KR102488064B1 - 단결정 잉곳 성장 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

단결정 잉곳 성장 장치는 도가니 상에 배치된 측정봉과, 측정봉 및 측정봉의 그림자에 관한 영상 정보를 획득하고 적어도 측정봉에 가까워지거나 멀어지도록 이동 가능한 렌즈 유닛을 포함하는 영상 촬영부와, 측정봉의 영상 및 측정봉의 그림자의 영상에 관한 영상 정보를 바탕으로 판단하여 밝기 및 초점 중 적어도 하나에 오류가 있는 경우, 측정봉과의 거리가 가변되도록 렌즈 유닛의 이동을 제어하는 구동 제어신호를 생성하는 제어부를 포함한다.

Description

단결정 잉곳 성장 장치 및 그 제어 방법{Single-crystal ingot growth apparatus and method of controlling the same}
본 발명은 단결정 잉곳 성장 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
실리콘 웨이퍼의 제조를 위해서는 먼저 단결정 실리콘을 잉곳(ingot) 형태로 성장시켜야 하는데, 초크랄스키(czochralski, CZ) 법이 적용될 수 있다.
초크랄스키(czochralski, CZ) 법이 적용되는 단결정 잉곳 성장 장치는 챔버 내의 도가니를 가열하여 도가니 내에 다결정 실리콘을 용융시키고, 용융된 실리콘에 단결정인 종자 결정(seed crystal)을 담근 후, 종자 결정을 상승시키면서 원하는 지름의 단결정 잉곳으로 성장시킬 수 있다.
우수한 품질의 다결정 잉곳을 성장시키기 위해 단결정 잉곳의 성장 과정을 감시하는 측정 장비가 구비될 수 있다.
종래의 측정 장비 중 하나는 채버 상에 설치된 카메라를 이용하여 멜트 갭을 측정하는 멜트 갭 측정 장비가 있다.
멜트 갭 측정 장비에 대한 선행 자료로서, 공개번호 제10-2014-0097834호가 있다.
하지만, 종래의 멜트 갭 측정 장비는 챔버 내의 상황, 예컨대 밝기나 초점이 변화하는 경우, 챔버 내로부터 획득된 영상의 흐릿하거나 초점이 맞지 않아 측정 에러로 인해 정확한 멜트 갭의 측정이 불가능하여 결국 성장된 단결정 잉곳에 불량을 초래하는 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 측정 에러 없이 단결정 잉곳 성장을 감시할 수 있는 단결정 잉곳 성장 장치 및 그 제어 방법을 제공한다.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 단결정 잉곳 성장 장치는, 도가니 상에 배치된 측정봉; 상기 측정봉 및 상기 측정봉의 그림자에 관한 영상 정보를 획득하고, 적어도 측정봉에 가까워지거나 멀어지도록 이동 가능한 렌즈 유닛을 포함하는 영상 촬영부; 및 상기 측정봉의 영상 및 상기 측정봉의 그림자의 영상에 관한 영상 정보를 바탕으로 판단하여 밝기 및 초점 중 적어도 하나에 오류가 있는 경우, 상기 측정봉과의 거리가 가변되도록 상기 렌즈 유닛의 이동을 제어하는 구동 제어신호를 생성하는 제어부를 포함한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 단결정 잉곳 성장 장치의 제어 방법은, 도가니 상에 배치된 측정봉 및 상기 측정봉의 그림자에 관한 영상 정보를 획득하는 단계; 상기 측정봉의 영상 및 상기 측정봉의 그림자의 영상에 관한 영상 정보를 바탕으로 밝기 및 초점 중 적어도 하나에 오류가 있는지를 판단하는 단계; 상기 밝기 및 초점 중 적어도 하나에 오류가 있는 경우, 렌즈 유닛의 이동을 제어하는 구동 제어신호를 생성하는 단계; 및 상기 구동 제어신호에 응답하여 상기 측정봉과의 거리가 가변되도록 상기 렌즈 유닛을 이동시키는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 단결정 잉곳 성장 장치 및 그 제어 방법의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 있다는 챔버 내의 밝기나 초점이 가변되더라도, 이러한 밝기나 초점의 변화가 반영되도록 영상 촬영부의 렌즈 유닛의 이동을 제어하여 줌으로써, 멜트 갭의 측정 에러를 방지하여 우수한 품질의 단결정 잉곳을 성장시킬 수 있다는 장점이 있다.
본 발명의 적용 가능성의 추가적인 범위는 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나 본 발명의 사상 및 범위 내에서 다양한 변경 및 수정은 당업자에게 명확하게 이해될 수 있으므로, 상세한 설명 및 본 발명의 바람직한 실시 예와 같은 특정 실시 예는 단지 예시로 주어진 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 잉곳 성장 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 제어부를 상세히 도시한 블록도이다.
도 3은 도 2의 렌즈 제어부의 일 예를 상세히 도시한 블록도이다.
도 4는 밝기값을 산출하기 위해 영상 촬영부로부터 획득된 측정봉 영상을 포함하는 영역을 설정한 도면이다.
도 5는 도 2의 렌즈 제어부의 다른 예를 상세히 도시한 블록도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 잉곳 성장 장치의 제어 방법을 설명하는 순서도이다.
도 7a는 종래에 영상 촬영부에서 획득된 영상을 도시한 도면이다.
도 7b는 본 발명의 영상 촬영부에서 획득된 영상을 도시한 도면이다.
