KR20010113760A - 멜트레벨검출장치 및 검출방법 - Google Patents

Abstract

간단하고 또한 정밀하게 멜트레벨의 검출을 행할 수 있는 멜트레벨검출장치 및 멜트레벨검출방법을 제공하기 위하여, 삼각측량의 원리에 따라 CZ 로 내의 융액액면의 레벨의 검출을 행하는 멜트레벨검출장치에 있어서, 레이저광 조사기에 의한 투사위치를 CZ 로 내의 도가니(14)의 직경방향으로 이동시킴으로써, 융액액면에서 반사되어 오는 레이저광(2)이 수광기에 수광되는 투사위치를 스캔하여, 상기 위치에 레이저광(2)의 투사위치를 설정한다. 이와 같이 레이저투광각도를 매우 작은 범위에서 스캔하여 멜트레벨(3)의 검출에 적절한 지점을 발견하고, 그 부분에서 계측을 하도록 하고 있기 때문에, 장치의 복잡화를 초래하지 않고, 또 융액액면에 생기는 노이즈의 영향이 적은 상태로 멜트레벨의 검출을 행할 수 있다.

Description

멜트레벨검출장치 및 검출방법 {METHOD AND APPARATUS FOR DETECTING MELT LEVEL}

[멜트레벨검출의 필요성]

쵸크랄스키법(CZ 법)은, 도가니 내에서의 실리콘 등의 원료용융액으로부터 단결정 잉곳을 인상하는 것이며, 결정성장을 양호하게 행하기 위해서는, 원료용융액의 액면레벨(이하, 멜트레벨)을 적확하게 검출하여, 그것을 조정할 필요가 있다.

CZ형 단결정 인상장치에 있어서 멜트레벨의 적확한 검출 및 조정을 행하는 것은, 열차폐체와 멜트레벨의 상대적 위치, 또는 히터와 멜트레벨의 상대적 위치를 제어하고, 안정된 결정성장을 촉진하는 데 있어서도 유용하다.

특히, 현존하는 CZ형 실리콘 단결정 인상장치에서는, 통상 히터 및 실리콘 융액으로부터의 열복사를 제어하는 동시에, 로 내에 통과하는 가스의 정류를 행하는 열차폐체(또는, 가스정류통)가 설치되지만, 상기 피드백제어를 적절히 행하여, 이 열차폐체의 하면과 멜트레벨의 상대적 위치(즉, 이들 사이의 거리)를 제어함으로써, 인상 실리콘단결정의 열이력이나 불순물 농도(산소농도 등)를 일정하게 할 수 있다.

[멜트레벨검출장치]

멜트레벨검출장치의 종래 기술으로는, 일본국 특공평3-17084호에 개시되어 있는 것 같은 장치가 존재한다. 이 종래 장치는, 삼각측량의 원리에 따라 멜트레벨의 검출을 행하는 것이고, 구체적으로는, 도 19(상기 공보의 도 1에 도시된 바와 같이, 레이저광(34)을 각도(θ)로 멜트면에 투사하여, 정반사광(38)을 렌즈(44)로 집광하여, 광센서(48)로 집광위치(46)의 검출을 행한다는 것이다. 그리고, 이 종래 장치에서는, 멜트면(20)의 표면에 생긴 미소한 물결형상(22)에 기인하는 계측의 편차를 평균화할 목적으로, 레이저광을 확대투사(30)하여 그것을 수광하도록 하고 있다.

그러나, 멜트면(3)에는, 전술한 미소한 물결형상과는 별도로, 상기 멜트면(3)의 평탄을 저해하는 요인이 존재한다. 즉, 도 2(b)에 도시한 바와 같이, 결정(15)의 근방의 멜트면(3)에는, 결정(15)의 성장면 근방의 표면 장력에 의한 메니스커스(28)가 생긴다. 또, 도가니(14)의 회전 및 인상결정(15)의 회전에 따라 포물면형의 액면의 기울기가 멜트면(3)의 전체에 걸쳐 발생한다. 또한, 도 2(c)에 도시한 바와 같이, 가스정류통(16)을 멜트레벨(3)에 가까이 한 경우에는, 불활성가스의 배출압력에 의해, 가스정류통(16)의 하부 부근의 멜트면(3)이 우묵하게 들어간 형상으로 되는 경우가 있다. 이러한 멜트면(3)의 기울기는, 상기 계측을 위한 레이저광의 정반사광의 방위를 이동(shift)시켜 버리기 때문에(도면 중, 멜트면(3)의 기울기를 각도(Ψ)에서 나타내고 있음), 유효한 수광과정이 곤란해 진다.

또, 상기 종래 기술에는, 멜트면의 기울기에 기인하는 레이저정반사광방위 시프트에 대하여, 광수광부의 설치위치를 이동하여 이것을 포착하는 것이 개시되어 있다. 이 멜트면(3)의 기울기(Ψ)는, 도가니(14) 및 결정(15)의 회전속도, 가스정류통(16)의 멜트면(3)으로부터의 높이에 밀접히 관계하기 때문에, 이러한 인상조건을 바꿀 때마다 광수광부의 위치 이동량을 조절할 필요가 있어서, 번거로운 동시에 수광부의 이동설정을 정밀도가 양호하게 재현하는 것이 곤란하다. 또, 이동조정이 잘 되지 않는 경우에는, 레이저의 정반사광을 수광할 수 없어, 멜트면의 검지가 불능하게 될 가능성도 있다.

또한, 도 20(상기 공보의 도 3에 상당하는 것으로, 멜트레벨의 변화에 대한 레이저 정반사광의 변화를 도시한 도면임)에 도시된 바와 같이, 멜트레벨이 크게 변화(ΔL)하면, 정반사광의 위치 어긋남(ΔY)이 커져 버리기 때문에, 그 만큼 광검출기를 크게 이동시킬 필요가 생기게 된다. 그리고, 그에 따라 상술한 큰 이동에 대응하는 크기의 관찰포트(40)가 필요하게 되거나, 광검출기가 이동할 수 있는 공간을 준비할 필요가 생기거나 하는 설치상의 제약이 생기게 된다.

