Podczas uroczystego otwarcia nowego budynku Centrum Badawczo-Rozwojowego w Zielonce k. Warszawy, prasa branżowa i zaproszeni goście mogli zwiedzić nowe laboratoria i przyjrzeć się urządzeniom, którymi dysponują inżynierowie tej dynamicznie rozwijającej się firmy. Mnie najbardziej zaciekawiła pracownia, gdzie badaniom poddawane są skomplikowane procesy plazmowe. Prowadzący ją już od 5 lat dr Wojciech Gajewski, z wykształcenia fizyk, zgodził się opowiedzieć, nad czym pracuje jego zespół i do jakich zastosowań wykorzystywana jest plazma, wytwarzana przy pomocy zasilaczy TRUMPF Hüttinger.

Plazma w komorze do technologii Pec d; Wojciech Gajewski, Główny Inżynier Grupy Aplikacji Procesów Plazmowych, z firmy TRUMPF Hüttinger

– W firmie jestem już 10 lat. Od samego początku zajmowałem się wsparciem klientów w ich aplikacjach. Rozbudowałem infrastrukturę testową, czyli laboratorium plazmowe, żeby móc sprawdzać urządzenia, jeszcze zanim wyjadą do swojego miejsca docelowego. Oprócz tego rozwijam działalność popularno-naukową, którą określam terminem Scientific Marketing. Polega ona z jednej strony na szkoleniach, zarówno naszych klientów, jak i pracowników, podczas których wyjaśniam, w jaki sposób i dlaczego coś działa oraz po co dana funkcjonalność jest potrzebna w procesie produkcji. Z drugiej strony jest to budowanie wiedzy, również poprzez publikacje naukowe oraz realizacja różnych projektów wspólnie ze światem nauki, zarówno u nas w Polsce, jak i za granicą.

Niewątpliwie wpływa to pozytywnie na wizerunek TRUMPF Hüttinger jako firmy, która dokładnie wie, w jakim celu i dla kogo produkuje urządzenia oraz jest świadoma kierunku rozwoju współczesnej technologii.

Testowanie parametrów krytycznych

– Przede wszystkim nasze urządzenia powstają według specyficznych wymagań klientów. Spełniają założenia podstawowe, czyli mają określoną moc wyjściową i operują w danym zakresie prądu oraz napięcia. Ich funkcjonalność, np. częstotliwość pulsowania lub włączania się i wyłączania, musi wspierać konkretny proces technologiczny. W laboratorium sprawdzamy, czy pod tym względem zasilacz działa prawidłowo. W tym celu odwzorowujemy – oczywiście w miarę możliwości – warunki pracy u klienta, a potem idziemy dalej. Przekraczamy zdefiniowane granice parametrów i sprawdzamy, czy da się wycisnąć jeszcze więcej. Staramy się zasymulować wartości najbardziej krytyczne i pod tym kątem przetestować urządzenie. Oczywiście nie wszystko można w taki sposób sprawdzić, ponieważ musielibyśmy mieć u siebie setki systemów klientów z różnych branż.

Plazma w przemyśle

Według mojego rozmówcy, tylko kilka gałęzi przemysłu nie wykorzystuje plazmy, czyli środowiska, które zasilacze TRUMPF Hüttinger wytwarzają w procesach technologicznych. Przy pomocy procesów plazmowych nakładane są warstwy ochronne, np. na wiertła i inne urządzenia do obróbki metalu, na panele fotowoltaiczne i szkła architektoniczne oraz powłoki na oprawki i szkła okularowe. Podobnie tworzone są powierzchnie obudów i ekranów telefonów oraz zegarków smart. Nie można też zapominać o nieodzownej roli zasilaczy w procesach producji przyrządów półprzewodnikowych, gdzie stopień skomplikowania jest o wiele wyższy, a wymagania bardziej rygorystyczne. W tej branży zdefiniowanie procesu i jego powtarzalności jest na naprawdę wysokim poziomie.

