KR102147461B1 - 단결정 잉곳 성장 장치 - Google Patents

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Abstract

실시 예는 단결정 잉곳의 성장을 위한 용융액을 수용하기 위한 도가니, 단결정 잉곳의 성장을 위한 씨드의 용융액 표면으로의 이동을 제어하는 제어부, 및 씨드와 용융액의 표면을 촬영한 결과에 따른 이미지 데이터를 생성하는 화상 촬영부를 포함하고, 제어부는 이미지 데이터에 기초하여 씨드의 하단과 타겟 영역 간의 거리를 측정하고, 측정된 거리와 기설정된 타겟 거리를 비교한 결과에 기초하여 씨드의 이동을 제어한다.

Description

단결정 잉곳 성장 장치{APPARATUS FOR GROWING MONOCRYSTALLINE INGOT}
실시 예는 단결정 잉곳 성장 장치에 관한 것이다.
쵸크랄스키법에 의한 단결정 잉곳의 성장 방법은 씨드(seed)를 용융액에 접촉 및 담그는 디핑(dipping) 공정, 전위를 제거하기 위한 넥킹(necking) 공정, 잉곳의 직경을 확장하는 숄더링(shouldering) 공정, 일정한 직경을 갖는 단결정을 성장시키는 바디(body) 공정, 및 단결정의 직경을 축소해가면서 성장시키는 테일링(tailing) 공정을 포함할 수 있다.
디핑 공정에서는 종자 결정인 씨드가 용융액의 표면에 접촉되었는지의 유무를 감지하는 것이 중요하다. 이러한 접촉 유무를 판단하는 방법으로는 터치 센싱 방식이 사용될 수 있다. 터치 센싱 방식에서는 용융액과 씨드에 전압을 인가하여 용융액과 씨드 사이에 흐르는 전류 레벨을 측정하고, 측정된 전류의 레벨의 차이를 이용한다.
그러나 터치 센싱 방식에서는 용융액에 흐르는 전류에 의하여 용융액과 도가니 간에 전기 반응이 생기게 되며, 이러한 전기 반응에 의하여 용융액 내부에 금속 오염원이 생성될 수 있으며, 이로 인하여 단결정의 품질이 나빠질 수 있다.
실시 예는 전기 반응에 의한 용융액 내부에 금속 오염원이 생성되지 않고, 이로 인한 단결정의 품질이 나빠지는 것을 방지할 수 있는 단결정 잉곳의 성장 장치에 관한 것이다.
실시 예에 따른 단결정 잉곳 성장 장치는 단결정 잉곳의 성장을 위한 용융액을 수용하기 위한 도가니; 상기 단결정 잉곳의 성장을 위한 씨드(seed)의 상기 용융액 표면으로의 이동을 제어하는 제어부; 및 상기 씨드와 상기 용융액의 표면을 촬영한 결과에 따른 이미지 데이터를 생성하는 화상 촬영부를 포함하고, 상기 제어부는 상기 이미지 데이터에 기초하여, 상기 씨드의 하단과 상기 타겟 영역 간의 거리를 측정하고, 상기 측정된 거리와 기설정된 타겟 거리를 비교한 결과에 기초하여, 상기 씨드의 이동을 제어한다.
상기 제어부는 상기 이미지 데이터에 기초하여 상기 씨드와 상기 타겟 영역을 나타내는 디스플레이부를 포함하고, 상기 디스플레이부에 표시된 상기 씨드와 상기 타겟 영역 간의 거리를 측정할 수 있다.
상기 제어부는 상기 디스플레이부에 표시된 상기 씨드의 하부의 제1 모서리와 이에 대응하는 상기 타겟 영역의 제2 모서리 간의 거리를 측정할 수 있다.
상기 제어부는 상기 씨드의 상기 제1 모서리에 대응하는 상기 디스플레이부의 픽셀의 좌표 값과 상기 타겟 영역의 상기 제2 모서리에 대응하는 상기 디스플레이부의 픽셀의 좌표 값에 기초하여 상기 제1 모서리와 상기 제2 모서리 간의 거리를 산출할 수 있다.
상기 제어부는 상기 측정된 거리가 상기 타겟 거리보다 작거나 같을 때, 상기 씨드의 상기 이동을 멈추고, 상기 측정된 거리가 상기 타겟 거리보다 클 때, 상기 용융액 표면을 향하여 상기 씨드를 이동시킬 수 있다.
다른 실시 예에 따른 단결정 잉곳 성장 장치는 단결정 잉곳의 성장을 위한 용융액을 수용하기 위한 도가니; 상기 단결정 잉곳의 성장을 위한 씨드(seed)의 상기 용융액 표면으로의 이동을 제어하는 제어하는 제어부; 및 상기 씨드와 상기 용융액의 표면을 촬영한 결과에 따른 이미지 데이터를 생성하는 화상 촬영부를 포함하고, 상기 제어부는 상기 이미지 데이터에 기초하여 생성되는 이미지 패턴과 타겟 이미지 패턴의 정합률을 산출하고, 상기 산출된 정합률과 타겟 값에 기초하여 상기 씨드의 이동을 제어할 수 있다.
