Ritala & Leskelä — atomien herrat

Yliopiston kemistit ovat kehittäneet tekniikkaa, jota rakastavat yhtä lailla korusepät kuin aurinkokennojen valmistajat ja mikroelektroniikan yritykset.

Puolijohdejätti Intelin perustaja Gordon Moore totesi vuonna 2008 uudesta Xeon-prosessorista, että sen materiaalit ovat mikroelektroniikan suurin harppaus sitten 1960-luvun.

Mullistuksista tärkeimpiä oli niin kutsuttu ALD- eli atomic layer deposition -menetelmä, joka on erityisen rakas suomalaisille ja Helsingin yliopistolle.

Alkujaan ALD:n idea — eli ajatus ohjailla materiaalin rakenteen syntyä atomikerros kerrallaan — syntyi suomalaisen tekniikan tohtori Tuomo Suntolan mietteissä.

”1980-luvun alussa, kun olin pitänyt yhden ensimmäisistä julkisista esityksistä ALD:stä, eräs saksalainen professori lähetti minulle kirjeen. Hän kertoi kokeellisesti osoittaneensa, että atomikerroskasvatus on mahdotonta”, eläkepäiviä nyt jo viettävä Suntola kertoo. ”En viitsinyt vastata, koska meillä oli ensimmäiset ALD:llä valmistetut näytöt jo koetuotannossa.”

ALD antaa teollisuudelle mahdollisuuden kutistaa mikroelektroniikkaa lähes loputtomasti, mikä taas avaa tietä laitteiden tehon kasvulle.

Ensimmäinen kaupallinen ALD-sovellus oli Helsinki-Vantaan lentoasemalle vuonna 1983 pystytetty suuri näyttötaulu, elektroluminenssinäyttö. Elektroluminesenssi-ilmiö sinällään — se kuinka aine säteilee valoa joutuessaan sähkökenttään — on ollut tutkijoille tuttu iät ja ajat.

Sopivat kemikaalit

Kehitelläkseen tekniikkaa edelleen Suntola etsi kumppaneita Suomen eri yliopistoista. Intelin Xeon-prosessorinkin kannalta olennaiset parannukset menetelmään keksittiin kaksi vuosikymmentä sitten Helsingin yliopistolla. Väitöskirjaa valmisteleva Mikko Ritala löysi prosessiin sopivat kemialliset yhdisteet.

Nyt Ritala on yliopiston tiedekampuksella epäorgaanisen kemian professorina, ja yksi alansa siteeratuimpia tutkijoita.

Myös sovellukset kehittyvät jatkuvasti. ALD elättää tätä nykyä neljää suomalaisyritystä, jotka kaikki tekevät yhteistyötä Helsingin yliopiston kanssa.

”Aikanaan emme patentoineet mitään, koska kenelläkään ei ollut mitään käsitystä siitä, mihin tutkimus voisi johtaa”, muistelee Ritalan väitöskirjan ohjaaja, professori Markku Leskelä, yksi ALD:n edelleenkehittämisen päähenkilöistä. ”Se oli perustutkimusta, joka osoittautui hyvin tärkeäksi.”

Aurinkopaneeleita ja koruja

ALD-menetelmän hienous on sen yksinkertaisuudessa. Kun oikeat kemialliset yhdisteet on löydetty, tarttuvat kaasumaiset molekyylit ALD-reaktorissa vaikkapa lasi- tai piilevyn pintaan yksi ainoa atomikerros kerrallaan. Ohuimmillaan syntyvä kalvo voi olla alle nanometrin paksuinen, eli miljoonasta kalvosta syntyisi millimetrin kerros.

Vielä 80-luvun lopulla ALD:n tärkeimmät sovelluskohteet olivat litteät näytöt ja uutuutena aurinkopaneelit. Japanissa ALD:tä kokeiltiin Suntolan työn pohjalta yhdistepuolijohdemateriaalien valmistukseen, mutta vähäisin tuloksin.

Vihdoin vuosituhannen vaihteessa elektroniikkateollisuus lakkasi kiukuttelemasta ALD-tekniikan hitaudesta ja otti sen omakseen. Oikeastaan muuta vaihtoehtoa ei ollut, kun elektroniikan komponentit yhä vain kutistuivat, ja ALD oli käytännössä ainoa tekniikka, jolla muutaman atomikerroksen paksuista materiaalia saattoi hallitusti ja luotettavasti valmistaa.

ALD:hen liittyviä patentteja tehtiin maailmassa vuoteen 2000 asti muutamia kymmeniä vuodessa, mutta vuonna 2010 jo yli 800.

ALD:ssa kaasumolekyylit löytävät mikropiirien syvimpiinkin sopukoihin. Tämä kyky seurata kolmiulotteisia pinnanmuotoja on hyväksi havaittu myös esimerkiksi koruteollisuudessa. Kalevala Koru pinnoittaa ALD:tä käyttäen kaikki hopeakorunsa kymmenen nanometrin alumiinioksidikerroksella, etteivät ne tummuisi.

Listaa ALD:n jo toteutuneista ja mahdollisista sovelluskohteista voisi jatkaa pitkään: ruosteenestopinnoitteet, röntgenoptiikka, litium-ioniakut, polttokennot… Huipputekniikkaa, jolla voidaan yhtä lailla torjua ilmastonmuutosta kuin rakentaa entistä kehittyneempää viihde-elektroniikkaa.

ALD:n ABC

Ohutkalvo syntyy ALD-reaktorissa kaasupulssien avulla sykleittäin. ALD-syklissä on neljä vaihetta, ja sykli voidaan toistaa niin monta kertaa kuin tahdotaan — riippuen halutusta kalvonpaksuudesta.  

1. Piikiekko tai muu pinta kyllästetään halutulla lähtöaineella. Lähtöaineen valinnasta riippuu moni rakennettavan kalvon ominaisuus kuten eristyskyky tai sähkönjohtavuus.

2. Reaktorikammiosta huuhdellaan ylimääräiset molekyylit pois, jolloin pinnalle jää vain yksi molekyylikerros.

3. Kammioon tuodaan toinen lähtöaine, joka reagoi pinnalla olevan kerroksen kanssa.

4. Kammio huuhdellaan uudestaan ylimääräisistä molekyyleistä, ja jäljelle jää halutunlainen ohutkalvo.

Markku Leskelä kumppaneineen on saanut ALD-löydöistään paljon muutakin kunniaa kuin huippupaikan eniten siteerattujen tutkijoiden listoilla. Professori Leskelä vetää Helsingin yliopistossa Atomikerroskasvatuksen huippututkimusyksikköä.

Teksti: Tuomo Tamminen
Kuvat: Veikko Somerpuro