En colaboración con la mediana empresa Suragus, especializada en ensayos no destructivos de materiales mediante sensores de corrientes de Foucault de alta frecuencia, el Instituto Fraunhofer de Electrónica Orgánica, Tecnología de Haz de Electrones y Plasma FEP ha conseguido realizar mediciones in situ sin contacto en condiciones de alto vacío a temperaturas de hasta 220 °C. El método puede utilizarse para medir la resistencia de la capa, la conductividad o el grosor de la capa metálica directamente después de los procesos de deposición en caliente o modificación de la capa.
Con este método se pueden realizar mediciones de la resistencia de la lámina, la conductividad o el espesor de la capa metálica directamente después de la deposición en caliente de la capa o de los procesos de modificación de la capa utilizando mediciones de corrientes parásitas de alta frecuencia sin contacto. También se sentaron las bases para la caracterización de procesos en el rango de 450 a 600 °C. El trabajo forma parte del proyecto "HotSense", financiado por el Ministerio de Economía, Trabajo y Transporte de Sajonia.
Medición in situ de la resistencia de las láminas
En muchas aplicaciones se utilizan capas conductoras finas y funcionales con propiedades personalizadas. Entre ellas se encuentran los cristales de ventanas conmutables o energéticamente eficientes, diversos tipos de células solares, baterías, chips semiconductores y pantallas táctiles. Con sus propiedades especiales, las capas funcionales muy finas contribuyen significativamente a la funcionalidad, la vida útil y el rendimiento de la aplicación correspondiente. Los procesos de recubrimiento para depositar estas películas finas suelen tener lugar en un alto vacío y a altas temperaturas. Los procesos de templado posteriores para el ajuste específico de las propiedades del revestimiento y/o del sustrato también tienen lugar a varios cientos de grados centígrados. Una propiedad clave de las capas finas es la resistencia de la lámina. Su medición directa se utiliza para controlar y estabilizar el proceso.
Para garantizar la alta calidad y funcionalidad de los recubrimientos, es necesario caracterizar y supervisar los pasos del proceso in situ, es decir, durante los procesos de recubrimiento. En los procesos de vacío en particular, las mediciones compatibles en tiempo real -como las de la resistencia de la lámina- constituyen un reto, pero son necesarias para producir revestimientos libres de contaminación con propiedades reproducibles. Los métodos de medición anteriores para la caracterización eléctrica in situ sin contacto de este tipo de revestimientos al vacío sólo funcionan hasta una temperatura de 65 °C, lo que impide el funcionamiento eficaz del sistema mediante la medición y el control del proceso. Este límite se ha ampliado considerablemente. La caracterización in situ de revestimientos puede realizarse ahora directamente en el proceso de alta temperatura o cerca del proceso y sin contacto.
Investigaciones y configuración de las mediciones
Los dos socios del proyecto investigaron métodos de medición para la caracterización in situ sin contacto de la resistencia eléctrica de películas finas bajo requisitos de alto vacío y alta temperatura. Tras dos años de desarrollo, los investigadores han conseguido desarrollar un método de medición que ofrece resultados fiables a temperaturas de hasta 220 °C, lo que permite caracterizar los revestimientos incluso durante el proceso a temperaturas tan elevadas. Además, la resistencia de la lámina debe medirse en vacío, ya que sólo así se garantiza que las capas no estén contaminadas ni oxidadas.
Los investigadores han desarrollado una configuración de medición en condiciones próximas a la aplicación y han realizado pruebas a diferentes temperaturas. Los resultados permiten establecer una correlación entre la temperatura y la señal de medición. A partir de ahí, Suragus ha desarrollado un algoritmo.
Como parte del proyecto, se rediseñó el cabezal del sensor para la caracterización y, con un tamaño de aproximadamente 12 × 40 mm², se hizo significativamente más pequeño que antes, lo que abre más campos de aplicación en aplicaciones con espacio de instalación limitado.
Toda la configuración de medición se probó y desarrolló en el Fraunhofer FEP en el sistema de pulverización catódica en línea ILA 900 para el recubrimiento de sustratos planos en condiciones de sala blanca. Como resultado, la nueva configuración de medición pudo examinarse y caracterizarse a escala piloto. Se llevaron a cabo investigaciones metrológicas sobre la deriva, la intensidad de la señal, las fuentes externas de interferencia y el comportamiento del sensor, la muestra y la temperatura entre sí. El rango de medición de la resistencia se extiende a lo largo de tres décadas y presenta una reproducibilidad < 2 %. La solución prevista aquí cubrirá cinco décadas de medición, de 0,001 a 100 ohmios por cuadrado, lo que abarca una gama de medición de espesores de unos pocos nanómetros a unos pocos micrómetros.
Nueva configuración de medición con cabezal de medición de sensor para la caracterización in situ de procesos de revestimiento a altas temperaturas de proceso
Ventajas para los usuarios y perspectivas
El nuevo método de medición sin contacto para la supervisión de procesos de revestimiento o templado a altas temperaturas puede utilizarse para optimizar el control de procesos, la calidad del revestimiento y los costes de funcionamiento de los sistemas. También es posible realizar mediciones en otras aplicaciones y tipos de sistemas.
Suragus pretende lanzar al mercado los primeros sistemas comerciales a finales de 2023. Ambos socios del proyecto aspiran a seguir desarrollando la tecnología existente para permitir mediciones a temperaturas aún más elevadas y también están abiertos a investigaciones específicas de clientes, según sus propias declaraciones.