상기 제어부는 상기 이미지 데이터에 기초하여 생성되는 상기 이미지 패턴을 나타내는 디스플레이부를 포함하고, 상기 타겟 이미지 패턴은 상기 씨드가 상기 용융액에 디핑될 때의 관심 영역의 이미지 패턴이고, 상기 이미지 패턴은 상기 이미지 데이터에 기초하여 생성되는 상기 관심 영역 내의 패턴이고, 상기 관심 영역은 상기 씨드의 하단, 상기 씨드의 하단에 대응하는 상기 용융액의 타겟 영역, 및 상기 씨드의 하단과 상기 타겟 영역 사이의 영역을 포함하는 상기 디스플레이부의 화면의 일 영역일 수 있다.
상기 타겟 이미지 패턴은 상기 관심 영역 내의 기설정된 좌표값들에 해당하는 타겟 픽셀들을 포함하고, 상기 타겟 픽셀들 각각은 기설정된 타겟 데이터 값을 가질 수 있다.
상기 타겟 이미지 패턴은 상기 씨드의 4개의 모서리들 중 3개의 모서리들이 상기 디스플레이부에 표시되는 형상을 가질 수 있다.
상기 제어부는 상기 이미지 데이터에 기초하여 생성되는 이미지 패턴의 픽셀들 중에서 상기 타겟 데이터 값과 동일한 데이터 값을 갖는 제1 픽셀들을 추출하고, 추출된 상기 제1 픽셀들의 수와 상기 타겟 픽셀들의 수에 기초하여 상기 정합률을 산출할 수 있다.
상기 이미지 데이터에 기초하여 생성되는 이미지 패턴의 픽셀들 중에서 상기 타겟 데이터 값과의 편차가 기설정된 오차 범위 내인 데이터 값을 갖는 제1 픽셀들을 추출하고, 추출된 상기 제1 픽셀들의 수와 상기 타겟 픽셀들의 수에 기초하여 상기 정합률을 산출할 수 있다.
상기 정합률은 상기 제1 픽셀들의 수를 상기 타겟 픽셀들의 수로 나눈 값에 100을 곱한 값일 수 있다.
상기 산출된 정합률이 상기 타겟 값보다 크거나 같을 때, 상기 씨드의 상기 이동을 멈추고, 상기 산출된 정합률이 상기 타겟 값보다 작을 때, 상기 용융액 표면을 향하여 상기 씨드를 이동시킬 수 있다. 상기 타겟 값은 80 ~ 100일 수 있다.
또 다른 실시 예에 따른 단결정 잉곳 성장 장치는 단결정 잉곳의 성장을 위한 용융액을 수용하기 위한 도가니; 상기 단결정 잉곳의 성장을 위한 씨드(seed)의 상기 용융액 표면으로의 이동을 제어하는 제어부; 및 상기 씨드와 상기 용융액의 표면을 촬영한 결과에 따른 이미지 데이터를 생성하는 화상 촬영부를 포함하고, 상기 제어부는 상기 이미지 데이터에 기초하여 상기 씨드의 하단과 상기 타겟 영역 간의 거리를 측정하고, 상기 이미지 데이터에 기초하여 이미지 패턴을 생성하고, 생성된 이미지 패턴과 타겟 이미지 패턴의 정합률을 산출하고, 상기 측정된 거리와 기설정된 타겟 거리를 비교한 결과 및 상기 산출된 정합률과 타겟 값을 비교한 결과에 기초하여 상기 씨드의 이동을 제어할 수 있다.
실시 예는 전기 반응에 의한 용융액 내부에 금속 오염원이 생성되지 않고, 이로 인한 단결정의 품질이 나빠지는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 실시 예에 따른 단결정 잉곳 성장 장치의 단면도를 나타낸다.
도 2는 단결정 잉곳 성장 장치의 일 실시 예에 따른 씨드의 디핑 여부를 판단하는 동작을 설명하기 위한 플로차트이다.
도 3a은 화상 촬영부에 의하여 촬영된 씨드 및 씨드에 대응하는 용융액 표면의 타겟 영역을 나타내는 디스플레이부의 화면을 나타낸다.
도 3b는 도 3a의 디스플레이부의 화면을 도식화한 도면이다.
도 4는 단결정 잉곳 성장 장치의 다른 실시 예에 따른 씨드의 디핑 여부를 판단하는 동작을 설명하기 위한 플로차트이다.
도 5a는 타겟 이미지 패턴을 나타내는 디스플레이부의 화면을 나타낸다.
도 5b는 도 5a의 디스플레이부의 화면을 도식화한 도면이다.
도 6은 타겟 이미지 패턴에 대응하는 디스플레이부의 픽셀들 및 이에 대응하는 데이터 값의 일 실시 예를 나타낸다.
이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
실시 예의 설명에 있어서, 각 element의 " 상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 개의 element 사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"으로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
또한, 이하에서 이용되는 “제1” 및 “제2”, “상/상부/위” 및 “하/하부/아래” 등과 같은 관계적 용어들은 그런 실체 또는 요소들 간의 어떠한 물리적 또는 논리적 관계 또는 순서를 반드시 요구하거나 내포하지는 않으면서, 어느 한 실체 또는 요소를 다른 실체 또는 요소와 구별하기 위해서만 이용될 수도 있다. 또한 동일한 참조 번호는 도면의 설명을 통하여 동일한 요소를 나타낸다.
