Een zonnige toekomst voor ALD

29 augustus 2008

Het opbrengen van gateoxides met atoomlaagdepositie (ALD) door Intel is pas het begin van een opmars die deze dunnelagentechnologie gaat maken, vindt Erwin Kessels van de TU Eindhoven. De jonge ALD-specialist heeft alvast verschillende pannetjes op het vuur staan. De meest opzienbarende: zonnecellen. Bits&Chips sprak met de aanstormende onderzoeker ter gelegenheid van de achtste editie van de ALD 2008-conferentie.

Op de laatste zondagmorgen van juni vullen de straten van Brugge zich met de eerste toeristen. Hun dag zal in het teken staan van het culturele erfgoed dat het fraaie middeleeuwse centrum heeft te bieden, om maar te zwijgen over de geneugten van de Vlaamse keuken. Onder de dagjesmensen bevinden zich ook een kleine driehonderd man die er een heel andere dagvulling op nahouden. Zij dompelen zich de komende vier dagen onder in atomic layer deposition (ALD, zie kader ‘Atoomlaagdepositie’). De jaarlijkse conferentie van de American Vacuum Society (AVS) over deze depositietechniek is dit jaar neergestreken in de werelderfgoedstad.

Aan het roer staan van een dergelijk wetenschappelijk evenement is een boel werk, maar vooral een hele eer. Ambitieuze jonge onderzoekers biedt het bovenal de gelegenheid om zich in de kijker te werken en de juiste mensen te leren kennen. Vandaar dat de Eindhovense fysicus Erwin Kessels (35) graag op de uitnodiging van de AVS inging om de conferentie te organiseren. Hij deelde de opdracht met een collega van net over de grens, Annelies Delabie van Imec.

Behalve de organisatie van ’s werelds belangrijkste ALD-event mocht Kessels onlangs nog meer aan zijn cv toevoegen. Op een groter feestje, het AVS-symposium, kreeg hij vorig jaar de Peter Mark Award uitgereikt, een prijs voor onderzoekers van 35 jaar of jonger die actief zijn in het vacuümveld. Hij was de eerste niet-Amerikaan die deze eer te beurt viel. Op het moment dat Bits&Chips met hem spreekt, heeft de TU Eindhoven hem bovendien net gepromoveerd tot associate professor. De kersverse universitair hoofddocent is ten slotte eveneens coauteur van het zojuist gestarte STW-programma Thin Film Nanomanufacturing, waarin Nederlandse universitaire groepen met ruggespraak van de industrie hun creativiteit loslaten op een keur van dunnefilmtoepassingen.

Kessels’ succes vloeit ten dele voort uit zijn aanpak: hij is een moderne wetenschapper. Hij gaat met zijn resultaten de hort op en probeert er bedrijven voor te interesseren. Met succes, want ‘tegenwoordig kloppen ze bij mij aan’. Hij werkt op het ogenblik samen met onder meer ASM International, NXP, OTB en Philips. Ook het belang van een beetje pr is hem bekend, want ook dat is tot de wetenschappelijke wereld doorgedrongen. Je zou kunnen zeggen dat Kessels precies het type onderzoekstalent is waar geldschieters en politici tegenwoordig mee weglopen. Modern is overigens ook hoe je Kessels’ voorkomen zou kunnen typeren. Met krullend lang haar en een oorbelletje doet hij nogal ruig aan vergeleken met de gemiddelde ALD-conferentiebezoeker.

Timing speelde eveneens een rol bij het succes van de jonge onderzoeker: Kessels stapte op een goed moment op de ALD-trein, die sinds kort op stoom aan het komen is – zo leert althans het gesprek met hem. Hij promoveerde acht jaar terug bij de Eindhovense Technische Natuurkunde-faculteit in de groep Plasma and Materials Processing. Met ALD hadden ze daar op dat moment nog weinig op. ‘Op een postdocperiode in de VS en Duitsland na ben ik in Eindhoven blijven werken. Ik bezocht de ALD-conferentie en zag daar de eerste resultaten van mensen die plasmabewerking – ons specialisme - met ALD combineerden. Mijn baas Richard van de Sanden en ik keken elkaar aan en we wisten: hier kunnen we wat mee’, herinnert Kessels zich. Sindsdien vormt ALD het middelpunt van zijn onderzoek.

Kessels: ‘ALD lost met het opbrengen van gateoxides een belofte in, want van grootschalige toepassing was tot voor kort geen sprake’.

