KR102662342B1 - 잉곳 성장 제어 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 도가니에 구비된 융액으로부터 성장된 잉곳의 직경을 측정한 측정 직경과 타겟 직경에 대한 직경 오차를 산출하고, 직경 오차를 기초로 잉곳의 설정 인상 속도를 산출하는 직경 제어부와, 잉곳의 설정 인상 속도를 기초로 모터를 제어하는 속도 설정부와, 잉곳의 인상 속도를 측정한 측정 인상 속도와 타겟 인상 속도를 기초로 설정 히터 파워를 산출하는 히터 파워 제어부와, 설정 히터 파워를 히터에 공급하는 전원 공급부를 포함하는 잉곳 성장 제어 장치를 제공한다.

Description

잉곳 성장 제어 장치 및 방법{APPARATUS FOR CONTROLLING INGOT GROWTH AND METHOD THEREOF}
본 발명은 잉곳 성장 제어 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 잉곳의 요구되는 품질과 목표 직경에 맞도록 인상 속도와 히터 파워를 정밀하게 제어할 수 있는 잉곳 성장 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
웨이퍼의 제조를 위해서는 단결정 실리콘을 잉곳(ingot) 형태로 성장시키는데, 웨이퍼의 품질은 실리콘 잉곳의 품질에 직접적인 영향을 받으므로 단결정 잉곳을 성장시킬 때부터 고도의 공정 제어 기술이 필요하게 된다.
실리콘 단결정 잉곳을 성장시킬 때 Czochralski(CZ) 결정 성장 방식을 주로 사용하는데, 이 방식을 사용하여 성장된 단결정의 품질에 가장 직접적인 영향을 미치는 중요한 인자는 결정의 성장 속도(V)와 고액계면에서의 온도 구배(G)의 비인 V/G로 알려져 있다. 따라서, 이 V/G를 결정 성장의 전구간에 걸쳐 설정된 목표 궤적 값으로 제어하는 것이 중요하다.
도 1은 종래 기술에 따른 잉곳의 성장 제어장치를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래 기술에 따른 잉곳 성장 제어장치(100)는 직경 제어기(110), 인상 속도 제어기(120) 및 온도 제어기(130)를 포함하여 구성된다.
직경 제어기(110)는 잉곳의 실제 측정 직경과 타겟 직경을 입력 받아 이들 직경의 차이를 기초로 잉곳의 인상 속도를 산출하여 모터의 회전 속도를 제어한다. 여기서, 잉곳의 실제 측정 직경은 잉곳을 촬영하는 카메라에 의해 측정되거나 멜트와 잉곳 사이의 국소 영역의 온도 측정을 통한 간접 방식에 의해 측정된다.
인상 속도 제어기(120)는 잉곳의 실제 인상 속도와 타겟 인상 속도를 입력 받아 이들 속도 차이를 기초로 잉곳의 타겟 온도를 산출한다. 여기서, 잉곳의 실제 인상 속도는 모터에 구비되는 엔코더 또는 독립적인 엔코더를 통해 측정된다.
온도 제어기(130)는 잉곳의 실제 온도와 타겟 온도를 입력 받아 이들 온도 차이를 기초로 히터 파워를 산출하여 히터를 제어할 수 있다. 여기서, 잉곳의 실제 온도는 잉곳 성장 장치 내부에 구비되는 온도 센서를 통해 측정된다.
이와 같이, 종래 기술에 따른 잉곳의 성장 제어 장치는, 잉곳의 인상 속도와 품질을 제어하기 위해, 잉곳의 직경 측정에서부터 잉곳의 실제 온도 및 목표 온도 의 차이를 반영하여 히터의 파워를 제어하기까지 여러 과정을 거쳐야 한다.
따라서, 실제로 잉곳의 직경과 품질을 제어하는데 있어 비교적 긴(약 5~20분) 응답 시간이 존재하게 되어, 즉각적으로 잉곳의 인상 속도와 온도를 제어하는데 한계가 있다. 특히, 공정이 진행되면서 히터로부터 공급되는 열과 멜트 잠열에 의해 공급되는 열이 지속적으로 변화됨에 따라 히터 파워를 제어하는데 있어 공정 시간 경과에 따라 제어 성능도 차이가 발생되어 정밀한 제어에 한계가 발생된다.
