CN102374922B - 传感器型真空计及使用传感器型真空计的单晶提升装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种低成本的传感器型真空计，能够用单一的本体根据测定对象物内的气体(成分)来正确测定压力，适用于要正确测定多个气体的装置。其包括在测定对象物上可自由拆装的本体(1)，该本体上一体化组装有传感器部(2、22)、提供测定压力所需的电力的电源部(E)，处理来自传感器部的输出并指示压力的控制部(C)。在该控制部上，按多种气体的每种分别存储有将所述输出对应于压力的校正表，设置有选择要测定的特定种类的气体的输入部，切换到与已选择的气体相对应的校正表并处理来自传感器部的输出及指示压力。

Description

传感器型真空计及使用传感器型真空计的单晶提升装置

技术领域

本发明涉及一种传感器部的输出根据测定对象物的气体可变动的传感器型真空计，特别是传感器型皮拉尼真空计及使用其的单晶提升装置。

背景技术

以往，太阳能电池中有一种单晶硅太阳能电池。在制造该单晶硅太阳能电池时，对于得到单晶硅铸块的方法，一般公知的是直拉单晶制造法(CZ法)。实施CZ法的装置包括由闸阀分为两个室的真空腔室，该真空腔室的下部空间内安装有坩埚，其上部空间设置为提升单晶时的提升空间(参照例如专利文献1)。

在得到单晶硅的铸块时，根据情况将坩埚内的高纯度多晶硅与B、As、P等掺杂剂一同收纳后，将真空腔室内抽真空，加热熔解原料。当真空腔室内的压力达到规定压力后，以规定压力向真空腔室内导入氩气，在氩气气氛下通过单晶提升机构，将相当于种子的单晶即籽晶浸渍到坩埚内的熔液中，之后，通过缓缓提升使与籽晶具有相同排列方位的单晶成长，制成大型圆柱状铸块。而且，将真空腔室再次抽真空，达到规定压力后，导入氮气直至真空腔室达到大气压，取出铸块。

在通过上述氩气的导入来控制真空腔室内的压力或确认氮气达到压力时，通常使用隔膜真空计，但该隔膜真空计价格非常昂贵，会产生初期成本升高的问题。因而，可以考虑使用廉价且耐用的皮拉尼真空计，但因为下述原因，以往并没有使用皮拉尼真空计等廉价的热传导式真空计。即以皮拉尼真空计为例来说明的话，该皮拉尼真空计利用加热了的加热丝被气体分子撞击、热量被夺走而温度降低，从电阻、进而从电压的变化检出该加热丝的温度并指示压力。

上述皮拉尼真空计虽然能在低压状态下得到与测定对象物的压力大约一致的输出，但随着压力的升高，气体分子夺走的热量不再依存于压力，测定精度下降。通常，根据氮气和空气等特定种类的气体，用能够在测定精度下降的压力范围内测定确切压力的其他真空计来测量测定对象物的压力，同时预先进行将压力对应于输出(电压)的校正。不过，在上述测定原理上，如果测定对象物内的气体种类发生变化，由于其热传导率变化，该皮拉尼真空计指示的压力也会有变动。其结果如上所述，不利于在需要控制多种气体的压力等的单晶提升装置中使用。

在这种情况下，通常采用在测定对象物上安装按规定的气体(例如、氩气和氮气)分别进行校正的多个皮拉尼真空计，并按每种要测定的气体来分别使用皮拉尼真空计，但是这样不但会导致部件数量的增加，还会使信号布线和信号的处理等的控制变得复杂。

【现有技术文献】

【专利文献】

【专利文献1】专利公开2007-15899号公报

发明内容

发明要解决的技术问题

鉴于以上情况，本发明的目的是提供一种低成本的传感器型真空计及使用该传感器型真空计的单晶提升装置，其能够用单一的本体，根据测定对象物内的气体(成分)正确测定压力，适用于需要正确测定多个气体的压力的装置。

解决技术问题的手段

为了解决上述问题，在本发明的一种实施方式中，传感器型真空计包括可在测定对象物上自由拆装的本体，该本体一体化组装有传感器部、供给测定压力所需电力的电源部、处理来自传感器部的输出并指示压力的控制部，在来自传感器部的输出根据测定对象物的气体可变动的传感器型真空计上，其特征在于采用了如下的构造，即在所述控制部上，按多种气体的每种分别存储将所述输出对应于压力的校正表，设置选择要测定的特定种类的气体的输入部，切换到与已选择的气体相对应的校正表处理来自传感器部的输出并指示压力。

