KR101609462B1 - 단결정 성장장치의 시드 케이블 관리장치 및 그 관리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 시드 케이블이 단선되는 시기를 예측하고, 사전에 시드 케이블을 교체할 수 있는 단결정 성장장치의 시드 케이블 관리장치 및 그 관리방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 단결정 성장장치의 시드 케이블 관리장치 및 그 관리방법은 네킹공정 직전에 위치 감지기에 의해 시드 케이블이 감기는 드럼의 회전수에 따라 시드 케이블의 변형 길이를 감지하고, 제어수단이 시드 케이블의 변형 길이를 기준 데이터와 비교하여 교체 시기를 판단함으로써, 추가 구성 요소가 없더라도 간단하게 시드 케이블의 단선 시점을 정확하게 판단할 수 있다.
따라서, 시드 케이블의 수명까지 활용할 수 있어 생산 비용을 절감시킬 수 있으며, 나아가 불량인 시드 케이블이 사용되더라도 단선되기 전에 교체할 수 있어 잉곳이 추락하는 안전 사고를 예방할 수 있는 이점이 있다.

Description

단결정 성장장치의 시드 케이블 관리장치 및 그 관리방법 {Seed cable management apparatus of single crystal growth device and control method for it}

본 발명은 시드 케이블이 단선되는 시기를 예측하고, 사전에 시드 케이블을 교체할 수 있는 단결정 성장장치의 시드 케이블 관리장치 및 그 관리방법에 관한 것이다.

다결정 재료로부터 단결정을 얻기 위한 초크랄스키 법(이하, CZ법)은 고순도의 다결정 재료를 고온 하에서 융해시킨 다음, 종자 결정인 시드를 실리콘 융액에 접촉시킨 상태에서 서서히 끌어올리면서 단결정을 얻는 방법이다.

이때, 시드는 통상적으로 시드 케이블의 하단에 구비되고, 시드 케이블은 와이더에 감긴 상태에서 모터의 구동에 따라 시드를 승강시키도록 한다.

물론, 시드 케이블은 시드에서 성장된 잉곳의 하중이 작용할 뿐 아니라 시드 또는 잉곳의 회전으로 인하여 비틀림 모멘트가 작용하게 된다.

따라서, 반복적인 공정을 거칠수록 시드 케이블은 하중과 중력에 의해 손상이 증가되고, 결과적으로 시드 케이블이 단선된다.

그런데, 시드 케이블의 단선이 잉곳을 성장시키는 공정 중에 발생하면, 잉곳이 추락하여 자칫 대형 사고로 이어질 수 있기 때문에 시드 케이블이 단선되기 전에 경험치에 의해 시드 케이블을 교체하고 있는 실정이다.

한국공개특허 제2011-0085078호에는 폴리 실리콘을 내부에 수용하는 튜브와 튜브를 인상 및 하강시키는 케이블 사이에 회전력이 전달되지 않도록 차단하여 튜브의 회전을 방지하기 때문에 튜브의 회전에 의해서 케이블의 손상이 증가되는 것을 방지할 수 있는 단결정 성장장치의 케이블과 튜브를 연결하는 연결구조가 개시되어 있다.

그러나, 종래 기술은 시드 케이블의 손상을 방지하여 시드 케이블의 수명을 늘릴 수 있지만, 시드 케이블의 단선 시점을 정확하게 예측하여 사전에 시드 케이블을 교체하기 어렵다.

종래 기술은 경험적으로 몇 회 이상 사용한 시드 케이블을 교체하기 때문에 시드 케이블의 수명이 되기 전에 교체하여 생산 비용이 높아질 수 있고, 불량인 시드 케이블이 잉곳 성장 공정에 사용될 경우 예측된 시점보다 시드 케이블이 빨리 단선될 수 있어 잉곳이 추락하여 장비를 손상시키거나, 안전 사고가 발생될 수 있는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 시드 케이블이 단선되는 시기를 예측하고, 사전에 시드 케이블을 교체할 수 있는 단결정 성장장치의 시드 케이블 관리장치 및 그 관리방법에 관한 것이다.

