������

Puolijohteet ovat kaikkialla ympärillämme – esimerkiksi tietokoneissa, älypuhelimissa, autojen ohjausjärjestelmissä ja aurinkopaneeleissa. Puolijohde on materiaaliaine, joka johtaa sähköä paremmin kuin eriste, mutta huonommin kuin metallit, ja jonka sähkönjohtavuus on säädeltävissä. Tärkeimpiä puolijohteita ovat pii, germanium sekä tiettyjen alkuaineiden yhdisteet, kuten galliumarsenidi.

Puolijohteiden valmistus on äärimmäisen tarkkaa ja jatkuvasti kehittyvää huipputekniikkaa. Yksi merkittävimmistä läpimurroista tällä alalla on atomikerroskasvatus eli ALD (atomic layer deposition).

ALD on Aalto-yliopiston alumnin Tuomo Suntolan vuonna 1974 kehittämä ohutkalvojen valmistusmenetelmä, jota voidaan pitää yhtenä merkittävimmistä suomalaisista keksinnöistä. ALD on ollut puolijohdeteollisuudessa jo pitkään nopeimmin kasvava valmistustekniikka. Sen merkittävin sovellusalue onkin juuri mikroelektroniikka, mutta menetelmää hyödynnetään kasvavissa määrin myös esimerkiksi akuissa, aurinkokennoissa ja lääketieteellisissä pinnoitteissa. Suntolalle myönnettiin keksinnöstään miljoonan euron arvoinen vuonna 2018.

“Yhä useampi materiaalikerros tehdään ALD:llä. Kun mikroelektroniikasta tulee jatkuvasti pienempää ja tehokkaampaa, ALD-tekniikasta tulee oikeastaan ainoa vaihtoehto tehdä näitä kerroksia. Mitä pienemmässä mittakaavassa toimitaan, sitä keskeisemmäksi tämä tekniikka tulee”, kertoo professori Ville Miikkulainen Aallon Kemian tekniikan korkeakoulusta.

Suomen ja Tuomo Suntolan rooli ALD-tekniikan alkuunsaattajana on jäänyt suurelle yleisölle usein tuntemattomaksi, kenties siksi, että ALD on osa monimutkaista materiaalijärjestelmää ja piilossa sirujen ja komponenttien sisällä. ALD on kuitenkin mikroelektroniikkaan perustuvan teknologian mahdollistajana olennainen osa jokapäiväistä elämäämme.

Miten ALD toimii?

ALD:llä on keskeinen rooli puolijohteiden valmistuksessa, koska mikroelektroniikan komponentit koostuvat monista ohutkalvokerroksista, jotka rakennetaan piikiekon päälle yksi kerros kerrallaan. Jokainen kerros vaikuttaa siihen, miten komponentti toimii, joten niiden täytyy olla tasaisia ja tarkasti oikean paksuisia.

Tekniikassa ohutkalvomateriaalien lähdeaineet syötetään kaasuina reaktoriin. Ne tarttuvat kemiallisten reaktioiden kautta pinnoille ja reaktiot pysähtyvät itsestään, kun pinta on peittynyt. Reaktori huuhdellaan ja lisätään seuraava lähdeaine, joka reagoi vastaavasti juuri muodostuneen kerroksen kanssa. Näin kalvo kasvaa ’atomikerros kerrallaan’ erittäin hallitusti ja tasaisesti yli koko pinnan.

“Menetelmä on hidas, mutta äärimmäisen tarkka – kalvon paksuutta voidaan hallita alle nanometrin tarkkuudella mutta samalla se kasvaa tasaisesti laajoille, monimutkaisillekin pinnoille”, Miikkulainen kertoo.

Kohti tehokkaampia ja ekologisempia prosesseja

Miikkulaisen tutkimusryhmä keskittyy ALD-prosessien kehittämiseen ja niiden kemiallisten reaktioiden ymmärtämiseen. Tämä on välttämätöntä, jotta voidaan ylipäätään valmistaa vihreän siirtymän edellyttämiä energiamateriaaleja. Tutkimus on esimerkiksi osoittanut, että elektrodien ALD-pinnoituksella voidaan merkittävästi parantaa litiumioniakkujen elinikää ja suorituskykyä.

“Monille tärkeille materiaaleille ei ole vielä olemassa ALD-prosesseja, ja olemassaolevia prosesseja täytyy parantaa. Juuri tämä tekee tutkimuksesta mielenkiintoista – sovelluspotentiaalia on mikroelektroniikan lisäksi myös monilla uusilla alueilla, joihin ei ole vielä edes kunnolla herätty”, Miikkulainen kertoo.

Tutkijat työstävät jatkuvasti uusia ALD-sovelluksia, kuten fotokatalyyttejä, eli aineita, jotkakiihdyttävät kemiallisia reaktioita valon avulla ilman, että itse kuluvat reaktiossa. Kehitteillä on myös valoavusteisia ALD-prosesseja, joissa valo saa aikaan ALD:ssä tarvittavan kemiallisen pintareaktion. Niillä on mahdollista myös tuottaa valon kulkua ohjaamalla tarkkoja kuvioita piikiekon päälle kasattaviin ohutkalvokerroksiin. Näin ohutkalvo kasvaa vain sinne, mihin valo osuu.

