ALD for Industry – die Szene traf sich wieder in Dresden

Die Vorträge des Workshops waren gut besucht (Foto: EFDS e.V.)
  • Titelbild: Die Vorträge des Workshops waren gut besucht (Foto: EFDS e.V.)

Zum nunmehr siebenten Mal fand in Dresden im März 2024 der ALD Work­shop mit Tutorial und Industrieausstellung „ALD for Industry“ statt. Mehr als 100 Teilnehmer besuchten Dresden, um sich über Grundlagen, neue Aspekte aus Forschung und Entwicklung sowie aktuelle oder geplante industrielle Anwendungen im Bereich Atomic Layer Deposition (ALD) zu informieren, Erfahrungen auszutauschen oder die Überführung in die Anwendung und die Kommerzialisierung vorzubereiten.

Ein dem Workshop vorgeschaltetes Tutorial informierte u. a. über die Grundlagen des ALD-Verfahrens, die Prozessentwicklung, analytische Methoden zur Prozesscharakterisierung, die atomistische Simulation von ALD Prozessen und die zum Einsatz kommenden Präkursoren. Der Workshop bot in zahlreichen Beiträgen einen Überblick zum Stand der Technik und der zu erwartenden Weiterentwicklung der ALD-Technologie.

Auf der parallel zum Workshop und Tutorial abgehaltenen Industrieausstellung stellten kompetente Institutionen u. a. ALD-tools, Komponenten, Anlagen und Präkursoren vor. Die Teilnehmer konnten sich so problemlos in den Pausen über neue Produkte und Dienstleistungen informieren.

Das ALD-Verfahren

Die Atomlagenabscheidung ALD ist ein Verfahren, mit dem eine Vielzahl von extrem dünnen Schichten im mono­molekularen Bereich abgeschieden werden kann. Dabei handelt es sich um ein chemisches Gasphasenabscheidungs(CVD)-Verfahren mit zyklisch durchgeführten selbstbegrenzenden Oberflächenreaktionen. Die Reaktionspartner, Präkursoren genannt (gasförmig, flüssig oder fest), werden in die Gasphase überführt und anschließend nacheinander, alternierend in die Reaktionskammer geleitet. Die Reaktion findet direkt an der Oberfläche des zu beschichtenden Substrates statt. Überzählige Reaktanten werden durch einen Spülschritt aus der Reaktionskammer entfernt. Der nächste Zyklus kann beginnen. Die so entstehenden Schichten weisen in der Regel eine polykristalline oder amorphe Struktur auf.

Das Spatial ALD-Verfahren

Beim konventionellen ALD wird ein feststehendes Bauteil nacheinander den verschiedenen Reaktionsgasen ausgesetzt, was Zeit kostet. Beim räumlichen ALD (spatial ALD) hingegen bewegt sich das Produkt durch verschiedene abgeschirmte Gaszonen. Die räumliche Atomlagenabscheidung (Spatial ALD) ist eine formfolgende, hochwertige Beschichtungsmethode auf atomarer Ebene. Im Vergleich zu herkömmlichem ALD können mit ihr auch komplexe Viellagen-Schichtsysteme effizient und kostensparend erzeugt werden. Maximaler Durchsatz bei geringstmöglichen Kosten, verbesserte Funktionalität, Effizienz und Nachhaltigkeit, Materialreduzierung und längere Lebensdauer sind die Mehrwerte, die Spatial ALD mit sich bringt.

Anwendungen für die ALD-Verfahren zeichnen sich in vielen Bereichen ab, von der Mikroelektronik und Batterietechnik über die Photovoltaik, Optik, Lichttechnik und Biomedizin bis hin zur Quantentechnologie. Im Bereich der Schichttechnik können Schutzschichten oder dekorative Überzüge maßgeschneidert produziert werden.

Die Vorträge

Die Abendveranstaltung im Dresdner Sophienkeller bot Gelegenheit zu Kontaktpflege und Informationsaustausch (Foto: EFDS e.V.)Die Abendveranstaltung im Dresdner Sophienkeller bot Gelegenheit zu Kontaktpflege und Informationsaustausch (Foto: EFDS e.V.)Nachfolgend werden ausgewählte Vorträge mit Schwerpunkt Oberflächentechnik kurz vorgestellt. In ihrem Vortrag „Green ALD – A guide to a better practice using an LCA approach” ging Houyem Hafdi, Linköping University, Schweden, auf die Umweltverträglichkeit von ALD-Prozessen ein. Nur 10 % der eingesetzten Präkursoren werden für die Schichtbildung verwendet. Des Weiteren wird Vakuum benötigt und der Reaktor muss beheizt werden. Mit Hilfe von Life Cycle Assessment (LCA) können die potenziellen Einflüsse auf Umwelt und Ressourcen eines Produktes oder Prozesses erfasst und optimiert werden. Dies wurde am Beispiel der Abscheidung von Galliumnitrid (GaN) demonstriert.