이러한 종래의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 실시 예들은 잉곳 성장 시에 온도 보정량을 고려하지 않고 잉곳의 직경과 인상 속도만을 이용하여 잉곳 성장을 제어할 수 있는 잉곳 성장 제어 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 실시 예들은 모델 예측 제어(MPC; Model Prediction Control)를 통해 잉곳 직경의 정밀도를 향상시키고, 인상 속도의 변동폭을 줄이는 것을 목적으로 한다. 또한, 상기의 모델 예측 제어(MPC; Model Prediction Control)를 사용하는데 있어서 기존의 PID 제어방식과의 Hybrid 형태로 사용될 수 있다. 이는 일반적으로 쵸크랄스키 단결정 성장공정을 진행하는데 있어서 열평형을 맞추기 위해 인입되는 열은 Heater Power와 Silicon Melt로부터 인가되는 잠열(latent heat)이며, 실리콘 잉곳이 성장되면서 Silicon Melt가 줄어들고 그에 따라 Heater Power는 증가될 수 밖에 없는 형태를 띠게 되면서 모델 예측제어 모델에 적합하다. 하지만 직경의 정밀도를 유지하기에는 응답속도가 빠른 PID 기반의 Feedback 제어가 유리한 측면이 있기 때문에 오직 PID 제어 또는 오직 MPC 제어 형태 보다는 Hybrid 형태가 실리콘 단결정 성장에 유리하다.
또한, 본 발명의 실시예들은 제어의 정밀도를 향상시키기 위해 데이터 필터로는 칼만(Kalmann) 필터를 사용하며, 히터 파워의 정밀도를 향상시키기 위해서 패턴 기반 제어(PBC; Pattern Based Control) 방식을 사용하여, 종래의 결정 성장 속도 등의 제어를 하는데 있어서 정밀도를 보다 향상시키고자 한다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은, 도가니에 구비된 융액으로부터 성장된 잉곳의 직경을 측정한 측정 직경과 타겟 직경에 대한 직경 오차를 산출하고, 직경 오차를 기초로 상기 잉곳의 설정 인상 속도를 산출하는 직경 제어부와, 잉곳의 설정 인상 속도를 기초로 모터를 제어하는 속도 설정부와, 잉곳의 인상 속도를 측정한 측정 인상 속도와 타겟 인상 속도를 기초로 설정 히터 파워를 산출하는 히터 파워 제어부와, 설정 히터 파워를 히터에 공급하는 전원 공급부를 포함하는 잉곳 성장 제어 장치를 제공한다.
여기서, 직경 제어부는 모델 예측 제어(MPC; Model Prediction Control)를 수행하여 잉곳의 설정 인상 속도를 산출할 수 있다. 또한 ADC (Automatic Diameter Control) 제어의 경우 종래의 PID 제어 로직을 사용하되, APC(Automatic Power Control) 제어는 MPC 제어로직을 통합적으로 사용하여, 균일 직경 제어 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 직경 제어부는 패턴 기반 제어(PBC; Pattern Based Control)를 수행하여 설정 인상 속도를 세분화할 수 있다.
또한, 직경 제어부는 세분화된 설정 인상 속도를 펄스 주파수 변조(PFM; pulse frequency modulation)를 수행하여 속도 설정부에 출력할 수 있다.
또한, 히터 파워 제어부는 모델 예측 제어(MPC; model predictive control)를 수행하여 설정 히터 파워를 산출할 수 있다.
또한, 히터 파워 제어부는 패턴 기반 제어(PBC; Pattern Based Control)를 수행하여 설정 히터 파워를 세분화할 수 있다.
또한, 히터 파워 제어부는 세분화된 설정 히터 파워를 펄스 주파수 변조(PFM; pulse frequency modulation)를 수행하여 전원 공급부에 출력할 수 있다.
또한, 본 발명의 잉곳 성장 제어 장치는, 잉곳의 측정 직경에서 노이즈를 제거하여 직경 제어부에 정밀도를 향상시키기 위해 칼만 필터를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은, 전자 제어 장치를 이용해 잉곳 성장을 제어하는 방법으로서, 도가니에 구비된 융액으로부터 성장된 잉곳의 직경을 측정한 측정 직경과 타겟 직경에 대한 직경 오차를 산출하는 단계와, 직경 오차를 기초로 잉곳의 설정 인상 속도를 산출하는 단계와, 잉곳의 설정 인상 속도를 기초로 모터를 제어하는 단계와, 잉곳의 인상 속도를 측정한 측정 인상 속도와 타겟 인상 속도를 기초로 설정 히터 파워를 산출하는 단계와, 설정 히터 파워를 히터에 공급하는 단계를 포함하는 잉곳 성장 제어 방법을 제공한다.
