Depositietechniek: hoe je materialen atoom voor atoom opbouwt
Stel je voor dat je een muur wilt verven, maar dan zo nauwkeurig dat de verflaag precies één molecuul dik is en overal exact even dik, zelfs in de kleinste hoekjes en gaatjes. Dat is in essentie wat depositietechniek doet: het aanbrengen van extreem dunne lagen materiaal op een oppervlak, met een nauwkeurigheid die wordt gemeten in nanometers of zelfs in enkele atomen. Deze technieken vormen het fundament van de moderne chipindustrie, van zonnepanelen tot coatings op medische implantaten.
Het woord "depositie" betekent simpelweg "afzetting": iets wordt neergelegd of aangebracht op een ondergrond, het zogeheten substraat. Depositietechniek is de verzamelnaam voor de methoden waarmee dat gebeurt op microscopische schaal. Zonder deze technieken zou er geen computerchip, geen smartphonescherm en geen zonnecel bestaan zoals we die nu kennen: alle bevatten tientallen tot honderden dunne lagen die laag voor laag zijn opgebouwd.
Wat is het precies?
Depositietechnieken zijn methoden om een dun laagje materiaal, van enkele nanometers tot een paar micrometer dik, op een oppervlak aan te brengen. Er bestaan verschillende families, elk met hun eigen aanpak.
Bij CVD (Chemical Vapor Deposition, chemische dampafzetting) worden gasvormige stoffen, de precursors, in een kamer geleid waar ze op het hete substraatoppervlak een chemische reactie aangaan. Daarbij ontstaat een vast laagje, terwijl de reactieproducten als gas worden afgevoerd. Het is te vergelijken met het beslaan van een koude ruit door waterdamp, alleen ontstaat hier door een chemische reactie een vast, functioneel materiaal.
PVD (Physical Vapor Deposition, fysische dampafzetting) werkt zonder chemische reactie. Materiaal wordt fysiek losgemaakt van een bron en verplaatst naar het substraat, bijvoorbeeld door verdamping of door sputteren: het bombarderen van een doelmateriaal (target) met geladen deeltjes in een plasma, waardoor atomen loskomen en neerslaan op het substraat. Dit lijkt op zandstralen, maar dan zo verfijnd dat de losgeslagen deeltjes een nieuwe, gladde laag vormen.
De meest precieze techniek is ALD (Atomic Layer Deposition, atomaire laagafzetting). Hierbij worden om beurten twee verschillende gassen kort in de kamer gelaten. Elk gas reageert alleen met het oppervlak totdat dat volledig "verzadigd" is, waarna de reactie vanzelf stopt. Zo ontstaat na elke cyclus precies één atomaire laag, niet meer en niet minder. Door dit proces honderden keren te herhalen, bouw je een laag op met een dikte die tot op de atoom nauwkeurig te controleren is.
Voor het laten groeien van kristallijne lagen die zich netjes voegen naar de kristalstructuur van het substraat eronder, gebruikt men epitaxie, waarvan MBE (Molecular Beam Epitaxy, moleculaire-bundelepitaxie) de meest extreme vorm is: in een vrijwel perfect vacuüm worden bundels atomen zo langzaam op het substraat gericht dat er kristal voor kristal, laag voor laag, een vrijwel foutloze structuur ontstaat.
Wat wil men ermee bereiken?
De drijfveer achter depositietechniek is vooral het jarenlange streven om elektronische componenten kleiner, sneller en zuiniger te maken, bekend als de wet van Moore: de verwachting dat het aantal transistors op een chip ongeveer elke twee jaar verdubbelt. Naarmate transistors kleiner worden, moeten ook de isolerende en geleidende laagjes daarin steeds dunner en preciezer worden aangebracht. Bij lagen van slechts enkele atomen dik telt elke onregelmatigheid zwaar mee voor de werking van het apparaat.
Daarnaast spelen depositietechnieken een sleutelrol buiten de chipindustrie. Denk aan anti-reflectiecoatings op brillenglazen, corrosiewerende lagen op medische implantaten, de dunne actieve lagen in zonnecellen, en beschermende coatings die de levensduur van batterijelektroden verlengen. In al deze gevallen gaat het om hetzelfde basisprincipe: functionaliteit toevoegen door een extreem dunne, gecontroleerde laag materiaal aan te brengen, zonder het onderliggende product zwaarder, dikker of duurder te maken dan nodig.
Een belangrijke belofte, met name van ALD, is dat het conforme lagen kan aanbrengen: laagjes die overal even dik zijn, ook in diepe, smalle groeven en gaten met een extreme verhouding tussen diepte en breedte. Dat is essentieel nu chipstructuren steeds vaker verticaal worden opgebouwd in plaats van alleen plat op een oppervlak.