또, 멜트면(3)은 경면과 같이 광을 반사하기 위해, 도 15(a)에 도시한 바와 같이, 레이저광원(1)의 출사구(29)에서의 산란광이 멜트면(3)에서 반사하여, 그것이 광센서(7)에 고스트(30)로서 입사됨으로써, 위치검출정밀도의 저하를 초래한다고 하는 문제도 있다(또, 이 현상은, 렌즈(5)를 통하여 정반사광(4)을 수광하는 조건에서는 빈번히 발생함). 이것에 관한 것으로, 상기 종래 기술에서는,멜트면(20)으로부터의 복사광과 수광 레이저광을 콘트라스트가 양호하게 변별하기 위한 것으로서, 레이저광의 파장만을 투과하는 밴드패스필터를 채용하고 있다. 그러나, 레이저광원(1)의 출사구(29)에서의 산란광의 파장과 멜트면(3)으로 정반사되어 오는 레이저광의 파장은 서로 동일하기 때문에, 밴드패스필터에 의해서는 레이저 출사구(29)에서 센서(7)로 들어가는 것을 피할 수 없다.

본 발명은, 쵸크랄스키형 단결정 인상장치 내의 원료용융액의 액면 높이(멜트레벨)를 검출하는 장치 및 방법, 특히 용융실리콘의 멜트레벨을 검출하기 위한 검출장치 및 방법에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 멜트레벨검출장치 및 방법의 원리를 설명하기 위한 블럭도.

도 2는 인상 결정 근방의 융액액면의 상태를 설명하기 위한 도.

도 3은 본 발명의 일실시 형태에 따른 스캔의 설명하기 위한 도.

도 4는 본 발명의 일실시형태에 따른 스캔의 동작을 설명하기 위한 흐름도.

도 5는 광로변경수단을 이용한 일실시 형태를 나타내는 블럭도.

도 6은 광로변경수단을 이용한 별도의 실시형태를 나타내는 블럭도.

도 7은 광로변경수단을 이용한 또 다른 별도의 실시형태를 나타내는 블럭도.

도 8은 광로변경수단을 이용한 다른 실시형태를 나타내는 블록도.

도 9는 다각형 미러를 이용하여 스캔하는 경우의 실시형태를 나타내는 블럭도.

도 10은 레이저광을 넓혀 스캔하는 경우의 실시의 형태를 설명하기 위한 도.

도 11은 미러의 회전에 의해서 스캔하는 경우의 실시의 형태를 설명하기 위한 도.

도 12는 빔의 입사각도를 작게 설정함으로써, 검출의 대상이 되는 액면의 변위의 차를 보다 넓은 것으로 하는 실시예를 나타내는 블럭도.

도 13은 검출의 대상이 되는 액면의 변위의 차를 보다 넓은 것으로 하기 위해서 레이저광원과 수광부를 회전시키는 실시예를 나타내는 블럭도.

도 14는 검출의 대상이 되는 액면의 변위의 차를 보다 넓은 것으로 하기 위해서 레이저광원을 회전시키는 실시예를 나타내는 블럭도.

도 15는 고스트의 제거를 설명하기 위한 도.

도 16은 열차폐체의 검출을 행하는 실시형태를 나타내는 블럭도.

도 17은 열차폐체의 검출을 행하는 실시형태에 있어서 바람직한 계측유닛의 구성을 나타내는 블럭도.

도 18은 고스트를 제거하여 멜트레벨의 검출을 행하는 원리 및 열차폐체의 검출을 행하는 원리를 설명하기 위한 도.

도 19는 종래 기술에 따른 멜트레벨검출장치의 구성을 도시한 도.

도 20은 종래 기술에 따른 멜트레벨검출장치의 구성을 도시한 도.

본 발명은 이상과 같은 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은 간편하고 또한 정밀하게 멜트레벨의 검출을 행할 수 있는 멜트레벨검출장치 및 멜트레벨검출방법을 제공함에 있다.

이상과 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 멜트레벨검출장치 및 검출방법에서는, 융액 액면 상에 정상적으로 생기는 액면형상을 이용하여, 그것을 일종의 반사체(즉, 조사되는 레이저광이 소정의 장소에 장착되어 있는 수광기로 정확하게 유도되기 위한 일종의 반사체)로서 기능시켜 정확한 멜트레벨검출을 행하는 것을 특징으로 한다. 그리고, 이를 위한 수단으로서, 도가니의 직경방향으로 스캔을 행하고, 조사된 레이저광이 수광기로 정확하게 유도되는 위치를 찾아내는 것이다.

또, 본 발명은, CZ 로 내에서는, 도가니 자체의 회전이나 인상 결정의 회전에 의해, 인상 결정의 회전축을 중심으로 한 동심원상의 물결이 생기고, 또한 이것이 정상적인 것이라는 견해, 및 이 물결은 그 단면이 포물면형이기 때문에 도가니의 직경방향으로 스캔을 행하면 조사된 레이저광이 수광기로 정확하게 유도되는 위치가 반드시 발견된다고 하는 견해에 따라 이루어진 것이다.

보다 구체적으로는, 본 발명은 다음과 같은 멜트레벨검출장치 및 검출방법을 제공한다.

(1)CZ 로의 소정의 위치에 레이저광 조사기와 수광기를 구비하고, 상기 레이저광 조사기로부터 발생한 레이저광을 융액액면에 투사하여, 상기 투사 장소로부터 반사되어 온 레이저광을 상기 수광기로써 수광하여, 삼각측량의 원리에 따라 CZ 로 내의 융액액면의 레벨의 검출을 행하는 멜트레벨검출장치에 있어서, 상기 레이저광 조사기에 의한 투사위치를 CZ 로 내의 도가니의 직경방향으로 이동시킴으로써, 융액액면에서 반사하여 오는 레이저광이 상기 수광기에 수광되는 투사위치를 스캔하여, 상기 위치에 레이저광의 투사위치를 설정하고 상기 융액액면의 레벨검출을 행하는 것을 특징으로 하는 멜트레벨검출장치.

