KR20000068898A - 결정 생성용 용탕을 모니터하는 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 결정 생성용 용탕을 모니터하는 장치에 관한 것이다. 도가니 내용물의 표면 중 적어도 일부분의 이미지를 찍는 카메라가 제공된다. 평가유닛을 사용하여 도가니의 내용물 표면 중 고상부분 및 액상부분에 대하여 카메라에 찍힌 이미지를 평가한다.

Description

결정 생성용 용탕을 모니터하는 방법 및 장치 {METHOD AND DEVICE FOR MONITORING A MELT FOR THE PRODUCING CRYSTALS}
소정의 물질, 예를 들면, 폴리 Si 물질이 석영 도가니(quartz crucible) 내에서 완전히 용융될 때, 급격하지 않고 점진적으로 고체상태에서 액체상태로 전이(transition)되는 것이 일반적이다. 결정(結晶)을 생성하는 실제 공정에서는 소정의 용탕(melt)의 상태를 정확하게 알거나 또는 확인가능한 것이 매우 중요한데, 그 이유는 이 상태가 후속 처리 단계를 지시하기 때문이다.
경험이 많은 용탕 전문가는 도가니의 표면 외관을 보고 용탕의 상태를 정확하게 추측할 수 있다. 또한, 파이로미터(pyrometers)를 센서로 사용하여 용탕의 상태를 자동 확인하는 방법이 공지되어 있지만, 이러한 자동 확인 방법에서는 장시간 불변값(long time constants)을 포함하여 소정의 조절을 해야 하지만 이러한 조절은 신뢰할 수 없다.
단결정(monocrystal)의 인상공정(drawing process)의 자동 조절이 개선된 각종의 방법이 이미 제안되어 있다. 예를 들면, 수많은 조건에 따라 인상공정에 영향을 미치는 데이터를 기록하고 다른 데이터와 비교하면서 각기 다른 결정을 인상하는 용탕으로부터 단결정을 인상하는 공정이 알려져 있다(EP 0 536 405 A1 참조). 이 방법에서는, 예를 들어 도가니 내에 위치된 용융물질의 표면에 레이저빔을 충돌시킨다. 반사된 레이저빔을 확인함으로써 용융 표면 위치가 측정될 수 있고, 도가니는 측정된 위치와 소정의 위치 간의 차이에 따라 상승된다. 그러나, 이러한 공지의 방법으로는 용융 단계 도중에 신뢰성 있는 공정을 모니터할 수 없다.
용탕으로부터 인상된 실리콘 결정의 직경을 텔레비전 카메라의 도움으로 측정하는, 실리콘 결정 성장 조절용 광학 시스템 또는 공정도 또한 공지되어 있으며, 이러한 광학 시스템 및 공정에서는 용탕의 표면이 실리콘 결정에 아주 근접하여 밝은 영역으로 보일 수 있는 메니스커스(meniscus)로 나타난다(EP 0 745 830 A2 참조). 상기 광학 시스템에서는 카메라를 사용하여 실리콘 결정에 근접한 밝은 영역 부분의 이미지 패턴이 생성된 다음, 이미지 패턴의 특징이 검출된다. 가시적인 패턴의 특징은, 예를 들면, 광강도 구배(light intensity gradient)일 수 있다. 이 후, 밝은 영역의 하나의 에지가 검출된 특징의 함수로서 정의된다. 다음에, 밝은 영역의 정해진 에지를 폐쇄하는 윤곽(outline)이 정의되고, 마지막으로 상기 정의된 윤곽의 직경이 측정되고, 실리콘 결정의 직경이 정해진 윤곽의 직경의 함수로서 결정된다. 공지된 이러한 시스템의 단점은 여러 가지 응용에서 정확성이 부족하며, 특히 외부 영향이 적절하게 고려되지 않는다는 것이다.