由此，在将本体安装在测定对象物上进行压力测定时，根据测定对象物内的气体(成分)，经输入部选择其气体(例如、氮气)。而且，控制部从与测定对象物的压力相对应的传感器部的输出(例如是皮拉尼真空计的话，就是电阻的变化引起的电压变化)出发，根据与已选择的气体(氮素用的)相对应的校正表来进行处理，对显示器和其他装置的控制单元等外部机器指示压力。并且，在测定对象物内的气体(成分)已变化的情况下，经输入部选择其他气体(例如氩)。由此，控制部从与一种气体相对应的(氮素用的)校正表切换为与另外的气体相对应的(氩用的)校正表，根据该校正表来处理来自传感器部的输出并对外部机器指示压力。

如此采用上述一种实施方式，正如利用气体的热传导的皮拉尼真空计那样，即便来自其传感器部的输出是根据测定对象物内的气体(成分)变化的，但由于预先在控制部存储有每种气体的校正表，用来自输入部的操作切换校正表并指示压力，所以能够用单一的本体根据测定对象物的气体正确测定压力。其结果是若将本发明的传感器型真空计应用于需要正确测定多个气体的压力的装置，则能够防止部件数量的增加，并且，能够很简单地处理该真空计输出的信号，结果对降低成本做出了显著的贡献。

并且，在本发明的另一种方式中，其特征在于采用如下构成：在所述控制部上，按一种气体来存储将所述输出对应于压力的校正表，同时还将在规定压力上的一种气体和其他的气体的来自所述传感器部的输出的比作为补正系数进行存储，设置选择所述其他的气体的输入部，在所述校正表的基础上，处理该已选择的气体对应的补正系数乘以所述传感器部的输出得到的结果，并指示压力。

采用这种方法，用来自输入部的操作根据测定对象内的气体决定补正系数，以一种气体上的校正表为基础处理来自传感器部的输出乘以该补正系数得到的结果并指示压力。其结果是与上述一样，能够用单一的本体，根据测定对象物的气体成分中特定种类的气体正确测定压力。

进而，在本发明中，根据用途，所述气体的选择可设置为通过本体上设置的转换元件、或通过能自由输入控制部的外部信号来进行。并且，在本发明中，优选所述本体还包括显示所述已选择的气体的显示设备，以能看出选择的气体。另外，本发明的传感器型皮拉尼真空计，例如能应用于皮拉尼真空计。

并且，为解决上述技术问题，本发明的单晶提升装置，其特征在于包括安装有权利要求5所述的传感器型皮拉尼真空计的真空腔室、配置在该真空腔室内的坩埚、单晶提升组件、统一控制装置启动的控制单元；通过将原料收纳并熔解在坩埚内，将籽晶浸渍在该熔解的熔液中后提升，而使与籽晶具有相同排列方位的单晶成长；根据真空腔室内导入的气体，通过控制单元将外部信号输入到传感器型皮拉尼真空计，用传感器型皮拉尼真空计选择上述气体，将其压力指示给控制单元。

附图说明

【图1】为本发明的传感器型真空计的侧视图。

【图2】(a)是图1的传感器型真空计的检测电路图，(b)是其内部构成模块示意图。

【图3】示出检测电路和压力的关系的图表。

【图4】示出使用每种气体的补正系数测定压力时的结果的图表。

【图5】大致示出包括本发明的传感器型真空计的单晶提升装置的结构示意图。

【图6】示出处理时真空腔室内的压力变化的图表。

具体实施方式

以下，参照附图，设测定对象物为单晶提升装置等的真空腔室，传感器部的输出根据测定对象物的气体(成分)变动的传感器型真空计为传感器型皮拉尼真空计，其本体安装在真空腔室上，以根据其内部的气体种类进行准确的压力测定的情况为例来说明本发明的实施方式。

参照图1和图2，PG是传感器型皮拉尼真空计。传感器型皮拉尼真空计PG包括由机箱构成的本体1，其一侧可自由拆装地安装有包括法兰2a的管状传感器2。管状传感器2如图2(a)所示，具有例如白金材质的加热丝21。