Laboratorium Procesów Plazmowych TRUMPF Huettinger w Zielonce

– W naszym laboratorium w Zielonce mamy np. mały wycinek linii produkcyjnej architektonicznego szkła powlekanego, która w rzeczywistości może mieć nawet 1,5 km długości. Mówię tu o linii, która zaczyna się surówką szklaną, formowaną podczas przepływu w panele o wielkości nawet 3,75 x 6 m. Takie szkło w pewnym momencie procesu trafia do sekcji, gdzie w środowisku plazmowym uzyskuje odpowiednią strukturę, nanoszona jest tzw. kanapka złożoną z kilku różnych warstw. Jedną z nich jest srebro, które odbija promieniowanie cieplne zapewniając komfort termiczny w budynku. Latem słońce zbyt mocno nie nagrzewa wnętrza, a zimą ciepło tak szybko nie ucieka. Wierzchnie powłoki zapewniają stabilność warstwy srebrnej i odporność na zarysowanie. Hydrofobowość powłok umożliwia łatwe czyszczenie przez deszcz oraz transparentność przy jednoczesnym zaciemnieniu, podobnie jak okulary słoneczne. Każda z tafli na budynku musi mieć takie same parametry, w przeciwnym razie będą się różnić zabarwieniem i zamiast jednolitej szklanej ściany zobaczymy wielokolorową mozaikę.

Aplikacje kosmiczne?

– Plazma, którą generujemy naszymi zasilaczami, mogłaby z powodzeniem zostać wykorzystana do napędów silników jonowych w przemyśle kosmicznym. Nie mamy jeszcze takich aplikacji i nie prowadziliśmy w naszym laboratorium podobnych testów, ale coraz bardziej skłaniamy się w kierunku zastąpienia plazmą dotychczasowych źródeł energii. Może się to sprawdzić w procesach, gdzie obróbce poddawane jest paliwo wodorowe i plazma mogłaby zastąpić gaz ziemny czy ropę.

Plazma w produkcji półprzewodników

– Moim skromnym zdaniem – i myślę, że specjaliści by się ze mną zgodzili – produkcja półprzewodników w tak niewielkich rozmiarach nie byłaby możliwa w skali przemysłowej, gdyby nie procesy plazmowe. Postęp, polegający na miniaturyzacji układów scalonych, nakłada bardzo wysokie wymagania, jeśli chodzi o precyzję wytwarzania struktur rzędu kilkudziesięciu lub kilku nanometrów. Sterowanie procesem plazmowym i częstotliwościami działania jego źródeł, jak również różnego rodzaju parametrami zasilacza, daje możliwość szybkiego włączania i wyłączania procesu. Dzięki temu można błyskawicznie zmieniać poziomy mocy, które są wykorzystywane w danym etapie tworzenia układu. Do tego dochodzi technologia fotolitografii w zakresie UV i EUV firmy ASML. Nasze zasilacze biorą udział w przygotowaniu wiązki EUV, czyli obsługują laser TRUMPF wykorzystywany do wzbudzenia kropli cyny, która po aktywacji emituje kwanty energii. Generują też plazmę przeznaczoną do przygotowania i wytrawiania wzoru na płytce krzemowej w odpowiedniej komorze próżniowej.

Jak powstaje plazma?

Plazma to Słońce lub inne gwiazdy. Żeby ją wytworzyć na Ziemi i zastosować w procesach przemysłowych, trzeba dostarczyć energii, która zamieni gaz w tzw. czwarty stopień skupienia materii. TRUMPF Hüttinger pracuje z plazmą niskociśnieniową, powstającą w komorze próżniowej. Po usunięciu powietrza wprowadzany jest gaz szlachetny, np. argon. Przy nanoszeniu warstw antyrefleksyjnych na soczewkach okularowych stosowany jest również tlen lub azot. W procesach półprzewodnikowych do trawienia używane są gazy zawierające fluor, który reaguje chemicznie i fizycznie z krzemem. Aby go zjonizować, czyli wzbudzić elektrony, trzeba dostarczyć energii w postaci pola elektromagnetycznego. W takim środowisku można przeprowadzać procesy nanoszenia warstw lub trawienia, czyli usuwania części struktury powierzchni materiału.

Czy rozwój przemysłu półprzewodnikowego w Polsce jest realny?

– To jest dobre, a zarazem trudne pytanie. Nie wiem, czy jestem w stanie podać jednoznaczną odpowiedź. Żeby powstał układ scalony, trzeba wielu etapów procesu i szeregu powiązanych z tym działań. Przemysł półprzewodnikowy to nie tylko procesory, ale też pamięci oraz układy typu LED lub takie, które są wykorzystywane jako czujniki w motoryzacji. Spektrum możliwości jest bardzo duże. Moim zdaniem Europa, posiadająca własny przemysł powiązany z półprzewodnikami – samochodowy czy AGD – powinna stawiać na rozwój tego typu technologii tutaj na miejscu. Pewna infrastruktura już istnieje i wciąż słyszymy o nowych inwestycjach u naszych sąsiadów – o budowaniu swoich centrów mówią chociażby Włosi.