본 발명은 실리콘 융액에 담겨져 잉곳을 성장시키는 시드가 매달린 시드 케이블; 상기 시드 케이블이 감기는 드럼; 상기 드럼을 회전시키는 모터; 상기 드럼의 회전수를 감지하는 위치 감지기; 네킹 공정 직전에 상기 위치 감지기에서 감지된 회전수에 따라 상기 시드 케이블의 교체 여부를 판단하는 제어수단; 및 상기 제어수단에서 판단 결과를 알려주는 표시부;를 포함하는 단결정 성장장치의 시드 케이블 관리장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 최초 네킹공정 직전에 시드의 위치와 현재 네킹공정 직전에 시드의 위치를 비교하여 시드 케이블의 변형 길이로 산출하는 제1단계; 상기 제1단계에서 산출된 시드 케이블의 변형 길이를 기준 데이터와 비교하는 제2단계; 상기 제2단계에서 비교 결과 시드 케이블의 교체 시기를 판단하는 제3단계; 및 상기 제3단계에서 판단된 교체 시기를 알려주는 제4단계;를 포함하는 단결정 성장장치의 시드 케이블 관리방법을 제공한다.

본 발명에 따른 단결정 성장장치의 시드 케이블 관리장치 및 그 관리방법은 네킹공정 직전에 위치 감지기에 의해 시드 케이블이 감기는 드럼의 회전수에 따라 시드 케이블의 변형 길이를 감지하고, 제어수단이 시드 케이블의 변형 길이를 기준 데이터와 비교하여 교체 시기를 판단함으로써, 추가 구성 요소가 없더라도 간단하게 시드 케이블의 단선 시점을 정확하게 판단할 수 있다.

따라서, 시드 케이블의 수명까지 활용할 수 있어 생산 비용을 절감시킬 수 있으며, 나아가 불량인 시드 케이블이 사용되더라도 단선되기 전에 교체할 수 있어 잉곳이 추락하는 안전 사고를 예방할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 단결정 성장장치의 시드 케이블 관리장치의 일예가 도시된 도면.
도 2는 도 1에 적용된 제어 관련 장치의 일예가 도시된 도면.
도 3은 도 1에 적용된 기준 데이터 일예가 도시된 도면.
도 4는 도 1에 적용된 표시부의 일예가 도시된 도면.
도 5는 본 발명에 따른 단결정 성장장치의 시드 케이블 관리방법의 일예가 도시된 도면.

이하에서는, 본 실시예에 대하여 첨부되는 도면을 참조하여 상세하게 살펴보도록 한다. 다만, 본 실시예가 개시하는 사항으로부터 본 실시예가 갖는 발명의 사상의 범위가 정해질 수 있을 것이며, 본 실시예가 갖는 발명의 사상은 제안되는 실시예에 대하여 구성요소의 추가, 삭제, 변경 등의 실시변형을 포함한다고 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 단결정 성장장치의 시드 케이블 관리장치의 일예가 도시된 도면이다.

본 발명에 따른 단결정 성장장치의 시드 케이블 관리장치는 도 1에 도시된 바와 같이 실리콘 융액이 담긴 도가니(110)와, 상기 도가니(110)의 실리콘 융액에 담기는 시드(121)를 승강시키기 위한 시드 케이블(122)을 포함하는 각종 장치와, 상기 시드 케이블(122)의 변형 길이에 따라 교체 시점을 판단하는 제어수단(130)과, 상기 제어수단(130)에 의해 판단된 교체 시점을 알려주는 표시부(140)를 포함하도록 구성된다.

물론, 상기 도가니(110) 주변에는 실리콘 융액으로 가열하기 위한 히터와, 외부로 열이 빠져나가는 것을 단열시키는 단열재 등이 구비되고, 상기 도가니(110) 상측에 실리콘 융액의 열을 차단하여 잉곳을 냉각시키는 냉각부재 등이 구비되며, 자세한 설명은 생략하기로 한다.

상기 시드(121)를 승강시키기 위한 장치로는, 시드 케이블(122)을 비롯하여 드럼(123)과, 모터(124) 및 위치 감지기(125) 등이 구비된다.

상기 시드(121)는 단결정을 성장시키기 위한 종자 결정으로써, 최초에 실리콘 융액이 담겨지게 되는데, 직경이 아주 작은 네킹 공정과, 점차 원하는 직경까지 커지는 숄더링 고정을 거친 다음, 단결정 잉곳을 성장시키게 된다.

상기 시드 케이블(122)은 텅스텐 재질로 구성될 수 있으며, 잉곳이 매달리더라도 하중을 견딜 뿐 아니라 잉곳이 회전하더라도 비틀림 모멘트를 견딜 수 있도록 여러 개의 케이블이 꼬임된 형태로 구성될 수 있다. 물론, 상기 시드(121)가 상기 시드 케이블(122)에 매달리도록 장착된다.

