Dunnefilmdepositie: hoe je materialen laag voor laag opbouwt
Dunnefilmdepositie is de verzamelnaam voor technieken waarmee je een extreem dun laagje materiaal aanbrengt op een oppervlak: van een paar atomen dik tot enkele micrometers. Ter vergelijking: een mensenhaar is ongeveer 70 micrometer dik, terwijl sommige lagen die met deze technieken worden gemaakt duizend keer dunner zijn. Je kunt het vergelijken met heel precies spuiten met verf, maar dan op de schaal van individuele atomen, en vaak in een vacuümkamer waarin geen stofje de boel kan verstoren.
Deze technologie zit letterlijk in bijna elk elektronisch apparaat om je heen. De chip in je telefoon bestaat uit tientallen van dit soort dunne lagen, opgestapeld tot een driedimensionale structuur. Ook de antireflectiecoating op een bril, de spiegelende laag op een zonnepaneel en de beschermlaag op gereedschap komen vaak uit een dunnefilmproces. Zonder deze techniek zouden moderne chips, schermen en zonnecellen simpelweg niet bestaan in de vorm die we nu kennen.
Wat is het precies?
Bij dunnefilmdepositie leg je een basismateriaal, het zogeheten substraat (bijvoorbeeld een schijfje silicium of glas), in een kamer waarin nauwkeurig gecontroleerde omstandigheden heersen. Vaak is dat een vacuüm, zodat er geen ongewenste deeltjes uit de lucht meedoen.
Er zijn twee hoofdfamilies van technieken. Bij physical vapor deposition (PVD), oftewel fysische dampdepositie, wordt een vast materiaal verdampt of losgeschoten met energierijke deeltjes (sputteren), waarna de vrijgekomen atomen neerslaan op het substraat. Bij chemical vapor deposition (CVD), chemische dampdepositie, worden gasvormige verbindingen de kamer ingeleid die op het oppervlak met elkaar reageren en daar een vaste laag achterlaten.
Een verfijning hierop is atomic layer deposition (ALD), atomaire laagdepositie. Hierbij worden twee gassen (precursoren genoemd) om de beurt, in korte pulsjes, over het oppervlak geleid. Elke puls reageert precies één atoomlaag dik en stopt daarna vanzelf, omdat er geen reactieve plekken meer over zijn. Door dit honderden keren te herhalen, bouw je een laag op met een dikte die je tot op de atoom nauwkeurig kunt sturen. Dat maakt ALD trager dan PVD of CVD, maar wel extreem precies en geschikt voor het bedekken van ingewikkelde, driedimensionale structuren zonder gaten of dunne plekken.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer is miniaturisatie in de chipindustrie. Transistoren in moderne processoren zijn zo klein geworden dat lagen van een paar nanometer al een merkbaar verschil maken in hoe de chip functioneert. Om bijvoorbeeld lekstroom tegen te gaan of de juiste elektrische eigenschappen te krijgen, moeten fabrikanten materialen aanbrengen met een nauwkeurigheid van een handvol atomen. Dat kan alleen met technieken als ALD.
Daarnaast speelt dunnefilmdepositie een sleutelrol in energietechnologie. Dunnefilm-zonnecellen gebruiken veel minder halfgeleidermateriaal dan traditionele siliciumcellen, wat ze in potentie goedkoper en flexibeler maakt. Ook in batterijen worden dunne coatings gebruikt om elektroden te beschermen en de levensduur te verlengen.
Een derde motivatie is functionele bescherming: coatings die oppervlakken beschermen tegen corrosie, slijtage of vocht, of juist optische eigenschappen geven zoals antireflectie, kleurfilters of spiegeling. De gemeenschappelijke belofte is steeds dezelfde: meer controle over materiaaleigenschappen op een schaal die met traditionele productietechnieken niet haalbaar is.
Voorbeelden uit de praktijk
Een van de meest tastbare toepassingen is de overstap van de chipindustrie naar zogeheten high-k metal gate-transistoren, die Intel vanaf 2007 in massaproductie bracht. Hierbij verving een dunne, met ALD aangebrachte laag hafniumoxide de traditionele siliciumoxide-isolatielaag in transistoren, wat lekstroom sterk verminderde.