도 8은 종래에 잉곳 길이에 따른 멜트 갭을 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명에서 잉곳 길이에 따른 멜트 갭을 도시한 도면이다.
도 10은 서로 상이한 단결정 성장 장치에서의 종래와 본 발명에서의 영상 인식률를 도시한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 잉곳 성장 장치를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 단결정 잉곳 성장 장치(100)는 챔버(110), 도가니(120), 발열체(130), 도가니 지지대(140), 측부 단열재(152), 하부 단열재(154), 열차폐부(160), 측정봉(170), 영상 촬영부(190), 제어부(200) 및 구동부(210)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 도가니(120)는 흑연 도가니일 수 있다. 아울러, 도가니(120)의 외측을 감싸는 부분(도 1의 빗금친 부분)은 석영 도가니일 수 있다.
챔버(110)는 단결정 잉곳(I)을 성장시킬 성장 환경을 제공하는 공간일 수 있다. 챔버(110)는 내부를 관찰할 수 있는 뷰 포트(view port, 180)를 가질 수 있으며, 결합되는 위치에 따라 몸체 챔버(body chamber, 111), 돔 챔버(dome chamber, 112) 및 풀 챔버(pull chamber, 113)로 구분될 수 있다.
뷰 포트(180)는 돔 챔버(112)의 일 영역에 설치될 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
뷰 포트(180)의 개수는 영상 촬영부(190)의 개수에 대응될 수 있다. 예컨대, 3개의 영상 촬영부가 구비되는 경우, 뷰 포트 또한 3개가 구비될 수 있다.
몸체 챔버(111)는 하부에 위치할 수 있고, 돔 챔버(112)는 몸체 챔버(111)의 상단에 위치되어 덮개로서의 역할을 할 수 있다. 몸체 챔버(111)와 돔 챔버(112)는 다결정 실리콘을 단결정 잉곳(I)으로 성장시키기 위한 환경을 제공하는 곳으로, 내부에 수용 공간을 갖는 원통일 수 있다. 풀 챔버(113)는 돔 챔버(112) 상단에 위치할 수 있고, 성장된 단결정 잉곳(I)을 인상하기 위한 공간일 수 있다. 따라서, 몸체 챔버(111)와 돔 챔버(112)에 의해 형성된 공간에서 성장된 단결정 잉곳(I)은 풀 챔버(113)에 의해 상부 방향으로 인상될 수 있다.
단결정 잉곳(I)은 예컨대 실리콘으로 이루어진 단결정 잉곳일 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
도가니(120)는 챔버(110), 예컨대, 몸체 챔버(111) 내부에 마련될 수 있고, 단결정 잉곳(I)을 성장시키기 위한 원료 용융액(SM)을 수용할 수 있다. 도가니(120)의 재질은 석영일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도가니 지지대(140)는 도가니(120)의 하부에 위치하여 도가니(120)를 지지할 수 있으며, 또한 도가니(120)를 회전시키거나, 도가니(120)를 상승 또는 하강시킬 수 있다.
발열체(130)는 도가니(120)의 외주면과 이격되도록 챔버(110), 예컨대, 몸체 챔버(111) 내에 배치될 수 있다.
발열체(130)는 도가니(120)를 가열할 수 있으며, 가열된 도가니(120) 내에 적재된 고순도의 다결정 덩어리는 용융되어 용융액(SM)이 될 수 있다. 발열체(130)는 예컨대 저항 히터이거나 유도 가열식 히터일 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
측부 단열재(152)는 도가니(120)의 측부에 위치할 수 있고, 챔버(110) 내부의 열이 챔버(110) 측부로 빠져나가 는 것을 차단할 수 있다. 예컨대, 측부 단열재(152)는 발열체(130)와 몸체 챔버(111)의 측벽 사이에 위치할 수 있고, 발열체(130)의 열이 외부로 누출되는 것을 차단할 수 있다.
하부 단열재(154)는 도가니(120) 하부에 위치할 수 있고, 챔버(110) 내부의 열이 챔버(110) 하부로 빠져나가는 것을 차단할 수 있다. 예컨대, 하부 단열재(154)는 발열체(130)와 몸체 챔버(111)의 바닥 사이에 위치할 수 있고, 발열체(130)의 열이 외부로 누출되는 것을 차단할 수 있다.
측부 단열재(152)와 하부 단열재(154) 사이에는 챔버(110) 내의 가스나 공정 부산물을 배기시키기 위한 배기구가 형성될 수 있다.
열차폐부(160)는 도가니(120)의 상부에 배치되며, 도가니(120) 내에 수용된 용융액(SM)으로부터 열이 상부로 빠져나가는 것을 차단한다.
측정봉(170)은 열차폐부(160)의 하단에 결합하고, 도가니(120) 내에 수용된 용융액(SM) 상에 배치될 수 있다.
열차폐부(160)의 하단부, 구체적으로 측정봉(170)과 용융액(SM)의 표면 사이의 간격을 멜트 갭(Melt Gap)이라 한다. 단결정 잉곳의 품질 향상과 생산성 증가를 위하여 멜트 갭을 일정하게 유지되어야 한다.
측정봉(170)은 멜트 갭(melt gap) 측정시 기준 역할을 할 수 있으며, 스케일 로드(scale rod)라고도 한다.
