Millennium-palkinto Suomeen

Kirjoittaja: 

Kati Kulmala, Application Engineer, Beneq Oy

ALD-menetelmän keksijä Tuomo Suntola sai vuoden 2018 Millennium-teknologiapalkinnon. Millenium-palkinto jaetaan joka toinen vuosi kunnianosoituksena ihmisten elämän laatua parantavan teknologian kehittäjille. Palkinnon suuruus on miljoona euroa, palkinnon jakaa Tekniikan Akatemia (TAF) ja sen ojentaa tasavallan presidentti. Atomikerroskasvatus (Atomic Layer Deposition), eli ALD-teknologia on suomalaisen Tuomo Suntolan kehittämä ohutkalvopinnoitusmenetelmä. ALD-kalvoja löytyy miltei kaikista nykyaikaisista älypuhelimista sekä tietokoneista. ALD-kalvot ovat mahdollistaneet sen, että älypuhelimien suorituskyky kasvaa puhelimien pienentyessä entisestään. Ja juuri tämän vuoksi ALD on ainutlaatuinen keksintö.

Suntola kehitti ALD-menetelmän jo 1970-luvulla, jolloin se patentoitiin. Alunperin Suntola ja hänen tiiminsä käytti teknologiaa elektroluminesenssinäytöissä. Suomalainen Beneq valmistaa teknologiaan perustuvia näyttöjä edelleen, sillä ne kestävät äärimmäisen rankkoja olosuhteita vielä tänäkin päivänä muita teknologioita luotettavammin. Suntola näki kuitenkin jo varhain ALD:n potentiaalin myös muissa sovelluksissa. Hitaasti, mutta varmasti ALD:n käyttö on laajentunut elektroniikkateollisuuteen, kuten puolijohdeteollisuuteen, elektroniikan kosteussuojaamiseen ja joustavaan elektroniikkaan, sekä mitä moninaisempiin suojaussovelluksiin, kuten mekaniikkaosien tai vaikka koristeiden kemikaaleilta suojaamiseen.

ALD:n perusominaisuudet ja ainutlaatuisuus

ALD on pintareaktioihin perustuva kemiallinen höyrystysprosessi, jossa pinnoitettavan tuotteen pinnalle tuodaan lähtöaineet, eli niin sanotut prekursorit, kaasumaisessa muodossa. Prosessi tapahtuu vakuumiolosuhteissa reaktiokammiossa. Yleensä ALD-prosessi suoritetaan puhdastilassa, jotta partikkelien määrä käsittelyssä minimoidaan.

ALD:n avulla voidaan rakentaa hyvin ohuita kalvoja atomikerros kerrallaan. Yksittäisen atomikerroksen paksuus on kokoluokkaa yksi ångström, eli 10-10 metriä. Vertailun vuoksi: ihmisen hius on paksuudeltaan noin 100 nanometriä, eli 10-7 metriä. Yksi atomikerros on siis noin tuhannesosa hiuksen paksuudesta.


Elektronimikroskooppikuva ALD-nanolaminaateista.

 

ALD:n ero muihin ohutkalvotekniikoihin on se, että kalvon paksuutta voidaan hallita atomikerrostasolla. Kalvosta voidaan siis rakentaa jopa yhden atomin tarkkuudella oikean paksuinen. Lisäksi prosessin luonteen vuoksi ohutkalvopinnoitus tunkeutuu hyvin monimutkaisiin ja pieniin rakenteisiin tehokkaasti. Kalvoa kasvaa siis joka puolelle, minne kaasu pääsee tunkeutumaan, ja kalvo on joka puolella saman paksuista. Tämä ei ole mahdollista esimerkiksi muilla kaasufaasimenetelmillä, kuten CVD- tai PVD-pinnoitusmenetelmillä.

ALD-prosessilla voidaan kasvattaa muun muassa erilaisia oksidi-, nitridi- ja karbidikerroksia sekä monia muita yhdisteitä. Lisäksi ALD:lla voidaan valmistaa puhtaita jalometallikalvoja, kuten iridiumia tai platinaa. Eri materiaalikerroksia voidaan myös vuorotella, jolloin syntyy laminaattirakenteita, joissa materiaalikerrokset vaihtelevat. Eräs toimivaksi todettu laminaattirakenne koostuu alumiinioksidista ja titaanioksidista, jossa yhdistyy alumiinioksidin läpäisemättömyys ja titaanioksidin kemiallisen rasituksen kestävyys.


