Bouwen aan een Nederlandse industriële ald-hub

Er is een opvallend aantal bedrijven in Nederland dat zich bezighoudt met atoomlaagdepositie (ald). ASM International (ASMI) bouwt ald-apparatuur voor de halfgeleiderindustrie. De tools van Levitech, Smit Thermal Solutions en Solaytec worden geleverd aan de pv-sector. Saldtech richt zich op de flatpanel-display-industrie en Sald, een spinout van Solaytec, richt zich onder meer op batterijcomponenten en textiel. Daarnaast voeren twee belangrijke instituten, de Technische Universiteit Eindhoven (TUE) en TNO, grote ald-onderzoeksonderzoeken uit.

Hoewel de meeste van deze bedrijven hun wortels hebben in ASMI of TNO (Smit is de uitzondering), hebben ze toch de neiging om het alleen te doen. De meeste weten de onderzoeksinstituten wel te vinden, maar verder werken ze slechts oppervlakkig samen. Als het erop aankomt, zijn er altijd hogere prioriteiten dan te onderzoeken of en hoe ze van elkaar kunnen profiteren. Om nog maar te zwijgen van de risico’s die gepaard gaan met te veel delen met je ‘concurrent’.

Deze situatie is voor niemand goed, zegt Erwin Kessels, hoogleraar bij TUE’s Plasma & Materials Processing-groep, gespecialiseerd in ald. ‘Ook al richten deze bedrijven zich op verschillende markten, ze lopen allemaal tegen vergelijkbare problemen aan, vooral als ze proberen de technologie nog een stap vooruit te helpen. Ik krijg bij wijze van spreken steeds weer dezelfde vragen.’ Met andere woorden: er is een grote gemene deler, maar niemand zet de stap.

Door het gebrek aan samenwerking kunnen commerciële kansen op de langere termijn verloren gaan, vervolgt Kessels. ‘Ald heeft veel potentiële toepassingen, veel eindgebruikers zijn geïnteresseerd. Maar de technologie is er nog niet helemaal. De meeste Nederlandse ald-bedrijven zijn startups of mkb’ers – ze hebben niet de middelen om deze kansen zelf na te jagen. Door samen te werken en kennis te delen, hebben we een veel betere kans om de concurrentie te verslaan en geld te verdienen. We hebben een prima uitgangspositie en het zou zonde zijn als we daarvan niet gebruikmaken.’

Kessels moet een overtuigend betoog hebben gehouden, want hij slaagde erin de bovengenoemde bedrijven samen met systeemleverancier VDL ETG, Finse dunnefilmtestspecialist Chipmetrics en de Amerikaanse fabrikant van spectroscopische instrumenten JA Woollam te verenigen in het project ‘Spatial atomic layer deposition – more materials, more demanding applications’. Medegefinancierd door NWO springt de groep van Kessels in spatial ald, een specifieke variant van ald waar de meeste projectpartners zich op richten. De resultaten zullen de bedrijven voeden met technologie en hopelijk de samenwerking bevorderen, waardoor de Nederlandse ‘spatial ald-hub’ een stevige impuls krijgt.

Arrogant

Ald houdt in dat een substraat achtereenvolgens wordt blootgesteld aan verschillende gassen, die zelfbeperkend reageren met het oppervlak, waardoor het letterlijk atoomlaag voor atoomlaag wordt ‘gecoat’. Het verschil tussen traditionele (temporal) ald en spatial ald is dat bij die laatste technologie het substraat door de procesgassen wordt geleid, terwijl het in temporal ald stationair is en een reactor opeenvolgend wordt gevuld en geleegd. Het doorlopende karakter zou de spatial-methode de superieure techniek moeten maken voor industriële toepassingen met grote volumes.

