Ohutkalvoilla valmistetaan elektroniikkaa ja tehdään paperista vedenkestävää

Atomikerroskasvattaminen eli ALD on yksi tärkeimpiä Suomessa koskaan tehdyistä yksittäisistä keksinnöistä. Menetelmällä erilaisia rakenteita pinnoitetaan ohutkalvoilla tarkasti atomikerros kerrallaan. Mikropiireissä ja muistikomponenteissa tarvittavia äärimmäisen ohuita sähköä eristäviä tai johtavia kalvoja voidaan käytännössä valmistaa vain tällä teknologialla. Menetelmän kehittämisen ansiosta Tuomo Suntola sai vuonna 2018 Millennium-palkinnon.

ALD eli Atomic Layer Deposition -menetelmän käyttökohteita löytyy nykyään joka puolelta. Esimerkiksi jokaisen kännykässä on runsaasti elektroniikkaa, jossa on ohutkalvoja. Uusia käyttökohteita tulee jatkuvasti lisää.

Edistysaskelia kalvokerrosten mittaamisessa

Professori Timo Sajavaara Jyväskylän yliopistosta kehittää sekä uusia materiaaleja että materiaalien tutkimusmenetelmiä.

”Me tutkimme ALD-menetelmällä tehtyjä ohutkalvoja”, Sajavaara täsmentää.

Yliopiston erityisosaamista on ohutkalvojen tarkan koostumuksen mittaaminen. Tähän monet yrityksetkin tutkimuslaitosten lisäksi pyytävät apua tutkijoilta Jyväskylässä.

ALD-menetelmässä aineita höyrystetään tyhjiökammioissa, jossa aineen atomit laskeutuvat halutulle pinnalle muodostaen siihen molekyylikerroksen. Pintojen paksuutta säädellään höyrytyssyklien määrää vaihtelemalla. Pintoihin voidaan myös tehdä kuvioita peittämällä osa pinnoista höyrytyksen ajaksi suoja-aineella, joka huuhdellaan käsittelyn jälkeen pois.

Professori Timo Sajavaara esittelee Jyväskylän yliopiston Kiihdytinlaboratorion tutkimuslaitteita ALD-menetelmän kehittäneelle Tuomo Suntolalle. Laboratoriossa on käynnissä lukuisia ydin- ja materiaalifysiikan tutkimushankkeita. Niissä on esimerkiksi löydetty kymmeniä uusia keskiraskaita neutronirikkaita isotooppeja sekä tutkittu niiden rakennetta ja hajoamisominaisuuksia. Kuva: Inka Pasanen.

”Uusimpien mikroelektroniikan sirujen valmistuksessa saattaa olla jopa 70 erilaista ALD-prosessivaiheitta”, Sajavaara kertoo.

On tärkeää, että jokainen kerros on puhdas ja että siinä on vain haluttuja alkuaineita. Virheet kerroksissa tekevät helposti koko piikiekollisesta mikrosiruja käyttökelvottomia. Kun esimerkiksi osa kerroksista on sähköä johtavia kuvioita, niiden välisten kerrosten täytyy koostumukseltaan pysyä sähköä johtamattomina eristeinä.

”Me pystymme nykyään mittaamaan, koostuvatko kaikkien nanokokoisten rakenteiden kerrokset niistä alkuaineista, mitä halutaan”, Sajavaara sanoo.

Sajavaaran johtamat tutkijat tutkivat kerrosten koostumuksia ionisuihkuilla. Kerroksiin ammutaan ioneja eli sähköisesti varautuneita atomeja tai molekyylejä. Sitten tutkijat seuraavat laitteillaan, mihin suuntaan ionit pomppaavat pinnoilta tai syntyykö ionien törmäilystä pintoihin röntgensäteilyä tai valoa. Tämän perusteella pystytään päättelemään kerrosten alkuainekoostumus vedystä vismuttiin. Tutkijat pystyvät myös tästä selvittämään, onko kiteisissä kerroksissa vaurioita.

Muovia korvataan ja taideväärennöksiä paljastetaan

ALD on tällä vuosituhannella muuttunut teknologian monitoimityökaluksi, jota ilman meillä ei olisi esimerkiksi monia uusia kehon sisään laitettavia implantteja eivätkä LED-valot loistaisi. Jyväskylän yliopistollakin ALD-tekniikan edistymistä sovelletaan yritysten kanssa hyvin monenlaisten uusien tuotteiden kehitykseen.

”Olemme esimerkiksi olleet etsimässä pakkausteollisuuden kanssa tapoja päällystää paperia niin, että se ei läpäisisi kosteutta. Näin voisimme korvata vaikkapa muoviastioita paperisilla ja vähentää muovikerrosten määrää nykyisissä paperipohjaisissa tuotteissa.”

Erittäin merkittävä ALD:n sovellusalue on akkuteollisuus. Akkujen käyttö on valtavasti kasvamassa, koska autot ovat sähköistymässä ja tuuli- sekä aurinkovoiman tuottama ylijäämäsähkö on saatava varastoitua odottamaan jonnekin tuulettomia ja pimeitä hetkiä.

”Uudet, aiempaa kestävämmät akut ovat sisältä täysin kiinteitä. Niiden valmistuksessa voidaan käyttää menestyksekkäästi ALD-tekniikkaa”, Sajavaara kertoo.

Uusiutuvaan energiaan liittyvä teollisuus tarvitsee hyvin paljon ohutkalvotekniikkaa.

”ALD-tekniikkaa hyödynnetään koko ajan yleistyvissä aurinkovoimaloissa, ja on meillä ajatuksia, miten tuulivoimaloiden siipiäkin voisi ALD-pinnoitteiden avulla tehdä likaa ja jäätä hylkiviksi”, esittelee Sajavaara.

Ionisuihkuilla myös selvitetään pintojen koostumusta nykyään mitä moninaisimmissa yhteyksissä. Jyväskylässä ionisuihkuilla on tutkittu niin meteoriittien pinnan koostumusta kuin taideteoksien materiaalejakin väärennösten paljastamiseksi. Jyväskylässä on tutkittu myös akatemiahankkeessa ALD-kalvon sisään upotettujen nanorakenteiden muodonmuutoksia ionisuihkupommitusten avulla.

Professori Timo Sajavaara esittelee Jyväskylän yliopiston Kiihdytinlaboratorion Pelletron-kiihdytintä lapsille. Laboratoriossa on käynnissä lukuisia ydin- ja materiaalifysiikan tutkimushankkeita. Niissä on esimerkiksi löydetty kymmeniä uusia keskiraskaita neutronirikkaita isotooppeja sekä tutkittu niiden rakennetta ja hajoamisominaisuuksia.

Akatemian rahoitusta

Sajavaaran tutkijat ovat kehittäneet ALD-tekniikkaa myös Suomen Akatemian rahoituksella.

”Akatemia on keskeisin ulkopuolinen rahoittajamme”, Sajavaara toteaa.

Sajavaara arvostaa Akatemiaa siitä, että tutkimusrahoitusta jaetaan läpinäkyvästi.

”Akatemia kuuntelee tutkijoita, kun varoja haetaan. Jos tarvetta on ollut muuttaa käytäntöjä, Akatemia on näin tehnyt.”

Teksti: Visa Noronen
Kuvat: Inka Pasanen, Petteri Kivimäki, Jyväskylän yliopisto