또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다", 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 또한 이상에서 기재된 "대응하는" 등의 용어는 "대향하는" 또는 "중첩되는" 의미들 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 1은 실시 예에 따른 단결정 잉곳 성장 장치(100)의 단면도를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 단결정 잉곳 성장 장치(100)는 도가니(crucible, 120), 화상 촬영부(170), 및 제어부(190)를 포함할 수 있다.
또한 단결정 잉곳 성장 장치(100)는 챔버(chamber, 110), 도가니 지지부(125), 히터(130), 승강부(150), 케이블(152), 열 차페부(160), 중 냉각부(180) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
챔버(110)는 반도체 등의 전자 부품 소재로 사용되는 실리콘 웨이퍼용 단결정(single crystal) 잉곳(ingot)의 성장이 이루어지는 공간으로, 화상 촬영부(170)가 챔버(110) 내부를 촬영하기 위한 적어도 하나의 창(window, 115) 또는 뷰 포트(view port)를 구비할 수 있다.
예컨대, 챔버(110)는 몸체 챔버(body chamber, 111), 돔 챔버(dome chamber, 112), 및 풀 챔버(pull chamber, 113)를 포함할 수 있으며, 챔버들(111,112,113)은 서로 연결될 수 있다.
몸체 챔버(111) 내에는 도가니(120)가 설치될 수 있고, 돔 챔버(112)는 몸체 챔버(111)의 상단에서 덮개부를 형성할 수 있다. 몸체 챔버(111)와 돔 챔버(112)는 다결정 실리콘을 실리콘 단결정 잉곳으로 성장시키기 위한 환경을 제공하는 곳으로, 내부에 수용 공간을 갖는 원통일 수 있다. 풀 챔버(113)는 돔 챔버(112) 상단에 위치하고, 성장된 실리콘 단결정 잉곳을 상승 또는 하강하기 위한 공간일 수 있다.
도가니(120)는 챔버(110)의 내부에 설치되며, 고온으로 용융된 실리콘 용융액(19, melt)(또는 멜트)을 수용할 수 있고, 그 재질은 석영일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 흑연 도가니 내측에 석영 도가니가 배치된 형태로 구현될 수 있다.
도가니 지지부(125)는 도가니(120) 아래에 배치되며, 도가니(120)를 지지할 수 있다.
도 1에는 도시되지 않았지만, 도가니 지지부(125)는 도가니(120)의 외주면을 감싸며 도가니(120)를 지지할 수 있는 도가니 지지대를 포함할 수 있고, 도가니 지지대의 재질은 흑연일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도가니 지지부(125)는 도가니(120)를 회전시킬 수 있고, 도가니(120)를 상승 또는 하강시킬 수 있고, 제어부(190)는 도가니 지지부(125)의 구동 또는 동작을 제어하여 도가니(120)의 회전 및 도가니(120)의 상승 또는 하강을 제어할 수 있다.
히터(130)는 도가니(120)의 외측면 주위를 둘러싸도록 챔버(110) 내부에 설치될 수 있고, 도가니(120)를 가열할 수 있다. 이러한 히터(130)는 도가니(120) 내에 적재된 고순도의 다결정 실리콘 덩어리를 용융하여 실리콘 용융액(19)으로 만들 수 있다. 제어부(190)는 히터(130)의 작동을 제어하여 용융액(melt)의 온도를 제어할 수 있다.
도 1에는 도시되지 않았지만, 단결정 잉곳 성장 장치(100)는 히터(130)의 외곽의 챔버(110) 내에 설치되고, 히터(130)로부터 발생하는 열이 외부로 유출되는 것을 방지할 수 있는 단열 수단 또는 단열 부재를 더 포함할 수 있다.
승강부(150)은 케이블(152)을 상승(또는 인상(引上)) 또는 하강할 수 있도록 도가니(120) 상부에 설치될 수 있다. 케이블(152)의 일단에는 시드 척(seed chuck, 20)이 연결되고, 시드 척(20)에는 씨드(25) 또는 종자 결정이 결합될 수 있다.
제어부(190)는 디핑 공정에서, 승강부(150)의 작동을 제어하여 씨드(25)가 용융액(25) 표면(타겟 영역)을 향하여 이동(예컨대, 하강)하는 것을 제어할 수 있다. 씨드(25)는 넥킹 공정을 위하여 도가니(120) 내의 실리콘 용융액(19)을 향하여 이동(예컨대, 하강)될 수 있고, 용융액(19)에 디핑(dipping)될 수 있다.
제어부(190)는 디핑 공정 이후의 단결정 잉곳의 성장 공정에서 승강부(150)의 작동을 제어하여 케이블(152)에 연결된 성장하는 단결정 잉곳의 인상 속도를 제어할 수 있다.
디핑 공정 이후의 공정들에서 도가니 지지부(125)에 의하여 도가니(120)가 회전 운동을 하고, 승강부(150)에 의하여 케이블(152)이 상승될 수 있고, 케이블(152)이 상승됨에 따라 도가니(120)에 수용된 실리콘 용융액(19)으로부터 실리콘 단결정이 성장될 수 있다.
