Atomikerroskasvatusmenetelmän kehittäjä Tuomo Suntola sai Millennium-teknologiapalkinnon

Atomien kerroskasvattamisella parannetaan mikroelektroniikan suorituskykyä. Alan edelläkävijät löytyvät Helsingin yliopiston kemian osastosta. Maarit Mäkelän tulossa olevassa väitöstilaisuudessa esitetään atomikerroskasvatus- eli ALD-prosessit kullan ja hopean kasvattamista varten.

Vuoden 2018 Millennium-teknologiapalkinnon on saanut ALD-menetelmän eli atomikerroskasvatustekniikan keksijä Tuomo Suntola. Suntolan 1970-luvun puolivälissä kehittämän tekniikan nimi, ALD, tulee sanoista Atomic Layer Deposition. Se on menetelmä, jossa alustamateriaali, kuten piikiekko, pinnoitetaan atomeilla kerros kerrokselta. Tämä nanoteknologian menetelmä on maailmanlaajuisessa käytössä, ja sillä valmistetaan muutaman atomikerroksen paksuisia ohutkalvoja esimerkiksi mikroprosessoreihin ja muistipiireihin.

Helsingin yliopistosta löytyvät alan tulevaisuutta luotaavat pioneerit, kemian professorit Markku Leskelä ja Mikko Ritala työryhmineen. He ovat työskennelleet atomikerroskasvatuksen parissa jo lähes 30 vuotta.

– Maailman tuotteliain ALD-tutkimusryhmä Helsingin yliopistosta onnittelee Tuomo Suntolaa Millennium-teknologiapalkinnosta, sanoo Mikko Ritala yliopiston materiaalikemian tutkimusryhmästä iloisesti heti kuullessaan, että palkinto tuli omalle tutkimusalalle.

Helsingin yliopiston ALD-osaajat ovat alan julkaisijoiden kärjessä

ALD-menetelmällä pinnoitetaan monimutkaisia kolmiulotteisia rakenteita tarkasti atomikerros kerrallaan. Helsingin yliopistossa uusia atomikerroskasvatusprosesseja ja -materiaaleja kehitetään ikään kuin yhteiseen maailmanlaajuiseen ALD-kirjastoon teknologian mahdollisia sovellusalueita laajentaen.

Vuosina 2012-2017 yliopistossa toiminut Atomikerroskasvatuksen tutkimuksen huippuyksikkö onkin juuri tekemässä yhteenvetoa ryhmänsä työstä. Tulos on varsin komea, sillä kansainvälisen alan tieteellisten julkaisijoiden ”kaikkien aikojen listan kärjessä” ovat Markku Leskelä, jolla on 329 artikkelia, ja Mikko Ritala, jolla on alalta 327 julkaistua artikkelia. Molemmilla on myös arvostettu ISI highly cited author -status materiaalitutkimuksen alalla.

– Me keskitymme uuden ALD-kemian kehittämiseen eli lähtöaineisiin ja prosesseihin. Reaktiomekanismejä tutkimalla haluamme myös syventää kemian ymmärtämistä, Ritala kuvaa ohutkalvotutkimusta yliopistossa.

Tulossa grafeenin kaltaisia kaksiulotteisia materiaaleja

Viime aikoina kemistit ovat tutkineet grafeenin kaltaisia kaksiulotteisia materiaaleja, sellaisia kuin MoS2, ReS2 ja SnS2, joille he ovat jo kehittäneet ALD-prosessit.

– Vuonna 2010 Nobelilla palkitulla grafeenilla ja sen vanavedessä kiinnostuksen kohteeksi nousseilla grafeenin kaltaisilla yhdisteillä on kaksiulotteinen rakenne ja siksi ainutlaatuisia ominaisuuksia. Niiden odotetaan mahdollistavan aiempaa edistyneempiä ja myös kokonaan uusia tuotteita elektroniikkaan ja energian tuotantoon ja varastointiin sekä katalyyttisovelluksiin, Ritala kertoo.

Maarit Mäkelä on kullan ja hopean kasvattaja

Tuoretta tutkimusta on myös Maarit Mäkelän työ, jonka hän esittää tarkastettavaksi väitellessään tohtoriksi 4. kesäkuuta. Hänen väitöskirjassaan kehitettiin ALD-prosessit kullan ja hopean kasvattamiseen.

Mäkelän väitöksen kirjallisuuskatsauksesta selviää, että ALD-prosesseja kulta- ja hopeaohutkalvojen valmistamiseen on vain muutamia. Prosesseja on vähän, koska useimmat kulta- ja hopeayhdisteet eivät kestä kuumennusta. ALD-menetelmässä ohutkalvo kasvatetaan lämmitetyssä reaktiokammiossa ja perusedellytys on, että metallilähdeaine eli -yhdiste ei hajoa lämmön vaikutuksesta kaasufaasissa tai kasvatuspinnalla.

– Kulta on ALD-kemian kannalta hyvin haastava metalli, ja hyvän kultaprosessin kehittämisestä oli tulla jo ylitsepääsemätön tehtävä. Timo Hatanpään sinnikkään ja innovatiivisen lähtöainekehityksen ja Maarit Mäkelän kasvatustutkimusten kautta myös kullalle löydettiin lopulta hyvä atomikerroskasvatusprosessi, näitä väitöstöitä ohjannut Mikko Ritala sanoo.

Pinnoite, joka seuraa kasvualustan syviä muotoja

Kehitettyjä prosesseja voidaan käyttää tulevaisuudessa, Mäkelä uskoo.