또한, 잉곳의 설정 인상 속도를 산출하는 단계는, 모델 예측 제어(MPC; Model Prediction Control)를 수행하여 잉곳의 설정 인상 속도를 산출하는 단계일 수 있다.
또한, 잉곳의 설정 인상 속도를 산출하는 단계는 패턴 기반 제어(PBC; Pattern Based Control)를 수행하여 설정 인상 속도를 세분화하는 단계일 수 있다.
또한, 잉곳의 설정 인상 속도를 산출하는 단계는 세분화된 설정 인상 속도를펄스 주파수 변조(PFM; pulse frequency modulation)를 수행하여 출력하는 단계일 수 있다.
또한, 설정 히터 파워를 산출하는 단계는 모델 예측 제어(MPC; model predictive control)를 수행하여 설정 히터 파워를 산출하는 단계일 수 있다.
또한, 설정 히터 파워를 산출하는 단계는 패턴 기반 제어(PBC; Pattern Based Control)를 수행하여 설정 히터 파워를 세분화하는 단계일 수 있다.
또한, 설정 히터 파워를 산출하는 단계는 세분화된 설정 히터 파워를 펄스 주파수 변조(PFM; pulse frequency modulation)를 수행하여 출력하는 단계일 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 잉곳 성장 제어 장치 및 방법은, 잉곳 성장 시에 온도 보정량을 고려하지 않고 잉곳의 직경과 인상 속도만을 이용하여 잉곳 성장을 제어함으로써, 온도 보정량 고려로 인해 소모되는 시간을 제거할 수 있어 보다 즉각적으로 잉곳 성장을 제어할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 잉곳 성장 제어 장치 및 방법은, 설정 인상 속도 및 설정 히터 파워를 패턴 기반으로 세분화하여 출력함으로써, 에러 편차를 줄여 인상 속도 및 히터 파워의 제어 정밀도를 항상시킬 수 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 잉곳의 성장 제어장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 잉곳 성장 장치를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 잉곳 성장 제어장치를 나타낸 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 잉곳 성장 장치가 수행하는 모델 예측 제어 화면을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 잉곳 성장 제어방법을 설명하기 위한 순서도이다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 형태를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면과 함께 이하에 개시될 상세한 설명은 본 발명의 예시적인 실시형태를 설명하고자 하는 것이며, 본 발명이 실시될 수 있는 유일한 실시형태를 나타내고자 하는 것이 아니다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략할 수 있고, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 사용할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 잉곳 성장 장치를 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 잉곳 성장 제어 장치의 블록도이고, 도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 잉곳 성장 장치가 수행하는 모델 예측 제어(MPC; model predictive control) 화면을 도시한 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 잉곳 성장 장치(300)는 Czochralski(CZ) 결정 성장 방식을 이용하여 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 장치이다.
여기서, CZ 결정 성장 방식은 용융되어있는 융액(Melt)에서 단결정 잉곳을 서서히 냉각시키며 상부로 인상하는 방식인데, 이때 단결정 잉곳의 직경을 일정하게 유지함과 동시에 인상 속도 및 온도가 정밀하게 제어되는 것이 중요하다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 잉곳 성장 장치(300)는 챔버(301) 내에 단결정 실리콘 잉곳(IG)을 성장시키기 위해 용융 실리콘(SM)을 담고 있는 도가니(310)와, 도가니(310)를 가열하는 히터(320)와, 단결정 잉곳(IG)을 회전시키면서 인상하기 위한 모터(350)와, 단결정 잉곳(IG)의 직경을 측정하는 센서부(340)를 포함하여 구성될 수 있다.
도면에는 도시하지 않았지만, 단결정 실리콘 잉곳(IG)으로부터 방사되는 열을 차단하는 열실드를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 잉곳 성장 제어 장치(200)는 종래의 PID(Prpotional Integral Derivative) 제어 방식과 달리 MIMO(Multiple Inputs Multiple Outputs) 시스템에 유리한 모델 예측 제어(MPC; model predictive control)를 수행하여 인상 속도 및 히터 파워를 통합적으로 제어하는 것을 특징으로 한다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 잉곳 성장 제어 장치(200)는 필터부(210), 직경 제어부(220), 속도 설정부(230), 히터 파워 제어부(240) 및 전원 공급부(250)를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 잉곳 성장 제어 장치(200)는 센서부(340)에 의해 측정된 잉곳의 직경을 기초로 모터(350)의 회전 속도 및 히터(320)의 파워를 제어하여, 잉곳의 직경 및 품질을 통합적으로 제어할 수 있다.
