Älypuhelin ei toimisi ilman nanomittakaavan ohutkalvoja, jotka valmistetaan Suomessa keksityllä ALD-teknologialla – Tuomo Suntola muistaa oivalluksensa hetken

Jokainen meistä kantaa mukanaan laitteita, joiden mikro- ja nanoelektroniikan komponentit sisältävät Suomessa keksityllä ALD-menetelmällä (Atomic Layer Deposition) valmistettuja ohutkalvoja. Kalvot ovat niin ohuita, että tavallisen ihmisen mieli on lujilla mittakaavaa miettiessä.

– ALD-teknologialla eli atomikerroskasvatuksella valmistettuja toiminnallisia ohutkalvoja voidaan tarkastella vain huipputason mikroskoopeilla tai analysoida niiden alkuainekoostumusta hiukkaskiihdyttimellä. Elektroniikan komponenteissa kalvot ovat muutaman nanometrin eli millimetrin miljoonasosan paksuisia. Sellaisessa kalvossa on 25-35 atomikerrosta, kertoo fysiikan professori Timo Sajavaara Jyväskylän yliopistosta.

Alkujaan ALD-teknologia kehitettiin elektroluminesenssinäytön valmistukseen 1970-luvulla. Ohutkalvojen läpilyönti tapahtui kuitenkin vasta 2000-luvulla.

– Yksi ensimmäisistä kaupallisista soveltajista oli Kalevala Koru. Ongelmana oli hopeakorujen tummuminen, mikä merkitsi myytävänä olevien korujen jatkuvaa kiillotustarvetta. Kun korut päällystettiin alumiinioksidia sisältävällä ohutkalvolla, ne eivät enää tummuneet, Sajavaara kertoo.

 

ALD-kalvojen taloudellisesti merkittävimmät sovellukset ovat puolijohdeteknologiassa. Kun erilaiset mikroelektroniikan sovellukset, kuten älypuhelimet, pienenevät ja monimutkaistuvat koko ajan, esimerkiksi transistoreissa eristävien kalvojenkin on ohennuttava.

Transistorit ovat pieniä kytkimiä, joissa niin sanottu hila kytkee transistorin päälle ja pois päältä. Hilan alla oleva hilaeriste erottaa sen kanavasta, jossa virta kulkee.

– Aikaisemmin hilaeristeissä käytetty piioksidi ei toimi nanomittakaavassa. Hafniumoksidista ALD-teknologialla atomi kerrallaan kasvatettu ohutkalvoeriste on ollut ratkaisu pienenevän elektroniikan vaatimuksiin, toteaa professori Markku Leskelä Helsingin yliopiston Atomikerroskasvatuksen huippuyksiköstä.

Samsung hyödynsi ALD-kalvoja komponenteissaan jo vuonna 2004, mutta varsinaisesta läpimurrosta elektroniikassa puhutaan, kun Intel alkoi vuonna 2007 käyttää kalvoja transistoreissaan.

– Ilman atomikerroskasvatusta nykyisenkaltaisia älypuhelimia, tabletteja ja kannettavia tietokoneita ei olisi olemassa, Leskelä tiivistää.

 

ALD-kalvot ovat vahvimmillaan nanomittakaavassa. Timo Sajavaaran mukaan muihin toiminnallisten ohutkalvojen valmistusmenetelmiin verrattuna atomikerroskasvatus on varsin hidas – kalvo kun syntyy atomikerros kerrallaan.

– Ohuimmillaan kalvo voi olla alle nanometrin paksuinen, mutta käytännössä yli mikrometrin eli millimetrin tuhannesosan paksuisia kalvoja ei yleensä valmisteta ALD-menetelmällä. Paksumpien kalvojen valmistukseen löytyy muita tekniikoita, Sajavaara sanoo.

Atomikerroskasvatuksella valmistettavilla ohutkalvoilla on monia vahvuuksia. Menetelmällä voidaan luoda mikroskooppisen pienen kappaleen pinnalle tasapaksuinen ja yhtenäinen kalvo, joka tunkeutuu myös pinnan huokosiin ja kolmiulotteisenkin kappaleen jokaiseen kohtaan.

Esimerkiksi mikro- ja nanoelektroniikassa moniulotteisia kappaleita ja pintoja on yhä enemmän, kun pienenevä tila on hyödynnettävä tehokkaasti.

– Myös pinnoitteen ominaisuuksiin voidaan vaikuttaa. Kalvo voi olla sähköä eristävä, johtava tai jopa suprajohtava. Se voi myös estää hapettumista ja hylkiä likaa, rasvaa tai kosteutta. ALD:llä voidaan luoda myös kiiltäviä tai värikkäitä pintoja. Ohutkalvon ominaisuuksiin vaikuttavat kasvatuksessa käytetyt lähtöaineet ja ALD-reaktorin lämpötila, Sajavaara kertoo.

Kalvoilla on pystytty parantamaan esimerkiksi led-valojen, aurinkokennojen ja sähköautojen litiumakkujen suorituskykyä.

