Suomalainen fyysikko Tuomo Suntola on saanut ALD-menetelmän eli atomikerroskasvatustekniikan keksimisestä vuoden 2018 Millennium-teknologiapalkinnon. Suntola kehitti 1970-luvun puolivälissä menetelmän, jossa materiaaleja pinnoitetaan atomeilla kerros kerrokselta. Alustamateriaalien pinnoittaminen atomikerroksittain parantaa mikroelektroniikan suorituskykyä.

Tasavallan presidentti Sauli Niinistö ja Millennium-palkinnon vastaanottanut tekniikan tohtori Tuomo Suntola. Kuva: Tekniikan Akatemia TAF

Atomic Layer Deposition -menetelmällä valmistetaan atomikerros kerrallaan ohutkalvoja, joita käytetään esimerkiksi mikroprosessoreissa ja muistipiireissä. Yleensä nämä ohutkalvot ovat muutaman atomikerroksen paksuisia, mutta ALD-teknologialla niitä tehdään joskus jopa mikrometrin paksuisina. Atomikerros kerrallaan voidaan pinnoittaa varsin vapaasti erimuotoisia rakenteita.

Nykyisin käytännössä kaikkien tietokoneiden ja älypuhelinten valmistuksessa käytetään mikropiirejä, joiden valmistuksessa on hyödynnetty ALD:tä. ALD-nanoteknologiaa kehitetään jatkuvasti eteenpäin, minkä ansiosta käyttämämme laitteet muuttuvat koko ajan tehokkaammiksi, pienemmiksi ja edullisemmaksi.

Suomi tutkimuksen kärjessä

Koska ALD-teknologia on aikoinaan kehitetty Suomessa, alan tutkimus on täällä edelleen vahvaa.  

Helsingin yliopiston kemian professorien Mikko Ritalan ja Markku Leskelän materiaalikemian tutkimusryhmä on maailman tuotteliain ALD-tutkimusryhmä. Kummallakin professorilla itsellään on useamman vuosikymmenen tutkimuskokemus ja reippaasti yli 300 julkaistua alan artikkelia.

Ritalan ja Leskelän tutkimusryhmä on keskittynyt alan perustutkimukseen. Ryhmä kehittää materiaaleille uusia kemiallisia valmistusmenetelmiä, joita tarvitaan etenkin mikroelektroniikassa.

”Keskitymme uuden ALD-kemian kehittämiseen eli lähtöaineisiin ja prosesseihin. Tutkimme reaktiomekanismeja, koska haluamme syventää kemian ymmärtämistä”, Ritala kertoo.

Helsingin yliopiston tutkimustulokset eli ALD-prosessit ovat myös siirtyneet käytäntöön. Alalla toimii kolme merkittävää suomalaisyritystä, joissa kaikissa työskentelee Helsingin yliopiston entisiä ALD-ryhmien tutkijoita.

”Osa tutkimuksemme vaikuttavuutta on se, että suomalainen atomikerroskasvatusteollisuus saa meiltä osaajia kasvuaan varten”, Ritala sanoo.

Timo Hatanpää, Miika Mattinen ja Katja Väyrynen ALD-reaktorin äärellä. Tutkijat ovat kehittäneet Helsingin yliopiston ALD-laboratoriossa Kumpulassa kemiallisia valmistusmenetelmiä materiaaleille, joita yritykset käyttävät kaupallisesti. Kuva: Riita-Leena Inki. 

Sovelluskohteet lisääntymässä

Jatkuva tutkimus laajentaa ALD-teknologian sovelluskohteita koko ajan. ALD:tä käyttäen on kehitetty ratkaisuja, jotta vaikkapa uudet sähköautot ajaisivat yhdellä akunlatauksella aiempaa kauemmaksi, ikkunalasin pinta hajottaisi likaa tai hopeakorut eivät tummuisi.

Tampereen teknillisen yliopiston professori Jyrki Mäkelä johtaa tutkimusryhmää, joka yhdessä Åbo Akademin ja Turun yliopiston tutkijoiden kanssa kehittää antibakteerisia pintoja ALD:tä hyödyntäen.