측정봉(170)의 영상과 측정봉(170)에 의해 도가니(120) 내에 수용된 용융액(SM)의 표면 상에 비추어진 측정봉(170)의 그림자 영상을 토대로, 측정봉(170)과 측정봉(170)의 그림자 사이의 간격을 토대로 멜트 갭이 측정될 수 있다.
영상 촬영부(190)는 측정봉(170) 및 측정봉(170)의 그림자에 관한 영상을 획득할 수 있다.
영상 촬영부(190)는 촬상 유닛(191)과 렌즈 유닛(193)을 포함할 수 있다.
촬상 유닛(191)은 예컨대, 다수의 CCD(Charge-Coupled device)나 다수의 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)를 포함할 수 있다. 촬상 유닛(191)은 측정봉(170)과 측정봉(170)의 그림자을 포함하는 챔버(110) 내의 영상을 획득할 수 있다.
촬상 유닛(191)의 전단, 즉 촬상 유닛(191)과 뷰 포트(180) 사이에 렌즈 유닛(193)이 배치될 수 있다. 렌즈 유닛(193)은 촬상 유닛(191)과 일체로 형성되어 영상 촬영부(190)를 구성할 수 있다. 영상 촬영부(190)는 촬상 유닛(191)과 렌즈 유닛(193) 이외에 다른 구성 요소들을 더 구비할 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
렌즈 유닛(193)은 다수의 렌즈를 포함하는 렌즈 어레이로 구성될 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
측정봉(170)과 측정봉(170)의 그림자가 렌즈 어레이를 통해 촬상 유닛(191)에 상이 맺혀지게 되고, 촬상 유닛(191)은 이러한 상을 토대로 측정봉(170)과 측정봉(170)의 그림자에 관한 영상을 획득할 수 있다. 이와 같이 획득된 영상은 제어부(200)로 제공될 수 있다.
렌즈 유닛(193)은 x축, y축 및 z축 어느 방향으로든 이동이 가능할 수 있다. 렌즈 유닛(193)은 구동부(210)에 의해 구동되어 x축, y축 및 z축 어느 방향으로든 이동이 가능할 수 있다.
여기서, z축은 뷰 포트(180)의 길이 방향과 동일한 방향일 수 있다. 따라서, 렌즈 유닛(193)이 z축 방향을 따라 이동되는 경우, 렌즈 유닛(193)은 측정봉(170)에 가까워지거나 멀어지도록 이동될 수 있다.
렌즈 유닛(193)은 구동부(210)에 체결되어 구동부(210)의 구동에 따라 x축, y축 및 z축 어느 방향으로든 이동될 수 있다.
구동부(210)는 예컨대, 적어도 하나 이상의 모터와 적어도 하나 이상의 모터 각각과 렌즈 유닛(193)을 연결시키는 적어도 하나 이상의 기어 연결축을 포함할 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
구동부(210)는 제어부(200)의 제어 하에 구동될 수 있다.
제어부(200)는 영상 촬영부(190)로부터 획득된 영상, 즉 측정봉(170)의 영상과 측정봉(170)의 그림자 영상을 토대로 멜트 갭을 측정할 수 있다.
또한, 제어부(200)는 측정봉(170)의 영상과 측정봉(170)의 그림자 영상을 토대로 렌즈 유닛(193)를 이동시키기 위한 구동 제어신호를 생성할 수 있다. 이러한 구동 제어신호에 응답하여 구동부(210)가 구동되어 영상 촬영부(190)의 렌즈 유닛(193)이 x축, y축 및 z축 중 적어도 하나 이상의 축을 따라 이동될 수 있다.
도 2에 도시한 바와 같이, 제어부(200)는 멜트 갭 측정부(201) 및 렌즈 제어부(203)를 포함할 수 있다.
영상 촬영부(190)로부터 획득된 측정봉(170)의 영상과 측정봉(170)의 그림자 영상은 각각 제어부(200)로 제공되어, 제어부(200)의 멜트 갭 측정부(201)와 렌즈 제어부(203)로 각각 입력될 수 있다.
멜트 갭 측정부(201)는 영상 촬영부(190)로부터 획득된 측정봉 영상과 측정봉(170)의 그림자 영상을 토대로 측정봉(170)과 측정봉(170)의 그림자 사이의 멜트 갭을 측정할 수 있다.
측정된 멜트 갭 정보는 도시되지 않은 축 제어부로 제공될 수 있다. 축 제어부는 측정된 멜트 갭 정보를 토대로 멜트 갭이 이전에 비해 변화가 있는지를 확인하고, 변화가 있는 경우 멜트 갭이 일정한 간격을 유지하도록 도가니(120)가 예컨대 상부 방향으로 이동되도록 제어할 수 있다.
예컨대, 단결정 잉곳이 성장됨에 따라 도가니(120) 내에 수용된 용융액(SM)의 양이 줄어들게 되고, 이에 따라 용융액(SM)의 표면이 하부 방향으로 낮아지게 된다. 이러한 경우, 측정봉(170)의 위치는 그대로인데 반해, 측정봉(170)의 그림자 영상이 획득되는 용융액(SM)의 표면이 하부 방향으로 낮아지는 경우, 측정봉(170)과 측정봉(170)의 그림자 사이의 멜트 갭이 커지게 된다. 따라서, 멜트 갭을 줄여 이전의 멜트 갭과 동일하게 유지되도록 하기 위해, 도가니(120)가 상부 방향으로 이동될 수 있다.