이때, 상기 시드 케이블(122)은 수평하게 배치된 원통형 드럼(123)에 감기도록 설치되고, 상기 드럼(123)은 상기 모터(124)에 의해 회전됨에 따라 상기 시드 케이블(122)을 감거나 풀어줄 수 있다.

그런데, 네킹 공정이 시작되기 직전에 상기 시드(121)는 상기 시드 케이블(122)에 매달린 상태에서 실리콘 융액 위에 소정 간격을 유지하도록 위치되는데, 단결정 성장 공정이 반복적으로 이루어지더라도 네킹 공정 직전에 상기 시드(121)의 위치는 일정하게 유지된다.

이때, 상기 시드(121)가 매달린 시드 케이블(122)은 반복적인 공정을 수행함에 따라 반복적인 피로 하중에 의해 상기 시드 케이블(122)의 길이가 늘어나게 되고, 네킹 공정 직전에 상기 시드(121)의 위치를 일정하게 유지하기 위하여 상기 시드 케이블(122)은 상기 드럼(123)에 더 많이 감기게 된다.

즉, 반복 공정으로 인하여 상기 시드 케이블(122)의 길이가 변형되더라도 네킹 공정 직전에 상기 시드(121)의 위치를 일정하게 유지하기 위하여 상기 시드 케이블(122)이 상기 드럼에 더욱 감기게 된다.

따라서, 네킹 공정 직전에 상기 위치 감지기(125)가 상기 드럼(123)의 회전수를 감지하면, 상대적으로 상기 시드 케이블(122)의 변형 길이를 감지할 수 있다. 물론, 상기 위치 감지기(125)는 기존에 적용되고 있는 포텐쇼미터(Potentiometer)가 될 수 있으며, 상기 드럼(123)의 회전수를 감지할 수 있는 다양한 형태로 구성될 수 있다.

상기 제어수단(130)은 상기 위치 감지기(125)에서 감지된 드럼(123)의 회전수를 상기 시드 케이블(122)의 변형 길이로 산출하고, 상기 시드 케이블(122)의 변형 길이를 미리 입력된 기준 데이터와 비교한 다음, 단선되기 전에 교체 시점을 판단한다.

상기 표시부(140)는 상기 제어부(130)에 의해 판단된 교체 시점을 사용자에게 알려줄 수 있는 형태로써, 일종의 디스플레이부 및 알람 형태로 다양하게 구성될 수 있다.

도 2는 도 1에 적용된 제어 관련 장치의 일예가 도시된 도면이고, 도 3은 도 1에 적용된 기준 데이터 일예가 도시된 도면이며, 도 4는 도 1에 적용된 표시부의 일예가 도시된 도면이다.

상기 제어수단(130)은 도 2에 도시된 바와 같이 연산부(131)와, 저장부(132)와, 비교부(133)로 구성될 수 있다.

상기 연산부(131)는 드럼의 회전수를 시드 케이블의 변형 길이로 산출하는데, 공정 조건이 변하는 경우에 보정된 값을 고려하여 시드 케이블의 변형 길이를 산출한다.

공정 조건이 변동되면, 네킹 공정 직전에 시드와 도가니의 초기 위치가 변동될 수 있기 때문에 시드의 위치 및 그에 따라 시드 케이블이 감기는 드럼의 회전수도 가변될 수 있으며, 상기 연산부(131)는 이와 같이 가변되는 보정값을 고려하여 시드 케이블의 변형 길이가 산출되는 것이 바람직하다.

상기 저장부(132)는 시드 케이블이 단선되기 전에 시드 케이블의 변형 길이를 비교할 수 있는 기준 데이터가 저장되는데, 사전에 시뮬레이션 또는 반복적인 공정 수행을 통하여 시드 케이블이 단선되는 양상을 파악할 수 있도록 기준 데이터가 저장된다.

이때, 상기 저장부(132)에 저장되는 기준 데이터는 도 3에 도시된 바와 같이 반복 공정이 진행될수록 시드 케이블의 길이 변화로 나타나는 그래프로 저장될 수 있다.

실시예에서, 상기 저장부(132)에 저장된 기준 데이터는 최초부터 사용됨에 따라 상기 시드 케이블의 길이 변화가 급격하게 일어나는 초기 구간과, 단선되기 직전에 상기 시드 케이블의 길이 변화가 급격하게 일어나는 종기 구간과, 상기 초기 구간과 종기 구간 사이에 상기 시드 케이블의 길이 변화가 완만하게 일어나는 안정기 구간으로 나눠서 저장될 수 있다.

