Summary
このプロトコルは、コンベアベルト炉に赤外線カメラを設置する方法、工場で校正されたIRカメラの顧客補正を行い、対象物の空間表面温度分布を評価する方法を説明します。例としては、工業用シリコン太陽電池があります。
Abstract
コンベアベルト炉で加工される物品の表面温度を測定することは、プロセス制御と品質保証の重要なツールです。現在、コンベアベルト炉で処理される物体の表面温度は、通常熱電対を介して測定される。しかし、赤外線(IR)サーモグラフィーは、非接触、リアルタイム、空間的に解決された方法であるため、熱電対測定と比較して複数の利点を提示します。ここでは、代表的な概念実証例として、インラインサーモグラフィーシステムが、産業用Si太陽電池の接触焼成プロセスに使用されるIRランプ駆動式太陽焼成炉に正常に設置される。このプロトコルは、IRカメラをコンベアベルト炉に取り付け、工場でキャリブレーションされたIRカメラの修正を行い、ターゲットオブジェクト上の空間表面温度分布の評価を行う方法を説明します。
Introduction
コンベアベルト炉1 で処理された物品のプロセス制御と品質保証は、物体の表面温度を測定することによって重要かつ達成される。現在、温度は通常熱電対1によって測定される。熱電対測定は物体との接触を必要とするので、熱電対は必然的に物体に損傷を与える。したがって、温度測定用にバッチの代表的なサンプルを選択するのが一般的であり、損傷を受けてからそれ以上処理されません。これらの損傷した物体の測定された温度は、さらに処理されるバッチからの残りのサンプルに一般化される。したがって、熱電対測定のために生産を中断する必要があります。さらに、接触は局所的であり、各測定後に再調整する必要があり、局所的な温度に影響を与える。
赤外線(IR)サーモグラフィ2 は、従来の熱電対測定に対して多くの利点を有し、非接触、インサイトゥ、リアルタイム、時間節約、および空間的に分解された温度測定方法を表す。この方法を用いて、バッチの各サンプルは、さらに処理されるものを含め、生産を中断することなく測定することができる。さらに、表面温度分布を測定することができ、プロセス中の温度均質性に関する洞察を提供します。リアルタイム機能により、温度設定をオンザフライで修正できます。これまでのところ、コンベアベルト炉にIRサーモグラフィを使用しない理由として考えられるのは、1)炉内の高温物(特に非金属3)および2)の未知の光学パラメータ(特に非金属3)および2)内の寄生環境放射(すなわち、被放射物に加えてIRカメラによって検出された反射放射)であり、誤熱温度出力2を招く。
ここでは、コンベアベルト炉におけるIRサーモグラフィーの代表的な概念実証例として、産業用Si太陽電池セル(図2、B)4、5の接触焼成工程で使用されるIRランプ式太陽焼成炉(図1)にインラインサーモグラフィーシステムを設置しました。4,5焼成プロセスは、工業用太陽電池生産の終わりに重要なステップです 6.このステップの間に、セルの接触は77、8、8および表面のパッシベーションが活性化される9を形成する。後者を正常に達成するためには、焼成プロセス中の時間温度プロファイル(図2C)を正確に実現する必要があります。そのため、十分かつ効率的な温度制御が必要とされる。このプロトコルは、IRカメラをコンベアベルト炉に取り付け、工場でキャリブレーションされたIRカメラの修正を行い、ターゲットオブジェクトの空間表面温度分布を評価する方法を説明します。
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Protocol
1. コンベアベルト炉へのIRカメラの設置
- 炉のどの部分をIRカメラで測定すべきかを決定します。
注: ここでは、発射プロセスのピークゾーンが選択されます( 図 1Aの発射領域にあるオレンジ色のハイライトゾーンを参照)。 - IR カメラが検出する対象の温度範囲を定義します(700~900 °C、焼成プロセスの典型的なピーク温度範囲など)。
- 対象物(シリコン太陽電池など)の温度、スペクトル、角度依存性の放出を決定するか、または少なくとも推定して、対象の温度範囲(特定のカメラ角度の下)で最も高い放射の波長範囲を特定します。
注: ここでは、放出は、対象物質のスペクトル、角、温度依存の放射率を計算する RadPro10という以前の文献3 とソフトウェアに基づいて推定されます。 - IRカメラの種類を決定する