한편, 단결정 잉곳을 성장하는 동안 챔버(110) 내의 상황, 예컨대 밝기나 초점이 변화는 경우가 발생할 수 있다.
챔버(110) 내의 밝기는 (1) 발열체(130)의 파워 세기의 가변, (2) 용융액(SM)의 양의 가변, (3) 멜트 갭의 가변 등에 따라 달라질 수 있다.
아울러, 챔버(110) 내의 초점은 (1) 용융액(SM)의 양의 가변, (2) 멜트 갭의 가변 등에 따라 달라질 수 있다.
이와 같이 챔버(110) 내의 밝기나 초점이 변화는 경우, 영상 촬영부(190)에서 측정봉(170) 영상이나 측정봉(170)의 그림자 영상의 밝기나 초점이 악화돼 궁극적으로 멜트 갭의 측정 에러가 발생될 수 있다. 이에 따라, 정확한 멜트 갭 측정이 불가능하게 되어, 멜트 갭이 일정하게 유지되지 않게 되며, 이에 따라 우수한 품질의 단결정 잉곳 성장이 어렵거나 불가능해질 수 있다.
본 발명에서는 이와 같이 챔버(110) 내의 밝기나 초점이 가변되더라도, 이러한 밝기나 초점의 변화가 반영되도록 영상 촬영부(190)의 렌즈 유닛(193)의 이동을 제어하여 줌으로써, 멜트 갭의 측정 에러를 방지하여 우수한 품질의 단결정 잉곳을 성장시킬 수 있다.
이를 위해, 제어부(200)는 렌즈 제어부(203)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 렌즈 제어부(203)는 도 3에 도시한 바와 같이, 밝기 산출부(205), 밝기 판단부(207) 및 구동 제어신호 생성부(209)를 포함할 수 있다.
밝기 산출부(205)는 영상 촬영부(190)로부터 획득된 측정봉 영상(도 4의 310)과 측정봉(170)의 그림자 영상(도 4의 320)을 입력받을 수 있다.
만일 챔버(110) 내의 밝기가 과도하게 밝거나 어두워지는 경우 또는 초점이 최적의 초점 구간을 이탈하는 경우, 측정봉(170)의 그림자 영상(도 4의 320)은 백그라운드 영상과 구분이 되지 않아 획득되지 않을 수도 있다. 이러한 경우, 측정봉 영상(도 4의 310) 또한 그 사이즈가 커지거나 줄어들게 될 수 있다.
본 발명에서는 측정봉 영상을 포함하는 일정 영역을 토대로 밝기의 변화나 초점의 변화를 판단할 수 있다.
이를 위해, 도 4에 도시한 바와 같이, 측정봉 영상(310)을 포함하는 일정 영역 설정될 수 있다. 따라서, 영상 촬영부(190)로부터 획득된 측정봉 영상(310)을 토대로 측정봉 영상을 포함하는 일정 영역을 추출하고, 그 추출된 일정 영역의 평균 밝기값을 산출할 수 있다.
일정 영역은 적어도 측정봉 영상(310)을 포함할 수 있다. 구체적으로 일정 영역은 측정봉 영상(310)과 측정봉 영상에 인접하는 백그라운드 영상을 포함할 수 있다.
일정 영역은 예컨대 가로 방향을 따라 50 내지 80 화소를 포함하고 세로 방향을 따라 20 내지 50 화소를 포함할 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
만일 측정봉 영상(310)이 80화소(가로)와 50화소(세로)의 사이즈를 초과하는 경우, 일정 영역은 측정봉 영상(310)이 포함되도록 재설정될 수 있다.
측정봉 영상(310)으로부터 일정 영역을 추출하는 기술은 널리 알려진 어떠한 기술도 적용될 수 있다. 예컨대, 영상 촬영부(190)로부터 획득된 측정봉 영상(310)으로부터 그 측정봉 영상(310)의 최외곽 테두리로부터 기 설정된 화소 만큼을 포함하는 영역이 일정 영역으로 추출될 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
상기 추출된 일정 영역의 평균 밝기값은 밝기 판단부(207)로 제공될 수 있다.
밝기 판단부(207)는 추출된 일정 영역의 평균 밝기값을 기 설정된 평균 밝기 구간과 비교하여 챔버(110) 내의 밝기 변화나 초점 변화를 판단할 수 있다.
기 설정된 평균 밝기 구간은 측정봉(170)을 명확히 인식될 수 있는 밝기 구간일 수 있다. 기 설정된 평균 밝기 구간은 일정 영역을 대상으로 반복적인 실험을 통해 설정될 수 있다.
밝기 판단부(207)에서 결정된 판단 결과는 구동 제어신호 생성부(209)로 제공될 수 있다.
구동 제어신호 생성부(209)는 밝기 판단부(207)로부터 입력된 판단 결과에 따른 구동 제어신호를 생성할 수 있다.
예컨대, 밝기 판단부(207)에 의해 추출된 일정 영역의 평균 밝기값이 기 설정된 평균 밝기 구간의 최대값보다 큰 경우, 구동 제어신호 생성부(209)는 렌즈 유닛(193)이 측정봉(170)으로부터 멀어지도록 z축 방향을 따라 이동되도록 하는 구동 제어신호를 생성할 수 있다. 추출된 일정 영역의 평균 밝기값이 측정봉(170)을 인식하기 어려울 정도로 밝은 경우, 렌즈 유닛(193)을 측정봉(170)으로부터 멀어지도록 이동시켜, 영상 촬영부(190)로부터 획득된 측정봉 영상, 구체적으로 측정봉 영상을 포함하는 일정 영역의 평균 밝기값이 작아지도록 하여 궁극적으로 기 설정된 밝기 평균 구간 내에 포함되도록 할 수 있다.