이를 위해, 잉곳 성장 제어 장치(200)는 잉곳 성장 장치(300)와의 통신을 통해 잉곳 성장과 관련된 신호를 잉곳 성장 장치(300)에 전송할 수 있다.
센서부(340)는 도가니(310)에 구비된 융액으로부터 성장된 잉곳의 직경을 실시간 또는 주기적으로 측정할 수 있다. 예를 들어, 센서부(340)는 잉곳(IG)과 용융 실리콘(SM) 사이의 경계면인 메니스커스의 위치 또는 온도를 측정함으로써 잉곳의 직경을 측정할 수 있다.
여기서, 센서부(340)는 적외선 온도센서, CCD 또는 CMOS형의 카메라 등으로 구성될 수 있다. 이하, 센서부(340)에 의해 측정된 잉곳의 직경을 측정 직경이라고 칭하겠다.
한편, 센서부(340)의 자체 민감도를 비롯하여 외부 노이즈와 설치 위치 등으로 인해 잉곳의 측정 직경이 달라질 수 있다. 이에 따라, 센서부(340)에 의해 측정된 잉곳의 측정 직경을 필터링하는 필터부(210)를 구비하는 것이 바람직하다.
구체적으로, 필터부(210)는 센서부(340)로부터 잉곳의 측정 직경에 대한 직경 데이터를 제공받을 수 있으며, 직경 데이터에서 노이즈를 제거하여 직경 제어부(220)에 제공할 수 있다. 이를 위해, 필터부(210)는 칼만 필터(kalman filter)가 적용될 수 있다.
여기서, 칼만 필터는, 노이즈가 포함되어 있는 측정치를 바탕으로 선형 역학계의 상태를 추정하는 재귀 필터로서, 컴퓨터 비전, 로봇 공학 및 레이더 등의 다양한 분야에 사용된다.
센서부(340)는, 용융 실리콘(SM)과 열실드 사이의 거리인 맬트 갭(melt gap)을 측정할 수 있으며, 도가니(310)의 회전 속도(Crucible Rotation)을 측정할 수 있다.
직경 제어부(220)는 잉곳의 측정 직경과 기 설정된 타겟 직경에 대한 직경 오차를 산출하고, 직경 오차를 기초로 잉곳의 설정 인상 속도를 산출할 수 있다.
구체적으로, 직경 제어부(220)는 직경 오차를 기초로 PID 제어 또는 모델 예측 제어(MPC; Model Prediction Control)를 수행하여 잉곳의 설정 인상 속도를 산출할 수 있다.
모델 예측 제어는, 기본적으로　피드 포워드(feed forward) 제어로서, 제어하고자 하는 대상의 출력값(output)을 측정하여 이를 기반으로 미래 출력값을 예측하고 이를 최적화하여 제어에 필요한 제어값을 계산하는 구조로 되어 있다.
여기서, 잉곳의 설정 인상 속도는 직경 오차를 최소화하기 위해 변경해야 하는 잉곳의 인상 속도일 수 있다.
직경 제어부(220)는 잉곳의 측정 직경과 타겟 직경 간 직경 오차가 클수록 설정 인상 속도를 더 큰 값으로 산출할 수 있다.
또한, 직경 제어부(220)는 잉곳의 측정 직경과 타겟 직경 간 직경 오차가 제1 임계치 이상인 경우에 한해 잉곳의 설정 인상 속도를 산출할 수도 있다.
직경 제어부(220)는, 설정 인상 속도를 산출함에 있어, 맬트 갭(melt gap)과 도가니(310)의 회전 속도(Crucible Rotation)를 반영함으로써, 더욱더 정확한 설정 인상 속도를 산출할 수 있다.
직경 제어부(220)는 패턴 기반 제어(PBC; Pattern Based Control)를 수행하여 잉곳의 설정 인상 속도를 세분화하여 출력할 수 있다. 이 때, 세분화된 설정 인상 속도를 평균한 값이 설정 인상 속도가 된다.
구체적으로, 직경 제어부(220)는, 설정 인상 속도의 제어 주기(예컨대, 10초)를 설정하고, 제어 주기를 복수의 시구간(예컨대, 1초 단위로 30구간)으로 분할한다.
