Artikkeli on julkaistu Yliopisto-lehdessä 3/2023.
Nuori fyysikko Tuomo Suntola teki ehkä kaikkien aikojen merkittävimmän suomalaisen keksinnön vuonna 1974, kun hän mietti Instrumentariumille uusia ratkaisuja lääketieteellisten laitteiden näytöiksi.
Suntola halusi kehittää teollisen menetelmän hyvin ohuen mutta tasalaatuisen sinkkisulfidikalvon valmistukseen. Hän tuijotti työnhuoneensa seinällä roikkuvaa alkuaineiden jaksollista järjestelmää ja sai idean. Kalvon voisi rakentaa kemiallisilla reaktioilla, atomikerros kerrokselta: rikkiä, sinkkiä, rikkiä, sinkkiä…
Rikkipinta sitoo kaasumaista sinkkiä itsensä, kunnes jokainen rikkiatomi on sitonut sinkin ja pinta onkin pelkkää sinkkiä. Ylimääräinen sinkki huuhdellaan pois ja sisään päästetään kaasumaista rikkiä. Tällöin sinkkipinta sitoo itseensä rikkiä kunnes pinta on pelkkää rikkiä, ja niin edelleen.
Tämä on edelleen atomikerroskasvatuksen eli ALD:n (atomic layer deposition) ydinidea.
— Idea on yksinkertainen, mutta kemistin olisi ollut vaikea sitä keksiä ainakaan tuntematta sovelluskohdetta. Suntola oli tekniikan tohtori ja keksijä, ja ideointi sai alkunsa tarpeesta, kertoo epäorgaanisen kemian emeritusprofessori ja Suntolan ystävä Markku Leskelä.
Kun Suntola kertoi kemisteille ALD:stä runsaat 40 vuotta sitten, muutamat innostuivat — Leskelä heidän joukossaan — ja alkoivat kehittää menetelmää eteenpäin.
— Kemia on ALD:ssä kaiken a ja o. Jos se ei toimi, menetelmäkään ei toimi, Leskelä sanoo.
Voiko tekniikkaa vielä tehostaa?
Merkittävimmin ALD on vaikuttanut tietokoneiden sisällä. Vuonna 2007 Intel toi markkinoille ensimmäisen mikroprosessorin, jossa transistorit oli valmistettu ALD-teknologian avulla. Nykyisin jokainen uuden tietokoneen komponentti käy läpi noin 70 ALD-prosessia.
Niin sanottu Mooren laki on voinut jatkaa toteutumistaan 2000-luvun ALD-tekniikoissa: integroitujen piirien kapasiteetti on yhä kaksinkertaistunut kahden vuoden välein.
Onko tekniikkaa edelleen mahdollista tehostaa?
— Avuksi voidaan ottaa kolmas dimensio eli rakentaa komponentteja päällekkäin. ALD on tässä avainasemassa, koska pinnan muodon ei tarvitse olla tasainen. ALD:llä voi rakentaa kolmiulotteisia transistoreja ja vastuksia. Erityisesti muistikomponenteissa se on avain eteenpäin.
Oivallus tien päällä
Yksi uusi avaus on paikkaselektiivinen atomikerroskasvatus: kalvoa ei tehdä koko pinnalle vaan kohdennetusti sinne missä tarvitaan. Tällöin valitaan aineita, jotka reagoivat esimerkiksi vain metallin mutta eivät eristeen pinnalla.
Vastakkainen menetelmä on paikkaselektiivinen etsaus, jossa polymeeriä poistetaan valikoiden tiettyjen materiaalien päältä. Professori Mikko Ritala sai oivalluksen tähän uuteen tekniikan ajaessaan autolla Mikkelistä, jossa hän oli toiminut vastaväittäjänä. Väitös käsitteli dieselmoottorien katalyyttipinnoitteen valmistusta ALD:n avulla.
Dieselmoottorin katalyyttipinnoitteessa platina saa aikaan sen, että nokipartikkelien rakosista luikerteleva happi hapettaa noen hiilidioksidiksi ja vedeksi. Ritala pohti, että näin polymeerejäkin voisi poistaa katalyyttisiltä pinnoilta.
