Summary
该协议描述了如何将红外摄像机安装到传送带炉中，对工厂校准的红外摄像机进行客户校正，并评估感兴趣的物体的空间表面温度分布。示例对象是工业硅太阳能电池。
Abstract
测量输送带炉中加工物体的表面温度是过程控制和质量保证的重要工具。目前，输送带炉中加工的物体的表面温度通常通过热电偶测量。然而，与热电偶测量相比，红外 （IR） 热成像具有多种优势，因为它是一种非接触式、实时和空间解析方法。在这里，作为一个具有代表性的概念验证的例子，一个内联热成像系统成功地安装在IR灯供电的太阳能发射炉，用于工业Si太阳能电池的接触发射过程。该协议描述了如何将红外摄像机安装到传送带炉中，对工厂校准的红外摄像机进行客户校正，以及对目标物体的空间表面温度分布进行评估。
Introduction
输送带1中处理物体的过程控制和质量保证，通过 测量物体的表面温度，是十分重要的。目前，温度通常由热电偶1测量。由于热电偶测量需要与物体接触，热电偶不可避免地会损坏物体。因此，通常选择一批具有代表性的样品进行温度测量，因为温度测量损坏后不再进行进一步处理。然后，这些受损物体的测量温度将推广到批次中剩余的样品，这些样品将进一步处理。因此，热电偶测量必须中断生产。此外，接触是局部的，每次测量后需要重新调整，并影响当地温度。
与传统的热电偶测量相比，红外 （IR） 热成像 2 具有许多优势，它代表了一种非接触式、就地、实时、省时和空间解析的温度测量方法。使用此方法，可以在不中断生产的情况下测量批次的每个样本，包括进一步处理的样品。此外，还可以测量表面温度分布，从而深入了解过程中的温度均匀性。实时功能允许实时校正温度设置。到目前为止，在传送带炉中不使用红外热成像的可能原因是 1） 未知光学参数的热物体（特别是非金属3）和 2） 在熔炉中寄生环境辐射（即红外摄像机检测到的反射辐射以及物体发射的辐射），导致错误温度输出2。
在这里，作为输送带炉中红外热成像的代表性概念验证示例，我们成功地将一个内联热成像系统安装到红外灯供电的太阳能燃烧炉（图1），用于工业Si太阳能电池的接触燃烧过程（图2A，B）4，5。4,5A,B发射过程是工业太阳能电池生产结束的关键一步。在此步骤中，细胞的触点形成7,7，8，表面钝化被激活9。要成功实现后者，必须准确实现发射过程中的时间温度剖面（图2C）。因此，需要充分和有效的温度控制。该协议描述了如何将红外摄像机安装到传送带炉中，对工厂校准的红外摄像机进行客户校正，并评估目标物体的空间表面温度分布。
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Protocol
1. 将红外摄像机安装到传送带炉中
- 确定应用红外摄像机测量炉子的哪个部分。
注：此处选择射击过程的峰值区域（参见图 1 A 射击区域中的 橙色突出显示区域）。 - 定义红外摄像机应检测到的温度范围（例如，700~900 °C，点火过程的典型峰值温度范围）。
- 确定或至少估计（通过实验或文献），感兴趣的物体（如硅太阳能电池）的温度、光谱和角度相关发射，以确定有关温度范围（在特定摄像机角度下）的最高发射量波长范围。
注：在这里，发射量是根据以前的文献3和一 个名为RadPro10的软件估算的，该软件计算了有关材料的光谱、角和温度相关发射率。 - 决定红外摄像机类型
注：这里使用中波红外（MWIR）钛氧化（InSb）相机（材料表）。- 选择可检测感兴趣温度范围的摄像机。
- 选择探测波长范围与感兴趣温度范围内感兴趣的物体最高发射对象的波长范围的摄像机。
- 避免摄像机尽可能多地进行寄生辐射检测，避免将辐射发射或反射到摄像机视野中（例如，熔炉中的红外灯）。
- 确定相机所需的空间和时间分辨率（例如，此处使用的摄像机的 640 px x 512 px 和 125 Hz [完整图像]）。
- 实现从红外摄像机到物体的足够光路（参见 图 1B）。
- 避免干扰光路中的物体（例如，导致直接或反射光的红外灯）。
- 如果可能，将摄像机放在炉室外。
注：大多数摄像机的运行温度较低（例如，高达 50°C）。如果需要，请确保可以提前更改摄像机位置。 - 拆下炉壁，隔离在光路应位于的位置，用绝缘红外窗口更换孔。