„Scaling ALD for optical coatings using DC-plasma and a novel method for precursor separation” – Eric Dickey, Lotus Applied Technology, USA, präsentierte eine Methode zur Trennung des metallhaltigen Präkursors von aktiven Radikalen. Sauerstoffradikale werden auf dem Weg von der Plasmazone zum Präkursorbereich mithilfe eines kompakten Schutzschirms um die Plasmaquelle neutralisiert. Abgepumpt wird dabei nur vom Plasma in Richtung Präkursor. Für einige der gebräuchlichsten optischen Schichtmaterialien (SiO2, Nb2O5, TiO2, Ta2O5, HfO2, ZrO2) sind Abscheidungsgeschwindigkeiten von 2-6 Å/s, manchmal sogar über 10 Å erreichbar. Es können auch im Zentimeterbereich gekrümmte Linsen beschichtet werden. Mehrfach-Plasma-Schildquellen erleichtern die Umsetzung in den industriellen Maßstab und die Beschichtung von großflächigen Teilen.

„From Nano to Mikro – when ALD meets with PVD to enhance coating performance“ – Carlos Guerra, Swiss Cluster, Schweiz, zeigte auf, wie die beiden Verfahrenstechniken ALD und PVD auf neuartige Weise kombiniert werden können. Das SC-1 System kann komplexe Schichtsysteme von bis zu mehreren Hundert Einzelschichten abscheiden. Daraus resultieren vielfältige maßgeschneiderte Schichtsysteme aus leichteren und kostengünstigeren Materialien mit verbesserten mechanischen und thermischen Eigenschaften. Dies wurde am Beispiel einer aus 200 Nanolagen aufgebauten Metall-Keramik-Schicht mit erhöhter Härte und Zugfestigkeit demonstriert.

„Application of very thin coatings on different grades of particles by ALD“ – Mario Krug, Fraunhofer IKTS, Deutschland, zeigte in seinem Vortrag, dass ALD das optimale Verfahren ist, um „extrem dreidimensionale“ Partikel in Mikrometergröße oder kleiner, zu funktionalisieren. Um eine homogene Beschichtung in kurzer Zeit zu erreichen, müssen die Partikel bewegt werden, z. B. in einer Trommel. Am IKTS wurde eine dazu geeignete Apparatur im Labormaßstab gefertigt und optimiert. Durch die untersuchten Maßnahmen konnte ein Anbacken des Pulvers verhindert und eine gleichmäßige Beschichtung realisiert werden. Anwendungen für funktionalisierte Pulver gibt es in vielen Bereichen, u. a. in der Elektromobilität (für Batterien) oder der Pharmazie (für Wirkstoffverabreichung).

„Mechanical model materials with ALD, MLD and PVD“ – Ivo Utke, Empa, Schweiz, berichtete über Arbeiten zur Synthese von Schichten und Strukturen mit maßgeschneiderten und optimierten Eigenschaften wie Zähigkeit, Zugfestigkeit und Haftung. Spannungs-/Dehnungskurven konnten zeigen, dass in manchen Fällen eine Erhöhung der Zugfestigkeit um 20 % möglich war. Durch eine Kombination von MLD (molecular layer deposition) und ALD (atomic layer deposition) konnten z. B. metallische Kegelstrukturen (metal cones) aus Aluminium hergestellt werden. Ein weiteres Beispiel waren mittels PVD/ALD erzeugte ultrafeine Aluminiumpulver mit sehr einheitlicher Größenverteilung und Form.

„In-situ gas monitoring of ALD processes using remote optical emission spectroscopy” – Erik J. Cox, Gencoa Ltd, UK, stellte einen Sensor zur Messung der Gaskonzentrationen während des ALD-Prozesses vor. Er arbeitet im Druckbereich von 10 bis 4 mbar, verhindert eine Verunreinigung der Sensorelektroden und erhöht die Messgenauigkeit der Präkursoren und ihrer Reaktionsprodukte, ohne den ALD-Prozess selbst zu beeinflussen. Der Sensor generiert ein Plasma, in dem die zu messenden Spezies mittels Optischer Emissionsspektroskopie (OES) angeregt werden. Sie senden dann ein Lichtspektrum aus, mit dem sie identifiziert und gemessen werden können. An Beispielen wie dem Nachweis von Verunreinigungen, der Optimierung der Zeit für Spülvorgänge sowie Erfassung der Reaktionsdynamik konnte der Referent die Vorteile dieses Mess­verfahrens aufzeigen.

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Die nächste Konferenz „ALD for Industry“ startet am 11.-12. März in Dresden

 

  • Ausgabe: September
  • Jahr: 2024
  • Autoren: Dr.-Ing. Richard Suchentrunk
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