“Mikroelektroniikan valmistuksessa tarvitaan myös ohutkalvojen tarkkaa kuviointia. Siihen nykyisin käytössä oleva litografiamenetelmä on monimutkainen, kallis ja tuottaa runsaasti jätettä. Ohjaamalla ohutkalvon ALD-kasvua suoraan valolla voimme ‘kirjoittaa’ ohutkalvokuvion suoraan pinnalle ja siten välttää monimutkaisen litografiaprosessin kokonaan. Tämä kuviointimenetelmä on sekä yksinkertaisempi että ympäristöystävällisempi. Valoavusteisia ALD-prosesseja on kuitenkin olemassa vasta muutamia, ja matkaa mikroelektroniikan monimutkaisiin rakenteisiin on vielä paljon”, Miikkulainen kertoo.

ALD/MLD-yhdistelmätekniikka laajentaa mahdollisia sovelluksia

ALD:n ohella Aalto-yliopistossa tutkitaan myös molekyylikerroskasvatusta (MLD, molecular layer deposition). Sen avulla voidaan valmistaa hybridiohutkalvoja, joissa orgaanisia kerroksia yhdistetään epäorgaanisiin ohutkalvoihin. ALD/MLD-yhdistelmätekniikalla voidaan parantaa perinteisten epäorgaanisten ohutkalvojen ominaisuuksia monin tavoin, esimerkiksi tekemällä niistä taipuisia, lämpöä vähemmän johtavia tai valoa halutusti absorboivia. Tällaisia uusia räätälöityjä ohutkalvoja kehitetään esimerkiksi mikroakkuihin, aurinkokennoihin ja termosähkösovelluksiin.

Professori Maarit Karppinen Aalto-yliopistosta on ollut merkittävä tutkija ALD- ja MLD-menetelmien yhdistämisessä. Hänen tutkimusryhmänsä on kehittänyt lukuisia uusia ALD/MLD-prosesseja, joissa epäorgaanisia ja orgaanisia kerroksia kasvatetaan vuorotellen atomi- ja molekyylikerros kerrallaan. Tämä mahdollistaa tarkasti säädeltyjen hybridimateriaalien luomisen.

“Tutkimuksemme tavoite on kehittää täysin uusia materiaaleja – sellaisiakin, joita ei millään muulla menetelmällä voida valmistaa. Uskomme että tällaiset atomi- ja molekyylikerrosten tarkkuudella suunnitellut ja valmistetut uudet materiaalit voivat myös avata kokonaan uusia sovellusmahdollisuuksia”, Karppinen kertoo.

“Hyvä esimerkki tästä on mekaanisesti vahvistetut kalvot. Kun lisäämme MLD:n avulla orgaanisia molekyylikerroksia epäorgaanisiin kalvoihin, niistä saadaan taipuisia ja paremmin sopivia esimerkiksi puettavan elektroniikan sovelluksiin – sellaista ei pelkällä ALD:llä voida tehdä”, Karppinen kertoo. 

Uudet energian varastointi- ja konversioteknologiat ovat toinen tärkeä sovelluskenttä johon Karppisen tutkimusryhmässä etsitään uusia tehokkaampia ja ympäristöystävällisempiä ohutkalvomateriaaleja. Esimerkkeinä tällaisista ALD/MLD-tekniikalla valmistetuista uusista materiaaleista ovat kobolttivapaat orgaaniset elektrodit akkuihin ja auringon valoa laajemmalla aallonpituusalueella absorboivat materiaalit aurinkokennoihin. 

Suomi ja Aalto maailman huipulla

Suomi on kokoonsa nähden poikkeuksellisen vahva toimija ALD-kentällä, ja suomalaiset alan tutkijat Aallosta ja Helsingin yliopistosta ovat maailman kärkeä. 

“Kansainvälinen ALD-konferenssi järjestettiin viime vuonna Helsingissä, 50 vuotta ensimmäisen ALD-patentin hakemisen jälkeen. Tämä kertoo Suomen merkittävästä asemasta alalla. Meillä on pitkä historia, ja useita huippututkimusryhmiä ja yrityksiä, jotka ovat pysyneet Suomessa juuri vahvan tutkimusosaamisen ansiosta”, kertoo Ville Miikkulainen.

Suomessa perustettuja ALD-laitteita valmistavia yrityksiä ovat esimerkiksi Picosun ja Beneq, joilla molemmilla on toimistot Aallon kampuksella Micronova-rakennuksessa. Yritykset etsivät jatkuvasti uusia sovelluksia myös mikroelektroniikan ulkopuolelta. Picosun on nykyään osa maailmanlaajuista Applied Materials -konsernia, ja suomalainen osaaminen nähdään siellä edelleen hyvin arvokkaana. Maarit Karppisen tutkimusryhmällä on yrityksen kanssa yhteistyöprojekteja, jotka liittyvät erityisesti puolijohteisiin ja kestävämpien prosessien kehittämiseen.

Puolijohdeteknologian tutkimuksen tulevaisuus Suomessa ja Aallossa näyttää valoisalta. Ala kehittyy nopeasti, ja Aallossa tehtävä tutkimus luo kasvualustan uusille innovaatioille.

“Aallossa koulutetut opiskelijat ja tohtorit ovat työllistyneet hyvin sekä kotimaassa että kansainvälisesti, ja heidän osaamistaan arvostetaan paljon. Opiskelijoita selvästi kiinnostaa tämä ala”, kertoo Karppinen.