- 为满足以下要求的窗口选择合适的材料：1） 摄像机的检测波长 （+） 范围尽可能透明（例如，石英玻璃窗为 ±0.2 μm <±<±3 μm;蓝宝石窗口为 ±0.4 μm <<<<<2）能够隔离炉室热力。
注：车窗的温度可能会影响车窗传输。 - 避免损坏红外窗口。请勿拧紧车窗，以免在热膨胀过程中破损。
注：车窗材料在加热时应有足够的空间进行扩展。
- 为满足以下要求的窗口选择合适的材料：1） 摄像机的检测波长 （+） 范围尽可能透明（例如，石英玻璃窗为 ±0.2 μm <±<±3 μm;蓝宝石窗口为 ±0.4 μm <<<<<2）能够隔离炉室热力。
- 通过红外摄像机软件检查热成像图像，检查红外摄像机的视场 （FOV）。在热成像图像中识别目标对象及其温度。如有必要，调整 FOV。
2. 制造校准的红外摄像机的全球客户温度校正
注意：假定红外摄像机的制造包括辐射校准。
- 发现局部光学伪影，如反射和背景辐射。
- 对物体进行经典的热电偶测量，同时使用红外摄像机记录晶圆，包括热电偶。
- 检查用过的热电偶的有效性。在可明显检测到的加工物体的温度剖面中搜索已知特征温度点（例如，在平滑线路中中断）。如果热电偶正确测量这些温度点，则热电偶很可能被正确校准。
- 硅太阳能电池示例
- 将热电偶放在晶圆的后铝侧。为标准点火过程11 进行温度剖面分析。
- 通过确定在 577°C的 Al-Si eutectic 温度周围，温度曲线是否以平坦曲线的形式发生中断（如图2D 所示），验证热电偶。
注：如果中断发生在 577 °C 左右的温度下，则表明热电偶进行的温度测量是准确的。仅对以下步骤使用经过验证的热电偶。
- 在同一对象点（出于统计原因多次）进行热电偶测量，然后在空间上对各种随机点（出于统计原因）进行热电偶测量，以获取时间温度剖面。
- 确定从步骤 2.2.3 的热电偶测量中热电偶下方的热电偶下方的局部未校正热成像对象温度，同时将热电偶放在对象的上侧。
- 检查接触热电偶周围是否可能局部温度下降（由于散热和阴影）。假设热电偶附近的温度直接位于热电偶下的对象温度，如果局部温度下降不存在。
- 如果存在局部温度下降，请执行以下步骤。
- 确定热电偶未覆盖的零件中当前温度下降的空间温度梯度。
注：建议确定温度下降（径向）周围多个点的梯度，并确定平均梯度。 - 估计热电偶诱导的可能光学伪影的贡献（假设沿电池深度方向均匀温度的情况（如 Si 太阳能电池）的例程）。
- 将热电偶放在与测量表面相反的表面上，在此配置中重复热电偶和热成像测量（如图 3A 所示）。转动对象（包括热电偶）以使热电偶不在摄像机和物体之间的光路中。
注：如果热电偶在光路内外（即连接到测量或相反表面）的局部温度下降梯度相同，则表明热电偶很可能不会诱发光学伪影。 - 在热电偶接触测量表面（即光路内部）到热电偶覆盖的区域的情况下，推断温度下降的梯度，以获得热电偶下方物体的温度。
- 对步骤 2.2.3 的每个测量值重复 2.3.2.2. 2。
- 将热电偶放在与测量表面相反的表面上，在此配置中重复热电偶和热成像测量（如图 3A 所示）。转动对象（包括热电偶）以使热电偶不在摄像机和物体之间的光路中。
- 确定热电偶未覆盖的零件中当前温度下降的空间温度梯度。
- 2.3 的替代方法：从步骤 2.2.3 的热电偶测量中确定热电偶下方的局部未校正热成像对象温度，同时将热电偶放在对象的下侧。要确定热电偶下局部未校正的热成像太阳能电池温度，请提取热电偶位置的局部温度。
注：保持后侧的热电偶可防止热电偶通过相机阻挡物体上的视线。因此，一方面，温度校正明显简单。另一方面，热电偶在发射过程中通常不放置在物体的下侧，因此可能导致操作并发症，因此需要格外小心地执行这种替代方案。 - 使用步骤 2.3 或 2.4 生成的数据，更正与热电偶测量温度相关未校正的热成像图像。
- 通过热电偶绘制通过未校正的红外热成像确定的温度测量的温度。执行曲线拟合。
- 将获得的曲线拟合作为未校正热成像图像的通用统一全局校正公式。
- 对每种新对象类型或配置重复温度校正，尤其是在光学参数不同时。
3. 通过红外热成像评估空间表面温度分布
注：此部分的发射条件假定为相同。
- 创建二维峰值温度分布图（参见 图4A）
- 使用适当的编程语言编写脚本，沿整个摄像机 FOV 跟踪每个对象表面点的曲面对象温度，即充当同时放置在所有对象点的"虚拟热电偶"。
