Eerste klant lakmoesproef voor Solmates

Piëzotechnologie is niet nieuw. Al jaren wordt geprofiteerd van de eigenschap van sommige materialen dat ze uitzetten als je er een spanning op zet, of omgekeerd: dat ze een spanning afgeven als je ze indrukt of oprekt. PbZrTiO₃, beter bekend als PZT, is een van de meest gebruikte piëzomaterialen. De kop van een echoscopiesysteem bevat bijvoorbeeld een brokje PZT dat in trilling wordt gebracht met een elektrisch veld. In mobieltjes wordt PZT gebruikt bij de filtering van de juiste frequentie.

Het nadeel van deze PZT-toepassingen is dat het gaat om bulkkristallen. Zo‘n blokje piëzomateriaal is al snel een paar millimeter dik. Mobieltjesbouwers willen het graag integreren in een chip. Dat zou de deur openen naar nieuwe oplossingen zoals betere RF-Mems-technieken, gyroscopen en picoprojectoren. Door het te koppelen aan siliciumtechnologie zou bovendien de prijs naar beneden gaan. Makkelijker gezegd dan gedaan. PZT is namelijk een lastig materiaal om te laten groeien. Het lukt alleen als de omgevingscondities precies goed zijn. Heb je net de verkeerde kristalgroeifase te pakken, dan doet het materiaal niets.

Op dit moment zijn er drie technieken om dunne piëzolagen te produceren. Sputteren is de meest bekende en meest gebruikte. Met een plasma schiet je dan een deel van het materiaal los en dat laat je neerslaan op het substraat. Op zich werkt dit redelijk goed, maar de betrouwbaarheid is niet al te hoog en de prestaties van het resultaat zijn niet al te goed.

Het alternatief is Sol-gel. Op een wafer spincoat je een oplossing met PZT erin. Dat stop je in een oven waar de vloeistof verdampt en het PZT blijft liggen. Door het resultaat vervolgens extreem te verhitten, ontstaat een mooie kristalstructuur. Het is een vrij simpele techniek maar het nadeel is dat zo‘n laag erg dun is. Je moet het zeker tien keer herhalen voordat je de gewenste dikte van ongeveer een micrometer hebt bereikt. Een bewerkelijk proces dus, waarbij ook de betrouwbaarheid te wensen overlaat. Dat komt doordat er zo veel stappen nodig zijn. Als de yield van elke stap bijvoorbeeld 95 procent is, zit je na tien herhalingen al met een behoorlijke uitval van functionaliteit.

UT-spin-off Solmates (zie kader) is aanhanger van de derde methode: pulsed laser deposition (PLD). ’Dat werkt met een 248-nm-eximeerlaser‘, legt medeoprichter en CEO Arjen Janssens uit. ’Daarmee schiet je korte pulsjes uv-licht op de PZT-target. Het is een flits van hooguit tien nanoseconden, maar het licht is zo intens dat de temperatuur oploopt tot boven de tienduizend graden. Je krijgt dan instantane verdamping. Ablatie heet dat. Dat zorgt voor een plasmawolk waarin precies alle componenten zitten uit de target. Die wolk laat je neerslaan op je wafer.‘

Minpuntje is dat de wolk ongeveer de grootte heeft van een tennisbal. Daarmee kun je een oppervlakte van grofweg een vierkante centimeter bewerken. Voor een pure R&D-omgeving zoals de Universiteit Twente waar de technologie zijn roots heeft, is dat ruim voldoende, maar als je 6 of 8 inch wafers wilt produceren – de standaard maten in de Mems-markt – schiet PLD tekort. Of beter: schoot tekort want Solmates heeft het opgelost door een scanbeweging te introduceren, waarover Janssens niet al te veel kwijt wil. ’Dat is concurrentiegevoelige informatie‘, aldus de CEO.