Kessels probeert de onderliggende fysica en chemie van ALD tot in detail te begrijpen, maar hij werkt ook aan nieuwe toepassingen en aan het verbeteren van bestaande. ‘Mijn groep probeert ALD-processen te begrijpen, te manipuleren en te optimaliseren. Dat heeft zowel een fundamentele als een toegepaste component in zich, maar processen productiewaardig maken, doen we niet. Dat moeten bedrijven maar doen.’ Het plasmaverleden is hij uiteraard niet vergeten: plasma-assisted ALD is het paradepaardje waarmee Kessels zich in de onderzoekswereld probeert te onderscheiden.

Snelwegen

Toen Kessels aan het begin van deze eeuw zijn niche vond, stond ALD binnen de halfgeleiderindustrie vol in de schijnwerpers (zie Mechatronica Magazine 6, 2008). Analisten van VLSI voorspelden gouden bergen voor de depositietechniek, met een markt die tegen het miljard zou lopen. ASM International had dat al eerder zien aankomen en investeerde sinds eind jaren negentig flink in ALD. Helaas voor de Bilthovenaren duurde het nog enkele jaren voordat ze ermee konden scoren: het is een publiek geheim dat Intel sinds kort ASMI’s ALD-machines gebruikt voor zijn nieuwste generatie processoren.

De atoomlaagdepositie van gateoxides (zie kader ‘Hoge-k-materialen’) wordt wel binnengehaald als dé commerciële doorbraak van ALD, in ieder geval in de halfgeleiderindustrie. Kessels: ‘Daarmee lost ALD inderdaad een belofte in, want van grootschalige toepassing in het bedrijfsleven was tot voor kort geen sprake. Ja, het Finse bedrijf Planar maakte er vele jaren elektroluminescente schermen mee, maar daar had eigenlijk niemand van gehoord.’ De wetenschapper wijt de trage opmars voornamelijk aan het conservatisme van de chipindustrie, waarvoor hij overigens best begrip kan opbrengen. ‘Ik zit in een andere tak van sport, maar ik heb enorm respect voor hoe alles in elkaar grijpt in de chipmakerij. Een kleine verandering heeft werkelijk invloed op alles, dus je wilt veranderingen zo veel mogelijk buiten de deur houden.’

Vooral als het om relatief dikke lagen gaat, is snelheid niet ALD’s sterkste punt vergeleken bij concurrerende technieken als sputteren en chemical vapour deposition (CVD)-technieken. ‘ALD-procestechnologie is relatief moeilijk op te schalen. Er bestaan bijvoorbeeld wel batchreactoren voor ALD, maar die zijn niet algemeen inzetbaar. Ze moeten worden aangepast aan het proces en de gebruikte materialen. Dat soort dingen schrikt chipmakers af.’

Bovendien, weet Kessels, was het ALD-plaatje niet zo rooskleurig als sommige mensen wel dachten destijds. ‘Een hoge-k-materiaal met ALD aanbrengen op silicium is één ding. Maar op het grensvlak vormt zich siliciumoxide, precies het materiaal dat het hoge-k-materiaal moet vervangen. Daarom heeft het nog heel wat voeten in aarde gehad om de introductie van een nieuw oxide in de gatestack in goede banen te leiden. Een beetje via een omweg is men uitgekomen op hafniumgebaseerde oxides in combinatie met metalen gates.’

De introductie van ALD in de halfgeleiderindustrie heeft een vrij voorspelbare weg gevolgd, vindt Kessels. ‘Eerst was er de hype, die raakt uitgeblust en dan volgt een consolidatiefase. Dat uiteindelijk een speler als Intel het oppakt, verbaast me niet. Zo’n bedrijf concurreert primair op innovatie, op nieuwe mogelijkheden. Intel staat samen met zijn leveranciers aan het front.’

Nu er één schaap over de dam is, ziet Kessels wel meer mogelijkheden voor ALD, binnen en buiten de halfgeleiderindustrie. ‘Het zit echt in de lift. De bezoekersaantallen van de ALD-conferentie lopen al jaren gestaag op. Als organisator heb ik een beetje kijk op wie er komt en de commerciële spelers doen in groten getale mee: de helft van de deelnemers komt uit de industrie. En de sponsoring heeft dit jaar een record gezet’, zegt Kessels wijzend op de binnenpagina van de conferentiegids. Die staat inderdaad bomvol met sponsors.