예컨대, 밝기 판단부(207)에 의해 추출된 일정 영역의 평균 밝기값이 일정 영역의 평균 밝기값이 기 설정된 평균 밝기 구간의 최소값보다 작은 경우, 구동 제어신호 생성부(209)는 렌즈 유닛(193)이 측정봉(170)으로부터 가까워지도록 z축 방향을 따라 이동되도록 하는 구동 제어신호를 생성할 수 있다. 추출된 일정 영역의 평균 밝기값이 측정봉(170)을 인식하기 어려울 정도로 어두운 경우, 렌즈 유닛(193)을 측정봉(170)으로부터 가까워지도록 이동시켜, 영상 촬영부(190)로부터 획득된 측정봉 영상, 구체적으로 측정봉 영상을 포함하는 일정 영역의 평균 밝기값이 커지도록 하여 궁극적으로 기 설정된 밝기 평균 구간 내에 포함되도록 할 수 있다.
구동 제어신호 생성부(209)로부터 생성된 구동 제어신호는 구동부(210)로 제공될 수 있다.
구동부(210)는 구동 제어신호 생성부(209)로부터 제공된 구동 제어신호에 응답하여 렌즈 유닛(193)을 z축 방향을 따라 촬상 유닛(191)의 전방 또는 후방을 향해 이동되도록 구동될 수 있다.
이상의 발명에 따르면, 영상 촬영부(190)로부터 추출된 일정 영역의 평균 밝기값을 토대로 렌즈 유닛(193)을 이동시켜 영상 촬영부(190)로부터 최적의 밝기를 갖는 측정봉 영상(310)을 얻을 수 있다.
이와 달리, 본 발명은 영상 촬영부(190)로부터 획득된 측정봉 영상(310)의 초점값을 토대로 렌즈 유닛(193)을 이동시켜 영상 촬영부(190)로부터 최적의 초점을 갖는 측정봉 영상(310)을 얻을 수도 있다.
도 5에 도시한 바와 같이, 초점 산출부(211), 초점 판단부(213) 및 구동 제어신호 생성부(209)를 포함할 수 있다.
초점 산출부(211)는 도 3에 도시된 밝기 산출부(205)와 통합되어 산출부로 명명될 수도 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
초점 판단부(213)는 도 3에 도시된 밝기 판단부(207)와 통합되어 판단부로 명명될 수도 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
구동 제어신호 생성부(209)는 도 3에 도시된 구동 제어신호 생성부일 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
초점 산출부(211)는 영상 촬영부(190)로부터 획득된 측정봉 영상(310)으로부터 측정봉 영상의 초점값을 산출하기 위한 초점 산출부(211)가 렌즈 제어부(203)에 포함될 수 있다. 초점 산출부(211)에서 산출된 측정봉 영상(310)은 초점 판단부(213)로 제공될 수 있다.
초점 판단부(213)는 초점 산출부(211)에서 산출된 측정봉 영상(310)의 초점값이 기 설정된 초점값과 일치하는지를 판단할 수 있다.
판단 결과, 측정봉 영상(310)의 초점값이 기 설정된 초점값과 일치하지 않는 경우, 구동 제어신호 생성부(209)는 측정봉 영상의 초점값이 기 설정된 초점값과 일치하도록 렌즈 유닛(193)을 이동시키기 위한 구동 제어신호를 생성할 수 있다.
구동부(210)는 초점 판단부(213)로부터 제공된 구동 제어신호에 응답하여 렌즈 유닛(193)을 이동시킬 수 있다. 렌즈 유닛(193)의 이동은 초점 판단부(213)에 의해 측정봉 영상의 초점값이 초점값과 일치될 때까지 지속될 수 있다. 측정봉 영상의 초점값이 초점값과 일치될 때, 렌즈 유닛(193)은 더 이상 이동되지 않고 현재 위치로 유지될 수 있다.
다른 예로서, 초점 판단부(213)는 측정봉 영상의 초점값이 기 설정된 초점 구간을 이탈하는지를 판단할 수 있다.
판단 결과 측정봉 영상의 초점값이 기 설정된 초점 구간을 이탈하는 경우, 구동 제어신호 생성부(209)는 측정봉 영상의 초점값이 기 설정된 초점 구간 내에 포함되도록 렌즈 유닛(193)을 이동시킬 수 있다. 렌즈 유닛(193)의 이동은 초점 판단부(213)에 의해 측정봉 영상의 초점값이 기 설정된 초점 구간 내에 포함될 때까지 지속될 수 있다. 측정봉 영상의 초점값이 기 설정된 초점 구간 내에 포함될 때, 렌즈 유닛(193)은 더 이상 이동되지 않고 현재 위치로 유지될 수 있다.
본 발명은 도 3에 도시된 밝기 변화에 따라 렌즈 유닛(193)을 이동시킬 수도 있고(제1 실시예), 도 5에 도시된 초점 변화에 따라 렌즈 유닛(193)을 이동시킬 수도 있고(제2 실시예), 또는 밝기 변화(도 3) 및 초점 변화(도 5) 모두를 고려하여 렌즈 유닛(193)을 이동시킬 수도 있다(제3 실시예).