Bakteerit eivät luonnostaan kasva hyvin hopeapinnoilla. Hopean nanorakenne on kuitenkin moneen käyttötarkoitukseen liian pehmeä. Jos sen päällystää toisella suojaavalla materiaalilla, menetetään taas helposti hopean antibakteeriset ominaisuudet.

”Olemme pinnoittaneet nanorakeista nanohopeapintaa ALD-alumiinioksidilla. Pinnoitteen ansiosta hopea pysyy paremmin paikoillaan ja kestää kulutusta. Aluminioksidi ei itsessään ole antibakteerinen, mutta koska ALD:llä työstetty alumiinioksidikerros jää niin ohueksi, se ei estä alla olevan hopean antibakteerista vaikutusta”, Mäkelä kertoo.

Tutkimusryhmän työ pyrkii tuomaan uusia ratkaisuja erityisesti sairaaloihin. Tutkijat ovat testanneet jo menestyksellisesti materiaaliensa vaikutusta staphylococcus aureus -bakteeriin, joka on vaikea sairaalabakteeri.

”Jos käsittelemämme pinta estää tämän bakteerin toimintaa, toimi hankaloittaa myös monen muun haitallisen bakteerin elämää”, Mäkelä perustelee.

Tampereen teknillisen yliopiston Sähkötalossa Hervannassa pinnoitetaan ALD-reaktorin avulla materiaaleja atomeilla kerros kerrokselta. Kuva: Valtteri Pönkkä

Tällä hetkellä tutkimuskonsortio suunnittelee tutkimustuloksen hyödyntämistä muun muassa lääkärien erilaisten sairaalatakkikankaiden pinnoittamisessa.

ALD:tä hyödyntäen Mäkelän tutkijat osaavat tehdä myös muita toiminnallisia pintoja, joilla on haluttuja ominaisuuksia.

”Uudessa tutkimuksessamme nanopartikkelipinta päällystettiin ALD:tä käyttäen ja ALD-pintakin vielä fluorosilaanilla. Näin saatiin kulutusta kestävä ja useampia testaamiamme nesteitä hylkivä pinta. Tämä moneen käyttöön sopiva päällyste on silti paksuudeltaan vain noin sadasosan esimerkiksi perinteisestä auton maalikerroksen paksuudesta”, Mäkelä kertoo.

Akatemia mahdollistaa tutkimusta

Suomen Akatemia on rahoittanut ALD-tutkimusta jo vuosikymmeniä.

”Akatemian rahoitus on ollut aina keskeistä ryhmällemme. Meillä on ollut jatkuvaa projektirahoitusta vuodesta 1991 alkaen”, sanoo akatemiatutkijanakin toiminut Ritala. Leskelä on toiminut akatemiaprofessorina ja tutkijat ovat tehneet työtä Akatemian rahoittamassa, Helsingin yliopiston johtamassa atomikerroskasvatuksen huippuyksikössä.

”ALD ei olisi siinä tilassa missä se on nyt ilman Suomen Akatemian rahoitusta”, Ritala sanoo.

Rahoitus mahdollistaa myös riskien ottamisen.

”Monien muiden rahoittamissa hankkeissa tutkimuksen pitää pysyä tietyissä yhteistyökumppaneiden kanssa sovituissa rajoissa. Tutkimuksen aikana syntyneisiin mielenkiintoisiin rönsyihin ei usein ole mahdollisuutta. Akatemian rahoitus on antanut mahdollisuuden etsiä vapaammin tekniikoita ja sovellutuskohteita”, Mäkelä toteaa.

Teksti: Visa Noronen 
Kuvat: Tekniikan Akatemia, Veikko Somerpuro, Virpi Andersin, Riitta-Leena Inki ja Valtteri Pönkkä

Sinun tulee hyväksyä evästeet, jotta toiminto voidaan avata

• markkinointievästeet

Klikkaa tästä muokataksesi evästeasetuksia►

Lisätietoa Suntolasta

Millennium-teknologiapalkinto on suomalainen, miljoonan euron arvoinen kunnianosoitus maailman huippuinnovaatioille, jotka parantavat ihmisten elämänlaatua ja edistävät kestävää kehitystä. Palkittavat teknologian innovaatiot ovat yhteiskunnallisesti erittäin vaikuttavia ja edistävät hyvinvointia jopa koko ihmiskunnan tasolla.