Twents depositie-instrumentarium tilt atoomlaagprocessen naar industrialisatiefase

Demcon TSST verkocht dit jaar zijn eerste vacuümtransferlijn. Daarnaast ontwikkelt de Twentse instrumentenmaker een atomic force microscope (afm) voor meten tijdens fysisch-chemische groeiprocessen. Met chemische dampdrukdepositie denkt directeur Emiel Rutgers de TSST-apparatuur naar een industrieel niveau te kunnen tillen.

René Raaijmakers

Vier jaar na de volledige overname door Demcon constateren we dat TSST zijn horizon heeft verruimd. Begin dit jaar verscheepte het zijn eerste vacuümtransferlijn naar de Technische Universiteit van Denemarken (DTU). De transportbuis stelt onderzoekers in staat om allerlei vacuüm-, lagedruk- en meetinstrumenten te koppelen zonder dat de kwetsbare materialen in aanraking komen met de buitenlucht.

Demcon TSST komt bovendien met twee aankondigingen. De instrumentenmaker verwacht binnen enkele maanden een krachtmicroscoop op de markt te brengen die metingen kan doen tijdens depositieprocessen. Daarnaast ontwikkelen de Twentenaren apparatuur voor chemische dampdrukdepositie. Die laatste technologie stelt gebruikers in staat om sneller door te schakelen van r&d naar industrialisatie. De ald-instrumenten verwacht TSST ook dit jaar nog te kunnen introduceren, zegt Emiel Rutgers, algemeen directeur van de volledige Demcon-dochter. ‘Het past in onze ambitie om de komende jaren in omzet te verdubbelen.’

Maatwerk is strategische keuze

De vacuümtransferlijn die de Denen ontvingen, is zes meter lang en heeft ruimte voor drie systemen voor plasmalaserdepositie (pld) en een sputterklok. De drie pld-systemen zijn ook afkomstig uit Twente. Dit is het r&d-instrumentarium waarmee TSST eind jaren negentig een reputatie verwierf in de academische wereld doordat het plasmadepositie combineerde met een eigen variant van Rheed (Reflection High-Energy Electron Diffraction), een kristallografische analysemethode waarbij een elektronenbundel onder een flauwe hoek op een materiaal wordt geschoten. Uit het resulterende reflectiepatroon vallen conclusies te trekken over het kristaloppervlak van het sample (zie kader).

Bij Demcon TSST werken vijftien mensen aan de ontwikkeling van laserdepositieapparatuur. Het verkoopt de systemen inmiddels over de hele wereld, meestal zo’n tien tot vijftien stuks per jaar. China was lange tijd de belangrijkste afzetmarkt, maar daar is de concurrentie inmiddels heviger. Tegenwoordig behoren Europese universiteiten tot de grootste klanten. Daarnaast richt Demcon TSST zich in toenemende mate op industriële research.

Dit is best een bijzondere marktstrategie. Vraag een willekeurige machinebouwer of instrumentmaker naar zijn verkoopambities en de meesten zullen zeggen dat ze een niche zoeken voor producten die ze in grote series kunnen leveren. Zo niet TSST. Daar specialiseren ze zich juist in maatwerk voor research en wetenschap. ‘Klanten komen bij ons met een onderzoeksvraag, wij bedenken er een instrument omheen’, zegt Rutgers. ‘In deze markt zijn er heel veel leveranciers van standaard apparatuur. Wetenschappers kunnen daar niet altijd mee uit de voeten. Wij gaan met ze in gesprek.’

Rutgers: ‘Onze focus ligt op het ontwerp, op unieke systeemoplossingen en het integreren van de laatste technologische ontwikkelingen. Daarbij laten we ons sterk inspireren door het huidige wetenschappelijke dunnefilmonderzoek, de meest recente kennis over vacuümtechnologie en feedback van onze klanten. We gebruiken hun ervaring met onze systemen, componenten en software voortdurend bij de verbetering van onze producten. Daarmee ontwikkelen we weer nieuwe producten, componenten, instrumenten en karakteriseringstechnieken.’

De vacuümtransferlijn biedt onderzoekers flexibiliteit, omdat ze er verschillende processen en meetinstrumenten op kunnen aansluiten. De lijn is ook compatibel met standaard monsterplatforms, verwarmers en targetcarrousels.