Laboratorium Procesów Plazmowych TRUMPF Huettinger w Zielonce

W Polsce na Intela pod Wrocławiem musimy jeszcze trochę poczekać, podobnie jak na Izerę, która – o ile jej produkcja w ogóle zostanie rozpoczęta – mogłaby być dużym klientem rodzimego przemysłu półprzewodnikowego.

– Jest tutaj nisza, ale najpierw duże środki muszą zostać przygotowane, zarezerwowane i świadomie zainwestowane. Zbudowanie fabryki, która będzie się zajmować integracją i pakowaniem oraz produkcją bardzo specyficznych układów, spowoduje rozwinięcie całej struktury lokalnego łańcucha logistycznego. Pojawią się dostawcy gazów i wszelkiego rodzaju komponentów lub firmy np. utylizujące odpady.

Sieć laboratoriów wysokich kompetencji

– Obecnie pracujemy nad tym, żeby tutaj w Polsce móc testować nasze zasilacze i mieć bardzo wysokie kompetencje, jeśli chodzi o znajomość procesów klienckich. Chcemy się jeszcze bardziej precyzyjnie orientować, w jakim kierunku zmierza przemysł i do jakich jeszcze procesów można wykorzystać plazmę. Zależy nam na wspieraniu rozwoju naszych urządzeń, żeby wręcz wyprzedzały potrzeby rynku i odpowiadały na wymagania np. przemysłu półprzewodnikowego za 3 czy 5 lat. Polscy klienci powinni otrzymać te nowe zasilacze dokładnie momencie, kiedy będą im niezbędne, a nasi inżynierowie muszą mieć możliwość ich wcześniejszego przetestowania w laboratorium wtedy, kiedy to będzie konieczne.

Co jest wyzwaniem dla pracowni plazmy w TRUMPF Hüttinger?

– Najtrudniejsze, a zarazem najciekawsze dla mnie jest weryfikowanie w rzeczywistym działaniu tego, co sobie teoretycznie założyliśmy i wymodelowaliśmy. Ponad rok temu, w ramach grupy, którą mam przyjemność prowadzić, poszerzyliśmy nasze kompetencje o możliwości wykonywania stymulacji plazmy. Polega to na sprawdzaniu, w jaki sposób wprowadzone parametry urządzenia przekładają się na parametry procesu. Najtrudniejszy moment jest wtedy, kiedy wyniki symulacji zestawiamy z tymi, które uzyskujemy w naszym systemie testowym. Sprawdzamy, na ile nasze założenia różnią się od efektów i jak możemy udoskonalić modele teoretyczne, aby były jak najbardziej zbliżone do realiów. Jest to niezmiernie ważne, bo w symulacji wszystko da się przetestować, a wiadomo, że czas wprowadzania produktu na rynek i wdrożenia u klienta powinien być jak najkrótszy.

Stały zespół laboratorium procesów plazmowych liczy 8 osób. W zależności od aktualnie realizowanych projektów, ich liczba wzrasta. Laboratorium, jak mnie poinformował dr Wojciech Gajewski, jest także codziennym miejscem pracy inżynierów z działu R&D oraz z różnych grup produktowych.

Jedyne takie laboratorium w Europie

– Jestem naprawdę dumny, że mamy tak szeroki zakres systemów naszego laboratorium – począwszy od procesów najprostszych, jak powłoki dekoracyjne na smartfonach czy narzędziach do skrawania, po urządzenia z branży półprzewodnikowej. I wszystko to pod jednym dachem, w laboratorium w Zielonce pod Warszawą. Nie sądzę, żeby w Europie było drugie takie miejsce. Mam tu na myśli skalę przemysłową urządzeń i zastosowania komercyjne.

– Planujemy jeszcze zwiększyć naszą powierzchnię badawczą, ponieważ chcemy stale udoskonalać produkty dla wymagającego przemysłu półprzewodnikowego. Będzie to od nas wymagało zaadoptowania przestrzeni laboratoryjnej i wdrożenia standardów stref o podwyższonej czystości. Potrzebna jest do tego cała infrastruktura, ponieważ w tych procesach używane są specjalistyczne gazy techniczne. Musimy więc zapewnić m.in. odpowiednią wentylację i spełnić wszelkie rygorystyczne przepisy bezpieczeństwa. Chcemy, aby nasze laboratorium, działające w coraz większej skali, było przyjazne – zarówno dla pracowników, jak i dla środowiska. Żeby przyczyniło się do rozwoju naszych produktów, które za kilka lat będą wykorzystywane do produkcji najbardziej nowoczesnych układów półprzewodnikowych.

Zdjęcia: TRUMPF Hüttinger