Nykypuhelimien suorituskyky pohjautuu suomalaiskeksintöön, josta puolijohdeteollisuus on tullut riippuvaiseksi. Mikko Ritala kehittää ALD-menetelmää eteenpäin Tuomo Suntolan ja Markku Leskelän jalanjäljissä.

Mikko Ritala tuli opiskelijana Helsingin yliopistoon vuonna 1991, kun professori Markku Leskelä oli käynnistämässä aivan uutta tutkimusta. Leskelä halusi syventyä Tuomo Suntolan kehittämään atomikerroskasvatukseen eli ALD-menetelmään.

Seuraavana vuonna kemian laitos sai ensimmäisen ALD-laitteen, jolla Ritala teki väitöstutkimuksensa. Professorina hän jatkaa yhä atomikerrosten parissa. Tutkimus Helsingin yliopistossa on jatkunut jo kaksikymmentäseitsemän vuotta.

”Tässä on yhä aika paljon savottaa tehtävänä. Avoimia kysymyksiä tuntuu olevan paljon enemmän kuin aloittaessani vuonna 1991”, Ritala naurahtaa.

Tekniikan tohtori Tuomo Suntola palkittiin ALD-keksinnöstään toukokuussa 2018 miljoonan euron Millennium-teknologiapalkinnolla. Keksintö syntyi jo 1970-luvulla litteiden elektroluminesenssinäyttöjen valmistukseen.

Kului vuosikymmeniä ennenkuin menetelmä löi itsensä läpi teollisuudessa. Tänä vuonna aika oli kypsä teknologiapalkinnolle, koska puolijohdeteollisuus on tullut riippuvaiseksi Suntolan keksinnöstä. ALD:tä käytetään mikropiirien valmistukseen matkapuhelimien mikropiirien valmistukseen litografisten menetelmien ohella, ja juuri Suntolan keksintö on mahdollistanut esimerkiksi nykypuhelimien suorituskyvyn.

”ALD:n ansiosta piireille voidaan sijoittaa suuri määrä komponentteja, ja samalla laskentateho sekä muistikapasiteetti kasvavat huomattavasti. Muitakin menetelmiä tarvitaan mutta ALD on keskeinen”, Mikko Ritala kertoo.

Puolijohdeteollisuus on menetelmän suurkäyttäjä mutta sovelluksia on muillakin aloilla. Jopa koruja ja kolikoita on pinnoitettu Suntolan menetelmällä.

ALD:tä valmistuksessa hyödyntävien tuotteiden markkinat ovat nykyisin 500 miljardin euron luokkaa ja ALD-laitteidenkin markkinat yhdestä kahteen miljardia euroa.

ALD-laitteessa halutulle pinnalle kuten piikiekolle kerrostetaan atominpaksuisia kerroksia päällekkäin. Atomit peittävät pinnan kauniisti, asettuen vieri viereen, ja uusi kerros valmistetaan edellisen päälle.

Pinnoitettava kappale asetetaan reaktoriin, johon syötetään ensimmäinen lähtöaine höyrytilassa. Molekyylit kiinnittyvät kappaleen pintaan, ylimäärä lähtöainetta huuhdellaan pois ja toinen lähtöaine syötetään kammioon. Pinnassa kiinni olevat molekyylit reagoivat toisen lähtöaineen kanssa. Tapahtuu kemiallinen reaktio, jossa molekyylinosia irtoaa pois.

Reaktion jälkeen pintaa peittää tasainen kerros haluttua yhdistettä. Reaktiovaiheita voidaan toistaa loputtomasti ja kasvattaa pinnoitteen paksuutta.

Klassisessa esimerkissä reaktoriin on syötetty sinkkikloridia, joka reagoi rikkivedyn kanssa siten että syntyy sinkkisulfidia, joka peittää lasisubstraatin pinnan.

Mikko Ritala työskentelee Kumpulassa Helsingin yliopiston kemian laitoksella.

ALD:n tutkimus on aktiivista

Kumpulassa Helsingin yliopiston kemian laitoksella ALD-laitteita on laboratoriossa vieri vieressä, mutta silti kymmenelle laitteelle on suorastaan jonoa. ALD on ollut aiheena ainakin kahdessakymmenessä väitöskirjassa, ja samalla yliopisto on kouluttanut alan osaajia Suomeen.

 

Kuuntele Mikko Ritala yksi: Millainen on ALD-laite ja miten atominpaksuisia kerroksia rakennetaan?

Tutkijat selvittävät, miten kemian avulla voidaan valmistaa erilaisia kalvoja eri tarpeisiin. Kemiallisten reaktioiden mekanismejakin on tutkittu käyttäen apuna kvartsikidemikrovaakaa ja massaspektrometriaa.

”Kun kalvo kasvatetaan kvartsikidemikrovaa´an päälle, mikrovaaka näyttää suoraan, kuinka kalvon massa muuttuu reaktion edetessä. Kun pintaan tuodaan lähtöainemolekyyli, kalvon massa kasvaa, ja kun kemiallinen reaktio tapahtuu ja molekyylinosia irtoaa, massa hiukan pienenee. Kun tätä toistetaan useita kertoja, massanmuutoksista voidaan päätellä, missä muodossa lähtöainemolekyyli tarttui pintaan”, Mikko Ritala kertoo.

”Massaspektrometrilla puolestaan nähdään, millaisia yhdisteitä kaasufaasi sisältää syklin eri vaiheissa, ja tästä nähdään, missä vaiheessa mitkäkin molekyylinosaset irtosivat lähtöaineesta”.

Helsingin yliopiston kemian laitoksella on  kymmenen ALD-laitetta, mutta silti laitteille on  jonoa.

Uusia haasteita ALD-tutkimuksessa

ALD:ssa kalvo muodostuu pinnoitettavan kappaleen kaikille pinnoille. Tästä on mikroelektroniikassa joskus jopa haittaa, koska kalvo joudutaan jatkotoimenpiteitä varten poistamaan osasta pintaa.

”Poistaminen litografialla on varsin kallista, työlästä ja vaatii erittäin suurta tarkkuutta, kun komponenttien viivanleveydet ovat alle 10 nanometriä. Kukin kalvokerros täytyy myös linjata toisten kalvokerrosten suhteen jopa yhden nanometrin tarkkuudella, joten epäonnistumisen riski on suuri”, Ritala kertoo.

Niinpä tutkijat etsivät konsteja, joilla ALD-pinnoite kasvaa vain sellaisiin pinnan osiin, joissa se on tarpeen.

”Kun pinta sisältää eri materiaaleja kuten piitä, eristeoksidia ja metallia, niin tavoitteena on kasvattaa ALD-kalvo vain yhdelle näistä tarpeen mukaan”.

Kemistit etsivät nyt sellaisia lähtöaineita, jotka reagoivat vain halutun pinnanosan kanssa. Osa pinnasta voidaan myös passivoida, jolloin se ei lainkaan reagoi lähtöaineiden kanssa.

Jutun toimitus ja valokuvat: Sisko Loikkanen

Kuuntele Mikko Ritala kaksi: Miten paikkaselektiivisyys toteutetaan?

Kuuntele Mikko Ritala kolme: Uusia tutkimussuuntia ovat orgaaniset reaktiot ja erilaisten hybridimateriaalien kerrostaminen.

Share This