그리고, 직경 제어부(220)는, 설정 인상 속도 별로 서로 다른 복수의 패턴을 설정한다. 예를 들어, 0번 내지 9번 패턴까지 총 10개의 패턴을 설정할 수 있다.
여기서, 복수의 패턴은 설정 인상 속도 별로 복수의 시구간에 대해 서로 다른 세분화된 설정 인상 속도가 할당될 수 있다. 예를 들어, 패턴 번호가 높을수록 복수의 시구간 중 적어도 일부 시구간에 더 빠른 세분화된 설정 인상 속도가 할당될 수 있다. 이에 따라, 평균 설정 인상 속도는 패턴 번호가 높을수록 더 빠를 수 있다.
예를 들어, 0번 패턴은 복수의 시구간에 대해 모두 동일한 값을 갖는 세분화된 설정 인상 속도가 할당될 수 있으며, 1번 패턴은 복수의 시구간 중 일부 시구간에 0번 패턴 보다 더 높은 세분화된 설정 인상 속도가 할당될 수 있다.
직경 제어부(220)는 패턴 기반으로 세분화된 잉곳의 설정 인상 속도를 펄스 주파수 변조(PFM; pulse frequency modulation)를 수행하여 잉곳의 설정 인상 속도에 대한 패턴 기반의 주파수 신호를 속도 설정부(230)에 제공할 수 있다.
여기서, 펄스 주파수 변조는 고정 ON 시간 타입과 고정 OFF 시간 타입이 있다. 고정 ON 시간 타입을 예로 들면 ON 시간은 일정하고 OFF 시간만 변한다. 즉, 주기가 변동되며 ON 되기까지의 시간이 달라진다. 이 때, 부하가 커질수록 ON 횟수를 늘려 부하에 대응할 수 있다.
이와 같은 펄스 주파수 변조는 경부하 시 전력 추가가 비교적 적게 필요하므로, 스위칭 주파수가 낮아지고 스위칭 횟수가 줄어 스위칭 손실이 감소하기 때문에 경부하 시에도 고효율을 유지할 수 있는 장점이 있다.
전술한 바와 같이, 펄스 주파수 변조는 신호 레벨에 따라 주파수를 변조시키는 것을 의미하며, 신호 레벨이 크면 펄스 주기가 짧아지고 주파수가 높아지는데, 신호 레벨의 크기는 설정 패턴에 의해 정해진다.
속도 설정부(230)는 직경 제어부(220)로부터 제공 받은 잉곳의 설정 인상 속도에 대한 패턴 기반 주파수 신호를 기초로 모터(350)를 제어하여 잉곳의 인상 속도를 변경할 수 있다. 여기서, 잉곳의 인상 속도는 주파수 신호의 주파수가 높을수록 더 빨라질 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 잉곳 성장 제어 장치(200)는 설정 인상 속도를 패턴 기반으로 세분화하여 출력함으로써, 인상 속도의 제어 정밀도를 향상시킬 수 있다.
또한, 잉곳의 인상 속도는 모터(350)에 구비된 엔코더 또는 독립적인 엔코더에 의해 실시간 또는 주기적으로 측정될 수 있다. 이하, 엔코더에 의해 측정된 잉곳의 인상 속도를 측정 인상 속도라고 칭하겠다.
엔코더는 센서의 일종으로 모터(350)의 회전수와 속도를 감지할 수 있으며, 광학식(Optical) 및 자기식(Magnetic) 엔코더가 있다.
속도 설정부(230)는 잉곳의 측정 인상 속도에 대한 데이터를 엔코더로부터 제공받아 이를 히터 파워 제어부(240)에 제공할 수 있다.
히터 파워 제어부(240)는 속도 설정부(230)로부터 제공받은 잉곳의 측정 인상 속도와 기 설정된 타겟 인상 속도에 대한 인상 속도 오차를 산출할 수 있다.
구체적으로, 히터 파워 제어부(240)는 잉곳의 측정 인상 속도 및 타겟 인상 속도를 기초로 모델 예측 제어(MPC; model predictive control)를 수행하여 인상 속도 오차를 최소화하기 위한 잉곳의 설정 인상 온도 및 이에 따른 설정 히터 파워를 산출할 수 있다.
모델 예측 제어는, 기본적으로　피드 포워드(feed forward) 제어로서, 제어하고자 하는 대상의 출력값(output)을 측정하여 이를 기반으로 미래 출력값을 예측하고 이를 최적화하여 제어에 필요한 제어값을 계산하는 구조로 되어 있다.