注:ここでは、中波赤外線(MWIR)インジウムアンチモニド(InSb)カメラ(材料表)が使用されています。- 関心のある温度範囲を検出できるカメラを選択します。
- 検出波長範囲が対象の温度範囲内で対象の物体の最も高い発光の波長範囲と一致するカメラを選択します。
- カメラの視野に放射または反射する物体(炉内のIRランプなど)を避けることで、カメラによる寄生放射線検出を可能な限り避けてください。
- カメラの必要な空間解像度と時間分解能(例えば、使用カメラの640 px x 512 pxと125 Hz[フルイメージ])を決定します。
- IRカメラから物体への十分な光路を実現する(図1BBを参照)。
- 光路の障害物(たとえば、直接または反射光を引き起こすIRランプ)を避けてください。
- 可能であれば、炉室の外にカメラを配置します。
注:ほとんどのカメラの動作温度が低い(例えば、50°Cまで)必要に応じて、カメラの位置を変更できることを事前に確認してください。 - 炉壁を取り外し、光路があるべき場所で分離し、穴を絶縁IR窓に交換してください。
- 次の要求を満たすウィンドウに適した材料を選択してください:1)カメラの検出波長(λ)範囲(例えば、〜0.2 μm<λ<3 μmの石英ガラス窓、〜0.4 μm<λ<λ<4.2μm)のサファイアウィンドウは、炉熱を分離することができます。
メモ:窓の温度が原因で、ウィンドウの透過性に影響が出る場合があります。 - IRウィンドウの損傷を避けてください。熱膨張時の破損を避けるために窓を締めないでください。
メモ:窓の材料は、加熱したときに拡大するのに十分なスペースを持っている必要があります。
- 次の要求を満たすウィンドウに適した材料を選択してください:1)カメラの検出波長(λ)範囲(例えば、〜0.2 μm<λ<3 μmの石英ガラス窓、〜0.4 μm<λ<λ<4.2μm)のサファイアウィンドウは、炉熱を分離することができます。
- IRカメラソフトを介してサーモグラフィー画像を調べて、IRカメラの結果の視野(FOV)を確認します。サーモグラフィー画像で、ターゲットオブジェクトとその温度を特定します。必要に応じて、FOV を調整します。
2. 製造キャリブレーションIRカメラのグローバル顧客温度補正
注意: IR カメラの製造には、放射量キャリブレーションが含まれると仮定されます。
- 反射や背景放射などのスポットの局所的な光学的人工物。
- IRカメラと熱電対を含むウエハを同時に記録しながら、オブジェクトの古典的な熱電対測定を行います。
- 使用する熱電対の有効性を確認してください。明確に目に見えて検出できる処理対象物の温度プロファイルで既知の特性温度ポイントを検索します(例えば、滑らかなラインの破壊)。熱電対がこれらの温度点を正しく測定する場合、熱電対は正しく校正される可能性が高い。
- シリコン太陽電池の使用例
- 熱電対をウエハーの後部アルミニウム側に置きます。標準の発射プロセス11の温度プロファイルを取る。
- Al-Siのユーテクティック温度577°Cの周りのステップ2.2.2.1からの温度プロファイルに平坦曲線の形で混乱があるかどうかを判断することによって熱電対を検証する(図2DDの場合と同様)。
注意:温度が577°C付近で破砕が発生した場合、熱電対による温度測定が正確であることを示しています。次の手順では、検証済みの熱電対のみを使用します。
- 同じオブジェクトスポット(統計的な理由から複数回)で対象の温度範囲で熱電対測定を行い、空間的に様々なランダムスポット(統計的な理由から)で時間温度プロファイルを取得します。
- 熱電対を物体の上側に配置しながら、ステップ2.2.3から熱電対測定から熱電対の下の局所的な未補正サーモグラフィー物体温度を決定します。
- 接触熱電対の周囲で局所的な温度低下が発生する可能性があるかどうかを確認します(放熱とシェーディングによる)。局所的な温度低下が存在しない場合は、熱電対の近傍の温度を熱電対の直下の物体温度として想定します。
- 局所的な温度低下が存在する場合は、次の手順を実行します。
- 熱電対で覆われない部分の現在の温度低下の空間温度勾配を決定します。