Ongelmana vain oli, että polymeerikalvot ovat jatkuvia, joten suoraa reittiä katalyytin pinnalle ei ollut. Sitten hän keksi kääntää eduksi polymeerien yleisen ongelman: sen, että happi läpäisee helposti paksutkin polymeerit.
Kun polymeerin alla on erilaisia materiaaleja, se poistuu katalyyttisen materiaalin päältä, mutta jää muualle suojaksi.
— Kerroin ideasta jatko-opiskelijallemme Chao Zhangille. Jo viikon päästä hän oli osoittanut menetelmän toimivaksi. Olemme sittemmin varioineet ja hyödyntäneet tätä eri tavoin, Ritala kertoo.
Aurinkokennot uusiksi
Vaikka tietokoneet ovat ALD:n kaupallisesti merkittävin sovelluskohde, pinta-alaltaan eniten ALD-kalvoja tehdään aurinkokennoihin. Hyötysuhteen parantamiseksi piikennojen pinta passivoidaan, ja tässä ALD-pinnoitus alumiinioksidilla on noussut tärkeimmäksi menetelmäksi.
— Mikroelektroniikan kehityksessä ALD:lle ei ollut vaihtoehtoja. PERC-aurinkokennojen valmistuksessa vaihtoehtoja on, mutta ALD on ottanut siellä merkittävän roolin. Saa nähdä, onko se tulevaisuudessa ainoa tapa aurinkokennojen pinnoitukseen, professori Matti Putkonen sanoo.
ALD voi myös auttaa uuden sukupolven aurinkokennojen kehityksessä.
Perinteisissä aurinkokennoissa pii nappaa auringonvalon fotonit sähkövirraksi. Lupaava rinnakkainen teknologia perustuu perovskiittien käyttöön piin korvaajana.
Perovskiiteiksi kutsutaan materiaaleja, joilla on samanlainen kiderakenne kuin varsinaisella perovskiitilla eli kalsiumtitanaatilla.
Oikein kemikaalein
Perovskiitti sopii aurinkokennoksi ikkunalaseihin, koska se on muokattavissa osittain tai täysin läpinäkyväksi toisin kuin pii, kertoo materiaalikemian väitöskirjatutkija Georgi Popov.
— Sitä voi käyttää myös hankalan muotoisten kohteiden pinnalle, ja se sopii erinomaisesti taipuisiin kennoihin toisin kuin pii.
Perovskiittia on tutkittu paljon. Ohutkalvo muodostetaan tiputtamalla pisara valmistusliuosta noin sentin kokoiselle alustalle, joka pyörii tuhansia kierroksia minuutissa. Näin saadaan valmistettua laboratoriossa oivasti toimivia aurinkokennoja. Teollisesti menetelmä on epäkelpo, koska aurinkokennot ovat suuria.
Ongelma on kuin luotu atomikerroskasvatukselle. Popov kehitti vuosina 2017—2018 toimivan menetelmän, jolla aurinkokennoihin sopivaa perovskiittia voi valmistaa ALD:llä. Miksi tätä ei ollut keksitty jo aiemmin?
— ALD:ssä tärkeää on löytää oikeat kemikaalit. Kirjallisuuden ja omien kokeiden avulla onnistuin löytämään sellaiset, Popov toteaa.
Hänen menetelmässään ALD:llä kasvatettua cesiumjodidia ja lyijyjodidia yhdistetään cesiumlyijyjodidiksi, joka on aurinkokennoissa hyvin toimiva perovskiitti.
— Menetelmä on vielä liian kallis teollisuudelle, mutta se ei ole tarinan loppu. Voimme kehittää prosesseja eteenpäin.
Rooli vain kasvaa
Kymmenisen vuotta sitten professori Edward Hæggström kysyi Ritalan luennolla, mitä tulee ALD:n jälkeen.