ALD is ook interessant voor andere onderdelen van het chipfabricageproces. ‘Het gaat altijd over high-k in de front-end of line, maar in de back-end of line kan ALD ook wat betekenen. Neem de metallisatiestap. Daarin worden geëtste gleuven in een chip opgevuld met een metaal. Maar zonder voorzorgsmaatregelen gaat dat metaal ‘aan de wandel’. Het diffundeert de omringende lage-k-laag in en verstiert zo de elektrische eigenschappen. ALD is heel geschikt om een diffusiebarrière in de gleuven aan te leggen die dat voorkomt. Een vergelijkbaar geval is het aanbrengen van een kiemlaag, die als basis dient voor het elektrochemisch opbrengen van koper.’

‘ALD excelleert ten opzichte van concurrerende technieken in uniformiteit. De controle over de laagdikte is uitstekend, ook als het in diepe ‘gaten’ moet.’ En aangezien de gleuven steeds dieper worden, ligt ALD als depositietechniek van de toekomst voor de hand. Bijvoorbeeld DRam-condensatoren bestaan uit diepe gaten in de wafer, de zogenaamde trenches. Daarin zit diëlektrisch materiaal geklemd tussen twee metalen dat de elektrische lading vasthoudt. Ideaal voor ALD dus. ‘Ook een hot topic zijn de through-silicon vias (TSV’s), een soort snelwegen die verschillende verticale chiplagen met elkaar verbinden. Ook die moeten met een dunne laag gecoat worden voordat ze met een metaal worden opgevuld.’

Obstakels

ALD kan ook iets betekenen buiten de halfgeleiderindustrie, en dat heeft net zo goed Kessels’ interesse. Omdat bij ALD atoomlaag voor atoomlaag wordt opgebracht, is het bijna per definitie een vorm van nanotechnologie. ‘Ik ben heel enthousiast over nanotechnologie en ik heb er hoge verwachtingen van, in ieder geval als onderzoeksgebied. Daarmee wil ik niet zeggen dat we er commercieel de komende jaren veel van hoeven te verwachten. Maar ik zeg ook niet dat het enkel een hype is en dat we er dus niet serieus aan moeten werken.’

Op de ALD-conferentie heeft Kessels in ieder geval ruim baan gegeven aan nieuwe toepassingen. Bijna een vijfde van de presentaties valt te scharen onder dit lemma – evenveel als bijvoorbeeld het aantal bijdragen over hoge-k-oxides. Zo zijn er voordrachten over batterijen, brandstofcellen, biocompatibele en optische coatings, Mems-devices en encapsulatiemethodologieën voor het inpakken van gevoelige materialen, bijvoorbeeld led-lampen en Oled-schermen.

Een verrassend toepassingsgebied dat ook aan bod komt, is zonnecellen. Verrassend, omdat het daar om grote oppervlakken gaat. Als de halfgeleiderindustrie al terugschrikt van ALD’s traagheid, dan lijken de enorme panelen van zonnecellen al helemaal geen optie. ‘Dat was tot voor kort inderdaad de algemene attitude. Toch zie ik er wel mogelijkheden voor.’ Kessels is niet de enige, want wie goed luisterde naar de keynote van ASMI’s CTO Ivo Raaijmakers tijdens de ALD-conferentie, hoorde hem ook de term solar laten vallen.

Kessels stond persoonlijk aan de wieg van ‘zonne-ALD’, al zegt hij niet alle eer naar zichzelf toe te willen trekken. Hij vond een materiaal waarmee silicium zonnecellen uitstekend via ALD te passiveren zijn. Een passivatielaag voorkomt dat door het invallende zonlicht gecreëerde elektron-gatparen niet weer samengaan. Dit recombinatieproces frustreert de stroomopwekking, omdat gerecombineerde elektronen en gaten niet meer bij de elektroden kunnen worden gecollecteerd.

Kessels: ‘De dialoog met de industrie is heel belangrijk om richting te geven aan onderzoek’

‘Ik had het vermoeden dat aluminiumoxide een goed passivatiemateriaal zou kunnen zijn. Ik zei tegen mijn promovendus die met aluminiumoxide werkte dat hij eens een probeerseltje moest doen met een andere promovendus in mijn groep die aan zonnecellen werkte. Het was een heel wild experiment, maar zoiets moet je af en toe doen. Vaak leidt het tot niets, soms heb je een voltreffer.’ Dit keer was het raak. ‘Aluminiumoxide vormt een goede passivatielaag voor silicium. Een extreem goede zelfs.’