注意：在这里，脚本是用 MATLAB 编写的。 - 提取每个对象点（即峰值温度）的最大值，并在相应的 2D 分布图中绘制这些温度。
- 使用适当的编程语言编写脚本，沿整个摄像机 FOV 跟踪每个对象表面点的曲面对象温度，即充当同时放置在所有对象点的"虚拟热电偶"。
- 与物体吞吐量方向垂直的平均值分布（参见图4B）
- 在吞吐量方向：平均与吞吐量方向相反的维度中的 2D 温度分布。剩下的是吞吐量方向上的平均 1D 温度分布。
- 垂直于吞吐量方向：平均在以吞吐量方向的维度中的 2D 温度分布。剩下的是垂直于吞吐量方向的 1D 平均温度分布。
注：建议将边缘的最后一厘米（至少）留以进行平均，因为对象边缘的光学伪影可能会伪造生成的平均温度。
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Representative Results
如图3 Figure 3B+D所示，示例对象（此处为硅太阳能电池;严格地说，钝化发射器和后电池 [PERC]12;图2A，B） 可由红外摄像机在不同配置4中清晰检测。不同的配置是单面金属化（图3B），双面金属化13（图3C）和非金属性 PERC 样品（图3D）。单面和双面配置的区别在于，前者具有全面积铝层，而后者的后侧有一个 H 型网格（类似于银色前侧）。在这里，红外摄像机的定位方式是摄像机 FOV 捕获发射过程的峰值温度。峰值相位是发射过程中最关键的阶段，因为接触实际上是在这个阶段14中形成的。在这里，感兴趣的温度范围类似于点火过程的典型峰值温度范围（即，大约 700~900 °C1。
对于后一种温度范围，光谱发射率在短、中、长波长红外光谱3中具有相当高和均匀性。双蓝宝石层用作透射窗口，允许在短和中红外波长光谱中实现良好的传输。为了最大限度地减少对炉子红外灯（短波长红外范围内的峰值波长）的光的检测，选择了一种红外摄像机类型，采用 InSb 作为探测器材料，检测范围为 3.7~4.1 μm（包括滤波器）。只能同时检测到吞吐量方向的三分之一晶圆。然而，这足以进行这项工作，因为晶圆完全通过现有的视野。当然，温度校正热成像图像如下所示。严格地说，图像是温度校正的关于太阳能电池。
如图 3A所示，光路对面接触的热电偶导致周围温度下降（温度下降10K），很可能是由于散热和阴影。与热电偶测量的温度相比，后一滴对于估计无热电偶发射期间的电池温度非常重要。在这里，当热电偶接触时，电池被定位到框架上（图3E）。框架的散热导致温度下降约 10 K。估算使用热电偶系统的后一个偏移量非常重要，如所示，热电偶系统是在热成像的帮助下执行的。红外摄像机允许直接放置在传送带上的传送带观察电池的局部散热（图3F）。这就是为什么细胞通常被放置在皮带高程上，以尽量减少它们与皮带之间的接触。
图 4 显示了表面温度分布。由于硅太阳能电池通常厚度在160μm左右，在熔炉中加工30 s，因此，沿电池深度的温度分布可能是同质的。因此，结果很可能表明温度分布，而不仅仅是表面温度分布。与吞吐量方向相反，获得1K/cm的平均值梯度。在吞吐量方向上，传入的晶圆季度比尾随晶圆的余节要冷得多。较冷的传入部分的梯度为 7 K/cm，而较热的尾随部分的梯度为 0.5 K/cm。
在两个方向上，单元格边缘（其余 2 厘米）都忽略以确定梯度，因为检测到的边缘温度与细胞边界外的较冷混合，从而导致错误温度。 图 4C 显示了单面太阳能电池的代表性 2D 温度分布，该太阳能电池在正面未进行金属化。这里也观察到了上述相同和相反的运输方向的趋势。总之，这些结果表明，太阳能电池在这项工作中经历了一定程度的空间温度的不均匀性。
图1：协议中使用的最重要的设备。 （A） 输送带炉的横向方案。这个数字面板已经修改从伊林森等人4。（B） 放大缩小字体功能 放大缩小字体功能1） 炉壁和隔离，2） 红外摄像机， 3） 红外灯， 4） 绝缘窗， 5） 物体运输方向， 6） 相机 FOV， 7） 运输带， 8） 物体， 和 9） 热成像软件。 这个数字面板已经修改从伊林森等人4。（C） 本协议期间使用的烧炉.（D） 图像，说明在发射炉中放置的用过的红外摄像机和透射红外窗口。数字对应于面板 A 和 B 中的数字。 请单击此处查看此数字的较大版本。