여기서, 히터 파워 제어부(240)는 인상 속도 오차가 클수록 잉곳의 설정 인상 온도 및 설정 히터 파워를 더 높은 값으로 산출할 수 있다.
히터 파워 제어부(240)는, 설정 히터 파워를 산출함에 있어, 맬트 갭(melt gap)과 도가니(310)의 회전 속도(Crucible Rotation)를 반영함으로써, 더욱더 정확한 설정 인상 속도를 산출할 수 있다.
히터 파워 제어부(240)는 잉곳의 측정 인상 속도와 타겟 인상 속도 간 인상 속도 오차가 제2 임계치 이상인 경우에 한해 잉곳의 설정 인상 온도 및 설정 히터 파워를 산출할 수도 있다.
한편, 설정 히터 파워를 세분화하지 않고 출력할 경우 에러 편차는 0.025KW로 나타나며, 이로 인해 히터 파워를 정밀하게 제어하는데 어려움이 있었다.
그러나, 본 발명의 실시예에 따른 잉곳 성장 제어 장치(200)는, 설정 히터 파워를 패턴 기반으로 세분화하여 출력함으로써, 에러 편차를 기존의 20%인 0.005KW로 줄여 히터 파워의 제어 정밀도를 약 5배 상승시킬 수 있다.
이를 위해, 히터 파워 제어부(240)는 패턴 기반 제어(PBC; Pattern Based Control)를 수행하여 설정 히터 파워를 세분화하여 출력할 수 있다. 이 때, 세분화된 설정 히터 파워를 평균한 값이 설정 히터 파워가 된다.
구체적으로, 히터 파워 제어부(240)는, 설정 히터 파워의 제어 주기(예컨대, 30초)를 설정하고, 제어 주기를 복수의 시구간(예컨대, 1초 단위로 30구간)으로 분할한다.
그리고, 히터 파워 제어부(240)는, 산출된 설정 히터 파워 별로 서로 다른 복수의 패턴을 설정한다. 예를 들어, 0번 내지 9번 패턴까지 총 10개의 패턴을 설정할 수 있다.
여기서, 복수의 패턴은 설정 히터 파워 별로 복수의 시구간에 대해 서로 다른 세분화된 히터 파워가 할당될 수 있다. 예를 들어, 패턴 번호가 높을수록 복수의 시구간 중 전반부에 더 높은 세분화된 히터 파워가 할당될 수 있다. 이에 따라, 평균 설정 히터 파워는 패턴 번호가 높을수록 더 빠를 수 있다.
예를 들어, 0번 패턴은 복수의 시구간에 대해 모두 동일한 값을 갖는 세분화된 설정 히터 파워가 할당될 수 있으며, 1번 패턴은 복수의 시구간 중 일부 시구간에 0번 패턴 보다 더 높은 세분화된 설정 히터 파워가 할당될 수 있다.
히터 파워 제어부(240)는 패턴 기반으로 세분화된 설정 히터 파워를 펄스 주파수 변조(PFM; pulse frequency modulation)를 수행하여 설정 히터 파워에 대한 패턴 기반의 주파수 신호를 전원 공급부(250)에 제공할 수 있다.
여기서, 펄스 주파수 변조는 고정 ON 시간 타입과 고정 OFF 시간 타입이 있다. 고정 ON 시간 타입을 예로 들면 ON 시간은 일정하고 OFF 시간만 변한다. 즉, 주기가 변동되며 ON 되기까지의 시간이 달라진다. 이 때, 부하가 커질수록 ON 횟수를 늘려 부하에 대응할 수 있다.
이와 같은 펄스 주파수 변조는 경부하 시 전력 추가가 비교적 적게 필요하므로, 스위칭 주파수가 낮아지고 스위칭 횟수가 줄어 스위칭 손실이 감소하기 때문에 경부하 시에도 고효율을 유지할 수 있는 장점이 있다.
전술한 바와 같이, 펄스 주파수 변조는 신호 레벨에 따라 주파수를 변조시키는 것을 의미하며, 신호 레벨이 크면 펄스 주기가 짧아지고 주파수가 높아지는데, 신호 레벨의 크기는 설정 패턴에 의해 정해진다.
전원 공급부(250)는 설정 히터 파워에 대한 패턴 기반 주파수 신호를 기초로 히터(320)를 제어할 수 있다.
