할 뿐 아니라, 멜트(M)의 직상부에 위치하므로 외부의 영향이나 간섭이 전혀 배제되어 측정 정밀도가 보다 향상되는 효과가 있다.
또한 본 발명은 레이저빔을 이용하여 멜트 레벨(Melt Level)을 ㎛ 단위로 정밀 측정할 수 있어서 ㎜단위로 오차가 큰 종래 측정방식에 비하여 약 1,000배 정도로 정밀도가 향상되어 멜트 온도가 안정화되고 잉곳의 품질과 생산성이 크게 향상되는 등의 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.
본 발명은 돔챔버의 수냉실 하부에 뷰포터를 설치하고, 레이저에 접속된 광-파이버의 끝단을 상기 뷰포터에 고정시켜 멜트 레벨(Melt Level)을 ㎛ 단위로 정밀 측정할 수 있는 레이저와 광-파이버를 이용한 잉곳성장장치의 멜트 레벨(Melt Level) 측정장치가 제공된다.
도 1은 본 발명 일 예로 도시한 잉곳성장장치의 멜트 레벨(Melt Level) 측정장치(1)를 도시한 것이고, 도 2는 그 요부 단면도로, 도가니(4)에 수용되는 멜트(M)의 상부, 이를테면 돔챔버(Dome Chamber)(6)의 수냉관 또는 수냉실(7) 하부에 레이저빔(B)이 투ㆍ수광될 수 있도록 강화유리 또는 석영으로 구성되는 뷰포터(13)가 수밀(水密) 구조로 설치되고, 수냉실(7) 내부에는 광-파이버(14)가 설치되며, 광-파이버(14)의 하부 끝단면은 고정부재(21)등에 의해 상기 뷰포트(13)의 상부면에 면접촉 방식으로 고정되며, 챔버 외부로 노출되는 광-파이버(14)의 상부 끝단면은 광커플러(15)에 의해 레이저거리측정기(L)에 광(光)접속되며, 레이저거리측정기(L)의 후단에는 제어기(C)가 접속되며, 멜트 레벨(ML)을 ㎛ 단위로 정밀 측정하면서 도가니 구동수단(20)을 제어하는 방법으로 도가니(4)를 상승시켜 멜트 레벨(ML)을 일정하게 유지함으로써 멜트(M)의 온도가 안정화되고, 잉곳(11)의 품질과 생산성이 크게 향상된다.
상기 레이저빔(B)은, 공지된 다양한 방식의 레이저빔을 이용할 수 있으며, 보다 바람직하게는 구조가 간단하면서 중량 및 부피가 적은 갈륨아세나이드 레이저를 예로 들 수 있으며, 물론 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 광-파이버(14)는 수냉실(7)로 냉각수를 공급하는 급수구(16) 또는 출수구(17), 또는 별도로 마련되는 홀을 통하여 외부로 인출된 다음 광커플러(15)에 접속된다.
상기 광-파이버(14)는 광섬유(光纖維, optical fiber)로도 불리우며, 폴리메틸메타아크릴레이트나 폴리카보네이트계(系)의 수지로 제조되어 굴곡이 더욱 자유롭고 설치가 쉬운 플라스틱 광섬유(plastic optical fiber)도 있으나, 주로 투명도가 좋은 유리로 주로 만들어지며, 크기와 무게가 적고 쉽게 굴곡시킬 수 있어서 수냉실(7)이나 수냉관 구조를 줄이거나 소형화 할 수 있다. 또한 열(熱)에도 강하지만 수냉실(7)의 냉각수에 의해 보호되며, 또한 빛(레이저빔)의 형태로 전송하므로 외부의 전자파에 의한 간섭이나 혼신(混信)이 없고, 소형ㆍ경량으로 굴곡에도 강하며, 외부환경, 이를테면 충격성 잡음, 누화(漏話) 등의 외부적 간섭을 받지 않는다.
광-파이버(14)의 중심부(core)는 굴절률이 높은 유리, 바깥 부분(clad)은 굴절률이 낮은 유리를 사용하여 중심부를 통과하는 레이저(Laser Beam)의 전반사가 일어나며, 에너지 손실이 매우 적어 레이저의 손실률도 낮고 외부 영향을 거의 받지 않는 장점이 있으며, 클래드 바깥 부분에는 플라스틱 등의 재킷으로 구성되어 습기ㆍ마모ㆍ파손 등이 방지된다.
