Name: in situ surface temperature measurement in a conveyor belt furnace via inline infrared thermography
Uploaded: 2020-05-30T13:00:00
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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。

1. コンベアベルト炉へのIRカメラの設置
<ol><li>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)。</li>
	<li>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)。</li>
	<li>対...

<ol>
	<li>Xu, J., Zhang, J., Kuang, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Conveyor Belt Furnace Thermal Processing. , (2018).</li><li>Breitenstein, O., Warta, M. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Langenkamp Lock-in Thermography: Basics and Use for Evaluating Electronic Devices and Materials. , (2010).</li><li>Ravindra, N. M., Ravindra, K., Mahendra, S., Sopori, B., Fiory, A. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Modeling+and+Simulation+of+Emissivity+of+Silicon-Related+Materials+and+Structures.">Modeling and Simulation of Emissivity of Silicon-Related Materials and Structures.</a> Journal of Electronic Materials. 32 (10), 1052-1058 (2003).</li><li>Ourinson, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+Situ+Solar+Wafer+Temperature+Measurement+during+Firing+Process+via+Inline+IR+Thermography.">In Situ Solar Wafer Temperature Measurement during Firing Process via Inline IR Thermography.</a> Physica Status Solidi (RRL) - Rapid Research Letters. 13 (10), 1900270 (2019).</li><li>Ourinson, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In-situ+wafer+temperature+measurement+during+firing+process+via+inline+infrared+thermography.">In-situ wafer temperature measurement during firing process via inline infrared thermography.</a> AIP Conference Proceedings. 2156, 020013 (2019).</li><li>Cooper, I. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Understanding+and+Use+of+IR+Belt+Furnace+for+Rapid+Thermal+Firing+of+Screen-Printed+Contacts+to+Si+Solar+Cells.">Understanding and Use of IR Belt Furnace for Rapid Thermal Firing of Screen-Printed Contacts to Si Solar Cells.</a> IEEE Electron Device Letters. 31 (5), 461-463 (2010).</li><li>Schubert, G., Huster, F., Fath, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Physical+understanding+of+printed+thick-film+front+contacts+of+crystalline+Si+solar+cells-Review+of+existing+models+and+recent+developments.">Physical understanding of printed thick-film front contacts of crystalline Si solar cells-Review of existing models and recent developments.</a> Solar Energy Materials and Solar Cells. 90 (18-19), 3399-3406 (2006).</li><li>Rauer, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Aluminum+Alloying+in+Local+Contact+Areas+on+Dielectrically+Passivated+Rear+Surfaces+of+Silicon+Solar+Cells.">Aluminum Alloying in Local Contact Areas on Dielectrically Passivated Rear Surfaces of Silicon Solar Cells.</a> IEEE Electron Device Letters. 32 (7), 916-918 (2011).</li><li>Pawlik, M., Vilcot, J. -. P., Halbwax, M., Gauthier, M., Le Quang, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Impact+of+the+firing+step+on+Al+2+O+3+passivation+on+p-type+Czochralski+Si+wafers:+Electrical+and+chemical+approaches.">Impact of the firing step on Al 2 O 3 passivation on p-type Czochralski Si wafers: Electrical and chemical approaches.</a> Japanese Journal of Applied Physics. 54 (8), 21 (2015).</li><li>Lee, B. J., Zhang, Z. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=RAD-PRO:+Effective+Software+for+Modeling+Radiative+Properties+in+Rapid+Thermal+Processing.">RAD-PRO: Effective Software for Modeling Radiative Properties in Rapid Thermal Processing.</a> 2005 13th International Conference on Advanced Thermal Processing of Semiconductors. , (2005).</li><li>. Temperature Measurements Available from: <a target="_blank" href="https://meettechniek.info/measuring/temperature.html">https://meettechniek.info/measuring/temperature.html</a> (2020)</li><li>Blakers, A. W., Wang, A., Milne, A. M., Zhao, J., Green, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=22.8%+efficient+silicon+solar+cell.">22.8% efficient silicon solar cell.</a> Applied Physics Letters. 55 (13), 1363-1365 (1989).</li><li>Dullweber, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=PERC+:+industrial+PERC+solar+cells+with+rear+Al+grid+enabling+bifaciality+and+reduced+Al+paste+consumption.">PERC+: industrial PERC solar cells with rear Al grid enabling bifaciality and reduced Al paste consumption.</a> Progress in Photovoltaics: Research and Applications. 24 (12), 1487-1498 (2016).</li><li>Ourinson, D., Emanuel, G., Lorenz, A., Clement, F., Glunz, S. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Evaluation+of+the+burnout+phase+of+the+contact+firing+process+for+industrial+PERC.">Evaluation of the burnout phase of the contact firing process for industrial PERC.</a> AIP Conference Proceedings. 2147 (1), 040015 (2019).</li></ol>

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...

