Apparaten bouwen op atomaire schaal: de ruimtelijke revolutie
TU/e-onderzoekers en bedrijven bundelen hun krachten voor de verdere ontwikkeling van een gevestigde fabricagetechniek waarmee materialen atoom voor atoom worden opgebouwd voor gebruik in beeldschermen, batterijen en zonnepanelen.
Waarschijnlijk lees je dit artikel op een apparaat dat microchips bevat, die op hun beurt miljoenen transistors bevatten. Het plaatsen van deze componenten ter grootte van een nanometer in microchips is alleen mogelijk met nauwkeurige fabricagetechnieken zoals atomic layer deposition (ALD). Maar om deze atoom-voor-atoom-opbouwtechniek te gebruiken voor het maken van apparaten op grotere schaal, zoals beeldschermen en zonnecellen, heeft ALD een upgrade nodig; een ruimtelijke, om precies te zijn. TU/e-onderzoekers Bart Macco en Erwin Kessels willen, in samenwerking met tal van bedrijven, deze 'ruimtelijke ALD' naar een hoger plan tillen. Maak je klaar voor de ruimtelijke revolutie.
Onafhankelijke ontwikkelingen komen regelmatig voor in de wetenschap. Denk maar aan Elisha Gray en Alexander Graham Bell met de telefoon, of Isaac Newton en Gottfried Wilhelm Leibniz met calculus.
Net als de telefoon en calculus werd ook atomaire afzetting ontwikkeld door onafhankelijke groepen, in dit geval Russische en Finse wetenschappers in respectievelijk de jaren zestig en zeventig van de vorige eeuw.
De magie van atomaire laagafzetting zit 'm in de naam: er worden laagjes atomen op laagjes atomen gelegd. "ALD maakt het mogelijk om laagjes atomen op een gecontroleerde manier te laten groeien - wat enorm belangrijk is voor elektronische producten als processors en opslagapparaten", zegt TU/e-onderzoeker Bart Macco.
Hoe maak je een atoomsandwich?
ALD vindt plaats in een ruimte onder vacuümomstandigheden waarbij de atomen worden afgezet op een beginlaag of substraat. Dit substraat wordt blootgesteld aan chemische reactanten in een gas, en sommige reactanten hechten zich aan het substraat. Ongebruikte reactanten en bijproducten worden vervolgens verwijderd voordat de volgende chemische reactant wordt geïntroduceerd en bovenop de laag eronder wordt afgezet. "Het is als het bouwen van een atoomsandwich", merkt Macco op.
De TU/e werkt al langer aan ALD, zoals Erwin Kessels zich goed kan herinneren. "Al in 2003, toen ik nog een jonge onderzoeker was in de groep Plasma & Materials Processing (PMP), werkte ik met 2 promovendi aan een project over ALD. Tegenwoordig ligt de focus van de groep heel erg op ALD."
Verschuiving van temporeel naar ruimtelijk
Aangezien de lagen in de loop van de tijd na elkaar op een stilstaand substraat worden aangebracht, kan ALD ook worden aangeduid als ‘temporele’ ALD (temporal ALD in het Engels). Hoewel temporele ALD de nauwkeurigheid heeft die nodig is voor het maken van microchips en zich al bewezen heeft bij de productie van zonnecellen in grote volumes, is het niet erg geschikt voor de productie van grote volumes van andere apparaten met grote oppervlakken zoals beeldschermen. "Er is een snelheidsprobleem, en in de industrie geldt: als de techniek te traag is, is ze niet bruikbaar", zegt Kessels.
Toch bestaat er een ALD-benadering die de noodzakelijke schaalvergroting en hoge productiesnelheden mogelijk maakt die de industrie nodig heeft. En dat betekent ruimtelijk denken.
Vliegende substraten redden de dag
"Bij ruimtelijke ALD worden lagen veel sneller gecreëerd door het substraat door verschillende zones van de reactor te laten ‘vliegen’, waarbij elke zone verschillende gassen of reactanten bevat", aldus Macco.
Het ‘vliegen’ van het substraat maakt snellere afzetting van lagen mogelijk, met behoud van de nauwkeurigheid. Het is vooral een geval van ‘sneller is beter’.
Hoewel ruimtelijke ALD in het begin van de jaren 1980 werd gepatenteerd, begon ruimtelijke ALD pas in de tweede helft van de jaren 2000 wetenschappelijke aandacht te krijgen. Dit betekent dat er nog veel onbekend is over ruimtelijke ALD.
Daar komt nog bij dat het innoveren van ruimtelijke ALD niet eenvoudig zal zijn. Bart Macco: "Onze slogan is 'Meer materialen, meer veeleisende toepassingen'. We willen ruimtelijke ALD gebruiken om een breder scala aan complexe materialen te deponeren voor nieuwe toepassingen. Dat kan gaan om het opbouwen van lagen op flexibele of poreuze substraten. Er moeten nog veel dingen worden opgelost, maar het is een spannende uitdaging.”
Samenstellen van het ruimtelijke ALD-team
Veel Nederlandse bedrijven werken aan ruimtelijke ALD-apparatuur, zoals Levitech, SoLayTec, SALD, Smit Thermal Solutions, VDL-ETG, TNO, en SALDtech. Dankzij een subsidie van 700.000 euro uit het Open Technologieprogramma van de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO) willen Macco en Kessels de concurrentiepositie van Nederlandse bedrijven op gebied van ruimtelijke ALD verbeteren, door rechtstreeks met deze bedrijven samen te werken en een hub voor ruimtelijke ALD-innovatie op te richten aan de TU/e.
Naast stakeholders als ASM, Chipmetrics en J.A. Woollam zullen deze bedrijven sterk betrokken zijn bij het door NWO gefinancierde project. "Nederland speelt een leidende rol op het gebied van ruimtelijke ALD en we willen dat de TU/e de belangrijkste bijdrage levert aan de vooruitgang", zegt Macco, die ook de projectcoördinator is.
"Dit project zal veel bedrijven samenbrengen om aan ruimtelijke ALD-technologie te werken, maar ze hebben allemaal hun eigen verschillende toepassingen", voegt Macco toe. "Er liggen spannende tijden in het verschiet voor ruimtelijke ALD aan de TU/e."
Verwelkoming van nieuwe apparatuur
En het meest opwindende aspect van het project is de installatie van een ruimtelijk ALD-apparaat - ontwikkeld door het bedrijf SALD - in de laboratoria van de PMP-groep aan de TU/e. Het instrument is een speciaal R&D-systeem dat gemakkelijk kan worden aangepast om de invloed van verschillende factoren op het ruimtelijke ALD-proces te bestuderen.
Erwin Kessels: "De toegang tot dit instrument zal van onschatbare waarde zijn voor het succes van het project. We kunnen snel nieuwe processen, nieuwe materialen en nieuwe substraten testen. Dit wordt leuk!"
Het spreekt voor zich dat Kessels en Macco enthousiast zijn over de opkomende ontwikkelingen in ruimtelijke ALD. Sterker nog, zij en hun medewerkers in de academische wereld en het bedrijfsleven zullen een leidende rol gaan spelen in het verdere verhaal van ruimtelijke ALD.
Ga maar opzij, temporele ALD, en maak ruimte voor ruimtelijke ALD aan de fabricagetafel.