물론, 상기 저장부(132)에 저장되는 기준 데이터는 실제 시드 케이블의 재질 또는 꼬임 형태 등에 따라 시드 케이블의 길이 변화 양상이 다르게 나타날 수 있지만, 단선되기 직전에 급격하게 길이 변화가 일어나는 시점을 기준으로 설정될 수 있다.

상기 비교부(133)는 시드 케이블의 변형 길이를 기준 데이터와 비교하여 교체 시기를 판단한다.

실시예에서, 상기 비교부(133)는 상기 안정기 구간에서 상기 종기 구간으로 넘어가는 지점에서 시드 케이블의 변형 길이를 교체 시기로 판단할 수 있다.

상기 표시부는 도 4에 도시된 바와 같이 네킹 공정 직전에 LOG 버튼에 의해 전환된 창에서 날짜/시간별로 시드의 위치(S.P)와 도가니의 위치(C.P)를 기록할 수 있고, 공정이 진행되는 중에 시드의 위치(Seed position)와 도가니의 위치(Crucible position) 변화를 관찰할 수 있는 그래프를 표시할 수 있으며, 시드 케이블의 교체 시기를 알람으로 표시할 수 있으며, 한정되지 아니한다.

도 5는 본 발명에 따른 단결정 성장장치의 시드 케이블 관리방법의 일예가 도시된 도면이다.

본 발명에 따른 단결정 성장장치의 시드 케이블 관리방법을 도 5를 참조하여 살펴보면, 시드와 도가니의 최초 기준 위치를 오차값으로 입력한다.(S1 참조)

물론, 시드와 도가니의 최초 기준 위치는 공정 조건에 따라 달라질 수 있지만, 네킹 공정이 진행되기 직전에 시드의 위치는 도가니에 담긴 실리콘 융액면과 소정 간격을 유지하도록 위치되기 때문에 공정 조건이 변하지 않으면, 시드의 위치도 고정된다.

다음, 네킹 공정 직전에 시드 케이블의 변경 길이(ΔL)를 산출하고, 잉곳 인상 공정을 반복 수행한다.(S2,S3 참조)

이때, 네킹 공정 직전에 시드의 위치가 일정하기 때문에 시드가 매달리는 시드 케이블이 감기는 정도가 조절되는데, 시드 케이블이 감기는 드럼의 회전수가 클수록 시드 케이블의 변형 길이가 늘어난 산출될 수 있다.

물론, 시드 케이블에 매달린 시드에서 잉곳이 성장하기 때문에 잉곳 인상 공정이 반복적으로 수행될수록 시드 케이블에 반복적인 피로 하중이 작용하여 시드 케이블의 길이(L)도 늘어난다.

다음, 시드 케이블의 변형 길이(ΔL)가 기준 데이터(ΔLo)보다 크면, 알람을 발생시킨다.(S4,S5 참조)

기준 데이터(ΔLo)는 사전에 저장된 값으로써, 실제 사용되는 시드 케이블을 기준으로 반복적인 실험 또는 시뮬레이션을 수행하면, 반복적인 잉곳 인상 공정을 거치면서 시드 케이블의 변형되는 양상을 그래프로 저장할 수 있다.

대개, 시드 케이블에 반복적인 피로 하중이 작용하면, 시드 케이블은 초기에 급격하게 길이가 늘어난 다음, 길이 변화가 완만하게 일어나고, 단선되기 직전에 급격하게 길이가 늘어나는 경향을 보인다.

따라서, 기준 데이터(ΔLo)는 시드 케이블의 길이 변화가 완만하게 일어나는 안정기 구간과, 단선되기 직전에 상기 시드 케이블의 길이 변화가 급격하게 일어나는 종기 구간 사이를 기준으로 설정되는 것이 바람직하다.

이와 같이 설정된 기준 데이터(ΔLo)에 비해 시드 케이블의 변형 길이(ΔL)가 크면, 알람을 발생시켜 사용자에게 알린다.

반면, 기준 데이터(ΔLo)에 비해 시드 케이블의 변형 길이(ΔL)가 작으면, 알람 발생 없이 반복적인 잉곳 인상 공정을 수행한다.