도 7a는 종래에 영상 촬영부에서 획득된 영상을 도시한 도면이고, 도 7b는 본 발명의 영상 촬영부에서 획득된 영상을 도시한 도면이다. 도 8은 종래에 잉곳 길이에 따른 멜트 갭을 도시한 도면이고, 도 9는 본 발명에서 잉곳 길이에 따른 멜트 갭을 도시한 도면이다.
도 7a에 도시한 바와 같이, 종래에 영상 촬영부에서 획득된 영상, 구체적으로 측정봉 영상과 측정봉(170)의 그림자 영상은 밝기나 초점 변화로 인해 사이즈가 줄어들거나 초점이 맞지 않아 명확히 인식되지 않게 된다.
이에 반해, 도 7b에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 영상 촬영부(190)에서 획득된 측정봉 영상(310)과 측정봉(170)의 그림자 영상(320)이 최적 밝기와 초점이 맞도록 렌즈 유닛(193)이 이동됨으로써, 측정봉 영상(310)과 측정봉(170)의 그림자 영상(320)이 명확히 인식될 수 있다.
도 7a에 도시한 바와 같이, 측정봉 영상과 측정봉(170)의 그림자 영상이 명확히 인식되지 않는 경우, 도 8에 도시한 바와 같이 A 영역과 같이 측정 패턴 영상을 순간적으로 놓치거나 B 영역과 같이 측정 패턴 영상을 지속적으로 놓치게 되는 측정 에러가 발생될 수 있다.
이에 반해, 도 7b에 도시한 바와 같이, 측정봉 영상과 측정의 그림자 영상이 명확히 인식되는 경우, 도 9에 도시한 바와 같이 측정 에러 없이 정확한 멜트 갭 측정이 가능하므로, 우수한 품질의 단결정 잉곳이 성장될 수 있다.
도 10은 서로 상이한 단결정 성장 장치에서의 종래와 본 발명에서의 영상 인식률를 도시한 그래프이다.
도 10에 도시한 바와 같이, 동일 단결정 성장 장치(#1)에서 종래와 본 발명에서의 인식률은 각각 79.6%와 93.9%로서, 본 발명의 단결정 성장 장치에서 영상 촬영부(190)에서 획득된 영상에 대한 인식률이 종래에 비해 월등히 우수함을 알 수 있다.
마찬가지로, 다른 단결정 성장 장치(#2, #3)에서도 영상 촬영부(190)에서 획득된 영상에 대한 인식률이 종래에 비해 본 발명에서 월등히 우수하였다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 잉곳 성장 장치의 제어 방법을 설명하는 순서도이다.
도 6은 제3 실시예(밝기 변화와 초점 변화 모두를 고려하여 렌즈 유닛(193)을 이동시키는 방법)를 설명하고 있지만, 제1 실시예나 제2 실시예도 가능하다.
도 1 내지 도 3, 도 5 및 도 6을 참조하면, 먼저 영상 촬영부(190)는 열차폐부(160)의 하단에 설치된 측정봉(170)과 측정봉(170)의 그림자에 관한 영상을 획득할 수 있다(S301). 측정봉(170)의 그림자는 도가니(120)에 수용된 용융액(SM)의 표면에 비추어질 수 있다.
챔버(110) 내에는 영상 촬영부(190)의 피사체로서 측정봉(170)과 측정봉 그림자가 영상으로 획득될 수 있다 이와 같이 획득된 측정봉 영상 및 측정봉(170)의 그림자 영상을 포함하는 영상 정보는 제어부(200)로 제공될 수 있다.
제어부(200)는 영상 획득부로부터 제공된 영상 정보를 바탕으로 평균 밝기값 및 초점값을 산출할 수 있다(S303).
평균 밝기값을 산출하기 위해 영상 정보에서 적어도 측정봉 영상을 포함하는 일정 영역이 설정될 수 있다. 상기 설정된 일정 영역 내에 포함된 각 화소의 밝기값을 바탕으로 일정 영역의 평균 밝기값이 산출될 수 있다.
초점값을 산출하기 위해 영상 정보에서 백그라운드 영상과 인접하는 측정봉 영상의 테두리 영역에 포함된 화소들의 평균 밝기값을 산출하고, 이러한 측정봉 영상의 테두리 영역에 포함된 화소들의 평균 밝기값을 측정봉 영상의 테두리 영역을 제외한 측정봉 영상의 나머지 영역에 포함된 화소들의 평균 밝기값을 비교하여 그 비교 결과를 토대로 초점값이 산출될 수 있다.
이러한 초점값 산출 방법은 다양한 방법이 있을 수 있으며, 이러한 다양한 초점값 산출 방법 또한 본 발명의 범주 내에 포함될 수 있다.
제어부(200)는 일정 영역의 평균 밝기값이 기 설정된 평균 밝기 구간을 벗어나는지를 판단할 수 있다(S305).
기 설정된 평균 밝기 구간은 측정봉(170)을 명확히 인식할 수 있는 밝기 구간일 수 있다.
따라서, 일정 영역의 평균 밝기값이 기 설정된 평균 밝기 구간 내에 포함되어야, 영상 촬영부(190)를 통해 측정봉 영상이나 측정봉(170)의 그림자 영상이 명확하게 인식될 수 있어, 측정 에러 없이 멜트 갭 측정이 가능할 수 있다.
