Je ziet het niet, maar allerlei onderdelen van je smartphone zijn opgebouwd veel dunne laagjes. Neem bijvoorbeeld de microchips die miljarden transistors bevatten. Alleen zeer nauwkeurige fabricagetechnieken zoals atomic layer deposition (ALD), kunnen die minuscuul kleine componenten maken. Om die techniek ook te kunnen gebruiken om beeldschermen of bijvoorbeeld batterijen te maken, is er een upgrade nodig.
TU/e-onderzoekers Bart Macco en Erwin Kessels willen, in samenwerking met tal van bedrijven, deze fabricagetechniek naar dat hogere plan tillen. Hiervoor ontvingen zij een subsidie van ruim 600.000 euro uit het Open Technologieprogramma van de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO). Samen met Nederlandse bedrijven als Levitech, SoLayTec, SALD, Smit Thermal Solutions, VDL ETG, TNO, en SALDtech, gaan de onderzoekers werken aan de fundamentele vraagstukken van de zogenoemde spatial ALD.
Gecontroleerd groeien
“ALD maakt het mogelijk om laagjes op een gecontroleerde manier atoomlaag voor atoomlaag te laten groeien”, zegt Macco. Dat groeien gebeurt meestal in een gesloten ruimte onder vacuüm. Het oppervlak van een dragermateriaal reageert met een gas. Daardoor hechten sommige gasdeeltjes zich op het oppervlak. Niet-gehechte gasdeeltjes worden daarna verwijderd. Vervolgens komt er een ander gas bij, dat ook weer hecht. Daardoor ontstaat er een laagje van het gewenste materiaal. Door deze stappen te herhalen bouwt het laagje zich op. “Het is een ‘relatief trage’ techniek, geschikt voor kleine oppervlakten waarbij de productiesnelheid niet doorslaggevend is”, legt Macco uit, “Als je de gassen niet steeds een voor een toevoegt, kan het veel sneller.” Dat is spatial ALD. “Even kort door de bocht: je bouwt laagjes op door het dragermateriaal te laten bewegen door zones met verschillende gassen die continu stromen.”
ALD is niet nieuw. Kessels werkte als jonge onderzoeker in 2003 al aan de techniek, samen met twee promovendi. Nu is hij hoogleraar en leider van de onderzoeksgroep Plasma & Materials Processing, waar hij in 2003 begon.
“Tien jaar geleden pikte de Brainportregio spatial ALD al op. Met onderzoeksorganisatie TNO als pionier en veel relatief kleine bedrijven die vervolgens met het concept zijn gaan werken. Allemaal gericht op een bepaalde markt: de een wil batterijen ontwikkelen, de ander displays en weer een ander zonnecellen.” Vanuit de eindgebruikers is er veel interesse, weet Kessels.
‘Trial and error’
“Batterijbedrijven of bedrijven die displays ontwikkelen, willen bijvoorbeeld weten of het ook op poreus 3D-materiaal werkt of op flexibele folies. Of dat je een combinatie van materialen kunt maken, of nieuwe materialen. De ALD-bedrijven hebben vaak de antwoorden niet. Ze ondervinden door ‘trial and error’ of het werkt. Het is veel sterker als ze vanuit een samenwerking met de universiteit kunnen laten zien dát het werkt. En vooral hoe.”
Er zullen niet direct antwoorden zijn op alle vragen, gaat Kessels verder, “maar het wekt vertrouwen als je experimenten hebt gedaan en er misschien zelfs al een artikel erover hebt geschreven”. Eerder waren er wel projecten tussen bedrijven, TNO en de TU/e maar nooit op een manier waarbij we dieper in de materie konden duiken. “We kunnen nu de kritische massa vormen om uiteindelijk goed uit te zoeken hoe het werkt.”
Daarmee willen de onderzoekers een breed scala aan materialen deponeren voor nieuwe toepassingen. Kessels: “Het is heel fijn om zo’n project te hebben, zodat je je een aantal jaren echt kan verdiepen en innovatie kunt realiseren. We praten vaak over innovatie en we denken dat het zo’n beetje vanzelf gaat. Innovatie met bedrijven heeft een lange adem nodig. Meestal blijft het bij intenties tot samenwerken, maar gaan mensen toch weer over tot de waan van de dag.”
Relevante vraagstukken
Macco en Kessels zoeken momenteel een promovendus en een post-doc om de onderzoeken te gaan uitvoeren. De universiteit beschikt over laboratoria waar de onderzoekers antwoord kunnen vinden op de relevante vraagstukken uit de praktijk, zegt Kessels. Er is volgens Kessels vaak een discrepantie tussen wat wetenschappers denken dat de vraagstukken zijn en wat de echte vraagstukken zijn.“Soms denk ik al bij een inleiding van een wetenschappelijk artikel: Leuk bedacht, maar dat gaat hem toch niet worden.”
Dit brede ALD-project is volgens Macco vooral ook een wisselwerking: “Samen met TNO bouwen we meer gefundeerde kennis op en die bedrijven kunnen betrouwbare oplossingen bieden aan hun klanten.” De universiteit beschikt op dit moment nog niet over een machine om spatial ALD te kunnen uitvoeren, zegt Macco. “Als onderdeel van het project krijgen we een machine van een van onze partners, SALD, waarmee we het onderzoek kunnen doen.”
Uiteindelijk gaat dit project veel opleveren, verwacht Kessels. “Het is altijd moeilijk te voorspellen, maar ik verwacht dat we over tien jaar zullen zeggen: Kijk dit is nu de impact geweest. Als ALD uiteindelijk ook heel goed werkt op poreuze 3D-materialen of grotere oppervlakken, dan hebben we bijvoorbeeld straks batterijen of beeldschermen waarin ALD laagjes zitten. Wat weer mogelijkheden geeft die we nu nog niet kunnen overzien. Bij de oude Nokia-telefoons wisten we ook nog niet wat smartphones ons zouden brengen.”