열 차폐부(160)는 실리콘 용융액(19)으로부터 성장되는 실리콘 단결정 잉곳으로 복사되는 열을 차단하여 단결정 잉곳을 냉각시키고, 히터(130)로부터 발생하는 불순물(예컨대, CO gas)이 성장하는 실리콘 단결정 잉곳으로 침투하는 것을 방지하기 위하여 도가니 상부에 배치될 수 있다.
화상 촬영부(170)는 챔버(110) 밖에 배치되고, 창(115)을 통하여 챔버(110) 내부에 위치하는 씨드(25) 또는 성장하는 단결정 잉곳을 촬영할 수 있다.
화상 촬영부(170)는 하나 이상의 광전변환을 하기 위한 CCD(Charged Coupled Device) 촬상 소자(image pickup device), CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 촬상 소자, 또는 영상 카메라를 포함할 수 있다.
도 1에는 하나의 촬상 소자를 도시하였지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 복수 개의 촬상 소자들이 씨드(25) 또는 성장하는 실리콘 단결정 잉곳(18)을 촬영할 수도 있으며, 챔버(110)에는 복수 개의 창들 또는 뷰 포트들이 마련될 수 있다.
화상 촬영부(170)는 챔버(110) 내부에 위치하는 씨드(25) 또는/및 도가니(120) 내에 위치하는 용융액(19)을 촬영할 수 있고, 촬영된 결과에 따른 이미지 데이터(image data, ID)를 생성하고, 생성된 이미지 데이터(ID)를 제어부(190)로 전송할 수 있다.
냉각부(180)는 풀 챔버(113)에서 돔 챔버(112)로 연장되도록 배치되고, 성장되는 단결정 잉곳을 냉각시킬 수 있다. 냉각부(180)는 수냉관으로 대체하여 표현될 수도 있다.
제어부(190)는 승강부(150)의 동작을 제어하기 위한 승강 제어 신호(PC)를 승강부(150)에 제공할 수 있다. 승강 제어 신호(PC)에 기초하여 승강부(150)의 인상 속도(pulling speed)가 제어될 수 있다.
또한 제어부(190)는 히터(130)의 동작을 제어하기 위한 히터 제어 신호(HP)를 히터(130)에 제공할 수 있다. 히터 제어 신호(HP)에 의하여 히터(130)가 발생하는 열량 또는 히터(130)의 온도가 제어될 수 있다. 예컨대, HP는 히터(130)에 제공되는 파워(power)일 수 있다.
도 2는 단결정 잉곳 성장 장치(100)의 일 실시 예에 따른 씨드(25)의 디핑 여부를 판단하는 동작을 설명하기 위한 플로차트이다.
도 2를 참조하면, 먼저 디핑 공정을 위하여 승강부(150)는 씨드(25)를 씨드 예열 위치에 위치시킨다(S110). 여기서 씨드(25) 예열 위치는 단결정 잉곳 성장 장치 별로 기설정된 챔버(110) 내에서의 씨드(25)의 위치일 수 있다.
예컨대, 씨드 예열 위치는 용융액(19)의 표면(예컨대, 용융액(19)의 표면의 중앙 영역)으로부터 수직 방향으로 기설정된 거리만큼 이격된 위치일 수 있다.
다음으로 승강부(150)는 승강 제어 신호(PC)에 기초하여, 씨드 예열 위치에 위치한 씨드(25)를 용융액(19)의 표면을 향하여 하강시키고, 화상 촬영부(170)는 씨드(25)와 용융액(19) 표면에 대한 이미지 데이터(ID)를 획득한다(S120).
예컨대, 승강부(150)는 제1 하강 속도로 씨드(25)를 용융액의 표면을 향하여 하강시킬 수 있다.
화상 촬영부(170)는 씨드 예열 위치에서 하강하는 씨드(25)를 연속적으로 촬영할 수 있다. 예컨대, 화상 촬영부(170)는 씨드 예열 위치에서 하강하는 씨드(25)를 연속적으로 촬영할 수 있도록 촬영 각도가 조절될 수 있다.
또는 화상 촬영부(170)는 하강하는 씨드(25)가 기준 위치에 위치할 때, 씨드(25)와 용융액(19)을 촬영할 수도 있다.
예컨대, 기준 위치는 씨드(25)에 의하여 용융액(19) 표면에 씨드(25)의 음영 또는 그림자가 나타나기 시작하는 위치일 수 있다.
화상 촬영부(170)는 하강하는 씨드(25) 및 하강하는 씨드(25)에 대응하는 용융액(19) 표면의 타겟 영역을 촬영할 수 있고, 씨드(25)와 타겟 영역을 촬영한 결과에 따른 이미지 데이터(ID)를 생성할 수 있고, 생성된 이미지 데이터(ID)를 제어부(190)에 전송할 수 있다. 예컨대, 이미지 데이터(ID)는 화상 촬영부(170)의 화면의 픽셀들에 대한 데이터 값일 수 있다.
도 3a는 화상 촬영부(170)에 의하여 촬영된 씨드(25) 및 씨드(25)에 대응하는 용융액(19) 표면의 타겟 영역(19A)을 나타내는 디스플레이부(191)의 화면을 나타내고, 도 3b는 도 3a의 디스플레이부의 화면을 도식화한 도면이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 씨드(25)가 용융액(19) 표면에 인접하도록 하강함에 따라, 용융액(19) 표면에는 씨드(25)의 음영 또는 그림자가 나타나게 되는데, 이를 타겟 영역(19A)이라 한다.