图2：测量物体及其温度。 （A） 单面 PERC 太阳能电池的示意横截面。（B） 工业 PERC 电池的前（左）和后（右）侧视图。（C） 在发射过程中，用热电偶测量了 PERC 太阳能电池的工业时间温度轮廓，包括分相和分段，由摄像机视场覆盖。这个数字已经修改了从伊林森等人5。（D） 当热电偶放置在太阳能电池的铝后侧时，在热电偶测量的燃烧剖面中，在铝和硅的电化温度（TEUT） 周围出现中断。这个数字已经修改了从伊林森等人5。 请单击此处查看此图的较大版本。
图3：在相同发射条件下，PERC太阳能电池具有代表性的温度校正热成像图像。 （A） 由后侧热电偶接触导致的可见局部温度下降。（B） 单面金属化 PERC 单元上三分之一的热成像图像，包括 （1） 位于可见传送带上的可见母线 （2）。 TAV 显示晶圆上的平均温度。（C） 双面金属化 PERC 细胞的热成像图像。（D） 非金属化 PERC 晶圆的热成像图像。（E） 放置在热电偶框架上并由热电偶接触的晶圆的热成像图像。 TTC 显示热电偶测量的晶圆温度。（F） 直接放置在传送带上的晶圆的成像图像。（G） 红外摄像机测量的温度范围的颜色图。这个数字已经修改了从伊林森等人5。 请单击此处查看此图的较大版本。
图4：PERC 太阳能电池在相同发射条件下的温度分布。（A） 单面 PERC 太阳能电池从正面的二维峰值温度分布。（B） 平均峰值温度分布（右图）和垂直（左图）到细胞传输方向。请单击此处查看此图的较大版本。
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Discussion
通常，通过测量和调整物体的光学参数、透射窗口和路径以及物体的环境温度和透射窗口2来校正热成像温度。作为替代方法，本协议介绍了一种基于热电偶测量的温度校正技术。对于后一种方法，不需要了解上述参数。对于此处显示的应用程序，此方法就足够了。但是，无法保证热电偶方法足以满足输送带炉中的所有热成像应用。
在协议中，对热成像图像进行统一的全局温度校正;不过，校正空间解析温度更精确。然而，发现均匀的温度校正在移动物体的情况下更为合适。此外，它旨在校正物体的温度，而不是周围的物体（例如皮带和墙壁）的温度。
如步骤 2.3.2.2 中所述，此处提供的示例假定沿对象深度具有均匀的温度分布。在物体的深度温度分布不均匀的情况下，一个表面上的温度与相反表面的温度不同。因此，第 2.3.2.2 节中描述的步骤不适用于这些情况。必须进一步研究沿物体深度进行不均匀温度分布的解决方案。
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Disclosures
作者没有什么可透露的。
Acknowledgments
这项工作得到了德国联邦经济事务部在"Feuerdrache"项目（0324205B）中的支持。作者感谢为这项工作做出贡献的同事和项目合作伙伴（InfraTec、Rehm 热力系统、贺利氏贵族灯、Trumpf 光子组件）共同资助和提供出色的支持。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Datalogger incl. Thermal barrier | Datapaq Ltd. | ||
| IR thermography camera "Image IR 8300" | InfraTec GmbH | ||
| IR thermography software "IRBIS Professional 3.1" | InfraTec GmbH | ||
| Solar cells | Fraunhofer ISE | ||
| Solar firing furnace "RFS 250 Plus" | Rehm Thermal Systems GmbH | ||
| Sheath thermocouples type K | TMH GmbH | ||
| Thermocouple quartzframe | Heraeus Noblelight GmbH |
References
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