즉, 전원 공급부(250)는 히터 파워 제어부(240)로부터 패턴 기반 주파수 신호를 입력 받아 잉곳의 설정 인상 온도에 해당하는 설정 히터 파워를 히터(320)에 공급할 수 있다. 여기서, 설정 히터 파워는 주파수가 높을수록 더욱 커질 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 잉곳 성장 제어 장치(200)는 잉곳 성장 시에 잉곳 성장 온도 보정량을 고려하지 않고 잉곳의 직경과 인상 속도만을 이용하여 잉곳 성장을 제어함으로써, 온도 보정량 고려로 인해 소모되는 시간을 제거할 수 있어 보다 즉각적으로 잉곳 성장을 제어할 수 있는 효과가 있다. 이에 따라, 원하는 잉곳의 직경과 품질을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 잉곳 성장 제어 장치(200)는 설정 히터 파워를 패턴 기반으로 세분화하여 출력함으로써, 히터 파워의 제어 정밀도를 향상시킬 수 있다.
또한, 도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 잉곳 성장 제어 장치(200)는 모델 예측 제어(MPC; model predictive control) 방법을 소프트웨어로 구현하여 인상 속도 및 히터 파워를 제어할 수 있으며, 제어 과정 및 결과를 디스플레이를 통해 표시할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 잉곳 성장 제어 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
이하, 도 2 내지 도 6을 참조하여, 본 발명의 실시 예에 따른 잉곳 성장 제어 방법을 설명하되, 전술한 내용과 중복된 내용에 대해서는 생략하겠다.
먼저, 도가니(310)에 구비된 융액으로부터 성장된 잉곳의 직경 및 인상 속도를 실시간 또는 주기적으로 측정하여(301), 잉곳의 직경 및 인상 속도 데이터를 획득한다.
이 때, 직경 및 인상 속도 데이터는 칼만 필터(kalman filter)에 의해 노이즈가 제거될 수 있다.
다음, 잉곳의 측정 직경과 기 설정된 타겟 직경에 대한 직경 오차를 산출한다(302).
다음, 직경 오차가 제1 임계치 이상인지 판단한다(304).
판단 결과, 직경 오차가 제1 임계치 이상이면 직경 오차를 기초로 잉곳의 설정 인상 속도를 산출한다(306). 이 때, 직경 오차를 기초로 모델 예측 제어(MPC; Model Prediction Control)를 수행하여 잉곳의 설정 인상 속도를 산출할 수 있다.
여기서, 잉곳의 설정 인상 속도는 직경 오차를 최소화하기 위해 변경해야 하는 잉곳의 인상 속도일 수 있다.
또한, 306단계는 패턴 기반 제어(PBC; Pattern Based Control)를 수행하여 설정 인상 속도를 세분화할 수 있다.
또한, 306단계는 패턴 기반으로 세분화된 설정 인상 속도를 펄스 주파수 변조(PFM; pulse frequency modulation)를 수행하여 설정 인상 속도에 대한 패턴 기반 주파수 신호를 출력할 수 있다.
다음, 잉곳의 설정 인상 속도에 대한 패턴 기반 주파수 신호를 기초로 모터(350)를 제어하여 잉곳의 인상 속도를 변경한다.
301 단계는, 모터(350)에 구비된 엔코더 또는 독립적인 엔코더를 통해 잉곳의 인상 속도를 실시간 또는 주기적으로 측정하는 단계이다.
301 단계 이후, 잉곳의 측정 인상 속도와 기 설정된 타겟 인상 속도에 대한 인상 속도 오차를 산출한다(303).
다음, 인상 속도 오차가 제2 임계치 이상인지 판단한다(305).
판단 결과, 잉곳의 측정 인상 속도와 타겟 인상 속도 간 속도 오차가 제2 임계치 이상이면 잉곳의 설정 인상 온도 및 이에 따른 히터 파워를 산출한다(307). 이 때, 잉곳의 측정 인상 속도 및 타겟 인상 속도를 기초로 모델 예측 제어(MPC; model predictive control)를 수행하여 인상 속도 오차를 최소화하기 위한 잉곳의 설정 인상 온도 및 이에 따른 히터 파워를 산출할 수 있다.
또한, 307단계는 패턴 기반 제어(PBC; Pattern Based Control)를 수행하여 설정 히터 파워를 세분화할 수 있다.