이들 단점을 해소하기 위하여, 결정의 제1 영역의 이미지를 찍는 카메라에 결정의 제2 부분의 이미지를 찍는 제2 카메라를 추가하는 것이 이미 제안되어 있고, 결정의 직경은 두 대의 카메라 모두의 이미지를 사용하는 평가회로(evaluation circuit)에서 결정된다(미공개 특허출원 제197 38 438 2호 참조). 이와 같이 하여, 모든 성장공정(cultivation process)의 단계에서 실제 결정의 직경을 정확하게 기록할 수 있다. 용융방법 그 자체는 제안된 장치로 모니터될 수 없다.
본 발명은 결정 생성용 용탕을 모니터하는 장치 및 결정 생성용 용탕을 모니터하는 방법에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 장치의 개략도.
도 2 (A)는 용융물질이 수용된 도가니의 평면도.
도 2 (B)는 도가니 상의 수평라인을 따라 휘도 분포(brightness distribution)를 나타낸 도면.
도 3은 도가니의 표면을 향하는 카메라 측정창의 확대도.
도 4는 용탕의 고상 또는 액상 성분을 확인하는 공정 순서도.
따라서, 본 발명은 단결정이 인상되는 기본 재료에 대한 용융공정을 모니터 하는 문제점에 기초한 것이다.
상기 문제점은 본 발명의 청구항 1 및 4의 특징에 의하여 해결된다.
특히 본 발명으로 달성되는 장점은 공정 시간의 단축, 용탕 및 도가니의 과열 방지 및 용탕의 산소 함유량 최소화를 포함한다. 따라서 특수한 센서를 사용함으로써 용융물질이 완전 용융되기 전에 용탕 제어를 실행할 수 있다. 또한, 개별적인 차이를 매 배치(batch) 마다 확인하여 참작할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 용융물질의 용융상태를 초기 단계에서 확인할 수 있는 장치를 나타낸다. 이 장치는 아직 고체 상태 영역 또는 용탕으로부터 고형화된 영역보다 액체 상태의 용탕 영역에서 가시광선이 보다 적게 방출되는 광학 원리에 기초한 것이다. 이러한 휘도 원리 대신에, 또는 이러한 휘도 원리에 추가하여, 컬러 색조(tone) 및/또는 컬러 채도(saturation) 원리가 사용될 수 있는데, 이것은 용융물질이 비용융물질과 휘도 뿐만 아니라 색조 및/또는 컬러 채도에서도 차이가 나기 때문이다.
용탕의 휘도를 확인하기 위하여, CCD 비디오 카메라일 수 있는 카메라(2)가 제공된다. 이 카메라(2)는 용탕(3)이 수용된 도가니(7) 위에 대각선으로 위치된다. 카메라(2)는 용탕(3)의 표면(4), 또는 그 표면(4) 중 적어도 일부분을 관찰하는데 사용된다.
도가니(7)는 모터(9)를 사용하는 샤프트(5) 및 기어(6)에 의하여, 예를 들면, 위에서부터 아래로 이동될 수 있다. 또한 도가니를 회전시킬 수 있다. 도가니(7)는 상단부(12), 중간부(13) 및 하단부(14)로 구성되는 하우징 내에 위치된다. 하단부(14)에는 두 개의 가스출구(25, 26)가 제공된다. 도가니(7)의 둘레에는 전기가열시스템(electrical heating system)(16)이 위치되어 히터전류원(heater current source)(17)으로부터 전기에너지가 제공된다. 도시되지 않은 부품이 모터(19)로 구동되는 사식 로드(threaded rod)(18)로 용탕(3)에 접근할 수 있다. 사식 로드(18)는 상단부(12)에 속하며, 가스입구(24)가 제공된 원통형 유닛 즉 파이프(23)에 수용된다.
카메라(2)의 출력신호는 제어유닛(38)과 데이터를 교환하는 이미지 평가유닛(37)에 공급된다. 제어유닛(38)은 동작유닛(39), 예를 들면, 키보드에 의하여 영향을 받을 수 있다. 제어유닛(38)이 도가니(7)용 드라이브(6, 9) 및 히터 전류원(17)을 제어할 수 있다.