다음, 알람 발생 시에 사용자는 시드와 도가니의 위치 변동값을 확인하고, 그 원인을 확인하는 과정을 시드 케이블의 교체 여부를 확인하는 과정을 거친다.(S6 참조)

먼저, 공정조건 변화이면, 시드와 도가니의 기준 위치를 보정한 다음, 시드 케이블을 그대로 사용하여 잉곳 인상 공정 반복을 수행한다.(S7,S8 참조)

또는, 장비 이상이면, 정비를 실시한 다음, 시드 케이블을 그대로 사용하여 잉곳 인상 공정 반복을 수행한다.(S9,S10 참조)

그런데, 공정조건 변화와 장비 이상이 아니면, 시드 케이블이 단선 위험이 있는 것으로 판단하여 시드 케이블을 교체한다.(S11 참조)

상기와 같이, 시드 케이블이 단선되는 시기를 예측하고, 사전에 시드 케이블을 교체함으로써, 시드 케이블의 수명까지 사용하여 생산 비용을 절감할 수 있고, 시드 케이블의 단선으로 인한 장비 손상 또는 잉곳 추락 등의 위험을 방지할 수 있다.

110 : 도가니 121 : 시드
122 : 시드 케이블 123 : 드럼
124 : 모터 125 : 위치 감지기
130 : 제어수단 131 : 연산부
132 : 저장부 133 : 비교부
140 : 표시부

Claims (12)

1. 실리콘 융액에 담겨져 잉곳을 성장시키는 시드가 매달린 시드 케이블;
   상기 시드 케이블이 감기는 드럼;
   상기 드럼을 회전시키는 모터;
   상기 드럼의 회전축에 연결되고, 상기 드럼의 회전수를 감지하는 포텐쇼미터로 구성된 위치 감지기;
   네킹 공정 직전에 상기 위치 감지기에서 감지된 회전수에 따라 상기 시드 케이블의 교체 여부를 판단하는 제어수단; 및
   상기 제어수단에서 판단 결과를 알려주는 표시부;를 포함하고,
   상기 제어수단은,
   최초에 네킹 공전 직전에 상기 위치 감지기에서 감지된 회전수에 비해 현재 네킹 공정 직전에 상기 위치 감지기에서 감지된 회전수를 비교하여 상기 시드 케이블의 변형 길이를 산출하는 연산부와,
   최초 사용되는 시드 케이블을 이용하여 단결정 잉곳 성장 공정을 반복적으로 수행함에 따라 단선될 때까지 상기 시드 케이블의 길이 변화를 측정한 값을 기준 데이터로 저장하는 저장부와,
   상기 연산부에서 산출된 시드 케이블의 변경 길이를 상기 저장부에 저장된 기준 데이터와 비교하여 상기 시드 케이블의 교체 여부를 판단하는 비교부를 포함하는 단결정 성장장치의 시드 케이블 관리장치.
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4. 제1항에 있어서,
   상기 저장부는,
   최초부터 사용됨에 따라 상기 시드 케이블의 길이 변화가 급격하게 일어나는 초기 구간과,
   단선되기 직전에 상기 시드 케이블의 길이 변화가 급격하게 일어나는 종기 구간과,
   상기 초기 구간과 종기 구간 사이에 상기 시드 케이블의 길이 변화가 완만하게 일어나는 안정기 구간으로 나눠서 기준 데이터를 저장하고,
   상기 비교부는,
   상기 안정기 구간에서 상기 종기 구간으로 넘어가는 지점에서 시드 케이블의 변형 길이를 교체 시기로 판단하는 단결정 성장장치의 시드 케이블 관리장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 제어수단은,
   네킹 공정 직전에 상기 시드의 초기 위치와 실리콘 융액이 담기는 도가니의 초기 위치가 이전 네킹 공전 직전에 감지된 값에 비해 가변되면, 공정 조건의 변화인 경우 보정한 값을 고려하여 상기 시드 케이블의 변형 길이에 따라 상기 시드 케이블의 교체 시기를 판단하는 단결정 성장장치의 시드 케이블 관리장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 제어수단은,
   네킹 공정 직전에 상기 시드의 초기 위치와 실리콘 융액이 담기는 도가니의 초기 위치가 이전 네킹 공전 직전에 감지된 값에 비해 가변되면, 장비 이상인 경우 정비를 실시하여 상기 시드 케이블의 변형 길이에 따라 상기 시드 케이블의 교체 시기를 판단하는 단결정 성장장치의 시드 케이블 관리장치.
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