– ALD-kalvoilla suojataan Itävallassa ja Kanadassa kolikoita ja niitä hyödynnetään elimistöön asetettavien implanttien sekä lääketieteellisten instrumenttien ja suojavaatteiden pinnalla, Leskelä kertoo.

 

Suomi on atomikerroskasvatuksessa USA:n ja Etelä-Korean rinnalla maailman kärkimaita. Menetelmää tutkitaan ja kehitetään jatkuvasti suomalaisissa korkeakouluissa. Suomeen syntyi vuonna 2004 vahva tutkimuskeskittymä, kun suuri ALD-reaktoreiden valmistaja ASM Microchemistry Oy aloitti yhteistyön Helsingin yliopiston kanssa. Helsingin yliopiston tutkimusryhmässä on noin 25 tutkijaa.

Kehitystyö vaatii ohutkalvojen ominaisuuksien tutkimista. Jyväskylän yliopistossa tutkitaan ALD-kalvojen ominaisuuksia hiukkaskiihdyttimien avulla. Piin tai muun tasaisen materiaalin päälle kasvatetusta ohutkalvosta voidaan mitata sen alkuainekoostumus.

Jyväskylän yliopisto hankki tutkimuskäyttöönsä ensimmäisen ALD-reaktorin vuonna 2013. Kun Lappeenrannan teknillinen yliopisto lakkautti Mikkelistä Savon materiaalitekniikan tutkimusryhmän, sen kolme reaktoria siirtyivät Jyväskylään.

– Uudet laitteet vahvistavat Jyväskylän asemaa erityisesti soveltavassa tutkimuksessa. Mikkelistä siirtyneistä reaktoreista tehokkain sijoitetaan Jyväskylän ammattikorkeakouluun, jonka tavoitteena on löytää sovelluskohteita alueen yritysten kanssa. Laitteella pystytään rakentamaan kymmenien nanometrien paksuista ohutkalvoa neliömetrin verran minuutissa, Sajavaara kertoo.

 

Tuomo Suntola muistaa oivalluksensa hetken

Atomikerroskasvatusteknologia syntyi, kun tekniikan tohtori Tuomo Suntola 1970-luvulla etsi teknologisia ratkaisuja litteän näytön kehittämiseen.

– Kehitin elektroluminesenssinäyttöä, jolla voitaisiin korvata lääketieteessä tilaa vievät kuvaputkinäytöt. Sen valmistamiseksi tarvittiin ohutkalvorakenne, jolla olisi riittävän hyvät sähköiset ominaisuudet, Suntola kertoo.

Hän sanoo muistavansa tarkasti hetken, kun ajatus atomikerroskasvatuksesta vuonna 1974 syntyi.

– Silmäilin miltei tyhjän laboratoriohuoneen seinällä ollutta alkuaineiden jaksollista järjestelmää. Silloin syntyi ajatus atomikerros kerrallaan tapahtuvasta ohutkalvon valmistusmenetelmästä, hän kertoo.

 

Suntola palkittiin viime keväänä ALD-teknologian kehittämisestä Millennium-teknologiapalkinnolla.

Pelkkä oivallus ei kuitenkaan riittänyt, vaan tarvittiin laitteita ohutkalvojen valmistamiseen.

– Ensimmäisen ALD-reaktorin valmistaminen vaati monien teknisten yksityiskohtien miettimistä, Suntola kertoo.

Elektroluminesenssinäytön kehittäminen kesti vuosia. Teknologia julkistettiin vuonna 1980, kun menetelmällä pystyttiin valmistamaan laadukkaita näyttöjä. Elektroluminesenssi oli pitkään käytössä muun muassa Helsinki-Vantaan lentoaseman näyttötauluissa.

Elektroluminesenssinäytöille on edelleen tarvetta arktisissa olosuhteissa, liikenteessä, teollisuudessa ja lääketieteessä, sillä ne sietävät hyvin äärimmäisiä lämpötiloja ja tärinää.

Suntola itse kuitenkin oivalsi jo varhain, että ALD-kalvojen keskeinen sovellusalue on puolijohdeteollisuudessa.

– Tänä päivänä kynnen kokoiselle alueelle mahtuu 10 miljardia transistoria. Atomikerroskasvatus on ainoa keino valmistaa ohutkalvoja nanomittakaavassa, jossa komponentteja on myös päällekkäin.

Atomikerroskasvatus mahdollistaa myös pulverimaisten aineiden päällystyksen, esimerkiksi yksittäisten hiukkasten paketoinnin led-valojen loisteaineissa.

74-vuotias Suntola jatkaa edelleen keksimänsä teknologian parissa. Hän on mukana muun muassa ALD-reaktoreita valmistavan Picosun Oy:n hallituksessa.

Tämä sisältö on vain tilaajille.

Tilaa Keskisuomalainen VerkkoPlus 1 kk / 9,90 €

Tilaa tästä!

Jos olet jo tilaaja, .