또, 「정상적」이라는 것은, 어떤 일정 조건 하에서 대략 항상 일정하게 존재하고 있는 정상파와 같은 것을 포함하여, 어떤 소정의 일정기간을 본 경우에 안정된 상태로서 존재할 수 있는 상태를 취하고 있는 것까지도 포함하는 개념을 의미한다. 본 발명의 실시예에서, 「정상적으로 생기는 기복」으로서 전형적인 것은, 어떤 설정된 조건 하에서 인상 결정과 도가니의 회전에 의해 생기는, 인상 축을 중심으로 한 안정된 동심원상의 물결이다. 이러한 것은, 어떤 소정의 일정기간을 본 경우에는 안정된 정상파와 같이 행동하지만, 그와 같은 액면의 상태는 결정의 인상에 따라 시시각각 변화되는 것이기 때문에, 본 발명의 실시예에서는, 「어떤 소정의 일정기간을 본 경우에 안정된 상태로서 존재할 수 있는 상태를 취하고 있다」는것을 가정하는 것이 오히려 자연스럽기 때문에 그런 것이다.

(2) 상술한 장치에 있어서, 상기 레이저광 조사기로부터 발생한 레이저광의 진로를 변경하여 융액액면으로의 투사를 행하는 제1 광로변경수단, 및 융액액면에서 반사되어 온 레이저광의 진로를 변경하여 상기 수광기로 유도하는 제2 광로변경수단의 어느 한쪽 또는 양쪽이 비치하고 있는 것을 특징으로 하는 멜트레벨검출장치.

(3) 상술한 장치에 있어서, 상기 레이저광 조사기에 의한 투사위치의 변경을, 상기 제1 및 제2 광로변경수단에 의해 행하는 것을 특징으로 하는 멜트레벨검출장치. 「광로변경수단」의 예로서는, 미러, 프리즘 등을 들 수 있다.

(4) 상술한 장치 중 어느 하나에 있어서, 상기 수광기에 수광되는 광 중, 소정의 광 강도 이하의 광을 차단하는 감광필터를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 멜트레벨검출장치.

(5) 상술한 장치 중 어느 하나에 있어서, 상기 레이저광 조사기의 투사각도의 조정을 행하는 각도조정기구를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는멜트레벨검출장치.

(6) 상술한 장치에 있어서, 상기 레이저광 조사기에 의한 투사위치의 스캔을, CZ 로 내에 설치되어 있는 열차폐체의 하부에 도달할 때까지 행하여, 상기 열차폐체의 하부로부터 반사하여 오는 레이저광도 상기 수광기로 수광함으로써 상기 열차폐체 하부의 위치의 산출을 행하는 것을 특징으로 하는 멜트레벨검출장치. 「열차폐체」는, 융액액면에서의 복사열의 차단을 행하는 것이며, 로 내를 통과하는가스의 정류를 행하는 기능을 구비하고 있을 수도 있다.

(7) 상술한 장치에 있어서, 상기 수광기는, 관측면 상의 계측 스폿의 이차원적인 위치를 동시에 검출하는 이차원 광센서를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 멜트레벨검출장치. 또, 「관측면 상의 계측 스폿의 이차원적인 위치를 동시에 검출하는 이차원 광센서」의 개념에는, 이차원 광센서 자체가 거리 측정용 센서를 겸하고 있는 경우나, 이차원 광센서가 거리 측정용 센서와는 별도로 설치되어 있는 경우, 모두 포함된다.

(8) CZ 로의 소정의 위치에 구비된 레이저광 조사기와 수광기를 이용하여, 삼각측량의 원리에 따라 CZ 로 내의 융액액면의 레벨의 검출을 행하는 멜트레벨검출방법으로서, 상기 레이저광 조사기에 의한 투사위치를 CZ 로 내의 도가니의 직경방향으로 이동시킴으로써, 융액액면에서 반사되어 나오는 레이저광이 상기 수광기에 수광되도록 된 투사위치를 스캔하여, 상기 위치에 레이저광의 투사위치를 설정하는 것을 특징으로 하는 방법.

(9) 상술한 방법에 있어서, 상기 레이저광 조사기로부터 발생한 레이저광의 융액액면에서의 정반사광보다 광 강도가 낮은 광을 차단하는 감광필터에 의해 상기 정반사광 이외의 고스트를 제외하는 것을 특징으로 하는 방법.

(10) 상술한 방법에 있어서, 상기 스캔은, CZ 로 내에 설치되어 있는 열차폐체의 하부에 도달할 때까지 행하여지는 것이며, 상기 열차폐체의 하부와 상기 융액액면의 반사율의 차이에 의해 열차폐체부분의 검출을 행하는 것을 특징으로 하는 방법.

(11) 상술한 방법에 있어서, 상기 수광기에, 관측면 상의 계측 스폿의 이차원적인 위치를 동시에 검출하는 이차원 광센서를 구비하고, 멜트레벨과 열차폐체 상의 계측 스폿의 이차원적인 위치를 검출하는 것을 특징으로 하는 방법.

(12) 상술한 방법에 있어서, 삼각측량의 원리에 기초하는 CZ 로 내의 융액액면의 레벨검출을 위한 상기 스캔은, 항상 행하여지거나 또는 수시로 행하여지는 방법.

(13) 상술한 방법에 있어서, 상기 수시로 행하여지는 스캔은, 반사광의 수광상태가 양호한 위치를 탐색하기 위해서 행하는 것이며, 수광상태가 양호한 동안은 스캔을 정지하고, 수광상태가 악화되었을 때에는 스캔을 재개하여, 반사광의 수광상태가 양호한 위치에 도달할 때까지 탐색을 계속하는 것을 특징으로 하는 방법.