도 2 (A)는 도가니(7)의 평면도이다. 도가니(7) 내에는 액상물질(50), 예를 들어 액상 실리콘이 수용되어 있으며, 고화된 물질로 된 여러 개의 섬(island)(51 ~ 54)이 있다. 고화된 물질이 액상물질보다 가시광선을 보다 양호하게 반사시키기 때문에 액상 용탕(50)이 고화된 섬(51 ~ 54)보다 덜 밝다. 그 결과, 섬(51 ~ 54)이 주위의 액상물질(50)보다 더 밝은 외관을 가진다.
참조부호(55)는 카메라(2)의 뷰잉각(viewing angle)에 대응하는 측정창(measuring window)을 나타낸다(즉, 카메라(2)가 측정창(55)에 의하여 정해진 도가니(7) 영역을 기록한다). 참조부호(56)는 측정라인을 나타내며, 이것에 대하여는 후술한다.
도 2 (B)에는 도가니 내용물의 휘도를 x좌표 시스템에 나타낸다. 고상의 섬(51 ~ 54)이 위치된 지점이 액체를 수용한 용탕이 위치된 지점보다 휘도(B1.∼.B4)가 보다 밝은 것을 알 수 있다.
측정라인(56)이 통과하는 섬(52, 53)만을 고려하는 경우, 도 2 (B)의 휘도(B1및 B3)는 낮아질 수 있다.
도 3은 용탕(50) 및 섬(51 ~ 54)이 내부에 위치되어 있는 측정창(55)의 확대도이다. 측정창 상에 다수의 수평 측정라인(60 ~ 69) 및 수직 측정라인(70 ~ 86)을 겹쳐서 격자(lattice)를 형성한다. 이들 측정라인(60 ~ 69) 및 (70 ~ 86)이 CCD 카메라(2)용 주사 라인 및 컬럼이다. 따라서 CCD 카메라(2)에 의하여 기록된 측정창이 라인 및 컬럼에 따라 주사된다(즉, 도 3에 나타낸 주사선(scanning lines) 및 컬럼이 타임-멀티플렉스 방식(time-multiplex fashion)으로 접근된다).
이러한 종류의 주사로, 고상 Si와 액상 Si 간의 휘도 전이가 기록되고, 이것이 섬(52)에 대하여 지점(P1... P9)으로 표시된다. 이들 휘도 전이를 확인함으로써, Si 용탕 표면의 응집 상태를 정밀하게 설정할 수 있다.
각각의 지점(P1... P9)이 파악되는 경우, 섬(52)의 표면적이 계산될 수 있다. 다른 섬(51, 53, 54)의 표면적도 동일한 방식으로 계산될 수 있다. 그 후, 이러한 계산으로 액상 표면 대 고상 표면의 비율을 결정할 수 있다. 이들 비율에 대한 상이한 값을 설정할 수 있고, 상이한 값에 도달하면 특정의 처리 단계가 실행된다. 여기서 특히 관심이 있는 것은 용탕의 고상 표면 부분이 소멸된다는 점인데, 그 이유는 이러한 상태가 완성된 용탕을 나타내기 때문이다. 고상체(solid body)의 소멸은 자연적으로 이루어진 것처럼 보일 수도 있기 때문에, 도가니가 계속해서 회전하는 도중에 소정의 대기 기간 동안 관찰이 이루어진다. 이 대기 기간이 지난 후에만, 표면의 고상부가 실제로 소멸된 것처럼 보이고, 그 후 적절한 처리 단계가 개시된다.
도 4는 본 발명의 공정 흐름의 순서도이다. 블록(100)에서 시작된 후, CCD 카메라(2)에 의하여 재생된 용탕의 표면을, 블록(101)에서 제안된 바와 같이, 도시되지 않은 저장 유닛 내에서 디지털 형태의 이미지로 판독한다. 이렇게 판독된 이미지를 라인 및/또는 컬럼별로 주사하여 휘도를 모니터한다(블록(102) 참조). 라인 및/또는 컬럼의 인접 지점 사이의 휘도 차이가 소정의 임계값을 초과할 때마다, 전이 지점의 국소 좌표(local coordinate), 이른바 에지가 확인되어 저장된다(블록(103) 참조).