— En osannut vastata. Olen sittemmin kysynyt samaa yritysmaailmassa ja tutkijayhteisössä, eikä kukaan tiedä. On vaikea nähdä ALD:n syrjäytyvän mikroelektroniikassa. Sen rooli näyttäisi vain kasvavan, Ritala sanoo.
Putkonen huomauttaa, että perustutkimuksen merkitystä alan kehityksessä on välillä vaikea arvioida, koska mikroelektroniikan valmistajat pimittävät tarkkaa tietoa materiaalivalinnoistaan. Alalla on yrityksiä, jotka ostavat komponentteja ja analysoivat ne läpikotaisin selvittääkseen, mitä ne pitävät sisällään.
— Niistä voi usein päätellä, että komponentti on ollut pakko tehdä ALD:llä, kun millään muulla tekniikalla ei olisi voinut saavuttaa samanlaista kolmiulotteista rakennetta, Putkonen sanoo.
Yliopisto-lehti on Helsingin yliopiston tiedeaikakauslehti, joka on sitoutunut Journalistin ohjeisiin.
Yritys kumppanina
HelsinkiALD-tutkimusryhmässä on tällä haavaa noin 30 henkeä. Professorit Mikko Ritala ja Matti Putkonen kumppaneineen kehittävät ALD-prosesseja ja uusia lähtöaineita sekä tutkivat reaktiomekanismeja.
Merkittävää on 2004 alkanut yhteistyö mikroelektroniikkateollisuuden ALD-reaktoreita valmistavan hollantilaisen suuryrityksen ASM:n kanssa. Yrityksen Suomen-yksikkö ASM Microchemistry Oy toimii Kumpulan kampuksen Chemicum-rakennuksessa ja rahoittaa nyt noin kymmentä väitöskirjantekijää ja tutkijaa.
— Jotkut epäilevät yritysyhteistyötä tempoilevaksi, mutta tämä on pitkäjänteisintä rahoitusta, jota olemme mistään saaneet, Ritala sanoo.
Fysiikka tulee mukaan
Kemia ei pitkistä perinteistään huolimatta ole ainoa tapa tehdä hyvin ohuita kalvoja kerros kerrokselta. Kumpulan hiukkaskiihdytinlaboratoriossa kokeellisen materiaalifysiikan apulaisprofessori Kostas Sarakinos pyrkii samaan fysiikan keinoin.
Menetelmää kutsutaan PVD:ksi (physical vapor deposition). Kiinteä aine muutetaan kaasuksi kuumentamalla tai ampumalla sen pintaa ioneilla. Näin syntynyt höyry kulkeutuu pohjamateriaalin pinnalle, jossa se kiinteytyy ja muodostaa ohutkalvon.
ALD:llä ja PVD:llä on kummallakin omat vahvuutensa.
— PVD on nopea ja keskeyttämätön prosessi. Siinä ei tarvitse odottaa pintakemiallisten reaktioiden valmistumista. Siksi se yleensä on halvempi ja helpompi kuin ALD.
PVD on suoraan mahdollista useimmilla alkuaineilla, kun taas ALD on riippuvainen reaktioista.
— Vaikean muotoisissa kohteissa ALD on ehdoton pinnoitusmenetelmä siinä missä PVD vain ampuu atomeita pintaa kohti ja jättää paljaaksi sen, mikä ei ole tulilinjalla.
Sarakinos keskittyy nyt kehittämään magnetronisputterointia (magnetron sputtering). Tämä pinnoitustekniikka on tunnettu jo 1960-luvulla. Pintaan törmäävän argonionivuon tiheyttä lisätään magneettikentän avulla ja menetelmän teho kasvaa.
Parantunut laskentateho ja kehittynyt analytiikka auttavat tutkijoita saamaan menetelmästä entistä enemmän irti.
— Voimme seurata reaaliajassa atomien liikkeitä koko matkan höyrystymisestä pinnan muodostumisen yksityiskohtiin ja myöhemmin voimme mallintaa tapahtunutta nanoskaalalla. Voimme luoda prosesseja, joissa vaikkapa metallin tai grafeenin pintaan saadaan haluttuja nanomittakaavan kuvioita, Sarakinos kuvaa.