여기에서, 이상과 같은 본 발명을 일반적으로 표현하면 다음과 같다. 본 발명에 따른 방법은, 삼각측량의 원리를 실용적인 액체에 대하여 적용한 것이기 때문에, 어떤 설정된 조건 하에서 표면에 정상상태를 만들어낼 수 있는 것이면, 어떠한 액체에 대하여도 적용할 수 있다는 것은 명확하다.

(14) 액면레벨검출의 대상이 되는 액면에 대하여 어떤 소정의 위치로부터 레이저광을 발사하고, 상기 검출의 대상이 되는 액면에서 반사되어 온 레이저광을 상기 어떤 소정의 위치와는 다른 소정의 위치에서 수광하여, 삼각측량의 원리에 따라 상기 검출 대상이 되는 액면의 액면레벨검출을 행하는 방법에 있어서, 상기 검출의 대상이 되는 액면에 정상적으로 생기는 기복의 경사면을 이용하여 상기 액면에서 반사되어 온 레이저광의 진행방향을 조정하는 방법. 또, 「이용하여」라는 것은,단순히 반사의 방향을 조정하는 경우뿐만 아니라, 요면(凹面)을 이용하여 집광을 행하는 응용적인 경우도 포함된다.

(15) 레벨검출의 대상이 되는 면에 대하여 어떤 소정의 위치로부터 레이저광을 발하는 동시에, 상기 검출의 대상이 되는 면에서 반사되어 온 레이저광을 상기 어떤 소정의 위치와는 다른 소정의 위치에서 수광하여, 삼각측량의 원리에 따라 상기 검출의 대상이 되는 면의 레벨검출을 행하는 방법으로서, 상기 방법은, 발광하고 있는 면의 레벨을 검출하는 방법이며, 레벨검출의 대상이 되는 면의 광 강도보다 강한 광 강도의 레이저광을 사용하고, 상기 레이저광과 상기 면의 광 강도의 사이의 에너지 레벨에 위치하는 감광필터를 통하여 상기 레이저광을 수광함으로써, 상기 레이저광의 수광을 선택적으로 행하는 것을 특징으로 하는 방법.

이 방법에 관해서도, 발광하는 면에 레이저광을 조사하여 삼각측량을 행하는 일반적인 방법으로서, 발광하는 것이면, 그 종류(재질, 품질 등)이나 상태(고체, 액체 등과 같은 상태)에 대해 특별한 제한은 없다.

[장치의 기본적구성]

도 1은 본 발명에 따른 멜트레벨검출장치 및 검출방법의 원리를 설명하기 위한 블럭도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 멜트레벨검출장치에서는 기본적으로, 레이저광원(1)으로부터 발생한 빔(2)을 각도(θ)로 멜트면(3)에 투사하여, 그 반사에 의해 얻어지는 계측 스폿(31)의 위치에 따라, 삼각측량의 원리에 의해 멜트레벨(3)을 산출한다. 계측 스폿(31)의 위치는, 상기 정반사광(4)을 렌즈(5)로 집광하여, 그것을 이차원 광센서(7) 상의 집광위치에 따라 결정한다(도 1(a)).

이 실시의 형태에서는, 레이저광원(1)이 레이저광 조사기에 해당하고, 렌즈(5) 및 이차원 광센서(7)가 수광기에 해당된다. 수광기의 앞에는, 감광필터(6)가 설치되어 있다. 또, 이들 레이저광 조사기 및 수광기는 CZ 로의 소정의 위치에 배치되지만, 이 실시예에서는, 레이저광 조사기(레이저광원(1)), 수광기(렌즈(5) 및 이차원 광센서(7)) 및 감광필터(6)로 거리계측기(8)를 구성하고, 이 거리계측기(8)에서는, 도가니(14)의 반경방향으로 대략 수직인 가상면(12) 내에, 레이저빔(2)의 광학중심축(10)과 수광부 광학중심축(11)을 배치하고 있다(도 1(c)). 그리고, 레이저빔(2)이 도가니(14)의 반경방향에 따라 각도(Φ)범위에서 멜트면 상을 스캔하도록 하고 있다(도 1(d)). 이에 따라, 레이저빔(2)은 멜트면상을 스캔범위(13)의 범위에서 스캔하게 된다(도 1(b), (d)).

[멜트레벨검출의 기본적원리]

인상결정(15)의 주위에 생기는 메니스커스(28)(도 2(b)), 도가니의 회전 및 인상결정의 회전에 의해서 발생하는 포물면형의 멜트면(3)의 기울기(도 2(b)), 및 열차폐체(16)의 하부 부근이 우묵하게 들어간 형상의 멜트면(도 2(c))은 각각, 도가니의 회전중심(9)에 대하여 대략 대칭인 프로필을 가진다. 그리고 이것은, 레이저빔(2)의 각도 스캔(Φ)의 방향과 일치하기 때문에, 멜트면(3)의 기울기(Ψ)와 레이저빔 입사각도와 대략 각도가 같아지는 계측 스폿(31)이 스캔범위(13) 내에 반드시 한 곳이 존재하게 된다(도 1(d)). 그리고, 이 스캔위치(31)는 레이저빔(2)에 의한 스캔범위(13) 내에서의 스캔에 의해서 확실하게 포착되고, 계측 스폿(31)에 레이저빔(2)이 투사된 경우에는, 정반사한 레이저빔(4)이 반드시 수광기에 도달하게 된다.

