Apparaten bouwen op atomaire schaal: de ruimtelijke revolutie (video)

Om deze atoom-voor-atoom-opbouwtechniek hierop voor te bereiden, is 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.

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.

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. Kessels": "Er is een snelheidsprobleem, en in de industrie geldt: als de techniek te traag is, is ze niet bruikbaar."

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

"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.

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. Daar komt bij dat het innoveren van ruimtelijke ALD niet eenvoudig zal zijn. Macco: "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."

Nieuwe apparatuur

Het meest opwindende aspect van het project is voor de wetenschappers de installatie van een ruimtelijk ALD-apparaat – ontwikkeld door het bedrijf SALD – in de laboratoria van 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. 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!"