Een andere uitdaging is dat de laser niet alleen een plasmawolk genereert, maar ook allerlei brokstukken en droplets. Die troep mag natuurlijk niet op de wafer komen. Solmates heeft een ingenieuze filter ontwikkeld die de splinters en druppeltjes tegenhoudt en het gas doorlaat. ’Dat maakt ons systeem vrij uniek‘, vindt Janssens, die zijn lippen op elkaar houdt over de werking van de filter.

Onlangs wist Solmates het Noorse onderzoeksinstituut Sintef te overtuigen van de mogelijkheden van zijn PLD-proces. Eind vorige maand vertrok de eerste Piezoflare 1200-machine naar Oslo. Het is een belangrijke deal voor Solmates omdat het nu aan de buitenwereld kan laten zien dat het een stabiel proces heeft voor PLD. ’Wat dat betreft, zijn we bezig met onze grootste marketingcampagne ooit‘, realiseert Janssens zich. ’We zien nu al dat de Sintef-deal voor andere bedrijven de drempel verlaagt. Ze zien het nu eerder als een interessante optie. Hoewel het nog niet direct heeft geleid tot een bestelling, verwachten we wel een groeiende stroom orders. Dit jaar zullen we ongetwijfeld nog een paar machines verkopen.‘

Puppy

Solmates richt zich met zijn piëzolagen in eerste instantie op micro-elektromechanische systemen (Mems). ’Maar net als bij de sputtertechniek is onze tool ook geschikt voor andere processen‘, zegt Janssens, die onder meer denkt aan magnetische lagen en transparent conducting oxides die je terugvindt in displays en zonnecellen. ’Met sputteren kun je al veel, dus wanneer kies je voor PLD? Bij nieuwe materialen die veel elementen bevatten. Met sputtermachines is het heel lastig om de juiste verhoudingen te houden en alles in de juiste positie te deponeren. Door de heftige ablatie kunnen we met PLD een een-op-eentransfer van het materiaal garanderen. Bovendien kunnen wij op gevoelige oppervlaktes deponeren. Dat is weer interessant voor plastic elektronica of leds. Ik hoop snel het tweede proces openbaar te kunnen maken waar we nu aan werken.‘

’Dat is ook het mooie van de Sintef-deal‘, gaat Janssens verder. ’Samen met hen kunnen we aan nieuwe applicaties werken. Er is meer potentie voor het systeem dan alleen piëzo-Mems; dat horen we ook uit de markt. Mensen investeren niet zomaar in jouw machine. Zeker niet als het systeem alleen nog bij ons staat. Bij Sintef moeten we nu het proces bewijzen. PZT is een van de lastigste materialen, dus als we dat kunnen …‘

Ondanks alles is de Piezoflare 1200 nog grotendeels een onderzoeksplatform en preproductieoplossing met zijn doorvoer van een wafer per uur. Solmates is intern echter al druk bezig met de overstap naar echte productiemachines. ’Daar zitten we bovenop. We zijn in gesprek met productiepartijen omdat we echt die kant op willen‘, verzekert Janssens. ’Een R&D-club zoals Sintef moet ook aan zijn klant kunnen laten zien dat het proces niet alleen in het lab werkt maar dat het kan worden opgeschaald naar productieaantallen. Die link moeten we aantonen.‘ Dat betekent dat er nog een paar technische aanpassingen nodig zijn zoals een snellere laser om de doorvoer te verhogen, of een robot die alles automatiseert. De Solmates-ontwikkelaars werken daar al aan. ’In de verdere toekomst kun je ook denken aan clustertools, dus meerdere reactors per laser, zodat je de doorvoer nog verder verhoogt.‘

Productiepartijn beseffen dat ze nu betrokken moeten zijn bij de ontwikkeling. ’Kijk‘, begint Janssens. ’Onze eerste machine was een puppy. De alfamachine was ook nog een klein tijgertje, maar de bètaversie is al jong volwassen. De productietool wordt een volwassen tijger en die leer je slecht nog nieuwe trucjes. Als productiepartijen iets willen implementeren, moeten ze nu aansluiten. Dat snappen ze ook.‘

