TU Eindhoven wil met ruimtelijke revolutie zonnecellen op atomaire schaal bouwen

De technologie is ook geschikt voor toepassing in beeldschermen en batterijen.

Atoomlaagdepositie
Het plaatsen van deze componenten ter grootte van een nanometer in microchips is alleen mogelijk met nauwkeurige fabricagetechnieken zoals atomic layer deposition, oftewel atoomlaagdepositie (ald).

Om deze atoom-voor-atoom-opbouwtechniek te gebruiken voor het maken van apparaten op grotere schaal heeft ald een upgrade nodig; een ruimtelijke. TU/e-onderzoekers Bart Macco en Erwin Kessels willen in samenwerking met tal van bedrijven deze ‘ruimtelijke ald’ naar een hoger plan tillen. Hiervoor krijgen zij een subsidie van 700.000 euro uit het Open Technologieprogramma van de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO). Door rechtstreeks met ASM, Chipmetrics en J.A. Woollam samen te werken en een hub voor ruimtelijke ald-innovatie op te richten aan de TU/e willen zij het bedrijfsleven vooruithelpen. Naast deze ondernemingen zullen ook Levitech, SoLayTec, SALD, Smit Thermal Solutions, VDL-ETG, TNO, en SALDtech betrokken zijn bij het door NWO gefinancierde project.

Atoom op atoom
De truc van atomaire laagafzetting zit in de naam: er worden laagjes atomen op laagjes atomen gelegd. ‘Ald maakt het mogelijk om laagjes atomen op een gecontroleerde manier te laten groeien - wat enorm belangrijk is voor elektronische producten als processors en opslagapparaten’, aldus Macco.

Ald vindt plaats in een ruimte onder vacuümomstandigheden waarbij de atomen worden afgezet op een beginlaag of substraat. Macco: ‘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. Het is als het bouwen van een atoomsandwich.’

Nauwkeurigheid
De TU/e werkt al decennialang aan deze technologie. Kessels: ‘Al in 2003, toen ik nog een jonge onderzoeker was in de groep Plasma & Materials Processing (PMP), werkte ik met 2 promovendi aan een project over ald. Tegenwoordig ligt de focus van de groep heel erg op ald.’

Zo heeft temporele ald de nauwkeurigheid die nodig is voor het maken van microchips zich al bewezen bij de productie van zonnecellen in grote volumes. Anderzijds is het niet erg geschikt voor de productie van grote volumes van andere apparaten met grote oppervlakken zoals beeldschermen. ‘Er is een snelheidsprobleem, en in de industrie geldt: als de techniek te traag is, is ze niet bruikbaar’, zegt Kessels.

Vliegende substraten
Toch bestaat er volgens Kessels en Macco een ald-benadering die de noodzakelijke schaalvergroting en hoge productiesnelheden mogelijk maakt die de industrie nodig heeft. En dat betekent ruimtelijk denken.

‘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’, duidt Macco. Het "vliegen" van het substraat maakt snellere afzetting van lagen mogelijk, met behoud van de nauwkeurigheid. Het is vooral een geval van "sneller is beter".'