화상 촬영부(170)는 도 3a에 도시된 씨드(25), 용융액(19), 및 씨드(25)의 음영(19A)을 촬영한 결과에 따른 이미지 데이터(ID)를 생성할 수 있다. 예컨대, 이미지 데이터(ID)는 화상 촬영부(170)의 이미지 센서의 화소들의 데이터 값들일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
제어부(190)는 화상 촬영부(170)로부터 전송된 이미지 데이터(ID)에 기초하여, 씨드(25)와 용융액(19) 표면의 타겟 영역(19A) 간의 거리(D1)를 측정, 산출 또는 검출할 수 있다(S130).
예컨대, 제어부(190)는 이미지 데이터(ID)에 기초하여 디스플레이부(191)에 표시된 씨드(25)와 용융액(19) 표면의 타겟 영역(19A) 간의 거리(D1)를 측정, 산출 또는 검출할 수 있다.
예컨대, 거리(D1)는 씨드(25)의 하부, 하면, 또는 하단의 어느 한 모서리(25A)와 이에 대응하는 융융액(19) 표면의 타겟 영역(19A)의 어느 한 모서리(9A) 간의 거리일 수 있다.
예컨대, 제어부(19)는 이미지 데이터(ID)에 기초하여 디스플레이부(191)에 표시되는 씨드(25)의 모서리(25A)와 융융액(19) 표면의 타겟 영역(19A)의 모서리(9A) 간의 거리(D1)를 산출하거나 또는 연산하기 위한 알고리즘, 수학식 또는 프로그램을 포함할 수 있다.
예컨대, 씨드(25)의 제1 모서리(25A)에 대응하는 디스플레이부(191)의 픽셀의 좌표 값과 타겟 영역(19A)의 제2 모서리(9A)에 대응하는 디스플레이부(191)의 픽셀의 좌표 값에 기초하여 제1 모서리와 제2 모서리 간의 거리(D1)를 산출할 수 있다.
제어부(190)는 산출 거리(D1)와 기설정된 타겟 거리(Dref)와 비교한다(S140).
예컨대, 타겟 거리(Dref)는 2 [mm] 이하일 수 있다.
또는 예컨대, 타겟 거리(Def)는 1[mm]이하일 수도 있다.
또는 예컨대, 타겟 거리(Dref)는 0.1 [mm] ~ 2[mm]일 수 있다.
또는 예컨대, 타겟 거리(Dref)는 0.5 [mm] ~ 1 [mm]일 수도 있다.
제어부(190)는 측정 거리(D1)가 기설정된 타겟 거리(Dref)보다 클 때(D1>Dref)에는 씨드(25)가 용융액에 디핑되지 않은 것으로 판단하고, 씨드(25)를 계속 하강시키고, 화상 촬영부(170)는 이미지 데이터(ID)를 계속 획득한다(S140 -> S120).
반면에, 제어부(190)는 측정 거리(D1)가 기설정된 타겟 거리(Dref)보다 작거나 같을 때(D1≤ Dref)에는 씨드(25)가 용융액에 디핑된 것으로 판단하고, 씨드(25)의 하강을 멈추고, 딥(dip) 만족 알람을 발생시킨다.
상술한 바와 같이, 실시 예는 씨드(25)와 용융액(19)의 타겟 영역(19A) 간의 거리(D1)에 기초하여 씨드(25)의 용융액의 디핑 여부를 판단하기 때문에, 전기 반응에 의한 용융액 내부에 금속 오염원이 생성되지 않고, 이로 인한 단결정의 품질이 나빠지는 것을 방지할 수 있다. 또한 실시 예는 정확한 디핑 시점을 판별할 수 있어, 종자 결정의 낭비를 방지하고 디핑 공정 이후에 진행되는 넥킹 공정이 원활하게 수행되도록 할 수 있다.
도 4는 단결정 잉곳 성장 장치(100)의 다른 실시 예에 따른 씨드(25)의 디핑 여부를 판단하는 동작을 설명하기 위한 플로차트이고, 도 5a는 타겟 이미지 패턴을 나타내는 디스플레이부의 화면을 나타내고, 도 5b는 도 5a의 디스플레이부의 화면을 도식화한 도면이이고, 도 6은 타겟 이미지 패턴(Target image pattern)에 대응하는 디스플레이부(display unit, 191)의 픽셀들(pixels, P1 내지 P9) 및 이에 대응하는 데이터 값(DA1 내지 DA9)의 일 실시 예를 나타낸다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 씨드(25)를 씨드 예열 위치에 위치시키고(S210), 씨드 예열 위치에 위치한 씨드(25)를 용융액(19)의 표면을 향하여 하강시키고, 씨드(25)와 용융액(19) 표면에 대한 이미지 데이터(ID)를 획득한다(S220).
S110에 대한 설명은 S210에 적용 또는 유추 적용될 수 있고, S120에 대한 설명은 S220에 적용 또는 유추 적용될 수 있다.
제어부(190)는 이미지 데이터(ID)에 기초하여 촬영한 이미지(또는 영상)를 표시하는 디스플레이부(191)를 포함할 수 있다. 다른 실시 예에서는 디스플레이부(191)는 제어부(190)가 아닌 화상 촬영부(170)에 포함될 수도 있다.