注: 温度低下の周りの複数のスポットで勾配を(放射状に)決定し、平均勾配を決定することをお勧めします。 - 熱電対によって誘導される可能性のある光学的アーチファクトの寄与を推定する(例えば、Si太陽電池などにおいて、細胞深度方向に沿って均質な温度が想定される場合のプロトコル)。
- 熱電対を測定した表面とは反対の表面に置き、この構成で熱電対とサーモグラフィーの測定を繰り返します( 図3Aを参照)。熱電対を含むオブジェクトを回して、熱電対がカメラとオブジェクトの間の光路に入っていないようにします。
注:局所的な温度低下の勾配が光路の内外にある熱電対(すなわち、測定された表面または反対面に付いている)のために同じである場合、熱電対が光学的なアーチファクトを誘発しない可能性が最も高いことを示す。 - 熱電対が測定された表面(すなわち、光路の内部)に接触した場合の温度低下の勾配を熱電対で覆われた領域に推定し、熱電対の下の物体の温度を求める。
- ステップ 2.2.3 の各測定値について、2.3.2.2.2 を繰り返します。
- 熱電対を測定した表面とは反対の表面に置き、この構成で熱電対とサーモグラフィーの測定を繰り返します( 図3Aを参照)。熱電対を含むオブジェクトを回して、熱電対がカメラとオブジェクトの間の光路に入っていないようにします。
- 熱電対で覆われない部分の現在の温度低下の空間温度勾配を決定します。
- 2.3の代替方法: 熱電対の下にある温度対の下の局所的な未補正サーモグラフィーの温度を、ステップ 2.2.3 から熱電対測定から決定し、熱電対をオブジェクトの下側に配置します。熱電対下の局所的な未補正サーモグラフィー太陽電池温度を決定するには、熱電対の位置で局所温度を抽出します。
メモ:熱電対を背面に置いたままにすると、熱電対がカメラで物体の視界を妨げなくなります。そのため、一方では、温度補正が著しく簡単である。一方、熱電対は、通常、焼成プロセス中に物体の下側に位置付けされないため、操作上の合併症を引き起こす可能性があるため、この代替手段は慎重に行う必要があります。 - ステップ 2.3 または 2.4 から生成されたデータを使用して、熱電対の測定温度に関して未補正のサーモグラフィー イメージを修正します。
- 補正されていないIRサーモグラフィーを介して、決定された温度に対して熱電対を介して測定された温度をプロットします。カーブフィッティングを行います。
- 取得した曲線適合を、補正されていないサーモグラフィ画像に対する一般的な均一なグローバル補正式として適用します。
- 特に光学パラメータが異なる場合は、新しいオブジェクトタイプまたは設定ごとに温度補正を繰り返します。
IRサーモグラフィによる空間表面温度分布の評価
注: このセクションでは、発射条件は同一であると想定されます。
- 2次元ピーク温度分布マップの作成( 図4Aを参照)
- 適切なプログラミング言語を使用して、カメラ全体のFOVに沿って各オブジェクトの表面の表面の温度を追跡するスクリプトを書く、すなわち、すべてのオブジェクトスポットに同時に配置された「仮想熱電対」として機能します。
注: ここでは、スクリプトは MATLAB で記述されています。 - 各オブジェクトスポットの最大値、すなわちピーク温度を抽出し、対応する2D分布マップにこれらの温度をプロットします。
- 適切なプログラミング言語を使用して、カメラ全体のFOVに沿って各オブジェクトの表面の表面の温度を追跡するスクリプトを書く、すなわち、すべてのオブジェクトスポットに同時に配置された「仮想熱電対」として機能します。
- オブジェクトのスループット方向に対する平均温度分布と垂直温度分布( 図4Bを参照)
- スループット方向: スループット方向とは反対の寸法での 2D 温度分布を平均します。残っているのは、スループット方向における平均1D温度分布です。
- スループット方向に対して垂直: スループット方向にある次元の 2D 温度分布を平均します。残っているのは、スループット方向に垂直な平均1D温度分布です。
注: オブジェクトエッジの光アーティファクトは結果の温度平均を改ざんする可能性があるため、平均化のためにエッジの最後のセンチメートル(少なくとも)を省くことをお勧めします。
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Representative Results