Commentaar

Net als andere Nederlandse machinebouwers maakt Solmates veel gebruik van hightechtoeleveranciers. Janssens: ’We zitten in een heel mooi land waar toeleveranciers makkelijk kunnen schakelen. In het buitenland zijn ze dat niet helemaal gewend. Als ze hier op bezoek komen en vragen waar de freesbanken en slijpmachines staan, neem ik ze mee naar onze toeleveranciers hier in de buurt om de productie te laten zien. Dan kan ik gelijk aantonen dat we de capaciteit hebben om op te schalen als dat nodig is.‘

Solmates reserveert een groot deel van zijn resources nu voor het belangrijkste criterium: een stabiel proces. ’Dat is misschien wel de grootste uitdaging: hoe garandeer ik stabiliteit?‘, zegt Janssens. ’Hoe zorg je ervoor dat alle wafers hetzelfde zijn of op z‘n minst binnen een bepaalde bandbreedte liggen? Dat betekent dat je het systeem waarschijnlijk adaptief moet gaan aansturen omdat je het bij de eerste wafer anders moet regelen dan bij de duizendste. Drift, slijtage, dat moet je allemaal onder controle hebben. Klanten zeggen wel eens: ’Het maakt me nog niets eens zo veel uit wat er uit de tool komt. Het belangrijkste is hoe controleerbaar hij is.‘ Met andere woorden: als ik aan een knop draai en het proces verander, ben ik dan weer terug bij het oude proces als ik de knop weer terugdraai?‘

’In de software hebben we die variatie wel ingebouwd. Maar of iets goed is of niet, dat bepaalt de klant. Daarom is het ook zo belangrijk dat onze machine straks ook bij een externe partij staat. Van het commentaar van Sintef gaan we heel veel leren. Hoe vaak moet je bijvoorbeeld de filter schoonmaken? Hoe gaat de laser zich in de praktijk gedragen? En zitten er eventueel nog vervuilingen in het systeem?‘

Filosofie

Ook op kostprijs denkt Janssens nog winst te kunnen halen. ’In de machinebouw kan alles, maar er hangt wel een prijskaartje aan. We starten nu projecten om sommige submodules goedkoper te maken. Kan het simpeler? Kan het met minder bewegende onderdelen? Werkt het ook met een reactorkamer die minder lang op de freesbank hoeft te staan? Bij de alfamachine was dat geen issue, maar het wordt nu wel belangrijk. Als ik zie dat het simpeler wordt, dan word ik blij. Dat betekent namelijk dat we een stap maken, dat we het proces nog beter in de vingers hebben.‘

Een laatste aandachtspunt is de service. Tot Sintef had Solmates dat nog niet nodig, maar nu is het tijd om daar kritisch naar te kijken. ’Het zou naïef zijn om te denken dat er helemaal geen problemen komen. Natuurlijk kun je voor een deel anticiperen op mogelijke problemen en alvast aan technische verbeteringen werken. Mijn filosofie is echter: als er geen problemen zijn, gebruikt niemand de tool‘, stelt Janssens resoluut. ’Een klant waardeert je vooral door hoe je met die zaken omgaat. Met Sintef hebben we één machine in het veld staan. Dat lukt nog wel. Maar als het er straks meer worden, staat de telefoon hier roodgloeiend. Op dit moment kunnen we dat nog niet behappen. Daarin moeten we nog een slag maken. We moeten dus voorzichtig te werk gaan in de markt.‘

’Ons voordeel is dat we op een veel gunstiger punt in ons ontwikkeltraject zitten dan sputteren. Die technologie bestaat al zo lang, daar is de rek langzaam wel uit. Onze machine kan zich nu al meten met sputtertools terwijl we nog door de hele S-curve moeten. We kunnen de depositiesnelheid nog verbeteren en nog andere materialen gebruiken. Bedrijven zien de potentie van PLD‘, ziet Janssens. ’Als we bij Sintef het bewijs leveren dat we een stabiel proces kunnen bieden en een volwassen serviceorganisatie hebben, zal dat heel veel bedrijven over de streep trekken. Daar ben ik van overtuigd.‘