제어부(190)는 이미지 데이터(ID)에 기초하여, 타겟 이미지 패턴(Target Image Pattern, 50)에 대한 현재 획득된 이미지 패턴의 정합률을 산출한다(S230).
현재 획득된 이미지 패턴은 이미지 데이터(ID)에 기초하는 관심 영역(601)에 대한 이미지 패턴일 수 있다.
예컨대, 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 관심 영역(601)은 씨드(25)의 하단, 씨드(25)의 하단에 대응하는 용융액(19)의 일 영역, 및 씨드(25)의 하단과 이에 대응하는 용융액(19)의 일 영역 사이를 포함하는 디스플레이부(191)의 화면의 일정 영역일 수 있다.
타겟 이미지 패턴(50)은 씨드의 디핑 여부를 판단하기 위하여 실험적으로 획득한 관심 영역(601)에 대한 이미지 패턴일 수 있다.
관심 영역(601)의 타겟 이미지 패턴(50)은 씨드(25)가 용융액(19)에 디핑되었는지의 유무를 판단하기 위한 기준이 되며, 실험을 통하여 설정된 패턴일 수 있다. 예컨대, 타겟 이미지 패턴(50)은 씨드(25)가 용융액(19)에 디핑될 때의 관심 영역(601)의 이미지 패턴일 수 있다.
즉 타겟 이미지 패턴(50)이 나타날 때, 또는 타겟 이미지 패턴(50)이 나타나는 시점이 씨드(25)가 용융액에 디핑된 순간일 수 있다.
도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 타겟 이미지 패턴(50)은 기설정된 형상을 가질 수 있다.
예컨대, 씨드(25)가 용융액(19)의 표면의 타겟 영역에 가까이 접근하여 씨드(25)와 용융액(19)의 타겟 영역이 접하여 디핑되는 순간에는 씨드(25)와 용융액(19)이 접하는 경계 영역의 외곽 또는 가장 자리는 디스플레이부(191)의 화면 상에서 밝게 빛나는 띠 또는 패턴을 형성하게 되는데, 이때 밝게 빛나는 띠 또는 패턴이 "타겟 이미지 패턴"에 해당될 수 있고, 타겟 이미지 패턴에 대응하는 디스플레이부(191)의 픽셀들이 타겟 픽셀들(P1 내지 P10)에 해당할 수 있다.
예컨대, 타겟 픽셀은 디스플레이부(191)의 하나의 단위 픽셀일 수 있고, 타겟 픽셀의 데이터 값은 하나의 단위 픽셀의 데이터 값일 수 있다. 또한 예컨대, 타겟 픽셀은 화면의 2개 이상의 단위 픽셀들을 포함할 수 있고, 이때 타겟 픽셀의 데이터 값은 2개 이상의 단위 픽셀들의 데이터 값들의 평균일 수 있다.
타겟 픽셀들의 데이터 값은 어두운 색을 나타내는 관심 영역(601)의 다른 픽셀의 데이터 값과 다를 수 있다. 예컨대, 밝게 빛나는 패턴에 대응하는 픽셀의 데이터 값은 어두운 색을 나타내는 관심 영역(601)의 다른 픽셀의 데이터 값보다 클 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 다른 실시 예에서는 전자가 후자보다 작을 수도 있다.
타겟 이미지 패턴은 화상 촬영부(170)의 촬영 각도 등에 의하여 다양한 형태로 나타날 수 있으나, 화상 촬영부(170)의 촬영 각도 등을 기설정된 조건으로 할 경우에는 일정한 형태의 타겟 이미지 패턴을 획득할 수 있다.
예컨대, 씨드(25)의 복수 개의 모서리들 중 3개의 모서리들이 디스플레이부(191)의 화면 또는 관심 영역(601)에 나타나도록 씨드(25)에 대한 화상 촬영부(170)의 촬영 각도를 설정할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 다른 실시 예에서는 씨드(25)의 복수 개의 모서리들 중 2개 또는 씨드(25)의 4개의 모서리들이 디스플레이부(191)의 화면 또는 관심 영역(601)에 나타나도록 씨드(25)에 대한 화상 촬영부(170)의 촬영 각도를 설정할 수도 있다.
예컨대, 타겟 이미지 패턴은 씨드(25)의 복수 개의 모서리들 중 3개의 모서리들이 디스플레이부(191)에 표시되는 형상을 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 씨드(25)의 복수 개의 모서리들 중 2개 또는 4개 이상의 모서리들이 디스플레이부에 표시되는 형상을 가질 수도 있다.
도 6을 참조하면, 타겟 이미지 패턴(50)은 디스플레이부(191)의 화면의 관심 영역(601) 내의 기설정된 좌표값들에 해당하는 타겟 픽셀들(P1 내지 P10)을 포함할 수 있다. 그리고 타겟 픽셀들(P1 내지 P10) 각각은 기설정된 타겟 데이터 값(DA1 내지 DA10)을 가질 수 있다.
예컨대, 타겟 픽셀들(P1 내지 P10)의 타겟 테이터 값들(DA1 내지 DA10)은 서로 동일할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 다른 실시 예에서는 타겟 테이터 값들(DA1 내지 DA10) 중 적어도 하나는 나머지들과 다를 수도 있다.