Bij de introductie van FinFET- en later gate-all-around-transistoren (rond 2011 en verder, onder meer bij Samsung en TSMC) werd ALD onmisbaar. Deze transistoren hebben een driedimensionale vorm die alleen gelijkmatig te bedekken is met een techniek die atoomlaag voor atoomlaag opbouwt.
In de zonne-energiesector is het Amerikaanse First Solar al sinds de jaren negentig actief met dunnefilm-zonnepanelen op basis van cadmiumtelluride, en behoort het tot de grootste producenten van dit type paneel wereldwijd.
Onderzoek naar perovskiet-zonnecellen, waarin universiteiten als TU Delft en TU Eindhoven actief zijn, leunt eveneens zwaar op dunnefilmtechnieken om de broze kristallagen gelijkmatig aan te brengen.
Ook OLED-schermen, zoals die van Samsung en LG, worden gemaakt door organische lichtgevende materialen in extreem dunne lagen te verdampen en neer te slaan op een substraat, een vorm van PVD.
Hoe ver is de techniek?
PVD en CVD zijn al decennia gangbare industriële processen en worden op grote schaal en met hoge productiesnelheid toegepast. ALD is jonger als massaproductietechniek: hoewel het principe al in de jaren zeventig in Finland werd ontwikkeld, brak het pas rond 2007 breed door in de halfgeleiderindustrie, juist omdat de steeds kleinere chipstructuren om die precisie vroegen.
De grootste uitdaging van ALD is snelheid. Omdat de laag atoom voor atoom groeit, is het proces inherent langzamer dan PVD of CVD. Voor de industrie is dit een voortdurende zoektocht naar snellere chemie en slimmere procesvoering zonder de precisie te verliezen.
Een tweede uitdaging is de ontwikkeling van nieuwe precursorchemicaliën: stoffen die reactief genoeg zijn om de gewenste laag te vormen, maar ook stabiel en veilig genoeg om industrieel te gebruiken. Voor sommige gewenste materialen bestaat nog geen goede precursor, wat onderzoek naar nieuwe chemie tot een actief vakgebied maakt.
Voor dunnefilm-zonnecellen ligt de uitdaging elders: de rendementen van cadmiumtelluride- en koperindiumgalliumdiselenide-cellen (CIGS) zijn de afgelopen jaren gestaag verbeterd, maar liggen doorgaans nog onder die van kristallijn silicium. Perovskiet-dunnefilmcellen halen in laboratoria hoge rendementen, maar kampen nog met stabiliteitsproblemen bij langdurig gebruik buitenshuis, iets wat nog niet volledig is opgelost.
Wie werken eraan?
In de apparatuurmarkt voor dunnefilmdepositie zijn een paar bedrijven dominant. Het Nederlandse ASM International, met wortels in Almere en Bilthoven, is wereldwijd een van de grootste leveranciers van ALD-apparatuur voor de chipindustrie. Andere grote spelers zijn het Amerikaanse Applied Materials en Lam Research, en het Japanse Tokyo Electron.
Op onderzoeksgebied is de Technische Universiteit Eindhoven internationaal bekend om haar ALD-onderzoek, met een onderzoeksgroep die al sinds de jaren negentig aan de fundamenten van deze techniek werkt. Ook imec in Leuven, een toonaangevend Belgisch onderzoeksinstituut voor nano-elektronica, en het Nederlandse TNO zijn actief betrokken bij het testen en doorontwikkelen van deze processen voor de chipindustrie.
Chipfabrikanten als TSMC (Taiwan), Samsung (Zuid-Korea) en Intel (Verenigde Staten) zijn de grootste industriële gebruikers en drijven mede de vraag naar steeds preciezere depositietechnieken. Op het gebied van dunnefilm-zonnecellen is First Solar (Verenigde Staten) een belangrijke commerciële partij, terwijl universiteiten wereldwijd, waaronder TU Delft, onderzoek doen naar de volgende generatie materialen.