在本体1内，如图2(b)所示，内置有检测电路22、电源部E，和控制电源部E启动同时处理来自检测电路22的输出并指示压力的控制部C。检测电路22包括增幅器(OP放大器)22a，和与加热丝21共同构成电桥电路的3个电阻22b～22d。管状传感器2及检测电路22构成本实施方式的传感器部。电源部E通过控制部C向加热丝21提供电压(例如5V)的同时，供给增幅器(OP放大器)22a驱动用的电压(例如15V)。而且，本体1经法兰部2a，安装在图中未示出的真空腔室上，以该状态给加热丝21通电加热，则通过检测电路22，在管状传感器2内根据暴露加热丝21的真空腔室内的压力输出电压，例如，进行A/D转换，将与压力相对应的强度的信号(来自本实施方式的传感器部的输出)输入控制器部C。

即检测电路22的输出端子的电压相等时，给增幅器22a的输出电压变为一定值，例如随着真空腔室内的压力下降管状传感器2内的压力下降的话，加热丝21的温度将上升，该加热丝21的电阻值变大。因此，加热丝21上产生的电压将变高。在这种情况下，将变高的加热丝21上产生的电压输入到增幅器22a的反转输入端子的话，增幅器22a的输出电压将变低。

对此，若随着真空腔室内的压力上升管状传感器2内的压力上升的话，则加热丝21的温度降低，加热丝21的阻值变小。因此，加热丝21上产生的电压降低，增幅器22a的输出电压变高。而且，如果加热丝21返回原来的温度，电桥电路的输出端子再次变为相同电压，电桥电路变为平衡状态。如此，增幅器22a的输出电压根据管状传感器2内的压力变化而变动，在真空腔室的内部压力降低的情况下，增幅器22a的输出电压降低，另一方面，在压力上升的情况下，增幅器22a的输出电压上升。将该输出放入控制部C，控制部C对个人电脑和显示器等外部机器的控制单元指示压力，设置为能够用于显示该压力，或用于根据测定的压力控制向真空腔室内导入气体等。

然而，由于上述传感器型皮拉尼真空计PG像上述那样测定压力，所以一方面在低压状态下得到与压力很一致的输出值，另一方面伴随压力变高气体分子夺走的热量并不依存于压力，测定精度变差。因此，在真空腔室内，例如填充作为大气中的主要成分的氮气，用能够在测定精度下降的压力范围内测得准确压力的其他真空计(例如隔膜真空计)来测量真空腔室的压力，同时对应压力对输出进行校正，预先将该校正表存储在控制部C的存储器等存储设备中，但由于真空腔室内的气体的种类变化的话，其热传导率会变化，所以即便在上述校正表的基础上指示压力，也会有无法变得与实际真空腔室内的压力一致的情况。

在本实施方式中，在以氮气做的校正之上，再加上向真空腔室内填充除氮气外的氩气等至少一种气体，用另外的真空计(比如隔膜真空计)来测定真空腔室的压力的同时，针对其他的每种气体分别对应压力对输出进行校正，该每种气体的校正表也预先存储在控制部C的存储设备中。而且，在本体1上，为了从在控制部C上存储的校正表上的气体中根据要测定的气体切换校正表，设置输入部的转换元件SW。再有，在本体1上，设置由LED灯构成的显示设备D，以便能视认出已选择的气体种类。在这种情况下，对应已选择的气体，或使亮灯时的颜色发生变化，或使灯的状态发生变化(例如一种气体的情况下闪烁，另一种气体的情况下亮灯等)，以便能够确定已选择的气体。

根据上述内容，在真空腔室内安装本体1进行压力测定的情况下，例如，真空腔室内的气体例如主要是氮的情况下，经转换元件SW选择氮的话，该选择被输入控制部C。而且，通过检测电路22输出与真空腔室内的压力对应的电压的话，控制部C从该电压出发，以氮用校正表为基础来处理，将压力指示给外部机器。

另一方面，在真空腔室内，从氮气变为例如以氩气为主的气氛的情况下，通过转换元件SW选择氩气。由此，控制部C切换到氩用校正表，通过检测电路22输出与真空腔室内的压力相对应的电压的话，以氩用校正表为基础来处理并对外部机器指示压力。