일정 영역의 평균 밝기값이 기 설정된 평균 밝기 구간을 벗어나는 경우, 제어부(200)는 렌즈 유닛(193)을 이동시킬 수 있는 제1 구동 제어신호를 생성할 수 있다. 제1 구동 제어신호는 일정 영역의 평균 밝기값이 기 설정된 평균 밝기 구간 내에 포함되도록 렌즈 유닛(193)이 이동되도록 하는 제어 신호일 수 있다.
구동부(210)는 제어부(200)로부터 제공된 제1 구동 제어신호에 응답하여 일정 영역의 평균 밝기값이 기 설정된 평균 밝기 구간 내에 포함될 때까지 렌즈 유닛(193)이 z축 방향, 즉 뷰 포트(180)의 길이 방향을 따라 이동되도록 구동될 수 있다(S307). 따라서, 렌즈 유닛(193)의 이동으로 렌즈 유닛(193)은 측정봉(170)과의 거리가 가까워지거나 멀어질 수 있다.
렌즈 유닛(193)의 이동으로 일정 영역의 평균 밝기값이 기 설정된 평균 밝기 구간 내에 포함되는 경우, 제어부(200)는 상기 산출된 초점값이 기 설정된 초점 구간에 포함되는지를 판단할 수 있다(S309).
기 설정된 초점 구간은 측정봉(170)을 명확히 인식할 수 있는 초점 구간일 수 있다.
도시되지 않았지만, S309가 수행된 후, S305가 수행될 수도 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
상기 산출된 초점값이 기 설정된 초점 구간을 벗어나는 경우, 제어부(200)는 렌즈 유닛(193)을 이동시킬 수 있는 제2 구동 제어신호를 생성할 수 있다.
구동부(210)는 제어부(200)로부터 제공된 제2 구동 제어신호에 응답하여 상기 산출된 초점값이 기 설정된 초점 구간에 포함될 때까지 렌즈 유닛(193)이 z축 방향, 즉 뷰 포트(180)의 길이 방향을 따라 이동되도록 구동될 수 있다. 따라서, 렌즈 유닛(193)의 이동으로 렌즈 유닛(193)은 측정봉(170)과의 거리가 가까워지거나 멀어질 수 있다.
일정 영역의 평균 밝기값이 기 설정된 평균 밝기 구간 내에 포함되는 한편, 상기 산출된 초점값이 기 설정된 초점 구간에 포함되는 경우, 렌즈 유닛(193)은 더 이상 이동되지 않고 현재 상태로 유지될 수 있다(S311).
만일 일정 영역의 평균 밝기값이 기 설정된 평균 밝기 구간에 포함되도록 렌즈 유닛(193)이 이동된 상태에서(S305 및 S307), 초점값이 기 설정된 초점 구간 내에 포함되도록 렌즈 유닛(193)이 다시 이동되는 경우(S309 및 S307), 일정 영역의 평균 밝기값이 기 설정된 평균 밝기 구간을 다시 벗어날 수 있다. 이러한 경우, S305 및 S307로 이동되어 일정 영역의 평균 밝기값이 기 설정된 평균 밝기 구간 내에 포함되도록 렌즈 유닛(193)이 이동될 수 있다.
상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
100: 단결정 잉곳 성장 장치
110: 챔버
120: 도가니
130: 발열체
152, 154: 단열재
160: 열차폐부
170: 측정봉
180: 뷰 포트
190: 영상 촬영부
191: 촬상 유닛
193: 렌즈 유닛
200: 제어부
210: 구동부
201: 멜트 갭 측정부
203: 렌즈 제어부
205: 밝기 산출부
207: 밝기 판단부
209: 구동 제어신호 생성부
211: 초점 산출부
213: 초점 판단부
SM: 용융액

Claims (13)

  1. 도가니 상에 배치된 측정봉;
    상기 측정봉 및 상기 측정봉의 그림자에 관한 영상 정보를 획득하고, 적어도 측정봉에 가까워지거나 멀어지도록 이동 가능한 렌즈 유닛을 포함하는 영상 촬영부; 및
    상기 측정봉의 영상 및 상기 측정봉의 그림자의 영상에 관한 영상 정보를 바탕으로 판단하여 밝기 및 초점 중 적어도 하나에 오류가 있는 경우, 상기 측정봉과의 거리가 가변되도록 상기 렌즈 유닛의 이동을 제어하는 구동 제어신호를 생성하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 측정봉 영상을 포함하는 일정 영역의 평균 밝기를 산출하는 밝기 산출부;
    상기 산출된 평균 밝기값이 기 설정된 평균 밝기 구간을 벗어나는지를 판단하는 밝기 판단부; 및
    상기 산출된 평균 밝기값이 기 설정된 평균 밝기 구간을 벗어나는 경우, 상기 측정봉에 가까워지거나 멀어지도록 상기 렌즈 유닛의 이동을 제어하는 구동 제어신호를 생성하는 구동 제어신호 생성부를 포함하는 단결정 잉곳 성장 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 구동 제어신호 생성부는,
    상기 산출된 평균 밝기값이 상기 기 설정된 평균 밝기 구간의 최대값보다 큰 경우, 상기 렌즈 유닛이 상기 측정봉으로부터 멀어지도록 제어하는 구동 제어신호를 생성하는 단결정 잉곳 성장 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 구동 제어신호 생성부는,
    상기 산출된 평균 밝기값이 상기 기 설정된 평균 밝기 구간의 최소값보다 큰 경우, 상기 렌즈 유닛이 상기 측정봉으로부터 가까워지도록 제어하는 구동 제어신호를 생성하는 단결정 잉곳 성장 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 구동 제어신호 생성부는,
    상기 평균 밝기값이 상기 기 설정된 평균 밝기 구간 내에 포함될 때까지 상기 렌즈 유닛이 이동되도록 제어하는 단결정 잉곳 성장 장치.