이와 같이 하여, 예를 들어 섬(52)의 지점(P1... P9)을 정할 수 있다. 적합한 보간 프로세스(interpolative process)로, 이들 지점(P1... P9)을 연결하는 궤적을 그려서 섬(52)의 윤곽을 제공할 수 있다. 이것으로 섬(52)의 표면적이 계산될 수 있다.
섬(51 ~ 54)이 보다 커지거나 또는 개수가 증가하는 경우, 확인된 에지의 개수 또한 증가한다. 따라서 확인된 에지 개수가 용탕 표면 상의 용융상태를 나타내는 기준이다. 에지 개수에 대한 특정의 용융값을 설정한 경우 - 블록(104) 참조 - 소정의 용융-고상체 거동이 정의될 수 있고, 이 특정값에 도달하면 소정의 공정 단계를 트리거시킨다. 이것이 블록(105)으로 나타나 있다. 이러한 종류의 공정 단계는, 예를 들면, 가열부재(16)의 열이 감소되거나 또는 도가니의 회전율의 증가를 가져올 수 있다. 모든 프로세스 단계가 실행된 후 공정은 종료될 수 있다.
에지 개수에 대한 임계값은, 예를 들어 동작유닛(39)을 거쳐 입력될 수 있다.
따라서, 본 발명은 공정의 초기 단계에서도 결정을 생성하는 각 개별 단계를 모니터하고 이를 각 단계에 영향을 줄 수 있다. 예를 들면, 고상의 반도체 럼프(lump)가 도가니의 벽에 붙어 있거나 또는 용탕 내에 부유하는 럼프가 용탕 위의 기기에 접촉되어 이 기기를 손상시킬 위험이 있는 경우, 예를 들면, 가열 출력 및/또는 도가니의 회전 속도를 적절하게 수정하여 용융 공정을 가속시킬 수 있다.
본 발명에 따른 공정에서 고상/액상 비율 = 0으로 설정한 경우, 전술한 바와 같이, 일부 비용융 부분(unmolten parts)이 아직 잔류해 있을 때 파괴 가능성으로 인해 용탕이 완전 액상이 된 것처럼 보일 수 있기 때문에, 다음 공정 단계가 도입되기까지 1 내지 5분간의 대기 기간이 도입된다. 이러한 대기 기간은 모든 물질이 실제로 용융되었음을 보장하여 결정을 인상하는 공정이 개시될 수 있다. 대기 기간의 길이는 도가니의 회전 속도에 따라 다르다. 도가니가 신속하게 회전하는 경우, 회전 속도의 증가로 용융되지 않은 럼프가 그들이 용융될 영역 내로 더욱 신속하게 이송되기 때문에 대기 기간이 단축될 수 있다.

Claims (20)

  1. 도가니(7)의 내용물 표면 중 적어도 일부분의 이미지를 찍는 카메라(2)가 제공되고,
    도가니(7)의 내용물 표면 중 고상부분 및 액상부분에 대하여 상기 카메라에 찍힌 이미지를 평가하는 평가장치(37)가 제공되는
    결정 생성용 용탕을 모니터하는 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 도가니(7)가 축을 중심으로 회전가능한 결정 생성용 용탕을 모니터하는 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 도가니(7)가 가열장치(16)로 둘러싸이는 결정 생성용 용탕을 모니터하는 장치.