通过上述方式，因为预先将每种气体的校正表储存在控制部C中，通过输入部转换元件SW的操作，根据气体来切换校正表并指示压力，因此能够用单一的本体1根据真空腔室内的气体正确地测定压力。此处，在图3中的图表，示出了使用本实施方式的氮气(N₂)及氩气(Ar)的校正表分别预先存储于控制部C的传感器型皮拉尼真空计PG测定压力时，传感器部的输出和真空腔室内的压力之间的关系。图3中，-●-是氮气，-■-是氩气。由此，例如在氮气、1.0E+2Pa的情况下，检测电路22的输出电压为3.685V；而另一方面，在氩气、1.0E+2Pa的情况下，检测电路22的输出电压为2.948V。因此，可知用仅持有氮用校正表的现有皮拉尼真空计，氩气气氛的真空腔室内的压力是1.0E+2Pa的情况下，指示压力变为7.0E+1Pa。因此，可知如本实施方式这样，通过根据气体来切换校正表，能够正确指示压力。

上述实施方式中，以根据气体种类将校正表分别存储于控制部C、并根据真空腔室内的气体(成分)通过转换元件SW的操作切换校正表并指示压力为例进行了说明，但本发明并不受上述实施方式的限制。在控制部C上按一种气体(例如氮气)存储检测电路22的输出与压力对应的校正表，再加上，求出在规定压力内的一种气体和其他的气体(例如氩)的检测电路22的输出电压之比，并将该比值存储为补正系数。而且，在真空腔室内测定另一种气体的压力时，用转换元件SW来选择其他的气体的话，也可在所述校正表的基础上，处理该已选择气体对应的补正系数乘以上述传感器部的输出得到的数值，并指示压力。

参照图3来说明，例如在氮气、1.0E+3Pa的情况下，检测电路22的输出电压为8.072V。另一方面，在氩气、1.0E+3Pa的情况下，检测电路22的输出电压为6.458V。这样氮气和氩气的检测电路的输出电压之比为1.25。将其作为补正系数存储在控制部C的存储设备上，指示氩气的压力时，检测电路22的输出乘以补正系数1.25，以该值和一种气体的(氮素用的)校正表为基础指示压力。据此，使用带有氮气的校正表的皮拉尼真空计，用于测定以氩为主的气氛的真空腔室内的压力时，图4中，如-X-线所示，以氮气用的校正表为基础指示压力的话，随着压力升高，指示值变得比实际压力低。与之相对，使用本发明，从乘上补正系数得到的值出发以氮气用的校正表为基础指示压力的话，图4中如-+-所示，可知已指示的压力变为与实际的压力大致相等。另外，图4中，-◇-是在氮气的校正表的基础上，测定以氮气为主的气氛的真空腔室时的值。

并且，在上述实施方式中，是以传感器部的输出根据测定对象物的气体成分来变动的传感器型真空计为传感器型皮拉尼真空计PG为例来说明的，但本发明并不仅限于此，还能用于热电偶型真空计和水晶真空计等来根据气体正确地实施压力测定。并且，能够视认选择的气体种类的显示设备并不仅限于上述。也可为设置在本体1上的显示器或连接在控制部C上能够与控制部C自由通信的显示器等。

下面，参照图5，说明使用上述实施方式的传感器型皮拉尼真空计PG的单晶提升装置PM。单晶提升装置PM具有包括图中未示出的真空泵的上下方向上竖长的真空腔室10。真空腔室10经闸阀11被上下分割为主处理室10a和提升室10b。位于下方的处理室10a上设置有石英材质的坩埚12，该坩埚12通过与图中未示出的马达相连接的支持轴13来支持，可上下自由活动。在坩埚12周围，配置有由碳材构成的桶状加热器14，坩埚12及加热器14被隔热材15围绕。而且，在坩埚12内，根据情况将高纯度多晶硅原料与B、As、P等掺杂剂一同收纳，通过加热器14加热熔融变为原料熔液M。

并且，在处理室10a上设置包括气体供给管16的气体导入设备，在提升单晶等时侯能够供给氩气和氮气等非活性气体。为实现通过导入该氩气和氮气来控制真空腔室内的压力，在处理室10a的上部，设置有本发明的传感器型皮拉尼真空计PG。作为这种情况下的传感器型皮拉尼真空计PG，接收下文所述的控制单元CU发出的外部信号，并进行校正表切换。

在提升室10b上部，设置有作为单晶提升组件的绞升装置17。绞升装置17具有包括马达的绞升轮17a，该绞升轮17a上绕有能穿过提升室10b下垂到处理室10a的绳索17b。绳索17b的前端安装有种子保持器17c，籽晶(图 中未示出)安装在种子保持器17c上。而且，由包括计算机、程序控制器和存储器等的控制单元CU来统一控制绞升装置17、气体导入设备、加热器、真空计和真空泵的启动等。下面对使用该单晶提升装置制造单晶硅铸块进行说明。