  6. 제1항 및 제3항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 측정봉 영상으로부터 초점값을 산출하는 초점 산출부;
    상기 산출된 초점값이 기 설정된 초점 구간을 벗어나는지를 판단하는 초점 판단부; 및
    상기 산출된 초점값이 기 설정된 초점 구간을 벗어나는 경우, 상기 산출된 초점값이 상기 기 설정된 초점 구간 내에 포함되도록 상기 렌즈 유닛의 이동을 제어하는 구동 제어신호를 생성하는 구동 제어신호 생성부를 포함하는 단결정 잉곳 성장 장치.
  7. 제1항 및 제3항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 측정봉 영상으로부터 초점값을 산출하는 초점 산출부;
    상기 산출된 초점값이 기 설정된 초점값과 일치하는지를 판단하는 초점 판단부; 및
    상기 산출된 초점값이 기 설정된 초점값과 일치하지 않는 경우, 상기 산출된 초점값이 상기 기 설정된 초점값과 일치하도록 상기 렌즈 유닛의 이동을 제어하는 구동 제어신호를 생성하는 구동 제어신호 생성부를 포함하는 단결정 잉곳 성장 장치.
  8. 도가니 상에 배치된 측정봉 및 상기 측정봉의 그림자에 관한 영상 정보를 획득하는 단계;
    상기 측정봉의 영상 및 상기 측정봉의 그림자의 영상에 관한 영상 정보를 바탕으로 밝기 및 초점 중 적어도 하나에 오류가 있는지를 판단하는 단계;
    상기 밝기 및 초점 중 적어도 하나에 오류가 있는 경우, 렌즈 유닛의 이동을 제어하는 구동 제어신호를 생성하는 단계; 및
    상기 구동 제어신호에 응답하여 상기 측정봉과의 거리가 가변되도록 상기 렌즈 유닛을 이동시키는 단계를 포함하는,
    상기 오류가 있는지를 판단하는 단계는,
    상기 측정봉 영상을 포함하는 일정 영역의 평균 밝기를 산출하는 단계; 및
    상기 산출된 평균 밝기값이 기 설정된 평균 밝기 구간을 벗어나는지를 판단하는 단계를 포함하고,
    상기 렌즈 유닛을 이동시키는 단계는,
    상기 산출된 평균 밝기값이 기 설정된 평균 밝기 구간을 벗어나는 경우, 상기 측정봉에 가까워지거나 멀어지도록 상기 렌즈 유닛의 이동을 제어하는 단계를 포함하는 단결정 잉곳 성장 장치의 제어 방법.
  9. 삭제
  10. 제8항에 있어서,
    상기 구동 제어신호를 생성하는 단계는,
    상기 산출된 평균 밝기값이 상기 기 설정된 평균 밝기 구간의 최대값보다 큰 경우, 상기 구동 제어신호에 응답하여 상기 렌즈 유닛이 상기 측정봉으로부터 멀어지도록 제어하는 단계를 포함하는 단결정 잉곳 성장 장치의 제어 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 구동 제어신호를 생성하는 단계는,
    상기 산출된 평균 밝기값이 상기 기 설정된 평균 밝기 구간의 최소값보다 큰 경우, 상기 구동 제어신호에 응답하여 상기 렌즈 유닛이 상기 측정봉으로부터 가까워지도록 제어하는 단계를 포함하는 단결정 잉곳 성장 장치의 제어 방법.
  12. 제8항, 제10항 및 제11항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 오류가 있는지를 판단하는 단계는,
    상기 측정봉 영상으로부터 초점값을 산출하는 단계; 및
    상기 산출된 초점값이 기 설정된 초점 구간을 벗어나는지를 판단하는 단계를 포함하고,
    상기 렌즈 유닛을 이동시키는 단계는,
    상기 산출된 초점값이 기 설정된 초점 구간을 벗어나는 경우, 상기 산출된 초점값이 상기 기 설정된 초점 구간 내에 포함되도록 상기 렌즈 유닛의 이동을 제어하는 단계를 포함하는 단결정 잉곳 성장 장치의 제어 방법.
  13. 제8항, 제10항 및 제11항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 오류가 있는지를 판단하는 단계는,
    상기 측정봉 영상으로부터 초점값을 산출하는 단계; 및
    상기 산출된 초점값이 기 설정된 초점값과 일치하는지를 판단하는 단계를 포함하고,
    상기 렌즈 유닛을 이동시키는 단계는,
    상기 산출된 초점값이 기 설정된 초점값과 일치하지 않는 경우, 상기 산출된 초점값이 상기 기 설정된 초점값과 일치하도록 상기 렌즈 유닛의 이동을 제어하는 단계를 포함하는 단결정 잉곳 성장 장치의 제어 방법.
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