예컨대, 도 6에 도시된 기설정된 타겟 픽셀들, 또는 좌표값들의 수는 10개일 수 있고, 타겟 픽셀들에 의하여 이루어지는 이미지 패턴의 형상은 "』"일 수 있으나, 이는 일 예이며, 타겟 픽셀들의 수 및 타겟 픽셀들에 의하여 형성되는 패턴의 형상은 이에 한정되는 것은 아니다.
타겟 이미지 패턴(Target Image Pattern, 50)에 대한 관심 영역(601)의 현재 획득된 이미지 패턴의 정합률은 다음과 같이 산출될 수 있다.
이미지 패턴의 정합률(또는 매칭률)은 현재 획득된 이미지 패턴이 타겟 이미지 패턴(50)과 일치하거나 또는 매칭(matching)되는 정도를 수치(백분율(%) 또는 점수)로 나타낸 것일 수 있다.
예컨대, 정합률은 형상적인 정합률과 정량적인 정합률을 포함할 수 있다.
형상적인 정합률은 현재 획득된 이미지 패턴의 형상과 타겟 이미지 패턴의 형상 사이의 일치하거나 또는 매칭되는 정도일 수 있다.
정량적인 정합률은 현재 획득된 이미지 패턴에 대응하는 디스플레이부(191)의 픽셀들의 데이터 값들과 기설정된 타겟 데이터 값(DA1 내지 DA10) 간의 정량적인 일치 정도 또는 매칭 정도를 나타낸다.
예컨대, 제어부(190)는 현재 획득된 이미지 패턴의 픽셀들 중에서 제1 픽셀들을 추출할 수 있다.
예컨대, 제1 픽셀들은 현재 획득된 이미지 패턴의 픽셀들 중에서 타겟 데이터 값(DA1 내지 DA10)과 동일한 데이터 값을 갖는 픽셀들일 수 있다. 또는 제1 픽셀들은 현재 획득된 이미지 패턴의 픽셀들 중에서 타겟 데이터 값(DA1 내지 DA10)과의 편차가 기설정된 오차 범위 내인 데이터 값을 갖는 픽셀들일 수 있다.
여기서, 기설정된 오차 범위는 씨드(25)가 용융액에 디핑되었는지의 유무를 실험적으로 보장하기 위한 것으로, 실험을 통하여 설정된 범위일 수 있다. 즉 오차 범위 내에서는 실험적으로 씨드가 실질적으로 용융액에 디핑된 시점이라고 판단될 수 있다.
추출된 제1 픽셀들의 수(N1)와 타겟 이미지 패턴(50)의 타겟 픽셀들의 수(N2)에 기초하여 정량적인 정합률을 산출할 수 있다. 예컨대, 이때 정량적인 정합률(%)은 추출된 제1 픽셀들의 수(N1)를 타겟 픽셀들의 수(N2)로 나눈 값에 100을 곱한 값일 수 있다((N1/N2)×100). 예컨대, N1=N2일 때, 정합률은 100%일 수 있다.
또한 추출된 제1 픽셀들의 제1 좌표 값들과 타겟 픽셀들의 제2 좌표 값들을 비교함으로써, 형상의 정합률이 산출될 수 있다.
예컨대, 제1 좌표 값들과 제2 좌표 값들이 동일할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다, 제1 좌표 값들과 제2 좌표 값들이 반드시 동일할 필요는 없으나, 제1 좌표 값들에 따른 이미지 패턴의 형상이 제2 좌표 값들에 따른 타겟 이미지 패턴의 형상과 일치할수록 형상의 정합률은 커질 수 있다.
타겟 이미지 패턴을 형성할 때와 동일한 조건으로 화상 촬영부(170)의 촬영 각도 등을 조정하게 되면, 관심 영역(601)에 대한 디스플레이부(191)의 이미지 패턴은 씨드(25)가 용융액(19) 표면(또는 타겟 영역)으로 접근할수록 타겟 이미지 패턴과 유사한 형상을 갖게 되므로 특별한 사정인 없는 한 형상적인 정합률은 만족될 수 있다.
다음으로 제어부(190)는 산출된 정합률과 기설정된 타겟 값를 비교한 결과에 기초하여 씨드 하강 정지 여부를 판단한다(S240).
제어부(190)는 산출된 정합률이 타겟 값보다 작을 때, 상술한 단계들(S220 내지 S230)을 수행한다.
제어부(190)는 산출된 정합률이 타겟 값보다 크거나 같을 때, 씨드(25)의 하단 또는 하면이 용융액(19)의 표면(예컨대, 타겟 영역)에 접촉 또는 디핑된 것으로 판단하고, 씨드 하강을 정지하고, 딥 만족 알람을 발생시킨다.
여기서 타겟 값은 씨드(25)의 하단 또는 하면이 용융액(19)의 표면(예컨대, 타겟 영역)에 접촉 또는 디핑된 것으로 판단하기 위한 정합률의 기준 값일 수 있다.
예컨대, 타겟 값은 80 ~ 100일 수 있으며, 단위는 %일 수 있다. 또는 예컨대, 타겟 값은 90 ~ 100일 수 있다.