상기 고정부재(21)는 뷰포터(13)에 접합되거나, 암수결합 또는 체결 등의 방법으로 고정되거나, 또는 고형의 점착성 소재나 바인드, 또는 실리콘 수지 또는 아크릴 수지 등으로 구성될 수 있다.
상기 뷰포트(13)의 하부에는 핫죤과 연결되는 개방부(22)가 형성된다. 상기 뷰포터(13)는 석영 등의 투명부재를 예로 들 수 있으며, 볼록렌즈형으로 구성하여 레이저빔(B)의 투광도를 집광도를 보다 향상시킬 수 있게 구성할 수도 있다.
상기 수냉실(7) 또는 수냉관은 잉곳 성장이나 다른 공정을 방해하지 않거나 간섭하지 않는 별도의 공간이나 부분품에 별도로 설치할 수 있다.
본 발명에서 레이저빔(B)이 투ㆍ수광되는 지점은 뷰포트(13)에 고정되는 광-파이버(14)의 끝단면으로, 고정위치를 가지며, 또한 냉각수가 순환되는 수냉실(7)에 설치되므로 고온의 영향이나 간섭을 거의 받지 않게되며, 멜트(M)의 표면과 근접하는 고정지점에서 멜트 레벨(ML)을 정밀 측정할 수 있게 된다.
상기 레이저거리측정기(L)는 레이저빔(Laser-Beam) 발생수단과, 투ㆍ수광수단과, 광파이버(14)가 광접속되는 광커플러(15)와, 멜트(M) 표면에서 반사된 다음 광-파이버(14)를 지나 되돌아온 레이저빔(RB)를 감지하는 광검출기(detector), 그리고 시간계산을 위한 계수기(counter) 등을 포함하여, 거리측정은 레이저빔을 발사한 뒤, 광-파이버를 경유하여 멜트(M) 표면으로부터 반사되어 돌아온 시간을 측정하여 거리를 계산하는 방식으로 진행되며, 제어기(C)는 레이저거리측정기(L)로부터 입력되는 신호를 비교 및 논리 판단하여 도가니 구동수단(20)을 제어하는 방법 으로 구동축(19)과 페데스탈(18)과 도가니(4)를 승강 및 회전시켜 멜트 레벨(ML)이 일정하게 유지된다.
즉, 잉곳(11)의 성장에 의해 멜트(M)가 소모되므로 멜트 레벨(ML)이 낮아지게되나, 도가니 구동수단(20)에 의해 도가니(4)가 상승하면서 멜트 레벨(ML)이 설정 높이 또는 일정 높이로 유지되므로, 멜트(M)의 온도가 안정화되고 잉곳(11)의 품질과 생산성이 크게 향상된다.
본 발명은 레이저거리측정기(L)로부터 발생되는 레이저빔(Laser-Beam)이 주기적이거나 필요에 의해 투ㆍ수광되면서 멜트 레벨(ML)을 측정하게된다.
즉, 레이저거리측정기(L)로부터 발생되는 레이저빔(B)은 광커플러(15) → 광파이버(14) → 뷰포트(13)을 차례로 지난 레이저빔(SB)은 핫죤 공간을 지나 직하부의 멜트(M) 표면으로 투광되며, 멜트(M) 표면에서 반사(reflection)된 레이저빔(RB)은 핫죤 공간을 지나 직상부의 뷰포트(13) → 광-파이버(14) → 광커플러(15)를 차례로 지나면서 레이저거리측정기(L)로 입사되어 거리가 측정되어 제어기(C)로 전달되며, 제어기(C)는 레이저거리측정기(L)로부터 입력되는 신호를 비교 및 논리 판단하여 도가니 구동수단(20)을 제어하는 방법으로 구동축(19)과 페데스탈(18)과 도가니(4)를 상승(또는 승강)시켜 멜트 레벨(ML)이 일정하게 유지된다.
상기에서 멜트(M) 표면이 반듯하면 레이저빔(RB)은 정반사되고, 멜트(M) 표면(ML)이 울퉁불퉁하면 레이저빔(RB)은 난반사(亂反射) 또는 확산 반사되며, 멜트(M) 표면에 굴절되지 않는 경우 레이저빔(RB)은 전반사(全反射)되며, 레이저빔(B)의 입사광과 반사광은 멜트(M)에 수직인 동일선 상에 있다. 즉, 멜트(M)에 수직으로 세운 법선(法線)에 대해 서로 반대쪽에 있으며, 반사각과 입사각은 같다.
