Digitalizzazione dei processi di rivestimento per sensori ad ultrasuoni ad alta risoluzione

Sistemi a cluster del Fraunhofer FEP per processi di sputtering a magnetron pulsato. © Fraunhofer FEP, Foto: Anna Schroll

Teste di ultrasuoni con pellicole sottili piezoelettriche integrate. © PVA TePla Analytical Systems GmbH / Trasduttori ultrasonici con film sottili piezoelettrici integrati. © PVA TePla Analytical Systems GmbH

Strati piezoelettrici svolgono un ruolo chiave nella tecnologia medica, microelettronica e sensoristica, ad esempio nella produzione di microscopi ad ultrasuoni, che studiano componenti semiconduttori sempre più piccoli e strutture cellulari biologiche. Le crescenti esigenze di qualità e riproducibilità di questi strati pongono però alte richieste ai processi di rivestimento complessi, nei quali molti parametri devono essere regolati con precisione. Per affrontare questa sfida, l'Istituto Fraunhofer per la tecnologia a fascio di elettroni e plasma FEP, nell'ambito del progetto DigiMatUs (FKZ 13XP5187D) finanziato dal BMBF, sviluppa un gemello digitale del processo di rivestimento per strati sottili piezoelettrici. Ciò consente di rappresentare digitalmente e ottimizzare i processi, portando a un miglioramento significativo delle prestazioni e della riproducibilità dei sensori ad ultrasuoni.

Strati piezoelettrici svolgono un ruolo centrale nella tecnologia medica, microelettronica e sensoristica, in particolare nella produzione di microscopi ad ultrasuoni. Questi microscopi permettono di esaminare strutture sempre più piccole, come componenti semiconduttori o cellule biologiche.

Gli strati sottili piezoelettrici sono strati altamente cristallini, nei quali, applicando una tensione elettrica, si verifica una deformazione del materiale, consentendo ad esempio l'emissione di impulsi acustici. Attraverso proprietà di strato e spessore adattati, e applicando questa tensione molto rapidamente, è possibile emettere impulsi ultrasonici. Per frequenze più alte e quindi una risoluzione migliore dei microscopi ad ultrasuoni, sono necessari intervalli di impulsi acustici sempre più brevi. Le richieste sulla qualità dello strato e, di conseguenza, sulla qualità del processo, aumentano notevolmente con l'aumentare della frequenza obiettivo.

Per rispondere a queste crescenti esigenze, sei partner collaborano nell'ambito del progetto congiunto DigiMatUs, finanziato dal Ministero federale dell'istruzione e della ricerca (BMBF), per digitalizzare i processi di rivestimento nella produzione di sensori ad ultrasuoni ad alta risoluzione piezoelettrici. L'Istituto Fraunhofer per la tecnologia a fascio di elettroni e plasma FEP a Dresda sviluppa in questo contesto un gemello digitale del processo di rivestimento per strati sottili piezoelettrici a base di nitruro di alluminio (AlN) e nitruro di alluminio-scandio (AlScN). Il rivestimento degli strati avviene nelle unità di cluster del Fraunhofer FEP mediante processi di sputtering a magnetron pulsato. Vengono studiati e digitalizzati i molteplici parametri di processo e fattori di influenza, e i loro effetti sulle proprietà dello strato. La base dell'analisi dei dati è un'ontologia sviluppata congiuntamente con i partner del progetto, per i materiali e i processi di strati sottili. Un'ontologia descrive un sistema formale per la classificazione e la strutturazione della conoscenza in un determinato campo, al fine di rappresentare chiaramente connessioni e proprietà. La rappresentazione digitale dei materiali e dei processi, così ottenuta, permette una modellazione e ottimizzazione precise dei flussi di processo. In questo modo, le proprietà di processo e di materiale possono essere analizzate dettagliatamente, portando a un miglioramento delle prestazioni e della riproducibilità dei sensori ad ultrasuoni, e rendendo più efficiente anche lo sviluppo di ulteriori fasi.

„La creazione di modelli rappresenta una sfida particolare, poiché devono essere considerate molteplici parametri di processo e le loro interazioni. In particolare, il numero relativamente ridotto di punti dati, unito a un ampio spazio di parametri, impone elevate richieste allo sviluppo di una rappresentazione robusta della realtà. L'Istituto Fraunhofer FEP mette a frutto la sua lunga esperienza nella lavorazione e caratterizzazione di strati sottili, creando così le basi per una produzione più efficiente e digitalmente supportata“, spiega il dott. ing. Stephan Barth, responsabile del progetto presso il Fraunhofer FEP.

Il progetto utilizza tecnologie all'avanguardia come ontologie e intelligenza artificiale (IA) per analizzare e descrivere le correlazioni tra i parametri di processo. Ad esempio, è possibile prevedere come le variazioni nel processo di rivestimento — come l'adattamento delle tensioni catodiche, la temperatura del substrato o la pressione di rivestimento — influenzino le proprietà del materiale. Ciò consente di ottimizzare miratamente gli strati e migliorare l'efficienza dello sviluppo dei processi.

Nel corso del progetto, è stata sviluppata una prima versione dell'ontologia degli strati sottili, ampliata la rappresentazione digitale dei parametri delle apparecchiature e dei processi presso il Fraunhofer FEP, e sono state determinate le varie proprietà dei materiali degli strati sottili sui corpi in vetro degli obiettivi, in funzione di tali parametri. Sono stati rivestiti substrati di prova presso le apparecchiature del Fraunhofer FEP e consegnati ai partner del progetto, per realizzare una caratterizzazione lungo l'intera catena del valore. I dati raccolti finora costituiscono la base per lo sviluppo dei modelli di IA del partner di progetto, l'Università Otto-von-Guericke di Magdeburgo. Nel corso del progetto, l'ontologia e i modelli di IA saranno progressivamente migliorati per rappresentare meglio la realtà. Sulla base dei modelli sviluppati, si procederà con ulteriori rivestimenti di substrati di prova per la caratterizzazione presso il Fraunhofer FEP e i partner del progetto, al fine di migliorare i modelli stessi.

Oltre all'ottimizzazione della sensoristica ad ultrasuoni, i risultati del progetto aprono nuove possibilità per altre applicazioni basate sulla tecnologia degli strati sottili. La rappresentazione digitale dei dati sui materiali e sui processi, tramite l'ontologia degli strati sottili e i modelli di IA, può essere riutilizzata e trasferita a processi di rivestimento simili, accelerando notevolmente la ricerca e lo sviluppo di nuovi materiali in futuro.