Voorbeelden uit de praktijk
Een van de bekendste mijlpalen is de introductie door Intel in 2007 van transistors met een zogeheten high-k metal gate, waarbij een hafniumoxide-isolatielaag via ALD werd aangebracht op het 45-nanometerprocedé. Dit loste een fundamenteel lekstroomprobleem op dat de verdere miniaturisatie van chips dreigde te blokkeren, en maakte ALD in één klap onmisbaar voor de gehele chipindustrie.
Bij de overstap naar FinFET-transistors, en later naar gate-all-around-transistors die fabrikanten als TSMC, Samsung en Intel sinds het begin van de jaren 2020 gebruiken voor hun meest geavanceerde chips, is ALD nog belangrijker geworden. Deze driedimensionale transistorvormen hebben conforme laagjes nodig rond piepkleine, verticaal georiënteerde structuren, iets wat alleen met atomaire precisie haalbaar is.
In de zonne-energiesector worden depositietechnieken gebruikt voor dunnefilmzonnecellen, zoals cadmium-telluride- en CIGS-cellen (koper-indium-gallium-selenide), die al langer commercieel worden geproduceerd. Onderzoekers experimenteren daarnaast met perovskietzonnecellen, waarbij zowel natte technieken als dampdepositie worden getest. Deze cellen behalen in laboratoria hoge rendementen, vooral in combinatie (tandem) met silicium, maar grootschalige, betrouwbare productie buiten het lab bevindt zich nog in een pril, experimenteel stadium.
In de batterij-industrie wordt onderzoek gedaan naar het aanbrengen van dunne, beschermende ALD-coatings op elektrodemateriaal van lithium-ionbatterijen, om degradatie te vertragen en de levensduur te verlengen. Dit is voor een deel nog onderzoek, maar wordt door verschillende batterijfabrikanten ook al toegepast in productieprocessen.
Hoe ver is de techniek?
Voor de gevestigde technieken CVD en PVD geldt dat ze al decennia industrieel volwassen zijn: ze vormen al sinds de jaren zeventig en tachtig de ruggengraat van de chipfabricage en worden ook breed toegepast in bijvoorbeeld de coatingindustrie. ALD is jonger als grootschalige industriële toepassing; het concept bestaat sinds de jaren zeventig, maar pas vanaf midden jaren 2000 werd het onmisbaar voor de meest geavanceerde chips.
De belangrijkste ontwikkeling van de afgelopen jaren is dat ALD steeds vaker wordt ingezet niet alleen voor isolerende lagen, maar ook voor geleidende metalen en zelfs voor selectieve depositie, waarbij een laag alleen op bepaalde delen van een oppervlak groeit en niet op andere. Dat laatste zou toekomstige chipontwerpen sterk kunnen vereenvoudigen, maar staat vooralsnog vooral in de onderzoeksfase en wordt nog niet op grote schaal industrieel toegepast.
Een belangrijk obstakel is snelheid: ALD is uitzonderlijk precies, maar door het cyclische karakter (gas erin, wachten, spoelen, volgend gas erin, wachten, spoelen) relatief traag vergeleken met CVD of PVD. Voor de industrie is het voortdurend zoeken naar de balans tussen precisie en productiesnelheid. Ook het vinden van geschikte precursorchemicaliën die stabiel, veilig en efficiënt genoeg zijn, blijft een actief onderzoeksgebied.
Wie werken eraan?
Nederland speelt een prominente rol in deze sector. ASM International, met hoofdkantoor in Almere, is wereldwijd een van de belangrijkste leveranciers van ALD- en CVD-apparatuur aan chipfabrikanten. Het bedrijf werkt nauw samen met de grote chipmakers om nieuwe procesgeneraties mede te ontwikkelen.
Onderzoeksinstituut imec in Leuven, België, is een van de meest vooraanstaande onafhankelijke onderzoekscentra voor nanoelektronica ter wereld en werkt intensief samen met chipfabrikanten en apparatuurleveranciers aan de volgende generaties depositietechnieken. In Nederland doen TNO en het daaraan verbonden Holst Centre in Eindhoven onderzoek naar onder meer dunnefilmelektronica en flexibele elektronica, vaak in samenwerking met imec.
Op wereldschaal domineren enkele grote apparatuurbouwers de markt: het Amerikaanse Applied Materials (Santa Clara, Californië) is 's werelds grootste leverancier van chipapparatuur en biedt zowel CVD-, PVD- als ALD-systemen aan. Het Japanse Tokyo Electron en het Amerikaanse Lam Research zijn eveneens grote spelers, met name op het gebied van etsen en depositie. De chipfabrikanten zelf, zoals TSMC (Taiwan), Samsung (Zuid-Korea) en Intel (Verenigde Staten), investeren daarnaast fors in eigen procesontwikkeling rond depositie, vaak in nauwe samenwerking met deze apparatuurleveranciers en onderzoeksinstituten.