Atomaire laagafzetting: bouwen met bouwstenen van één atoom dik
Stel je voor dat je een muur wilt bouwen, maar dan niet met bakstenen, maar met een laag verf die precies één molecuul dik is – en dat je die laag over elk hoekje en gaatje van een voorwerp kunt aanbrengen, ook in de nauwste spleten. Dat is in de kern wat atomaire laagafzetting (in het Engels: atomic layer deposition, afgekort ALD) doet. Het is een techniek waarmee razend dunne, extreem gelijkmatige laagjes materiaal op een oppervlak worden aangebracht, laag voor laag, atoom voor atoom.
ALD wordt vooral gebruikt in de chipindustrie, waar processors en geheugenchips steeds kleiner worden en onderdelen soms nog maar een paar atomen dik zijn. Op die schaal is een gewone verflaag – hoe dun ook – te grof en te ongelijkmatig. ALD lost dat op door de laag chemisch te 'programmeren': in elke reactiecyclus ontstaat automatisch precies één atoomlaagje, niet meer en niet minder. Herhaal die cyclus honderd keer en je hebt een laag van honderd atomen dik, met een nauwkeurigheid die met weinig andere technieken te evenaren is.
Wat is het precies?
ALD gebeurt in een afgesloten reactiekamer waarin een object – bijvoorbeeld een siliciumplak (wafer) voor chips – wordt blootgesteld aan gassen. Het proces verloopt in korte, herhaalde cycli die elk uit vier stappen bestaan.
In de eerste stap wordt een gasvormige precursor (een reactieve chemische verbinding, meestal een molecuul met een metaalatoom erin) de kamer ingeleid. Dit gas hecht zich aan het oppervlak totdat alle beschikbare reactieplekken bezet zijn. Cruciaal is dat deze reactie zelfbegrenzend is: zodra het oppervlak verzadigd is, stopt de reactie vanzelf, ook als er meer gas aanwezig is. Er kan dus nooit een dikkere laag ontstaan dan die ene moleculaire laag.
In de tweede stap wordt de kamer gespoeld met een inert gas (meestal stikstof of argon) om overtollig, ongereageerd precursorgas te verwijderen. Daarna volgt de derde stap: een tweede precursor, vaak een oxiderend of reducerend gas, wordt ingeleid. Deze reageert met de laag uit stap één en vormt zo het uiteindelijke materiaal, bijvoorbeeld een metaaloxide. Ook deze reactie is zelfbegrenzend. Tot slot wordt in de vierde stap opnieuw gespoeld om restproducten te verwijderen, waarna de cyclus weer van voren af aan begint.
Eén cyclus levert doorgaans een laagje op van minder dan een tiende nanometer (een nanometer is een miljardste meter) tot ongeveer één nanometer dik. Door de cyclus tientallen tot duizenden keren te herhalen, bouw je een laag op met een dikte die tot op de atoomlaag nauwkeurig instelbaar is. Omdat de reactie chemisch gestuurd wordt en niet afhankelijk is van de hoek waaronder deeltjes een oppervlak raken, zoals bij technieken als sputteren of verdampen, bedekt ALD ook diepe gaten, poreuze materialen en complexe 3D-structuren volledig gelijkmatig. Vakmensen noemen deze eigenschap conformaliteit.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer achter ALD is de niet-aflatende trend in de halfgeleiderindustrie om chips kleiner, sneller en zuiniger te maken – een ontwikkeling die decennialang bekendstond als de wet van Moore. Naarmate transistoren kleiner worden, moeten ook de isolerende en geleidende laagjes daarin steeds dunner en preciezer worden. Bij een dikte van slechts een paar atomen is elke onregelmatigheid funest voor de werking van een chip: een laagje dat op de ene plek iets dikker is dan op de andere, kan lekstroom, oververhitting of falen veroorzaken.
ALD belooft daarom drie dingen tegelijk: extreme nauwkeurigheid in laagdikte tot op het atoom, uitstekende gelijkmatigheid over grote oppervlakken, en volledige bedekking van ingewikkelde driedimensionale structuren. Buiten de chipindustrie wordt diezelfde precisie ingezet om oppervlakken te beschermen tegen corrosie of vocht, om katalysatoren te maken waarin metaaldeeltjes nauwkeurig gedoseerd worden, om batterijelektroden stabieler te maken, en om zonnecellen efficiënter te maken door ongewenste elektronenverliezen aan het oppervlak tegen te gaan.
Een minder voor de hand liggend doel is kostenbeheersing op de lange termijn: hoewel ALD-apparatuur duur is en het proces relatief traag verloopt, kan de techniek defecten en uitval bij de productie van geavanceerde chips sterk verminderen. Voor fabrikanten die chips op de kleinste schaal maken, weegt die betrouwbaarheid vaak op tegen de hogere kosten per productiestap.
