Digitalizace povlakovacích procesů pro vysoce rozlišující ultrazvukové senzory

Klastrální zařízení Fraunhofer FEP pro pulzní magnetronové sputterové procesy. © Fraunhofer FEP, foto: Anna Schroll

Ultrazvukové hlavy s integrovanými piezoelektrickými tenkými vrstvami. © PVA TePla Analytical Systems GmbH / Ultrazvukové snímače s integrovanými piezoelektrickými tenkými vrstvami. © PVA TePla Analytical Systems GmbH

Piezoelektrické vrstvy hrají klíčovou roli v medicínské technice, mikroelektronice a senzorice, například při výrobě ultrazvukových mikroskopů, které zkoumají stále menší polovodičové součástky a biologické buněčné struktury. Rostoucí požadavky na kvalitu a reprodukovatelnost těchto vrstev však kladou vysoké nároky na složité procesy povlakování, při nichž je třeba přesně sladit mnoho parametrů. Aby bylo možné tuto výzvu zvládnout, vyvíjí Fraunhoferův institut pro elektronovou paprskovou a plazmatickou techniku FEP v rámci projektu DigiMatUs (FKZ 13XP5187D) digitální dvojče procesu povlakování piezoelektrických tenkých vrstev. To umožňuje digitální zobrazení a optimalizaci procesů a vede ke značnému zlepšení výkonu a reprodukovatelnosti ultrazvukových senzorů.

Piezoelektrické vrstvy hrají ústřední roli v medicínské technice, mikroelektronice a senzorice, zejména při výrobě ultrazvukových mikroskopů. Tyto mikroskopy umožňují zkoumat stále menší struktury, jako jsou polovodičové součástky nebo biologické buňky.

Piezoelektrické tenké vrstvy jsou vysoce krystalické vrstvy, při nichž při přivedení elektrického napětí dochází ke změně tvaru materiálu, což umožňuje například vysílat akustické impulzy. Přizpůsobením vlastností vrstev a jejich tloušťky, stejně jako velmi rychlým přivedením napětí, lze vysílat ultrazvukové impulzy. Pro vyšší frekvence a tím i lepší rozlišení ultrazvukových mikroskopů jsou nutné stále kratší vzdálenosti mezi jednotlivými impulzy. Požadavky na kvalitu vrstev a odpovídající kvalitu procesů tak výrazně rostou s rostoucí cílovou frekvencí.

Pro splnění těchto rostoucích požadavků spolupracuje šest partnerů v rámci společného projektu podporovaného Spolkovým ministerstvem pro vzdělávání a výzkum (BMBF) s názvem DigiMatUs na digitalizaci procesů povlakování pro výrobu vysoce rozlišených piezoelektrických ultrazvukových senzorů. Fraunhoferův institut pro elektronovou paprskovou a plazmatickou techniku FEP v Drážďanech v tomto kontextu vyvíjí digitální dvojče procesu povlakování piezoelektrických tenkých vrstev na bázi nitridu hlinitého (AlN) a nitridu hlinitého s scandiem (AlScN). Vrstva se nanáší na clusterových zařízeních Fraunhofer FEP pomocí pulzního magnetronového sputterování. Při tom jsou zkoumány různé procesní parametry a vlivy na vlastnosti vrstev a jejich digitální zaznamenávání. Základem analýzy dat je ontologie vyvinutá ve spolupráci s partnery projektu pro tenké vrstvy a jejich procesy. Ontologie zde představuje formální systém pro třídění a strukturování znalostí v dané odborné oblasti, aby bylo možné jasně zachytit souvislosti a vlastnosti. Díky tomu umožňuje digitální zobrazení materiálů a procesů přesné modelování a optimalizaci průběhu výroby. To umožňuje detailní analýzu vlastností procesů a materiálů, což vede ke zlepšení výkonu a reprodukovatelnosti ultrazvukových senzorů a také k efektivnějšímu dalšímu vývoji.

„Vývoj modelů představuje zvláštní výzvu, protože je třeba vzít v úvahu velké množství procesních parametrů a jejich vzájemné interakce. Obzvlášť omezený počet datových bodů při současně velkém prostoru parametrů klade vysoké nároky na vývoj robustního zobrazení reality. Fraunhofer FEP zde využívá své dlouholeté zkušenosti s povlakováním a charakterizací tenkých vrstev a tím vytváří základ pro efektivnější a digitálně podporovanou výrobu,“ vysvětluje Dr.-Ing. Stephan Barth, vedoucí projektu ve Fraunhofer FEP.

Projekt využívá nejmodernější technologie, jako jsou ontologie a umělá inteligence (AI), k analýze a popisu souvislostí mezi procesními parametry. Díky tomu je možné například předpovídat, jak změny v procesu povlakování – například úprava katodového napětí, teploty substrátu nebo tlaku při povlakování – ovlivní vlastnosti materiálu. To umožňuje cílenou optimalizaci vrstev a zlepšuje efektivitu vývoje procesů.

V rámci dosavadního průběhu projektu byla ve spolupráci s partnery vyvinuta první verze ontologie tenkých vrstev, rozšířeno digitální zaznamenávání a zpracování parametrů zařízení a procesů na zařízeních Fraunhofer FEP a určeny různé vlastnosti vrstev na skleněných tělesech objektivů v závislosti na těchto parametrech. Testovací substráty byly nanášeny na zařízeních Fraunhofer FEP a předány partnerům projektu k charakterizaci v rámci dalšího hodnotového řetězce. Dosud shromážděná data tvoří základ pro vývoj AI modelů partnera projektu, Univerzity Otto-von-Guericke v Magdeburku. Během průběhu projektu budou ontologie a AI modely postupně dále rozvíjeny, aby lépe odrážely realitu. Na základě vyvinutých modelů budou prováděny další vrstvení testovacích substrátů pro charakterizaci na Fraunhofer FEP a u partnerů projektu s cílem zlepšit modely.

Kromě optimalizace ultrazvukové senzoriky otevírají výsledky projektu také nové možnosti pro jiné aplikace založené na technologiích tenkých vrstev. Digitální zobrazení dat o materiálech a procesech prostřednictvím ontologie tenkých vrstev a AI modelů lze opakovaně využít a přenést na podobné procesy povlakování, což výrazně urychlí výzkum a vývoj nových materiálů v budoucnu.