Mullistaako uusi menetelmä nanopinnoitteiden valmistuksen?

Ville Lovikka esittelee väitöstyössään ohutkalvojen kasvattamista pinnanmuotojen perusteella, mikä on pikemminkin pintafysiikkaa kuin -kemiaa. Hän keskittyy kasvattamaan pinnoitteita alkaen nanorakenteiden sisäosista, jotka ovat olleet perinteisille menetelmille kaikkein vaikeinten tavoitettavia, saati että nanorakenteiden täyttäminen olisi ollut niin valikoivaa, että niiden ulkopuoliset osat olisivat jääneet pinnoittamatta.

Mitä tutkit ja mikä tutkimuksen tavoite oli?

Tutkin pinnoitteiden ja ohutkalvojen kasvattamista kaasumaisilla/höyrymäisillä kemikaaleilla aiemmasta tutkimuskentästä poikkeavalla tavalla. 

Modernit puolijohdesirut valmistetaan monimutkaisella sarjalla tällaisia käsittelyitä, joten modernin yhteiskunnan voidaan sanoa olevan menetelmistä syvästi riippuvainen. Se mitä tutkin poikkeaa kuitenkin aiemmasta tutkimuskentästä yhdellä fundamentaalilla erolla.

Yleensähän jos halutaan tehdä paikkavalikoivia pinnoitteita, hyödynnetään joko litografiaa ja pintojen ”naamiointia” sapluunoin tai sitten pintojen kemiallisten ominaisuuksien eroja. Litografian haasteena on se, että se on ylhäältä ohjattua, joten sen soveltaminen muuttuu hyvin vaikeaksi ja kalliiksi kun rakenteet pienenevät tai jos rakenteiden muoto poikkeaa tasaisesta. Moderni elektroniikka on tästä erinomainen esimerkki – moderni litografialaitteisto maksaa satoja miljoonia ja vaatii äärimmäistä tarkkuutta. Toinen yhä kasvava trendi on kehittää nykyisiä menetelmiä siten, että ne ovat valikoivia pintojen kemiallisten ominaisuuksien suhteen. 

Etsin keinoja pinnoittaa nanorakenteita niiden muodon perusteella. Aihe on lähes täysin koskematon ja potentiaali on mittava.

Mitkä olivat tutkimuksen päälöydökset?

On mahdollista pinnoittaa tai täyttää nanorakenteita alkaen niiden sisäosista ja kapeikoista ja vieläpä niin, että muut pinnat voivat jäävät puhtaiksi. Tämä on lähes täydellinen vastakohta useimmille kaasufaasisille pinnoitusmenetelmille, joissa pinnoittaminen on vahvimmillaan rakenteiden ulkonemissa tai tasaisen paksua kaikilla pinnoilla, joka toki on usein tavoiteltu suoritus.

Mielenkiintoista kyllä, tutkimani kapillaarikondensaatiolle perustuva menetelmä ei ole samalla tavalla herkkä samoille haasteille kuin monet nykyiset menetelmät. Esimerkiksi kaasumaiset epäpuhtaudet voivat jopa parantaa pinnoittamisen valikoivuutta sen sijaan että estäisi koko prosessin. Alipainetta ei välttämättä tarvita, mikä yksinkertaistaa prosessia paljon. 

Kokeiluja tee-se-itse -laitteistolla

Tein omat kokeeni parin tonnin itse rakennetulla laitteistolla ilman pumppulinjoja tai edes ilmatiivistä reaktorilinjaa.

Käsittelin myös mahdollisuutta tehdä valikoivia pinnoituksia niin, että kasvatus tapahtuu vain pintojen huippukohtiin. Tämä olisi myös topografisesti valikoiva pinnoitusmenetelmä ja tarjoaisi jälleen uudenlaisia valikointisääntöjä sille, minne ja miten pintoja käsitellään. Sen lisäksi menetelmä saattaisi tarjota uudenlaisia reittejä nanopartikkeleiden valmistamiselle. Omat kokeeni tässä aiheessa epäonnistuivat, mutta kirjallisuudesta löytyy jo esimerkkejä.

Koko topografisesti valikoivien pinnoitteiden aihepiiri on siis lentänyt tutkan alla. Osa löytämästäni kirjallisuudesta ei käsittele pintavalikoivuutta laisinkaan tai jättää sen sivumaininnaksi. Kaupallisesti toki tunnetaan ainakin yksi menetelmä toposelektiivinen-leiman alla, mutta menetelmä ei vaikuta olevan aidosti topovalikoiva, mikä tullee ilmeisemmäksi, kun siirrytään monimutkaisempiin pintarakenteisiin. Epäselvyydet käytetyssä termistössä saattavat jopa hidastaa kentän kehitystä.

Onko tutkimustuloksilla käytännön sovelluksia?

Topografisesti valikoiva pinnoittaminen tarjoaa kokonaan uusia valintasääntöjä sille, minne ja miten nanorakenteita käsitellään. Nanoteknologiainsinöörit saavat uusia työkaluja. Uskon että lähestymistapa mahdollistaa sekä nykyisten sovellusten valmistamista tehokkaammin mutta myös kokonaan uusia teknologioita, jotka eivät todellakaan rajoitu pelkästään mikroeletroniikkaan.

Puolijohteet ovat eräs mahdollinen sovelluskohde. Ne mielletään nykyään strategisesti ja turvallisuudenkin kannalta tärkeiksi ja alan massiivista kasvattamista EUn sisällä on peräänkuulutettu myös julkisessa mediassa. Tutkimukseni saattaa liittyä tulevaisuudessa kilpailtuun menetelmäperheeseen. 

Taiwanilainen TSMC on jo aloittanut kondensaatioavusteisten täyttömenetelmien patentoimisen ja on viitannut tutkimukseenikin. Patenteissa kuvataan tapa täyttää kapeita rakoja siten, että täytteeseen ei jää keskelle saumaa. Se lisää elektronisten sovellusten luotettavuutta ja helpottaa valmistamista

Tarvitaan kuitenkin ainakin vuosikymmen työ, että näistä menetelmistä tulee ratkaisevia teknologioita. Sitä ennen on kuitenkin taattava, että EU ei putoa heti alkutekijöissään kelkasta.