Voorbeelden uit de praktijk
- Intel, 2007: bij de introductie van zijn 45-nanometer chipproductieproces gebruikte Intel als een van de eersten op grote schaal ALD om een laagje hafniumoxide aan te brengen als 'high-k' gate-diëlektricum in transistoren – een mijlpaal die andere chipfabrikanten al snel volgden.
- ASM International (Nederland): dit in Almere gevestigde bedrijf is wereldwijd een van de grootste leveranciers van ALD-machines voor de chipindustrie en levert apparatuur aan fabrikanten als TSMC, Samsung en Intel.
- TU Eindhoven, ruimtelijke ALD voor zonnecellen: onderzoekers rond hoogleraar Erwin Kessels ontwikkelden een snellere variant, 'ruimtelijke ALD', waarbij het object langs verschillende gaszones beweegt in plaats van dat de gassen na elkaar de hele kamer vullen. Via het Eindhovense spin-offbedrijf Levitech werd deze aanpak toegepast om aluminiumoxide-laagjes aan te brengen die siliciumzonnecellen beschermen en efficiënter maken.
- imec (België): het onderzoeksinstituut in Leuven gebruikt ALD in de ontwikkeling van toekomstige transistorarchitecturen, zoals gate-all-around-transistoren en 'backside power delivery', waarbij extreem dunne en precieze laagjes onmisbaar zijn.
- Batterijonderzoek: verschillende laboratoria, waaronder het Amerikaanse Argonne National Laboratory, onderzoeken hoe een nanometerdunne ALD-coating op batterij-elektroden de levensduur en veiligheid van lithium-ionbatterijen kan verbeteren door ongewenste chemische bijreacties aan het oppervlak te onderdrukken.
Hoe ver is de techniek?
In de chipindustrie is ALD allang geen experimentele techniek meer, maar een onmisbare standaardstap in de productie van vrijwel elke geavanceerde processor of geheugenchip die vandaag wordt gemaakt. Sinds de doorbraak bij Intel in 2007 is het gebruik ervan alleen maar toegenomen, en bij de nieuwste chipgeneraties met transistorstructuren als gate-all-around en backside power delivery wordt ALD nog belangrijker, omdat andere technieken simpelweg niet nauwkeurig genoeg zijn.
Buiten de halfgeleiderindustrie is het beeld gemengder. Voor zonnecellen, batterijen, medische coatings en katalysatoren is ALD wetenschappelijk goed onderbouwd en op pilotschaal bewezen, maar de opschaling naar grote, kosteneffectieve productievolumes verloopt langzamer. Het belangrijkste obstakel is de doorvoersnelheid: omdat elke cyclus maar een fractie van een nanometer toevoegt, kan het opbouwen van een bruikbare laag minuten tot uren duren, wat de techniek relatief traag en duur maakt vergeleken met bijvoorbeeld spuiten of dompelcoating. Ruimtelijke ALD-varianten, zoals die uit Eindhoven, proberen dit knelpunt te verhelpen door de gasstappen niet na elkaar in tijd, maar naast elkaar in de ruimte te laten plaatsvinden, wat de productiesnelheid aanzienlijk verhoogt.
Een ander punt van voortdurend onderzoek is 'gebiedsselectieve ALD', waarbij wetenschappers proberen de afzetting alleen op bepaalde delen van een oppervlak te laten plaatsvinden en andere delen bewust over te slaan, zonder dat daarvoor een aparte maskeerstap nodig is. Dit zou toekomstige chipproductie nog verder kunnen vereenvoudigen, maar is nog grotendeels onderzoeksmateriaal en nog niet breed toegepast in de industrie.
Wie werken eraan?
De techniek werd in de jaren zeventig in Finland ontwikkeld door onderzoeker Tuomo Suntola, aanvankelijk onder de naam 'atomic layer epitaxy', voor de productie van elektroluminescente beeldschermen. Finland bleef daarna een belangrijk centrum voor ALD-apparatuurbouwers, met bedrijven als Beneq en Picosun, dat in 2022 werd overgenomen door het Amerikaanse Applied Materials.
Op apparatuurgebied is Nederland internationaal toonaangevend dankzij ASM International, en op onderzoeksgebied speelt de Technische Universiteit Eindhoven, met de onderzoeksgroep van Erwin Kessels, wereldwijd een vooraanstaande rol, onder meer op het gebied van ruimtelijke en gebiedsselectieve ALD. Ook het Belgische onderzoeksinstituut imec in Leuven, dat nauw samenwerkt met de grote chipfabrikanten, is een belangrijke speler in de ontwikkeling van ALD-toepassingen voor toekomstige chipgeneraties.
Op het gebied van chipproductie zelf zijn het vooral de grote fabrikanten die de techniek op industriële schaal toepassen: TSMC in Taiwan, Samsung in Zuid-Korea en Intel in de Verenigde Staten. Zij werken daarbij samen met apparatuurleveranciers als het Nederlandse ASM International en de Amerikaanse bedrijven Applied Materials en Lam Research. Daarnaast houden talloze universiteiten wereldwijd zich bezig met nieuwe toepassingen van ALD, van batterijchemie tot medische implantaten.