図3B-Dに示すように、例のオブジェクト(ここでは、シリコン太陽電池;厳密に言えば、パッシベーションエミッタとリアセル[PERC]12;12図2A,B)は、異なる構成4のIRカメラによって明確に検出することができる。異なる構成は単顔面で金属化され(図3B)、二顔面金属化13(図3C)および非金属化PERCサンプル(図3D)である。単顔面と二面面構成の違いは、前者はフルエリアのアルミニウム層を有し、後者は後側にHパターングリッド(銀の前側に似ている)を有していることである。ここで、IRカメラは、カメラFOVが発射プロセスのピーク温度を捉える方法で配置した。このフェーズ14では、接触が実際に形成されるため、発射プロセス中にピークフェーズが最も重要なフェーズです。ここで、関心のある温度範囲は、焼成プロセスの典型的なピーク温度範囲(すなわち、ca. 700-900 °C1)に似ている。
後者の温度範囲では、スペクトル放射率は、短波長、中間波長、および長波長の赤外線スペクトル3において非常に高く均質である。ダブルサファイア層を透過窓として使用し、短いおよび中間のIR波長スペクトルで良好な透過を可能にした。炉のIRランプ(短波長赤外線範囲のピーク波長)からの光の検出を最小限に抑えるために、検出器材料としてInSbを用いたIRカメラタイプを選択し、検出範囲は3.7-4.1μm(フィルタを含む)を使用しました。スループット方向のウエハの3分の1のみが同時に検出できる。しかし、ウエハは既存の視野を完全に通過するので、この作業には十分であった。当然のことながら、温度補正サーモグラフィー画像がここに示されています。厳密に言えば、画像は太陽電池に対して温度補正されます。
図3Aに示すように、光路の反対側にある接触熱電対は、熱放散とシェーディングが原因で(10Kの温度低下で)温度低下を引き起こしました。後者の滴は熱電対によって測定された温度と比較して熱電対なしで焼成の間に細胞温度を推定するために重要である。ここで、セルは熱電対によって接触したときにフレーム上に配置された(図3E)。フレームによる放熱は約10 Kの温度低下を引き起こし、熱電対による追加の熱滴と共に、後者は(熱電対装置なし)の標準的な処理の間に表示される細胞より20K低い温度を測定した。この図のように、サーモグラフィーの助けを借りて実行される使用熱電対システムの後者のオフセットを推定することが重要です。IRカメラは、ベルトに直接置けば、コンベアベルトによる細胞の局所熱放散を観察することができます(図3F)。セルがベルトの高さ上に配置され、ベルトとの接触を最小限に抑える理由は、この理由です。
図4 は表面温度分布を示す。シリコン太陽電池は通常、厚さ約160μmで、炉内で30sの処理を行うため、細胞深度に沿った温度分布が均質である可能性が高い。したがって、結果は表面温度分布だけでなく温度分布を示唆している可能性が最も高い。スループット方向とは反対に、平均温度勾配は1K/cmであった。スループット方向では、入ってくるウエハ四半期は、後続のウェハ残りよりも大幅に寒かった。より寒い入り込み部分は7K /cmの勾配を経験し、熱いトレーリング部分は0.5 K /cmの勾配を経験した。
両方向では、細胞のエッジ(残りの2cm)は、細胞の寒い外側の境界と混合されたエッジで検出された温度が誤った温度をもたらすので、勾配の決定のために無視されました。 図4C は、前面側で金属化されなかった単顔面太陽電池の代表的な2D温度分布を示す。同じと反対の輸送方向の上述の傾向も、ここで観察されました。全体として、これらの結果は、この研究における太陽電池がある程度の空間温度不均一性を経験したことを明らかにした。
図1:プロトコルで使用される最も重要な機器。(A)コンベアベルト炉の側面スキーム。この図パネルは、Ourinsonら4から変更されました。(B) 最後の発射ゾーンでズームインし、サーモグラフィーシステムのセットアップを視覚化する。1)炉の壁と隔離、2)IRカメラ、3)IRランプ、4)絶縁窓、5)物体輸送方向、6)カメラFOV、7)輸送ベルト、8)オブジェクト、および9)サーモグラフィーソフトウェア。 この図パネルは、Ourinsonら4から変更されました。(C)このプロトコルの間に使用される焼成炉。(D)焼成炉内に配置されたIRカメラ及び透過IRウィンドウを示す画像。数字はパネルAとBの数字に対応しています。