ALD-menetelmällä tehty alumiinioksidi-pinnoitus piikiekon päällä.

 

Mihin ALD:ta käytetään

ALD-menetelmällä valmistetuilta ohutkalvoilta halutaan yleensä yhtä asiaa, pitää kaksi asiaa erillään toisistaan. Sen avulla voidaan tehdä niin sanottua passivointia, eli ALD-kalvon tehtävä on kohteensa pinnalla estää alla olevan materiaalin reagoiminen ympäristön kanssa, kuten suojata tuotetta kosteudelta tai hapelta. Toisaalta kalvo voi olla myös eristämässä sähköä tai lämpöä kahden kiinteän materiaalin välillä.

Eristävien kalvojen valmistus onnistuu muillakin menetelmillä kuin vain ALD:lla, mutta tiettyjä ominaisuuksia ei voi muilla menetelmillä saada. Sovellukset, joissa on tärkeää saada äärimmäisen tasainen kalvo, jonka paksuus on tarkasti kontrolloitu, ovat riippuvaisia ALD-teknologiasta. ALD:n myötä on pystytty valmistamaan elektroniikan sovelluksiin ohuempia yhtenäisiä kalvoja, joissa ei ole reikiä. Esimerkiksi ALD:lla rakennetut oksidikerrokset transistoreissa ovat mahdollistaneet suorituskyvyltään huomattavasti paremmat komponentit. Intel otti ALD:n kiinteäksi osaksi tuotantoaan vuonna 2007, jolloin he pystyivät siirtymään ensimmäisinä 45 nanometrin viivanleveyteen, mikä tarkoitti yhä tehokkaampia komponentteja. Kilpailijat seurasivat perässä. Tämän myötä elektroniikan laitteiden suorituskykyä on pystytty parantamaan hintojen kuitenkin laskiessa ja laitteiden koon pienentyessä. Sinunkin älypuhelimessasi on ALD-teknologiaa! ALD soveltuu myös oivallisesti joustavien alustojen pinnoittamiseen. Esimerkiksi joustava elektroniikka pystyy hyötymään ALD:n ominaisuuksista. Joustavaa elektroniikkaa löytyy esimerkiksi älykkäistä korteista ja etiketeistä, autojen näytöistä ja valaistuksesta sekä biolääketieteellisistä antureista.


ALD-pinnoituksella voidaan päällystää joustaviakin alustoja.

 

Käytännön esimerkkinä ympäristöltä suojaamisessa ovat hopeakorut. Hopeakoruilla on taipumus tummua ajan saatossa korujen pinnan reagoidessa ilman kanssa. Kun hopeakorut on pinnoitettu ALD-menetelmällä, voidaan tummuminen estää. Korun alkuperäiset yksityiskohdat eivät muutu tai vääristy, koska ALD-pinnoitus kasvaa pinnalle täysin tasaisesti ja juuri halutun paksuisena.

Pinnoittamaton ja ALD-pinnoitettu hopeinen Kalevala-koru.

 

ALD-prosessi

ALD-pinta rakentuu siten, että vuorollaan syötettävät kaasumaiset lähtöaineet reagoivat aina edellisen pintaan kiinnittyneen lähtöaineen kanssa muuttuen kiinteään olomuotoon. Reaktio tapahtuu reaktiokammiossa, joka on vakuumissa, eli suuruusluokaltaan 0,1–10 mbar paineessa. Allaolevassa kuvassa on esimerkkinä alumiinioksidin kasvattaminen. Pinnalle syötetään ensin alumiinin lähtöainetta, eli kaasumaista TMA:ta (AL(CH3)3, trimetyylialumiinia). Yhdisteen alumiini kiinnittyy sille suotuisaan kohtaan, yleensä hydroksyyli- eli OH-ryhmään, luovuttaen yhden metyyliryhmistään pois. Yhdiste adsorboituu pinnalle ja muuttuu kiinteään olomuotoon. Tämän jälkeen ylimääräiset TMA:t sekä reaktiotuotteet huuhdellaan reaktiokammiosta pois, esimerkiksi typpivirtauksen avulla. Seuraavaksi pinnalle syötetään vesihöyryä. Vesimolekyyli kiinnittyy TMA:n alumiiniin irroittaen metyyliryhmän ja luovuttaen yhden vedyistään metyylille. Seuraa jälleen typpihuuhtelu. Tässä oli yksi ALD-sykli. Syklejä voidaan suorittaa niin kauan, että haluttu kalvon paksuus on saavutettu. Pinnan kasvamista voidaan siis hallita yksinkertaisesti lähtöaineiden kaasupulssien lukumäärää säätämällä.