De bewegende delen in de transportbuis vormden een uitdaging in de ontwikkeling. Bewegende onderdelen zorgen voor instabiliteit in druk en vacuüm. Bijvoorbeeld droge smering is nodig in de vorm van een molybdeensulfidelaag. Rutgers: ‘Kunststoffen zoals teflon zijn niet geschikt omdat je de hoogvacuümruimtes moet kunnen opwarmen tot 200 graden om het uit te stoken.’

Tasten tijdens het atomen stapelen

De afm ontwikkelt Demcon TSST met als doel om metingen te doen tijdens het depositieproces. Met pld worden met name complexe materialen ontwikkeld die bestaan uit een stapeling van verschillende materiaallagen. ‘Met deze afm kunnen we op atomair niveau de verschillende lagen tijdens het groeiproces bestuderen’, aldus Rutgers.

Demcon TSST gaat afm’s compleet geïntegreerd in pld-systemen leveren. ‘Daarnaast willen we de afm ook als upgrade voor bestaande klanten aan kunnen bieden’, zegt Rutgers. Eind dit jaar verwacht hij een doorontwikkeld prototype klaar te hebben. Daarna volgen de eerste leveringen aan klanten binnen enkele maanden.

Op niveau praten met klanten

Ervaring en kennis is in deze tak van sport van groot belang. Bij TSST werken drie wetenschappers die hun promotiewerk hebben afgerond op pld-gebied. ‘Wij merken dat klanten daarop selecteren. Als je maatwerk wilt leveren, dan moet je ook veel over pld weten. Dat bieden de meeste van onze concurrenten niet, wij vinden dat essentieel.’

Demcon TSST onderhoudt daarvoor ook een intensieve relatie met onderzoeksinstituut Mesa+ en de onderzoekgroep Inorganic Materials Science (IMS) waar de pld-technologie in combinatie met Rheed werd ontwikkeld. IMS startte daarna TSST in 1998 als spinoff. In 2014 zocht Emiel Rutgers, destijds nog verantwoordelijk voor engineering, een partner waaraan hij een aantal ontwikkelingen kon uitbesteden. Hij kwam in contact met Demcon, de mechatronicaspecialist die TSST een jaar later ook onderdak bood toen het ruimte tekortkwam.

Drie jaar na de verhuizing verwierf Demcon een meerderheidsaandeel in TSST en vorig jaar werd het volledig eigenaar. Daarmee heeft TSST nu de technologische en financiële slagkracht om ook nieuwe markten te ontginnen en compleet nieuwe producten te ontwikkelen. De samenwerking met Inorganic Materials Science en het Mesa+-instituut blijft daarbij van strategisch belang, onderstreept Rutgers.

Industrialisatie atoomlagen

Demcon TSST richt zich momenteel weliswaar vooral op de r&d-markt met pld, de transferlijn en de afm, maar het bereidt zich ook voor op het leveren van technologie voor de industrialisatiefase die daarna komt. Onderzoekers gebruiken plasmadepositie om materialen te ontwikkelen voor bijvoorbeeld batterijen en geavanceerde elektronische of optische toepassingen. Als een materiaal eenmaal interessant is bevonden, dan gaan procesingenieurs aan de slag met andere methodes om onderdelen met de veelbelovende materialen in massaproductie te maken.

Voor de meeste productieprocessen is pld niet geschikt. Procesengineers zoeken opschaling in depositieprocessen onder hogere druk, vaak gepaard met chemische processen die fabrikanten ook in staat stellen om de materialen laag voor laag op te bouwen, maar dan sneller dan pld.

Atoomlaagdepositie (ald) is zo’n techniek en daarom sorteert Demcon TSST voor om ook daarvoor de technologie te leveren. Op dit moment ontwikkelt het bedrijf ald-apparatuur die op de vacuümtransferlijn is aan te sluiten. ‘Net als met pld, de transferlijn en afm richten we ons met ald eerst op r&d’, zegt Rutgers. Met de nieuwe focus verwacht hij een interessante aanbieding te hebben voor bijvoorbeeld chip-, batterij- of zonnecelfabrikanten die ald-processen willen industrialiseren. Ook op ald-gebied werkt TSST samen met een Twentse onderzoeksgroep.