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。

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:665px;" width="665">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Datalogger incl. Thermal barrier</td>
			<td style="width:121px;">Datapaq Ltd.</td>
			<td style="width:161px;"></td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">IR thermography camera &#34;Image IR 8300&#34;</td>
			<td style="width:121px;">InfraTec GmbH</td>
			<td style="width:161px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">IR thermography software &#34;IRBIS Professional 3.1&#34;</td>
			<td style="width:121px;">InfraTec GmbH</td>
			<td style="width:161px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Solar cells</td>
			<td style="width:121px;">Fraunhofer ISE</td>
			<td style="width:161px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Solar firing furnace &#34;RFS 250 Plus&#34;</td>
			<td style="width:121px;">Rehm Thermal Systems GmbH</td>
			<td style="width:161px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Sheath thermocouples type K</td>
			<td style="width:121px;">TMH GmbH</td>
			<td style="width:161px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Thermocouple quartzframe</td>
			<td style="width:121px;">Heraeus Noblelight GmbH</td>
			<td style="width:161px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

in situ surface temperature measurement in a conveyor belt furnace via inline infrared thermography

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。

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<sup class...

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In Situ Surface Temperature Measurement in a Conveyor Belt Furnace via Inline Infrared Thermography

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。

インライン赤外線サーモグラフィーによるコンベアベルト炉におけるその後の表面温度測定

Measuring the surface temperature of objects that are processed in conveyor belt furnaces is an important tool in process control and quality assurance. ...

インライン炉で処理される物体の温度を測定することは重要であるため、熱電対による古典的な温度測定に代わる有望な代替手段として、インラインサーモグラフィーを提示します。熱電対は、物体を損傷し、温度を局所的に測定し、生産中断を必要とする。しかし、当社のインラインサーモグラフィーカメラは、非接触、リアルタイム、空間的に分解された方法で物体の温度を測定します。シリコン太陽電池の接触焼成にはインライン炉を使用しています。そこで、これらの利点を調査するために、サーモグラフィーカメラを炉内にインラインで設置しました。対象とする物体の最も高い発光の波長範囲に一致する検出波長範囲を持つカメラを可能な限り対象とする温度範囲を選択します。炉室の外にカメラを設置するには、光路が配置されるべき場所で炉壁と絶縁を取り外し、赤外線ランプなどの障害物を光路に入れないようにします。カメラの検出波長範囲を可能な限り透明にしながら、炉室を熱的に分離する窓で穴を閉じます。次に、カメラが移動するベルトにビジュアルが表示されるように、カメラを窓の上に置きます。カメラの検出波長範囲で放射線を放射または反射する近くの物体を避けることで、カメラによる寄生放射線検出をできるだけ避けてください。次に、赤外線カメラソフトウェアを介してサーモグラフィー画像を調べ、カメラの結果の視野を確認します。シリコン太陽電池の温度補正を行う場合は、まず太陽電池でローカル光アーティファクトがないか確認してください。温度補正は熱電対に基づくため、熱電対の有効性を確認し、ウェーハの後部アルミニウム側に熱電対を取り付け、標準的な焼成プロセスの時間温度プロファイルを測定する。時間温度プロファイルが577°Cのアルミニウムシリコンの天体温度で平坦な曲線の形で破壊を示す場合、熱電対は正しく較正される可能性が高い。太陽電池の後部に取り付けられた検証された熱電対で熱電対測定を行い、赤外線カメラでウエハを記録します。同じ物体スポットでの対象温度範囲、および空間的に様々なランダムオブジェクトスポットで複数の熱電対測定を行い、統計的に有意な時間温度プロファイルを取得します。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。未補正の赤外線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記録し、補正されていないサーモグラフィー画像の一般的な均一なグローバル補正式として曲線適合を得る。次に、この曲線フィット データを使用して、修正されていないサーモグラフィ イメージをグローバルに修正します。2 次元のピーク温度分布マップを作成するには、適切なプログラミング言語でスクリプトを記述し、カメラの全視野に沿って各オブジェクトの表面温度を追跡し、すべてのウエハ スポットに配置された仮想熱電対として機能します。次に、各スポットのピーク温度値を抽出し、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。スループット方向で平均温度分布を実行するには、スループット方向に垂直な寸法の 2D 温度分布を平均します。スループット方向に垂直な平均温度分布を実行するには、スループット方向の次元における2D温度分布を平均します。この図に示すように、このシリコン太陽電池の補正温度は、異なる構成の赤外線カメラによって明確に検出することができる。単顔面金属化、二面的に金属化、および非金属化されたパークサンプル。これらの分析では、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に似ています。この画像で観察されるように、太陽電池の後部側の接触熱電対は、熱放散とシェーディングのために、それ自体の周りの温度低下を引き起こします。後者の滴は熱電対なしで焼成中の細胞温度を推定するために重要であり、熱電対によって測定された温度と比較して、この細胞は熱電対によって接触されたときにフレーム上に配置される。ベルトに直接置けば、赤外線カメラはコンベヤーベルトによって細胞の局所的な放熱の観察を可能にする。この画像は、代表的な2次元空間太陽電池ピーク温度分布と、輸送方向に対する垂直および垂直の推定平均分布を示しています。シリコン太陽電池の接触焼成にインライン炉を使用する中で、炉内に赤外線カメラを設置し、革新的なサーモグラフィーアプリケーションを作成しました。焼成プロセス中に空間的に解決されたピーク温度分布を取得することで、焼成によって有意に影響を受ける空間的に解決された太陽電池パラメータへの温度分布相関を調査することができます。

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