이와 같이, 본 발명에서는, 레이저빔(2)의 도가니 직경방향에서의 아주 짧은 거리의 스캔에 의해, 상기 레이저빔(2)을 확실하게 수광기에 정반사시킬 수 있기 때문에, 종래 기술과는 달리, 멜트면의(1)기울기에 대응하는 수광부의 이동을 행할 필요가 없다. 이 경우에 있어서, 혹시 인상 조건이 변하여, 멜트면의 기울기의 프로필이 변화되었다고 해도, 멜트면의 기울기(Φ)와 레이저빔 입사각도와 각도가 대략 같아지는 별도의 계측 스폿이 스캔범위(13)내에서 새로 출현하기 때문에, 이 경우도 수광부의 위치이동은 하지 않아도 된다.

또, 이러한 장치 구성에 의하면, 멜트면(3)이 (3)'으로 변화되었다고 해도,계측 스폿(31)이 (31)'으로 변화되어, 그것에 따라 정반사광(4)이 (4)'으로 변화되고, 최종적으로는 정반사광이 이차원 광센서(7)에 투영되는 위치가 다를 뿐이기 때문에, 미소한 액면변화가 생긴 경우에도, 레이저광 조사기와 수광기의 위치를 변경할 필요가 없고, 이 경우에도 레이저광 조사기와 수광부의 위치이동을 행하지 않아도 되게 된다.

[스캔]

본 발명에서는, 후술하는 바와 같이, 수광기(렌즈(5) 및 이차원광 센서(7))에, 관측면 상의 계측 스폿의 이차원적인 위치를 동시에 검출하는 이차원 광센서를 구비함으로써, 멜트레벨과 열차폐체 상의 계측 스폿의 이차원적인 위치를 검출하는 것이 가능하게 되고, 이와 같은 경우에는 멜트레벨과 열차폐체(16)의 사이의 거리의 계측을 동시에 행할 수 있게 된다.

또, 이 실시예에서의 스캔은, 도 3에 도시된 바와 같이, 수광기(P)에서의 입력정보에 따라 콘트롤러(Q)가 레이저광 조사기(R)를 피드백 제어함으로써 행하여지지만, 스캔삼각측량의 원리에 기초하는 CZ 로 내의 융액액면의 레벨검출을 위한 스캔은, 항상 행하여질 수도 있고, 필요에 따라 수시로 행하여질 수도 있다.

여기에서, 도 4는 주로 상기 콘트롤러(Q)에 의해 행하여지는 스캔이 필요에 따라 수시로 행하여지는 경우의 실시예에 따른 스캔의 동작을 설명을 하기 위한 흐름도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 우선 데이터를 받아들이고 난 뒤(S101) 스캔이 실행된다(S102). 그리고, 스캔이 실행되면서, 반사광이 소정의 조건을 충족시키는지 여부가 판단되고(S103), 충족시키는 경우에는 스캔이 정지되어 그 장소에서계측이 실행된다(S104). 한편, 반사광이 소정의 조건을 충족시키지 않은 경우에는 (S102)에 복귀되어 스캔이 계속된다. 또, 한번 스캔이 정지된 경우에도, 그 후의 상황의 변화에 의해서 반사광이 소정의 조건을 충족시키지 않게 된 경우에는, S104→ S103→S102의 루트를 통하여, 다시 스캔이 시작되어, 반사광이 소정의 조건을 충족시키게 될 때까지 탐색을 계속할 수 있다.

또, 전술한 반사광이 만족시켜야 하는 「소정의 조건」이라고 하는 것은, 예를 들면 수광신호의 강도나 모양이다. 그리고, 그것은 예를 들면 매회의 신호의 피크치의 몇 회분인가의 적분값으로 판단할 수도 있고, 수광신호의 강도나 형상으로부터 매회의 신호의 신뢰성의 여부를 판정하여, 계측회수나 시간당의 합격회수로 판단할 수도 있다. 또, 수광상태가 악화된 경우의 대안으로서, 단순히 자동적으로 계측을 중단하여 자동적으로 스캔의 재개를 행하도록 하는 것뿐만 아니라, 경보를 발하고 오퍼레이터를 불러와, 오퍼레이터의 판단으로 스캔을 재개하여 재탐색·재설정을 행하도록 할 수도 있다.

[변형예]

<미러, 프리즘의 설치>

도 5 및 도 6에 도시한 바와 같이, 레이저광원(1)으로부터 발생한 레이저광을 미러 또는 프리즘 등의 광로변경수단(20)을 통하여 멜트면(3)에 조사시킬 수 있다. 미러 또는 프리즘 등의 광로변경수단(20)은 열차폐체(16)와 결정(15) 사이에 배치하는 것이 바람직하며, 이와 같이 함으로써 열차폐체(16)와 결정(15)의 사이의 간극이 매우 좁도록 된 경우에도, 이 매우 좁은 간극의 부분에 대하여 레이저광을조사하여 반사시킬 수 있다. 또, 광로를 절곡시킴으로써, 거리계측기 본체(8)와 결정(15) 또는 결정 직통부의 하우징(17) 등과의 기계적 간섭을 피하여, 설계의 자유도를 향상시킬 수 있다.

여기에서, 광로변경수단(20)을 이용한 경우에는, 도 7에 도시한 바와 같이, 계측기(8)를 회전시키도록 할 수도 있다. 즉, 측량각이 좁은(5°∼3°) 삼각측량 계측기유닛을 사용하는 경우에는, 계측기 자체를 회전시키고, 그에 따라 측량각이 좁은 부분을 보충하도록 하여 스캔범위(13)의 전체를 스캔시키고, 그에 따라 유효한 거리계측을 행할 수 있도록 하는 것이다. 또, 다른 형태로서, 거리계측기(8) 자체가 아니라, 광로변경수단(20) 쪽을 회전시키도록 할 수도 있다.

한편, 광로변경수단은 2이상의 것을 설치하도록 할 수도 있다. 이 경우에, 2이상의 광로변경수단은 각각 동종의 것일 수도 있고 이종의 것일 수도 있다. 도 8은 미러 및 프리즘이라는 2종의 광로변경수단을 직렬로 설치한 예를 나타낸 것이다. 도 8에 나타내는 실시의 형태에서는, 회전미러(33)가 회전함으로써 도 7에 나타내는 실시예와 같은 작용·효과를 얻을 수 있다. 또, 광로변경수단의 형상은 특별히 한정되지 않고, 미러의 경우, 평판의 것이 아니더라도 되고, 예를 들면, 도 9에 나타낸 바와 같은 다각형 미러(26)와 같은 것도 사용할 수 있다.