본 발명에서 위상이 고른 짧은 파장의 레이저를 응용하여 멜트(M)의 레벨(ML)과 진동 측정에 이용할 수 있으며, 또한 레이저빔이 고온의 멜트(M)를 만나면서 특유의 빛을 내는 점을 이용하여 온도계의 대용으로 이용할 수도 있다.
또한, 멜트 표면(ML)으로부터 반사되는 레이저(RB)의 도플러 현상을 검출하는 방법으로 멜트(M)의 진동을 감지하는 진동센서(optical fiber sensor)를 겸할 수 있으며, 미세한 진동이나, 소정 규모 이상의 진동이 감지되면 도가니 구동수단(20)의 이상으로 판단하여 적절히 대처할 수 있다.
본 발명은 레이저빔(B)을 이용하여 멜트 레벨(Melt Level)을 ㎛ 단위로 정밀 측정할 수 있어서 ㎜단위로 오차가 큰 종래 측정방식에 비하여 약 1,000배 정도의 정밀도가 향상되어 멜트의 온도가 안정화되고 품질과 생산성이 크게 향상된다.
본 발명은 종래처럼 실ㆍ내외로 노출되는 뷰포트(12)와 석영프리즘을 이용하 지 않고, 멜트(M) 직상부의 수냉실(7)에서 고정위치를 가지는 광-파이버(14)와, 상기 광-파이버(14)로 레이저빔(B)을 투ㆍ수광시키는 레이저거리측정기(L)에 의해 멜트 레벨(ML)의 정밀 측정이 이루어지므로 멜트(M)의 온도가 안정화되고, 잉곳(11)의 품질과 생산성이 크게 향상된다.
본 발명은 레이저빔(B)을 투ㆍ수광시키는 광-파이버(14)가 잉곳성장장치의 내부에 위치하는 수냉실(7)에 설치되어 핫존의 영향없이 멜트 레벨(ML)을 정밀 측정할 수 있으며, 또한 핫죤으로 노출되지 않는 구조여서 자신이 보호될 뿐 아니라, 잉곳 성장이나 다른 공정에도 전혀 영향을 주지 아니하며, 멜트(M)의 직상부에 위치하므로 외부의 영향이나 간섭이 전혀 배제되어 측정 정밀도가 더욱 향상된다.
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 잉곳성장장치의 멜트 레벨 측정장치.
도 2 : 도 1의 요부 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
(1)--멜트 레벨 측정장치 (4)-도가니
(6)--돔챔버(Dome Chamber) (7)--수냉실
(11)--잉곳 (13)--뷰포터
(14)--광-파이버 (15)--광커플러
(16)--급수구 (17)--출수구
(18)--페데스탈 (19)--구동축
(20)--도가니 구동수단 (21)--고정부재
(22)--개방부 (B)(RB)(SB)--레이저빔
(C)--제어기 (L)--레이저거리측정기
(M)--멜트 (ML)--멜트 레벨

Claims (3)

  1. 삭제
  2. 잉곳성장장치의 도가니에 수용되는 멜트와, 상기 멜트 상부에 설치되는 돔챔버와, 상기 돔챔버에 설치되는 수냉실과, 상기 수냉실 하부에 설치되는 뷰포터를 포함하는 레이저와 광-파이버를 이용한 잉곳성장장치의 멜트 레벨 측정장치에 있어서;
    상기 수냉실 내부에 설치되는 광-파이버와,
    상기 광-파이버의 하부 끝단면이 석영 뷰포트의 상부면에 면접촉되게 고정시키는 고정부재와,
    상기 광-파이버의 상부 끝단면이 광커플러에 의해 광접속되는 레이저거리측정기와,
    상기 레이저거리측정기 후단에 접속되어 도가니 구동수단을 제어하는 제어기를 포함하되,
    상기 레이저거리측정기로부터 발생되는 레이저빔(B)은 광커플러(15) → 광파이버(14) → 뷰포트(13)을 차례로 지나고 핫죤 공간을 지나 직하부의 멜트(M) 표면으로 투광되며, 상기 멜트(M) 표면에서 반사된 레이저빔(RB)은 핫죤 공간을 지나 직상부의 뷰포트(13) → 광-파이버(14) → 광커플러(15)를 차례로 지나면서 레이저거리측정기(L)로 입사되어 제어기(C)로 전달되며, 제어기(C)는 레이저거리측정기(L)로부터 입력되는 신호를 비교 및 논리 판단하여 도가니 구동수단(20)을 제어시켜 멜트 레벨이 일정하게 유지되도록 함을 특징으로 하는 레이저와 광-파이버를 이용한 잉곳성장장치의 멜트 레벨 측정장치.
  3. 삭제
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