또한, 307단계는 패턴 기반으로 세분화된 설정 히터 파워를 펄스 주파수 변조(PFM; pulse frequency modulation)를 수행하여 히터 파워에 대한 주파수 신호를 출력할 수 있다. 그리고, 세부화된 히터 파워에 대한 주파수 신호를 기초로 히터(320)를 제어할 수 있다. 즉, 설정 히터 파워에 해당하는 히터 파워 제어 신호를 히터(320)에 출력할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 잉곳 성장 제어 방법은, 잉곳 성장 시에 잉곳 성장 온도 보정량을 고려하지 않고 잉곳의 직경과 인상 속도만을 이용하여 잉곳 성장을 제어함으로써, 온도 보정량 고려로 인해 소모되는 시간을 제거할 수 있어 보다 즉각적으로 잉곳 성장을 제어할 수 있는 효과가 있다. 이에 따라, 원하는 잉곳의 직경과 품질을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 잉곳 성장 제어 방법은, 설정 히터 파워를 패턴 기반으로 세분화하여 출력함으로써, 에러 편차를 줄여 히터 파워의 제어 정밀도를 항상시킬 수 있다.
본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 따라서 본 발명의 범위는 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상을 바탕으로 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
200: 잉곳 성장 제어 장치
210: 필터부
220: 직경 제어기
230: 속도 설정부
240: 히터 파워 제어기
250: 전원 공급부

Claims (13)

  1. 도가니에 구비된 융액으로부터 성장된 잉곳의 직경을 측정한 측정 직경과 타겟 직경에 대한 직경 오차를 산출하고, 상기 직경 오차를 기반으로 모델 예측 제어(MPC; Model Prediction Control)를 수행하여 상기 잉곳의 설정 인상 속도를 산출하고, 패턴 기반 제어(PBC; Pattern Based Control)를 수행하여 상기 설정 인상 속도를 세분화하고, 상기 세분화된 설정 인상 속도별로 서로 다른 복수의 패턴을 설정하는 직경 제어부;
    상기 잉곳의 설정 인상 속도를 기초로 모터를 제어하는 속도 설정부;
    상기 잉곳의 인상 속도를 측정한 측정 인상 속도와 타겟 인상 속도를 기반으로 모델 예측 제어를 수행하여 설정 히터 파워를 산출하는 히터 파워 제어부; 및
    상기 설정 히터 파워를 히터에 공급하는 전원 공급부
    를 포함하는 잉곳 성장 제어 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 히터 파워 제어부는
    패턴 기반 제어(PBC; Pattern Based Control)를 수행하여 상기 설정 히터 파워를 세분화하는
    잉곳 성장 제어 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 직경 제어부는
    상기 도가니의 회전 속도 및 멜트 갭을 반영하여 상기 잉곳의 설정 인상 속도를 산출하고
    상기 히터 파워 제어부는
    상기 도가니의 회전 속도 및 멜트 갭을 반영하여 상기 설정 히터 파워를 산출하는
    잉곳 성장 제어 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 잉곳의 측정 직경에서 노이즈를 제거하여 상기 직경 제어부에 제공하는 칼만 필터
    를 더 포함하는 잉곳 성장 제어 장치.
  9. 전자 제어 장치를 이용해 잉곳 성장을 제어하는 방법으로서,
    도가니에 구비된 융액으로부터 성장된 잉곳의 직경을 측정한 측정 직경과 타겟 직경에 대한 직경 오차를 산출하는 단계;
    상기 직경 오차를 기반으로 모델 예측 제어(MPC; Model Prediction Control)를 수행하여 상기 잉곳의 설정 인상 속도를 산출하고, 패턴 기반 제어(PBC; Pattern Based Control)를 수행하여 상기 설정 인상 속도를 세분화하고, 상기 세분화된 설정 인상 속도별로 서로 다른 복수의 패턴을 설정하는 단계;
    상기 잉곳의 설정 인상 속도를 기초로 모터를 제어하는 단계;
    상기 잉곳의 인상 속도를 측정한 측정 인상 속도와 타겟 인상 속도를 기반으로 모델 예측 제어를 수행하여 설정 히터 파워를 산출하는 단계; 및
    상기 설정 히터 파워를 히터에 공급하는 단계
    를 포함하는 잉곳 성장 제어 방법.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 설정 히터 파워를 산출하는 단계는
    패턴 기반 제어(PBC; Pattern Based Control)를 수행하여 상기 설정 히터 파워를 세분화하는 단계인
    잉곳 성장 제어 방법.
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