<광 조사의 최적화>

도 6에 도시한 바와 같이, 수광부의 광학중심축(11)에 수직이고 또한 레이저광의 스캔방향을 따라 거리계측기(8)를 이동(파선위치, 이동스테이지 등은 도시하지 않음)시킴으로써, 멜트레벨(3)과 거리계측기(8)의 상대적 거리를 변경시키지 않고, 결정(15)과 열차폐체(16) 사이의 멜트면(3)의 계측위치를 조정할 수 있다. 이와 같이 함으로써, 멜트면(3)의 기울기와 레이저빔 입사각도가 보다 더 일치하는 최적의 조건을 찾아낼 수 있게 된다.

또, 도 10 및 도 11에 도시한 바와 같이, 레이저빔을 미러에 반사시키고, 레이저빔을 일 방향으로 확대한 슬릿광으로 동시에 각도(φ)의 범위를 투광하도록 할 수도 있다. 도 11에 도시한 바와 같이, 미러의 각도를 변화시키는 스캔은 미러(24)와 일체화된 모터(125)를 구동시키는 것에 따라 용이하게 행할 수 있다. 또, 거리계측기(8)의 수광부의 렌즈(5)에는, 멜트면(3)의 미소한 물결형상에 기인하는 레이저빔 정반사광(4)의 흔들림을 유효하게 포착할 수 있는 크기(개구)의 것(예를 들면 φ50mm)를 채용하여, 멜트면(3)의 미소한 물결형상에 대하여 안정되게 멜트레벨을 계측할 수 있도록 할 수도 있다.

여기에서, 로 내에 설치되는 프리즘은, 로 내의 오염 방지와 고온에 대한 안정성의 면에서 석영(Fused Silica)을 사용하는 것이 바람직하다. 또, 멜트면에서의 복사가 강한 경우에는, 프리즘이 설치되는 금속플랜지에 수냉 재킷을 설치하는 것이 바람직하다. 마찬가지로, 로 내의 오염 방지의 면에서 로 내에 설치되는 미러는 연마된 실리콘인 것이 바람직하다. 또, 멜트면에서의 복사가 강한 경우에는, 실리콘 미러가 설치되는 금속플랜지에 수냉 재킷을 설치하는 것이 바람직하다.

[삼각측량각도의 가변화]

도 12에 도시한 바와 같이, 빔의 입사각도(5°∼3°)를 작게 설정함으로써 검출의 대상이 되는 액면의 변위(3∼3') 차를 보다 넓게 할 수 있어, 보다 넓은 범위에 걸쳐 반사광을 수광하여 계측할 수 있도록 할 수 있다. 이 경우에, 이하에 예시하는 바와 같이, 빔의 입사각도를 적당히 변경할 수 있도록 함으로써 검출의 대상이 되는 액면의 변위를 필요에 따라 적당히 변경할 수 있게 된다.

먼저, 도 13에 나타낸 바와 같이 레이저빔(2)의 투광각도(θ)와 수광계의 광축(θ)이 모두 동일하게 되도록 레이저광원(1) 및 수광계(5,6,7)를 회전시킴으로써, 멜트레벨(3)의 큰 변화(3∼3')에 대하여 작은 입사창(18)과 관찰창(19)을 통해서 계측을 행할 수 있다. 멜트레벨(3)은, 이차원 광센서(7) 상의 기준위치에 정반사광(4)이 결상될 때의 (θ)로부터 검지할 수 있다. 또, 임의의 (θ)일 때에 이차원 광센서(7) 상의 기준위치에 대하여 정반사광(4)이 얼마만큼 어긋나 결상되어 있는지를 계측함으로써 멜트레벨(3)을 검지할 수도 있다.

한편, 도 14에 도시한 바와 같이, 레이저광원(1)을 투광각도(θ)가 변화되도록 회전시킴으로써, 멜트레벨(3)의 큰 변화(3∼3')에 대하여 작은 입사창(18)과 관찰창(19)을 통해서 계측을 행할 수 있다. 투광각도(θ) 마다 이차원 광센서(7) 상의 정반사광(4)의 결상위치와 멜트레벨(3)의 관계를 미리 구해 둠으로써 멜트레벨(3)을 검지할 수 있다. 또, 입사창(18)과 관찰창(19)은 공통의 큰 창으로 할 수도 있다. 또, 멜트면에서의 복사가 강한 경우에는, 적외선을 차단하기 위한 코팅(예를 들면 금코팅)을 창 재료에 실시하거나, 창의 가열을 방지하기 위하여 창이 설치되는 금속플랜지에 수냉 재킷을 설치하는 것이 바람직하다.

[감광필터의 설치]

레이저빔광(2)의 강도를 충분히 크게 하는 동시에, 수광부에 감광필터(6)를삽입함으로써(15(b)), 정반사광(4)에 의한 이차원 광센서(7) 상에서의 수광 강도의 포화를 방지할 수 있다. 이와 함께, 레이저빔 출사광(29)에서의 산란 레이저광이 멜트면(3)(경면)으로 반사되어 왔지만 강도를 충분히 감광함으로써, 이차원 광센서(7) 상에 결상(출사구에서 비추어 들어감)되는 것을 방지하고, 실질적으로 계측오차가 되지 않도록 할 수 있다. 따라서, 이러한 감광필터의 삽입에 의해, 또, 멜트면(3)으로부터 복사 노이즈광을 차단하고, 계측점(31)이 콘트라스트가 양호하게 이차원 광센서에 결상된 상태에서 멜트레벨의 검출을 할 수 있게 된다.