Zoals Levitech en Solaytec echter hebben ondervonden, kunnen temporal-batchreactoren nog steeds de strijd aan. Onafhankelijk van elkaar ontwikkelden deze twee bedrijven een spatial ald-tool om een efficiëntieverhogende laag aluminiumoxide op zonnecelwafers te deponeren – een onderzoeksgebied ontgonnen door Kessels overigens. Zowel Levitech als Solaytec verkocht tools aan pv-pioniers van hoogwaardige zonnecellen, maar spatial ald werd nooit een industriestandaard. Zonnecelfabrikanten geven momenteel de voorkeur aan relatief goedkope, grootschalige batchreactoren, die minder veeleisend zijn in onderhoud, een kleinere footprint hebben en de doorvoer van spatial ald-reactoren overtreffen.

‘Dit zou voor iedereen een belangrijke les moeten zijn’, zegt Frank Verhage, verantwoordelijk voor de start van Solaytecs zusterbedrijf Sald om de expertise van het bedrijf naar andere markten en toepassingen dan zonnecellen te brengen. ‘Het is arrogant om te denken dat een klein bedrijf in zijn eentje zo’n complexe machine met succes kan ontwikkelen en vermarkten. Het lot van Solaytec laat zien hoe belangrijk het is om op een detailniveau met anderen in contact te komen, zowel met klanten als met partners.’

Net als Kessels merkte Verhage dat veel van zijn ald-concullega’s het anders zagen: ze hielden hun kaarten vaak dicht tegen hun borst. ‘Ze keken naar binnen en dachten vooral in termen van concurrentie, niet van samenwerking. Ik heb er echter alle vertrouwen in dat ons project het perspectief zal veranderen en ons dichter bij elkaar zal brengen’, zegt Verhage.

Onbenut potentieel

Is er hieruit niet nog een andere les te trekken? Namelijk dat temporal ald een felle concurrent is die zich niet zo makkelijk laat verslaan door spatial ald? ‘Aluminiumoxide afzetten op een zonnecel is zo’n beetje het makkelijkste ald-proces dat je kunt bedenken. Er zijn meer veeleisende toepassingen die veel beter passen bij spatial ald’, zegt Bart Macco, projectleider en onderzoeker bij de groep van Kessels.

Cruciaal is dat spatial ald-technologie geen vacuüm nodig heeft. Macco: ‘Dit betekent dat spatial ald bij uitstek geschikt is voor folies of andere flexibele substraten, vooral bij rol-naar-rol- en sheet-to-sheet-processen met een hoge doorvoer.’ Bovendien kan in spatial ald blootstelling aan hogere temperaturen worden beperkt. ‘Dit kan een belangrijk voordeel zijn bij de productie van gevoelige producten, zoals perovskietzonnecellen en oleds. We hebben ook een sterk vermoeden dat spatial ald een voorsprong heeft als het gaat om het deponeren van gemengde of gedoteerde materialen, waardoor we meer kenmerken aan de gedeponeerde laag kunnen meegeven.’

‘Diversificatie van substraten en het materiaalpalet zijn twee kernelementen van ons project’, zegt Kessels. ‘Dit komt omdat dit de elementen zijn die spatial ald in staat stellen om nieuwe toepassingen te ontgrendelen, maar ook omdat dat het onontgonnen wetenschappelijke gebied is.’ Macco: ‘De uitvinding van ald gaat terug tot de jaren 70, maar pas ongeveer tien jaar geleden begon spatial ald aandacht te krijgen. Dit betekent dat er nog veel onbekend is.’

Kessels is blij dat hij de kans krijgt om wat meer van de spatial ald-geheimen te ontdekken en tegelijkertijd industriële activiteiten precompetitief te ondersteunen. ‘Het wordt steeds moeilijker om publieke financiering te vinden voor dit soort technologisch onderzoek. Technologieën zoals kwantumcomputers spreken misschien tot de verbeelding, maar commerciële toepassing ligt verder weg. Als kenniseconomie mogen we onze huidige industriële basis en al het onbenutte potentieel dat voor het oprapen ligt, niet negeren.’