De vondst vond al gauw zijn weg naar een zonnecel voor demonstratieve doeleinden. ‘Het Fraunhofer ISE-instituut had een heel mooie zonnecel gemaakt, maar het had problemen om die goed te passiveren. We hebben de handen ineengeslagen en we kregen een rendement van 23,2 procent, ruim een absolute procent meer dan de vergelijkbare versie zonder passivatielaag van aluminiumoxide. De presentatie van dat werk heeft best wat teweeggebracht. We hebben echt een klapper gemaakt. Ik kan nog geen details geven, maar de zonnecelbedrijven stonden gelijk op de stoep.’

De meeste passivatielagen werken op basis van inherente lading die aanwezig is in het materiaal. ‘Als er positief geladen deeltjes in zitten, dan houd je de gaten bij het oppervlak weg. De elektronen kunnen wel gewoon naar het oppervlak bewegen, maar voor recombinatie heb je beide nodig. Zodoende voorkom je dus recombinatie.’ Aluminiumoxide herbergt negatieve ladingen, en dat is bijzonder omdat je daar de elektronen mee van het oppervlak weert. Nu valt er dus iets te kiezen.

‘De meeste hedendaagse zonnecellen bestaan voornamelijk uit p-type silicium, voorzien van een dun laagje n-type, dat de emitter heet. Andersom zou echter veel beter zijn. N-type silicium is namelijk minder gevoelig voor verontreinigingen en is dus goedkoper. Maar het is niet alleen lastig om een p-type emitter te maken, maar hij is ook moeilijk te passiveren met passivatielagen die positieve lading bevatten. Om een lang verhaal kort te maken: wij hebben laten zien dat p-type emitters te passiveren zijn met aluminiumoxide.’

Natuurlijk weet Kessels ook wel dat er procestechnologisch nog obstakels te overwinnen zijn. En dan nog, benadrukt hij, gaat het om het marktsegment waar een zeer hoog rendement centraal staat. ‘Als je het beste van het beste zoekt, wil je er ook wat meer voor betalen. Ik denk dat ALD relatief makkelijk is te introduceren voor fabrikanten die zich daarop richten. Daarna kan de technologie wellicht doorsijpelen naar andere segmenten. Ik ben heel benieuwd hoe het allemaal gaat lopen. Ik ga me er de komende tijd in ieder geval intensief mee bezighouden.’

Tik

Al met al ziet Kessels een zonnige toekomst weggelegd voor ALD in een keur aan toepassingsgebieden. Zijn samenwerkingsverbanden met onder meer ASMI, NXP, OTB en Philips zijn wat dat betreft veelzeggend. ‘Het hek is van de dam. Het is geen ongelukje dat weer van het toneel verdwijnt zodra Intel iets anders heeft bedacht.’ Het maakt ook niet uit of het een formeel ALD-proces is waarin de chemische reactie netjes in twee stappen is opgedeeld. ‘Het kan ook minder netjes, bijvoorbeeld met getimede gaspulsen. Of doe er een plasmastap tussen. Het gaat om het principe waarmee atomaire lagen heel precies worden opgebouwd. Die manier van denken heeft zich gevestigd.’

In dat licht is het maar goed dat STW onlangs een programma is gestart waarin dunne lagen het onderzoeksobject vormen. In het Thin Film Nanomanufacturing (TFN)-programma staat commercieel én wetenschappelijk relevant onderzoek centraal. De industriële relevantie wordt gewaarborgd door de financieringsconstructie: elk project moet een kwart van zijn geld van het bedrijfsleven krijgen. ‘De dialoog met de industrie is heel belangrijk om richting te geven aan onderzoek.’

Kessels was van begin af aan betrokken bij TFN. ‘Ik kreeg eerst STW-geld uit het generieke Open Technologie-programma. Ik had een ALD-seminar georganiseerd en dat zat helemaal vol. Iemand van STW viel dat op en zo ontstond het idee dat er maar eens een speciaal op dunne lagen toegesneden programma voor moest komen. Het was een gelukje dat STW net was begonnen om meer programmatisch te gaan werken.’

Mocht ALD echt van de grond komen, dan mogen we daar Kessels’ mede voor bedanken. Nederland zou zich zomaar tot ALD-centrum van de wereld kunnen ontpoppen, ook al ligt de concurrentie uit Finland, Korea en de Verenigde Staten op de loer. De vernieuwende TFN-aanpak zou die wel eens een gevoelige tik kunnen uitdelen, denkt Kessels. ‘Nederland is gewoon goed op het gebied van dunne films. Het werd tijd om niet alleen meer aan de knoppen te draaien, maar ook eens echt te gaan uitzoeken wat er op atomaire schaal gebeurt. Zo kom je verder. Dat ziet de industrie gelukkig ook in tegenwoordig.’

Paul van Gerven

Terug naar overzicht