[열차폐체의 위치의 검출]

도 16은, 도 5에 나타내는 실시예의 스캔범위(13)를 열차폐체(16)에까지 확장한 것이다. 이와 같이, 레이저광(2)의 스캔범위(13)를 멜트면(3)과 열차폐체(16)의 쌍방에 걸친 범위에까지 행함에 따라, 멜트면(3)과 열차폐체(16) 사이의 상대적 거리를 계측하는 것이 가능하게 된다. 멜트면(3)과 열차폐체(16)의 구별은 반사율의 차이에 의해서 행한다.

이러한 구성으로 함으로써 본 발명에 의해 열차폐체의 횡방향의 위치까지도 검출 가능한 것은, 일본국 특공 제평3-17084호에 개시되어 있는 발명과는 달리, 어떤 영역에서의 평균값을 취하는 것이 아니라 기본적으로는 지점별로 스캔을 행하고 있기 때문이다. 즉 본 발명에서는, 결과적으로는 라인형으로 스캔을 행하고 있게 되지만, 라인상을 이동하는 것은 어디까지나 계측 스폿이며, 또한 스캔을 행함으로써 얻어진 데이터의 평균을 취하지 않기 때문에, 횡방향의 반사율이 각 계측 스폿마다 검출되게 되고, 이에 따라 횡방향에서의 열차폐체의 위치까지도 검출할 수 있게 되는 것이다.

또, 본 발명에서는, 감광필터의 설정을 고안함으로써, 기준점이 되는 반사체를 열차폐체의 하단부에 특별히 설치하지 않고, 계측위치를 화상센서로 확인하는 것만으로, 열차폐체의 높이 방향의 위치를 직접 계측할 수 있게 되어 있다. 또, 도 1, 7, 8, 13, 14의 실시예의 경우에서도, 마찬가지로 스캔범위(13)를 열차폐체(16)에까지 확장함으로써, 직접적으로 멜트레벨과 열차폐체의 사이의 거리의 계측을 행할 수 있게 된다.

또, 이 실시예와 같이 멜트레벨과 열차폐체 사이의 거리의 계측을 행하는 경우에는, 열차폐체의 횡방향의 위치도 검출하기 때문에, 도 17에 도시한 바와 같이, 수광부에는 빔 스플리터(34)와 이차원 광센서(315)를 배치하고, 계측 스폿(31)의 화상에 의한 확인을 할 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 이러한 계측유닛(8)에 의하면, 일차원 광센서(32)와 공역(共役)의 위치에 이차원 광센서(35)가 배치되어 있고, 렌즈(5) 및 감광필터(6)를 통과하여 온 광은, 빔 스플리터(34)에 의해 나누어지고, 일차원 광센서(32)에 의해서 멜트레벨이 검출되는 한편, 이차원 광센서(35)에 의해 열차폐체(16)의 범위가 검출된다.

여기에서, 레이저광의 강도와 감광필터의 관계에 대해 설명을 한다. 먼저, 도 18은 광의 파장과 에너지의 관계를 나타낸 도면이지만, 도 18에서, Ep는 감광필터가 차단하는 에너지 레벨, Eg은 고스트의 에너지준위, Er는 레이저광의 에너지준위, Es는 융액액면에서의 복사광의 최고에너지 레벨을 의미한다. 이 도 18로부터 명확히 나타난 바와 같이, Er는 Eg보다 클 필요가 있고, Ep는 Er와 Eg의 사이에 위치하고 있을 필요가 있다. 특히 파장(λ1)의 경우에는, Ep 쪽이 융액액면에서의 복사광의 에너지보다 크기 때문에, 감광필터에 의해 융액액면에서의 복사광도 차단할 수 있게 된다. 그 반면, 파장(λ2)의 경우에는, 융액액면에서의 복사광의 에너지 쪽이 크기 때문에, 감광필터를 이용한 경우에도, 융액액면에서의 복사광이 배경에 나타나게 된다. 그리고, 이 경우에는, 열차폐체의 부분이 그림자가 되어 나타난다.

구체적으로는, 바람직한 실시예에서 2.5mW의 레이저광[1/1,000]과 감광필터의 조합의 경우에는, 융액액면에서의 복사광이 배경에 나타난다. 5mW의 레이저광[1/10,000]과 감광필터의 조합의 경우에는, 고스트가 배제된 정반사광이 얻어진다. 카본제의 열차폐체로부터의 반사광은, 15mW의 레이저광[1/10,000]과 감광필터의 조합에 의해 얻어진다.

또, 상기한 실시예에서는 모두 광학필터로서 감광필터와 같이 밴드패스필터를 병용하도록 할 수도 있다. 또, 일차원광센서(32)로는 라인형 CCD, PSD 등이 바람직하고, 이차원 광센서(7)로는 영역형 CCD, PSD 등이 바람직하다. 이것에 관하여, 마지막 실시예에서는 감광필터와 밴드패스필터의 조합이 유효한 것이 명확하지만, CCD를 채용한 경우에는 상기 CCD 자체가 밴드패스필터가 역할을 하기 때문에, 이를 고려하면서 밴드패스필터를 선별하게 된다.

또한, 도 1, 5, 6, 7, 8, 13, 14에 따른 실시예에서는, 계측유닛(8)을 구성하는 레이저광원(1), 감광필터(6), 수광렌즈(5), 및 광센서(7) 또는(32)는 동일한 하우징 또는 기판 상에 배치되는 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면, 레이저투광 각도를 매우 작은 범위에서 스캔하여 멜트레벨의 검출에 적절한 지점을 발견하고, 그 부분에서 계측을 하도록 하고 있기 때문에, 장치의 복잡화를 초래하지 않고, 또 융액액면에 생기는 노이즈의 영향이 적은 상태로 멜트레벨의 검출을 행할 수 있다.

따라서 본 발명에 의하면, 종래 장치보다 간단한 기구로, 확실하게 멜트레벨의 검출을 행할 수 있게 된다.