首先，在坩埚12内，根据情况将高纯度多晶硅与B、As、P等掺杂剂一同收纳，同时在绳索17b的前端的单晶硅17c上安装籽晶。之后，在让闸阀11处于打开状态下将真空腔室10内抽真空。此时，开始加热坩埚12。并且，传感器型皮拉尼真空计PG设置为根据来自控制单元CU的信号选择氮气，以氮用校正表为基础将真空腔室10内的压力指示给控制单元CU。

而且，坩埚12内的原料熔解，当真空腔室10内的压力达到规定压力时，以规定压力向真空腔室10内导入氩气。在此之前，通过控制单元CU选择氩气，切换为氩用校正表，并以氩用校正表为基础将真空腔室10内的压力指示给控制单元。而且，以传感器型皮拉尼真空计PG指示的压力为基础，将真空腔室10内部保持在规定的压力的同时，在绞升装置17上，将安装在绳索17b的前端的单晶17c浸渍在坩埚12的原料熔液M中，其后，缓缓提起。由此，让与籽晶有相同排列方位的单晶生长例如1～3m，制成大型圆柱状铸块。

要得到规定的铸块的话，通过控制单元CU再次选择氮气，以此状态将真空腔室10抽真空至规定压力。最后，传感器型皮拉尼真空计PG指示给控制单元CU的压力达到规定压力后，导入氮气直至真空腔室10达到大气压，取出铸块。

此处，按上述步骤进行单晶提升时，用本发明的传感器型皮拉尼真空计PG、隔膜真空计或现有技术的皮拉尼真空计来分别测定真空腔室10内的压力变化，其结果如图6所示。图6中，-◆-是以本发明的传感器型皮拉尼真空计PG、-■-是以隔膜真空计，而-▲-是以现有技术的皮拉尼真空计来测定压力时得到的数值。由此，可知使用本发明的传感器型皮拉尼真空计PG的话，与隔膜真空计一样，能够测定真空腔室10内的压力。

如上所述，用单一的传感器型皮拉尼真空计PG能够切实测定多个气体的压力，能够防止单晶提升装置的部件数量增加，并且，也能够很简单地处理来自该真空计的信号，其结果对降低成本做出显著贡献。

PG.传感器型皮拉尼真空计(传感器型真空计)

1.本体

2.管状传感器(传感器部)

22.检测电路(传感器部)

E.电源部

C.控制部

SW.转换元件(输入部)

D.显示设备

PM.单晶提升装置

10.真空腔室

12.坩埚

17.绞升装置(单晶提升组件)

CU.控制单元

M.原料熔液

Claims (5)

1.一种传感器型真空计，为来自传感器部的输出根据测定对象物的气体可变动的传感器型真空计，其包括可在测定对象物上自由拆装的本体，该本体上一体化组装有传感器部、供给测定压力所需电力的电源部、处理所述传感器部的输出并指示压力的控制部，其特征在于构成如下：

在所述控制部上，按多种气体的每种分别存储将所述输出对应于压力的校正表，并设置选择要测定的特定种类气体的输入部，切换到与已选择的气体相对应的校正表处理传感器部的输出并指示压力。

2.根据权利要求1所述的传感器型真空计，其特征在于，所述气体的选择通过设置在本体上的转换元件或通过对控制部自由输入的外部信号来实施。

3.根据权利要求1所述的传感器型真空计，其特征在于，所述本体还包括显示所述已选择气体的显示设备。

4.根据权利要求1所述的传感器型真空计，其特征在于，所述传感器型真空计是利用气体的热传导率依存于压力的关系的皮拉尼真空计。

5.一种单晶提升装置，其特征在于，包括：安装有权利要求4所述的传感器型皮拉尼真空计的真空腔室、配置于该真空腔室内的坩埚、单晶提升组件、统一控制装置启动的控制单元；通过将原料收纳熔解于坩埚内，将籽晶浸渍于该已熔解的熔液中并提起，而使与籽晶排列方位相同的单晶成长；根据导入真空腔室内的气体，通过控制单元将外部信号输入传感器型皮拉尼真空计，用传感器型皮拉尼真空计来选择上述气体，将该压力指示给控制单元。

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