図2:測定された物体とその温度(A) 単顔面PERC太陽電池の回路図断面。(B)工業用PERCセルの前面(左)と後方(右)の側面図。(C) 熱電対測定の産業用時間温度プロファイルの焼成プロセス中のPERC太陽電池の温度プロファイル(位相と断面へのセグメンテーションを含む)は、カメラの視野で覆われている。この図は、Ourinsonら 5 から変更されています。(D) 熱電対で測定した焼成プロファイルにおけるアルミニウムとシリコンの共体温度(TEUT)の周りの破壊のデモンストレーション。熱電対が太陽電池のアルミニウム後方に置かれた場合。この図は、Ourinsonら 5 から変更されています。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図3:同一の焼成条件に対するPERC太陽電池の代表的な温度補正サーモグラフィー画像。(A)後部側からの熱電対の接触によって引き起こされる目に見える局所的な温度低下。(B)単顔面金属化PERCセルの上の1/3のサーモグラフィー画像(1)可視コンベアベルト上に配置された(2)可視バスバーを含む。TAVは、ウエハ上の平均温度を示す。(C) 二面体化されたPERC細胞のサーモグラフィー画像。(D) 非金属化PERCウエハのサーモグラフィー画像。(E) 熱電対フレーム上に設置され熱電対で接触したウエハのサーモグラフィー画像。TCTC は、熱電対により測定されたウエハ温度を示す。(F)コンベアベルトに直接置かれたウエハのサーモグラフィー画像。(G)IRカメラで測定した温度範囲のカラーマップ。この図は、Ourinsonら 5 から変更されています。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図4: 同一の焼成条件に対するPERC太陽電池の温度分布。(A) 前側からの単顔面PERC太陽電池の2Dピーク温度分布。(B)細胞輸送方向に対する(右図)と垂直(左図)の平均ピーク温度分布。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
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Discussion
一般に、サーモグラフィー温度は、物体の光学パラメータ、透過窓及び経路、および透過窓2の環境温度を測定及び適応させることによって補正される。代替方法として、熱電対測定に基づく温度補正技術がこのプロトコルに記載されている。後者の方法では、上記のパラメータの知識は必要ありません。ここに示すアプリケーションでは、この方法で十分です。しかし、熱電対法がコンベアベルト炉のすべてのサーモグラフィー用途に十分であることを保証することはできません。
プロトコルでは、サーモグラフィー画像の均一なグローバル温度補正が提案されています。しかし、空間的に解決された温度を修正する方が正確です。しかし、物体を移動させる場合には均一な温度補正がより適切であることがわかった。さらに、周囲の物体(例えば、ベルトおよび壁)ではなく、物体の温度を補正することを目的とする。
ステップ2.3.2.2で述べたように、ここで示す例は、物体深度に沿って均質な温度分布を有するものと仮定する。深度に沿って温度分布が不均一な物体の場合、一方の表面の温度は反対側の温度と似ていない。したがって、セクション 2.3.2.2 で説明されている手順は、これらのケースには適用されません。物体深度に沿った不均一な温度分布の溶液をさらに研究しなければならない。
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Disclosures
著者らは開示するものは何もない。
Acknowledgments
この作業は、プロジェクト「フォイエルドラチェ」(0324205B)内のドイツ連邦経済省によって支援されています。著者らは、この仕事に貢献した同僚と、プロジェクトパートナー(インフラテック、レーム・サーマル・システムズ、ヘレウス・ノーブルライト、トランプ・フォトニック・コンポーネント)に対する共同融資と優れた支援に感謝する。
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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