  4. a) 도가니(7)의 내용물 표면 중 적어도 일부분의 이미지를 카메라(2)로 찍는 단계;
    b) 상기 도가니(7)의 내용물 표면 상의 고상성분 및 액상성분에 대하여 상기 카메라(2)에 의하여 찍힌 이미지를 평가하는 단계
    를 포함하는 결정 생성용 용탕을 모니터하는 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    a) 상기 표면 중 이미지가 찍힌 부분을 정보 저장유닛에 저장하는 단계;
    b) 상기 정보 저장유닛을 라인별 및/또는 컬럼별로 주사(scan)하고, 주사된 모든 지점의 휘도(brightness)를 기록하는 단계;
    c) 라인 및/또는 컬럼 상의 인접 지점의 휘도를 비교하는 단계;
    d) 두 개의 인접 지점 사이의 휘도에 소정의 차이가 확인되는 경우, 두 개의 지점 중 적어도 한 지점의 좌표를 저장하는 단계;
    e) 소정의 휘도 차이가 있는 소정 개수의 인접하는 지점에 도달하는 경우, 소정 공정 단계가 개시되는 단계
    를 포함하는 결정 생성용 용탕을 모니터하는 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    a) 상기 표면 중 이미지가 찍힌 부분을 정보 저장유닛에 저장하는 단계;
    b) 상기 정보 저장유닛을 라인별 및/또는 컬럼별로 주사하고, 주사된 모든 지점의 채도(chrome)를 기록하는 단계;
    c) 인접 영역의 색조(hues)(또는 채도)를 비교하는 단계;
    d) 두 개의 인접 영역 간의 채도에 소정의 차이가 확인되는 경우, 두 개의 영역 중 적어도 한 영역의 좌표를 저장하는 단계;
    e) 소정의 채도 차이가 있는 소정 개수의 인접 영역에 도달하는 경우, 소정 공정 단계가 개시되는 단계
    를 포함하는 결정 생성용 용탕을 모니터하는 방법.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 개시되는 공정 단계가 상기 도가니(7)의 가열 출력을 수정시키는 단계인 결정 생성용 용탕을 모니터하는 방법.
  8. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 개시되는 공정 단계가 상기 도가니(7)의 위치를 수정시키는 단계인 결정 생성용 용탕을 모니터하는 방법.
  9. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 개시되는 공정 단계가 상기 도가니(7)의 회전 속도를 수정시키는 단계인 결정 생성용 용탕을 모니터하는 방법.
  10. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 개시되는 공정 단계가 가스 흐름 및 가스 압력을 조절하는 단계인 결정 생성용 용탕을 모니터하는 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 카메라(2)가 비디오 카메라인 결정 생성용 용탕을 모니터하는 장치.
  12. 제1항에 있어서, 상기 도가니(7)의 내용물이 반도체 물질로 구성되는 결정 생성용 용탕을 모니터하는 장치.
  13. 제1항에 있어서, 상기 도가니(7)의 축에 대한 상기 카메라(2)의 축의 각도 α가 0＜α＜90°인 결정 생성용 용탕을 모니터하는 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 카메라(2)에 의해 찍힌 이미지가 발생하는 이미지 에러의 양에 있어서 각도 α로 수정되는 결정 생성용 용탕을 모니터하는 장치.
  15. 제5항에 있어서, 콘트라스트 차이를 나타내는 상기 지점이 결정되고, 상기 도가니 내의 아직 용융되지 않은 부분이 상기 영역으로부터 계산되는 결정 생성용 용탕을 모니터하는 방법.
  16. 제4항에 있어서, 용융물질 대 비융융물질의 비율이 확인되고, 특정 비율이 특정의 공정 단계와 서로 상관 관계를 갖는 결정 생성용 용탕을 모니터하는 방법.
  17. 제16항에 있어서, 비용융물질에 대한 신호가 중단됨에 따라 결정의 인상을 수반하는 단계가 도입되는 결정 생성용 용탕을 모니터하는 방법.
  18. 제4항에 있어서, 고상물질 부분이 제로(0)에 도달했을 때 상기 단계의 진행 중에 중단이 소정 기간 동안 관찰되고, 이에 의해 확인된 제로값이 우연히 야기된 것이 아님을 보장하는 결정 생성용 용탕을 모니터하는 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 소정 기간, 즉 대기 기간이 1 내지 5분인 결정 생성용 용탕을 모니터하는 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 대기 기간이 상기 도가니의 회전 속도(대략 1 내지 10 rpm)에 좌우되는 결정 생성용 용탕을 모니터하는 방법.
KR1019997003936A 1997-09-03 1998-09-02 결정 생성용 용탕을 모니터하는 방법 및 장치 Withdrawn KR20000068898A (ko)

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