Claims (15)

1. CZ 로의 소정의 위치에 레이저광 조사기와 수광기를 구비하고, 상기 레이저광 조사기로부터 발생한 레이저광을 융액액면에 투사하여, 상기 투사지점으로부터 반사되어 온 레이저광을 상기 수광기로써 수광하여, 삼각측량의 원리에 따라 CZ 로 내의 융액액면의 레벨의 검출을 행하는 멜트레벨검출장치로서,

   상기 레이저광 조사기에 의한 투사위치를 CZ 로 내의 도가니의 직경방향으로 이동시킴으로써, 융액액면에서 반사되어 오는 레이저광이 상기 수광기에 수광되는 투사위치를 스캔하여, 상기 위치에 레이저광의 투사위치를 설정하고 상기 융액액면의 레벨검출을 행하는 것을 특징으로 하는 멜트레벨검출장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 레이저광 조사기로부터 발생한 레이저광의 진로를 변경하여 융액액면에의 투사를 행하는 제1광로변경수단, 및 융액액면에서 반사되어 온 레이저광의 진로를 변경하여 상기 수광기로 유도하는 제2광로변경수단 중 어느 한쪽 또는 양쪽이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 멜트레벨검출장치.
3. 제2항에 있어서,

   상기 레이저광 조사기에 의한 투사위치의 변경을 상기 제1 및 제2 광로변경수단에 의해 행하는 것을 특징으로 하는 멜트레벨검출장치.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 수광기에 수광되는 광 중, 소정의 광 강도 이하의 광을 차단하는 감광필터를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 멜트레벨검출장치.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 레이저광 조사기의 투사각도의 조정을 행하는 각도조정기구를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 멜트레벨검출장치.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

   CZ 로 내에 설치되어 있는 열차폐체의 하부에 도달할 때까지 상기 레이저광 조사기에 의한 투사위치의 스캔을 행하여 상기 열차폐체의 하부로부터 반사되어 오는 레이저광도 상기 수광기로 수광함으로써 상기 열차폐체하부의 위치의 산출을 행하는 것을 특징으로 하는 멜트레벨검출장치.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 수광기는, 관측면 상의 계측 스폿의 이차원적인 위치를 동시에 검출하는 이차원 광센서를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 멜트레벨검출장치.
8. CZ 로의 소정의 위치에 구비된 레이저광 조사기와 수광기를 이용하여 삼각측량의 원리에 따라 CZ 로 내의 융액액면의 레벨의 검출을 행하는 멜트레벨검출방법으로서,

   상기 레이저광 조사기에 의한 투사위치를 CZ 로 내의 도가니의 직경방향으로 이동시킴으로써, 융액액면에서 반사되어 오는 레이저광이 상기 수광기에 수광되는 투사위치를 스캔하여, 상기 위치에 레이저광의 투사위치를 설정하는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제8항에 있어서,

   상기 레이저광 조사기로부터 발생한 레이저광의 융액액면에서의 정반사광 보다 광 강도가 낮은 광을 차단하는 감광필터에 의해 상기 정반사광 이외의 고스트를 제외하는 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제8항 또는 제9항에 있어서,

    CZ 로 내에 설치되어 있는 열차폐체의 하부에 이를 때까지 상기 스캔이 행하여지고, 상기 열차폐체의 하부와 상기 융액액면의 반사율의 차이에 의해 열차폐체부분의 검출을 행하는 것을 특징으로 하는 방법.
11. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 수광기에, 관측면 상의 계측 스폿의 이차원적인 위치를 동시에 검출하는 이차원 광센서를 구비하고, 멜트레벨과 열차폐체 상의 계측 스폿의 이차원적인위치를 검출하는 것을 특징으로 하는 방법.
12. 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,

    삼각측량의 원리에 기초하는 CZ 로 내의 융액액면의 레벨검출을 위한 상기 스캔은 항상 행하여지거나 또는 수시로 행하여지지는 방법.
13. 제12항에 있어서,

    상기 수시로 행하여지는 스캔은, 반사광의 수광상태가 양호한 위치를 탐색하기 위해서 행하는 것이며, 수광상태가 양호한 동안은 스캔을 정지하고, 수광상태가 악화되었을 때에는 스캔을 재개하여, 반사광의 수광상태가 양호한 위치에 도달할 때까지 탐색을 계속하는 것을 특징으로 하는 방법.
14. 액면레벨검출의 대상이 되는 액면에 대하여 어떤 소정의 위치로부터 레이저광을 발사하면서, 상기 검출의 대상이 되는 액면에서 반사되어 온 레이저광을 상기 어떤 소정의 위치와는 다른 소정의 위치에서 수광하여, 삼각측량의 원리에 따라 상기 검출의 대상이 되는 액면의 액면레벨검출을 행하는 방법에 있어서,

    상기 검출의 대상이 되는 액면에 정상적으로 생기는 기복의 경사면을 이용하여 상기 액면에서 반사되어 온 레이저광의 진행방향을 조정하는 방법.
15. 레벨검출의 대상이 되는 면에 대하여 어떤 소정의 위치로부터 레이저광을 발사하면서, 상기 검출의 대상이 되는 면에서 반사되어 온 레이저광을 상기 어떤 소정의 위치와는 다른 소정의 위치에서 수광하여, 삼각측량의 원리에 따라 상기 검출의 대상이 되는 면의 레벨검출을 행하는 방법으로서,

    상기 방법은, 발광하고 있는 면의 레벨을 검출하는 방법이며, 레벨검출의 대상이 되는 면의 광 강도보다 강한 광 강도의 레이저광을 사용하고, 상기 레이저광과 상기 면의 광 강도의 사이의 에너지 레벨에 위치하는 감광필터를 통하여 상기 레이저광을 수광함으로써, 상기 레이저광의 수광을 선택적으로 행하는 것을 특징으로 하는 방법.