Digitalizálás a bevonati folyamatokhoz nagy felbontású ultrahangérzékelők számára

Klystersysteme des Fraunhofer FEP für Puls-Magnetron-Sputterprozesse. © Fraunhofer FEP, Foto: Anna Schroll / Klystersysteme des Fraunhofer FEP für Puls-Magnetron-Sputterprozesse. © Fraunhofer FEP, Foto: Anna Schroll

Ultraszónkúpok integrált piezoelektromos vékony filmekkel. © PVA TePla Analytical Systems GmbH / Ultrahangos transzducerek integrált piezoelektromos vékony filmekkel. © PVA TePla Analytical Systems GmbH

Piezoelektrikus rétegek kulcsszerepet játszanak az orvostechnikában, mikroelektronikában és szenzorokban, például ultrahangmikroszkópok gyártásában, amelyek egyre kisebb félvezetőelemeket és biológiai sejtstruktúrákat vizsgálnak. Ezeknek a rétegeknek a minőségével és reprodukálhatóságával kapcsolatos növekvő követelmények azonban magas elvárásokat támasztanak a komplex bevonási folyamatokkal szemben, ahol sok paramétert kell pontosan összehangolni. Ennek a kihívásnak a leküzdése érdekében a Fraunhofer Elektronnyaláb- és Plazmatechnológiai Intézete (FEP) a BMBF támogatásával megvalósuló DigiMatUs (FKZ 13XP5187D) projekt keretében digitális ikertestvért fejleszt a piezoelektrikus vékony rétegek bevonási folyamatához. Ez lehetővé teszi a folyamatok digitális ábrázolását és optimalizálását, ami jelentősen javítja az ultrahangérzékelők teljesítményét és reprodukálhatóságát.

A piezoelektrikus rétegek központi szerepet játszanak az orvostechnikában, a mikroelektronikában és a szenzorokban, különösen ultrahangmikroszkópok gyártásában. Ezek a mikroszkópok lehetővé teszik egyre kisebb struktúrák, például félvezető alkatrészek vagy biológiai sejtek vizsgálatát.

A piezoelektrikus vékony rétegek magas kristályszerkezetű rétegek, amelyeknél elektromos feszültség alkalmazásával a anyag deformálódik, így például hangimpulzusokat képesek kibocsátani. A rétegek tulajdonságainak és vastagságának megfelelő beállításával, valamint a feszültség gyors alkalmazásával ultrahangimpulzusokat lehet kibocsátani. Magasabb frekvenciák és ezáltal jobb felbontás esetén egyre rövidebb hangimpulzusokra van szükség. A réteg minőségével és a folyamat minőségével szemben támasztott követelmények jelentősen nőnek a célzott frekvencia növekedésével.

Az egyre növekvő igények kielégítése érdekében hat partner dolgozik a BMBF támogatásával megvalósuló DigiMatUs közös projekt keretében a bevonási folyamatok digitalizálásán, hogy magas felbontású piezoelektrikus ultrahangérzékelőket gyárthassanak. A Dresdenben található Fraunhofer Elektronnyaláb- és Plazmatechnológiai Intézet (FEP) ebben a kontextusban egy digitális ikertestvért fejleszt a piezoelektrikus vékony rétegek bevonási folyamatához alumínium-nitrid (AlN) és alumínium-szkandium-nitrid (AlScN) alapokon. A rétegleválasztást a Fraunhofer FEP cluster berendezéseiben pulzáló mágneses sputterelési eljárásokkal végzik. Ekkor vizsgálják a folyamat különböző paramétereit és befolyásoló tényezőit, valamint azok hatását a rétegek tulajdonságaira, és ezeket digitálisan rögzítik. Az adatelemzés alapját egy közösen a projektpartnerekkel kidolgozott ontológia képezi a vékony rétegek anyagairól és folyamatairól. Az ontológia egy formális rendszer, amely a tudás osztályozására és szerkezetének meghatározására szolgál egy adott szakterületen, hogy világosan ábrázolja a kapcsolatokat és tulajdonságokat. Az anyagok és eljárások digitális ábrázolásának megvalósítása lehetővé teszi a folyamatok és anyagtulajdonságok pontos modellezését és optimalizálását. Így részletesen elemezhetők a folyamat- és anyagtulajdonságok, ami javítja az ultrahangérzékelők teljesítményét és reprodukálhatóságát, valamint hatékonyabbá teszi a további fejlesztéseket.

„A modellek fejlesztése különösen kihívást jelent, mivel sok folyamatparamétert és azok kölcsönhatásait kell figyelembe venni. Különösen a viszonylag kis adatpontszám és a nagy paramétertér miatt magas követelményeket támaszt a valósághű ábrázolás kialakítása. A FEP hosszú évek tapasztalatát hozza be a vékony rétegek folyamat- és jellemzése terén, és ezzel megalapozza a hatékonyabb és digitálisan támogatott gyártást” – magyarázza Dr.-Ing. Stephan Barth, a Fraunhofer FEP projektvezetője.

A projekt a legmodernebb technológiákat, például ontológiákat és mesterséges intelligenciát (MI) alkalmazza annak érdekében, hogy elemezze és leírja a folyamatparaméterek közötti összefüggéseket. Például előrejelzéseket lehet tenni arról, hogy a bevonási folyamat változásai – például a katóda feszültségének, az aljzat hőmérsékletének vagy a bevonási nyomásnak a módosítása – hogyan befolyásolják az anyagtulajdonságokat. Ez lehetővé teszi a rétegek célzott optimalizálását és javítja a folyamatfejlesztés hatékonyságát.

A projekt eddigi szakaszában közösen a projektpartnerekkel kifejlesztették az első változatát a vékony réteg ontológiának, bővítették a Fraunhofer FEP berendezésein az eszköz- és folyamatparaméterek digitális rögzítését, valamint meghatározták a különböző anyagtulajdonságokat a rétegeken a tárgyak üvegtestjein, ezeknek a paramétereknek a függvényében. Tesztalapokat a Fraunhofer FEP berendezésein bevontak, és átadták a projektpartnereknek, hogy a további értéklánc mentén jellemezni tudják azokat. A gyűjtött adatok alapot képeznek a Magdeburgi Otto-von-Guericke Egyetem MI-modelleinek fejlesztéséhez. A projekt során az ontológia és MI-modellek fokozatosan továbbfejlesztésre kerülnek a valósághűbb ábrázolás érdekében. A kidolgozott modellek alapján további tesztalapokat vonnak be a Fraunhofer FEP-nél és a projektpartnereknél a modellek fejlesztése érdekében.

A ultrahangérzékelők optimalizálása mellett a projekt eredményei új lehetőségeket nyitnak más alkalmazások számára is, amelyek vékony rétegtechnológiákon alapulnak. A vékony rétegek anyag- és folyamatadatainak digitális ábrázolása az ontológia és MI-modellek segítségével újra felhasználható és hasonló bevonási folyamatokra átültethető, ami jelentősen felgyorsítja az új anyagok kutatását és fejlesztését a jövőben.