Digitalización de procesos de recubrimiento para sensores ultrasónicos de alta resolución

Sistemas de clúster del Fraunhofer FEP para procesos de sputtering por magnetrón pulsado. © Fraunhofer FEP, Foto: Anna Schroll

Cabezas de ultrasonido con capas delgadas piezoeléctricas integradas. © PVA TePla Analytical Systems GmbH / Transductores ultrasónicos con películas delgadas piezoeléctricas integradas. © PVA TePla Analytical Systems GmbH

Las capas piezoeléctricas desempeñan un papel clave en la tecnología médica, la microelectrónica y la sensores, por ejemplo, en la fabricación de microscopios de ultrasonido, que investigan componentes semiconductores cada vez más pequeños y estructuras celulares biológicas. Sin embargo, los requisitos crecientes en calidad y reproducibilidad de estas capas plantean altas exigencias a los procesos de recubrimiento complejos, en los que muchos parámetros deben ajustarse con precisión. Para afrontar este desafío, el Instituto Fraunhofer para Tecnología de Rayos Electrones y Plasma FEP desarrolla, en el marco del proyecto DigiMatUs financiado por el BMBF (FKZ 13XP5187D), un gemelo digital del proceso de recubrimiento para capas delgadas piezoeléctricas. Esto permite la representación digital y la optimización de los procesos, conduciendo a una mejora significativa en el rendimiento y la reproducibilidad de los sensores de ultrasonido.

Las capas piezoeléctricas desempeñan un papel central en la tecnología médica, la microelectrónica y los sensores, especialmente en la fabricación de microscopios de ultrasonido. Estos microscopios permiten investigar estructuras cada vez más pequeñas, como componentes semiconductores o células biológicas.

Las capas delgadas piezoeléctricas son capas altamente cristalinas, en las que, mediante la aplicación de una tensión eléctrica, se produce una deformación del material, lo que permite, por ejemplo, emitir impulsos de sonido. Mediante propiedades de capa ajustadas y diferentes espesores de capa, así como la aplicación muy rápida de esta tensión, se pueden emitir impulsos de ultrasonido. Para frecuencias más altas y, por tanto, una mejor resolución de los microscopios de ultrasonido, son necesarios intervalos cada vez más cortos entre los impulsos acústicos. Los requisitos en la calidad de la capa y, en consecuencia, en la calidad del proceso aumentan considerablemente con el incremento de la frecuencia objetivo.

Para satisfacer estas crecientes demandas, seis socios trabajan en el marco del proyecto conjunto DigiMatUs, financiado por el Ministerio Federal de Educación e Investigación (BMBF), en la digitalización de procesos de recubrimiento para la fabricación de sensores de ultrasonido piezoeléctricos de alta resolución. El Instituto Fraunhofer para Tecnología de Rayos Electrones y Plasma FEP en Dresde desarrolla en este contexto un gemelo digital del proceso de recubrimiento para capas delgadas piezoeléctricas basadas en nitruro de aluminio (AlN) y nitruro de aluminio escandio (AlScN). La deposición de capas se realiza en las instalaciones del clúster del Fraunhofer FEP mediante procesos de sputtering por magnetrón pulsado. Se investigan y registran digitalmente los diversos parámetros del proceso y factores de influencia y sus efectos en las propiedades de las capas. La base del análisis de datos es una ontología desarrollada conjuntamente con los socios del proyecto para los materiales y procesos de capas delgadas. Una ontología describe un sistema formal para clasificar y estructurar conocimientos en un campo específico, con el fin de representar claramente relaciones y propiedades. La representación digital de los materiales y procesos, así lograda, permite modelar y optimizar con precisión los flujos de proceso. De este modo, se pueden analizar en detalle las propiedades del proceso y del material, lo que conduce a un mejor rendimiento y reproducibilidad de los sensores de ultrasonido y también hace que otros pasos de desarrollo sean más eficientes.

“El desarrollo de los modelos representa un desafío especial, ya que se deben tener en cuenta una gran cantidad de parámetros del proceso y sus interacciones. En particular, la relativamente baja cantidad de puntos de datos en un espacio de parámetros amplio plantea altas exigencias para el desarrollo de una representación robusta de la realidad. Aquí, el Fraunhofer FEP aporta su amplia experiencia en la fabricación y caracterización de capas delgadas, sentando así las bases para una producción más eficiente y digitalmente apoyada”, explica el Dr.-Ing. Stephan Barth, director del proyecto en el Fraunhofer FEP.

El proyecto utiliza tecnologías modernas como ontologías e inteligencia artificial (IA) para analizar y describir las relaciones entre los parámetros del proceso. Por ejemplo, se pueden realizar predicciones sobre cómo los cambios en el proceso de recubrimiento —como la ajuste de las tensiones en el cátodo, la temperatura del sustrato o la presión de recubrimiento— afectan las propiedades del material. Esto permite una optimización dirigida de las capas y mejora la eficiencia en el desarrollo de procesos.

En el marco del progreso del proyecto, se ha desarrollado en colaboración con los socios una primera versión de la ontología de capas delgadas, se ha ampliado la captura digital y el procesamiento de los parámetros de las instalaciones y procesos en el Fraunhofer FEP, y se han determinado diversas propiedades de los materiales de las capas delgadas en los sustratos de vidrio de los objetivos en función de estos parámetros. Se han recubierto sustratos de prueba en las instalaciones del Fraunhofer FEP y se han entregado a los socios del proyecto para realizar caracterizaciones a lo largo de la cadena de valor adicional. Los datos recopilados hasta ahora constituyen la base para el desarrollo de los modelos de IA del socio del proyecto, la Universidad Otto-von-Guericke de Magdeburgo. A lo largo del proyecto, la ontología y los modelos de IA se seguirán desarrollando progresivamente para reflejar mejor la realidad. Con base en los modelos elaborados, se realizarán más recubrimientos de sustratos de prueba para su caracterización en el Fraunhofer FEP y en los socios del proyecto, con el fin de mejorar los modelos.

Además de la optimización de la sensórica de ultrasonido, los resultados del proyecto abren nuevas posibilidades para otras aplicaciones basadas en tecnologías de capas delgadas. La representación digital de los datos de materiales y procesos mediante la ontología de capas delgadas y los modelos de IA puede reutilizarse y aplicarse a procesos de recubrimiento similares, lo que acelerará significativamente la investigación y el desarrollo de nuevos materiales en el futuro.