상술한 바와 같이, 다른 실시 예는 타겟 이미지 패턴(Target Image Pattern, 50)에 대한 현재 획득된 이미지 패턴의 정합률이 기초하여, 씨드(25)의 용융액의 디핑 여부를 판단하기 때문에, 전기 반응에 의한 용융액 내부에 금속 오염원이 생성되지 않고, 이로 인한 단결정의 품질이 나빠지는 것을 방지할 수 있다. 또한 실시 예는 정확한 디핑 시점을 판별할 수 있어, 종자 결정의 낭비를 방지하고 디핑 공정 이후에 진행되는 넥킹 공정이 원활하게 수행되도록 할 수 있다.
또 다른 실시 예에서는 씨드의 디핑 판단의 정확도를 향상시키기 위하여 제어부(190)는 도 2에서 설명한 방법과 도 4에서 설명한 방법을 함께 고려하여, 씨드의 이동을 제어할 수도 있다.
제어부(190)는 이미지 데이터에 기초하여 씨드의 하단과 상기 타겟 영역 간의 거리를 측정하고, 이미지 데이터에 기초하여 이미지 패턴을 생성하고, 생성된 이미지 패턴과 타겟 이미지 패턴의 정합률을 산출하고, 측정된 거리와 기설정된 타겟 거리를 비교한 결과 및 산출된 정합률과 타겟 값을 비교한 결과에 기초하여 씨드의 이동을 제어할 수 있다.
예컨대, 제어부(190)는 도 2의 측정 거리(D1)가 타겟 거리(Dref)보다 작거나 같다는 제1 조건과 도 4의 산출된 정합률이 타겟 값보다 크거나 같다는 제2 조건을 모두 만족할 때(S240), 씨드 하강 정지 및 딥 만족 알람을 발생할 수 있다(S150, S250).
반면에, 예컨대, 제1 조건과 제2 조건 중 적어도 하나를 만족하지 못할 때에는 계속 씨드 하강 및 이미지 데이터를 획득할 수 있다(S120, S220).
이상에서 실시 예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시 예에 포함되며, 반드시 하나의 실시 예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시 예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시 예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시 예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (15)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 단결정 잉곳의 성장을 위한 용융액을 수용하기 위한 도가니;
    상기 단결정 잉곳의 성장을 위한 씨드(seed)의 상기 용융액 표면으로의 이동을 제어하는 제어하는 제어부; 및
    상기 씨드와 상기 용융액의 표면을 촬영한 결과에 따른 이미지 데이터를 생성하는 화상 촬영부를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 씨드를 상기 용융액 표면으로부터 수직 방향으로 기설정된 거리만큼 이격된 씨드 예열 위치로 이동시키고,
    상기 씨드 예열 위치에서의 상기 이미지 데이터에 기초하여 이미지 패턴을 생성하고, 상기 생성된 이미지 패턴과 타겟 이미지 패턴의 정합률을 산출하고,
    상기 산출된 정합률에 기초하여 상기 씨드의 이동을 제어하는 단결정 잉곳 성장 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 생성된 이미지 패턴을 나타내는 디스플레이부를 포함하고,
    상기 타겟 이미지 패턴과 상기 생성된 이미지 패턴 각각은 상기 씨드의 관심 영역에 관한 패턴이고,
    상기 관심 영역은 상기 씨드의 하단, 상기 씨드의 하단에 대응하는 상기 용융액의 타겟 영역, 및 상기 씨드의 하단과 상기 타겟 영역 사이의 영역을 포함하는 상기 디스플레이부의 화면의 일 영역인 단결정 잉곳 성장 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 타겟 이미지 패턴은 상기 관심 영역 내의 기설정된 좌표값들에 해당하는 타겟 픽셀들을 포함하고, 상기 타겟 픽셀들 각각은 기설정된 타겟 데이터 값을 갖는 단결정 잉곳 성장 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 타겟 이미지 패턴은 상기 씨드의 4개의 모서리들 중 3개의 모서리들이 상기 디스플레이부에 표시되는 형상을 갖는 단결정 잉곳 성장 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 이미지 데이터에 기초하여 생성되는 이미지 패턴의 픽셀들 중에서 상기 타겟 데이터 값과 동일한 데이터 값을 갖는 제1 픽셀들을 추출하고, 추출된 상기 제1 픽셀들의 수와 상기 타겟 픽셀들의 수에 기초하여 상기 정합률을 산출하는 단결정 잉곳 성장 장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 이미지 데이터에 기초하여 생성되는 이미지 패턴의 픽셀들 중에서 상기 타겟 데이터 값과의 편차가 기설정된 오차 범위 내인 데이터 값을 갖는 제1 픽셀들을 추출하고, 추출된 상기 제1 픽셀들의 수와 상기 타겟 픽셀들의 수에 기초하여 상기 정합률을 산출하는 단결정 잉곳 성장 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 정합률은 상기 제1 픽셀들의 수를 상기 타겟 픽셀들의 수로 나눈 값에 100을 곱한 값인 단결정 잉곳 성장 장치.
  13. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 산출된 정합률이 타겟 값보다 크거나 같을 때, 상기 씨드의 상기 이동을 멈추고,
    상기 산출된 정합률이 상기 타겟 값보다 작을 때, 상기 용융액 표면을 향하여 상기 씨드를 이동시키는 단결정 잉곳 성장 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 타겟 값은 80 ~ 100인 단결정 잉곳 성장 장치.
  15. 삭제
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