– Esimerkiksi hopeaa kasvatettiin työssäni titaanisille kasvualustoille. Vastaavaa titaanipintaa voidaan teoriassa käyttää leukaluuhun kiinnitettävässä keinojuuressa. Hopeapinnoitteen tarkoituksena oli estää bakteerien kasvua titaanipinnalle, ja näin se myös teki. Tällainen hopeapinnoite voisi vähentää tulehduksia ja siten antibioottien tarvetta, Maarit Mäkelä sanoo.

Koska hopeapinnoite valmistettiin ALD-menetelmällä, sen paksuutta pystyttiin tarkasti kontrolloimaan ja pinnoite seurasi tarkasti kasvualustan syviä muotoja.

Perustutkimusta ja sovelluksia puolijohdeteollisuudelle

Markku Leskelä ja Mikko Ritala ovat siis ALD-tutkimuksen kansainvälisiä pioneereja. Heidän johtamassaan tutkimuksessa kemiallisia valmistusmenetelmiä työstetään materiaaleille, joita tarvitaan varsinkin mikroelektroniikassa. Sovelluskohteita löytyy silti myös korroosionestosta energiatekniikkoihin ja lääketieteeseen.

He yhdistävät ohutkalvo- ja pintatekniikoita nanotasolla, syntetisoivat lähdeainemolekyylejä ja järjestävät molekyylit pinnoille. Äärimmäisen ohuiden kalvojen analysoiminen on vaikeaa, ja siksi tiivis yhteistyö fysiikan professorien Juhani Keinosen ja Jyrki Räisäsen johtaman kiihdytinlaboratorion kanssa on ollut keskeistä.

ALD-tekniikan sovellukset kiinnostavat maailmalla, ja yliopistossa tehdyt tutkimustulokset ovat siirtyneet käytäntöön ja vahvistavat suomalaisen atomikerroskasvatusteollisuuden asemaa kansainvälisessä kilpailussa. Alan tärkeitä yrityksiä ovat ASM Microchemistry, Picosun ja Beneq, joissa jokaisessa työskentelee useita Helsingin yliopiston kasvatteja.

– ASM-yhteistyössä on meneillään 15. vuosi ja uusi 5-vuotissopimus on suunnitteilla. Kehitämme heillekin uusia ALD-prosesseja, joita he sitten myyvät laitteidensa mukana puolijohdeteollisuudelle ympäri maailman, Mikko Ritala kertoo.

Jo vuodesta 2004 lähtien yliopiston vuokralaisena Kumpulan kampuksella toiminut ASM Microchemistry Oy on laajentanut toimintojaan, ja viime syksynä yhtiölle valmistui uudet laboratoriot Pietari Kalmin kadulle entisten tilojen yhteyteen. Yrityksen asiakkaina ovat pääasiassa Hollannissa pääkonttoria pitävän emoyhtiön ASM International N.V.:n liiketoimintayksiköt, jotka kehittävät ja myyvät ohutkalvojen valmistuslaitteita.  

– Yliopistolle tärkein hyöty tästä yhteistyöstä on ollut kohta 15 vuotta kestänyt pitkäjänteinen tutkimusrahoitus. ASM Microchemistry Oy rahoittaa useita jatko-opiskelijoita, Ritala sanoo.

Tasavallan presidentti Sauli Niinistö jakoi kahdeksannen Millennium-teknologiapalkinnon Helsingissä 22.5.2018. Palkinnon arvo on miljoona euroa. Sen myöntää Tekniikan Akatemia -säätiö TAF.

Vuonna 2012 Millennium-teknologiapalkinnon sai avoimen lähdekoodin asiantuntija Linus Torvalds, joka on Helsingin yliopiston kasvatti. Hän jakoi palkinnon kantasolututkija Shinya Yamanakan kanssa.

Lisätiedot palkitsemisesta ja palkinnosta:
Päivi Törmä, Millennium-teknologiapalkinnon kansainvälisen palkintolautakunnan puheenjohtaja, paivi.torma@aalto.fi
Ari Ahonen, toimitusjohtaja, Tekniikan Akatemia TAF, ari.ahonen@taf.fi

Tutustu ALD-osaamiseen Helsingin yliopistossa

Kuuntele podcast-ohjelmaa ALD-tekniikasta ja muista uusista materiaaleista. Jak­sossa Kings of Che­mi­stry kohtaavat nanoselluloosan kehittäjä Alistair King ja Peter King ALD-laboratoriosta. Onko heillä muuta yhteistä kuin sukunimi? Huumorintaju ainakin. Puolijohdeteollisuuden käyttämät pinnoitteet hyödyntävät eri materiaalien ominaisuuksia, ja niitä pystytään käyttämään nanomittakaavaan kutistuvissa prosessoreissa.

Markku Leskelä, Atomikerroskasvatuksen mullistaja
Lue lisää materiaalikemiasta ja ohuista kalvoista
Lue lisää perustutkimuksesta puolijohdeteollisuudelle: https://www.helsinki.fi/fi/uutiset/luonnontieteet/perustutkimusta-puolij...
PLOS ONE 10.2.2018, Characterizing the field of Atomic Layer Deposition: Authors, topics, and collaborations

Yliopiston ALD-asiantuntijoiden yhteystiedot
Mikko Ritala, 02941 50193, mikko.ritala@helsinki.fi
Markku Leskelä, markku.leskela@helsinki.fi
Maarit Mäkelä, 050 521 8637, maarit.makela@helsinki.fi

Seuraa keskustelua Twitterissa: @HelsinkiALD @KumpulaScience @millenniumprize @Helsinkiuni
Viestinnän asiantuntija Minna Meriläinen-Tenhu, @MinnaMeriTenhu, 050 415 0316, minna.merilainen@helsinki.fi

Lue lisää aiheesta: Luonnontieteet