Yhden alumiinioksidi-kerroksen syntyminen, eli ALD-sykli.

 

Puhdashuone

ALD-prosessi suoritetaan useimmiten niin kutsutuissa puhdastiloissa. Puhdastilat ovat tuotantoon tai tutkimukseen käytettäviä tiloja, joiden partikkelipitoisuuksia kontrolloidaan. Kontrollointi tehdään siten, että sisääntuleva ilma suodatetaan erityisten filttereiden läpi. Näin sisäilmasta saadaan poistettua esimerkiksi pöly. Puhdastilat luokitellaan niiden partikkelipitoisuuksien mukaan. Partikkelipitoisuus ilmaistaan yksikössä partikkelia per kuutiometri. Kaikista korkeimman luokituksen, ISO 1 -tason, puhdastiloissa saa olla vain 12 partikkelia, jotka ovat kooltaan 0,3 mikrometriä tai pienempiä, kuutiometrillä. Isompia partikkeleita ei saa tilassa olla ollenkaan.

Työskentelyä Beneqin puhdastilassa.

 


TBeneq TFS 500 ALD-laite.

 

Tiloissa työskentelevät ihmiset pukeutuvat puhdastilavaatetukseen, johon kuuluvat muun muassa puhdastilahaalari, -kengät, hengityssuojain, hiusverkko ja kumihansikkaat sekä mahdollisia muita asusteita riippuen puhdastilan luokituksesta. Puhdastiloissa ei voida käyttää esimerkiksi tavallista lyijykynää ja paperia, vaan kaikki puhdastilaan vietävät tavarat on suunniteltu puhdastilaa varten, tai niiden sopivuus arvioidaan ja ne puhdistetaan. Puhtaimmissa puhdastiloissa esimerkiksi meikin käyttäminen on kiellettyä. Puhdastilassa tulisi liikkua aina rauhallisesti ja hitaasti, sillä nopeat liikkeet ja huitominen lisäävät partikkeleiden määrää. Jopa ylimääräistä puhumista pyritään toisissa puhdastiloissa välttämään.

Partikkelit pinnoitettavalla pinnalla vaikuttavat pinnoituksen laatuun negatiivisesti, sillä ne estävät kaasun tasaisen leviämisen pinnalle. Tästä syystä pinnoitettavien kappaleiden tulee olla puhtaita ALD-kammioon ja -laitteeseen syötettäessä, usein ne myös puhalletaan puhdistetulla paineilmalla tai typellä varmuuden vuoksi.

Millaista osaamista ALD-työ edellyttää?

Jotta ALD-teknologiaa pystyy ymmärtämään ja kehittämään, vaaditaan kemian ja fysiikan osaamista. Varsinainen ALD-prosessi perustuu kemiallisiin reaktioihin, mutta reaktiot tapahtuvat tarkkaan kontrolloiduissa olosuhteissa, joissa kaasupulssien pituuksilla, prosessilämpötilalla sekä paineolosuhteilla on suuri merkitys lopullisen pinnoituksen laatuun. Reaktiokinetiikan sekä termodynamiikan osaaminen on olennaista ALD:n maailmassa. Konetekniikan osaamisesta ei ole haittaa, sillä ALD-laitteet koostuvat muun muassa pumpuista, venttiileistä ja muista tyypillisistä koneen osista.

Monilla Beneqillä työskentelevillä teknisillä huippuasiantuntijoilla on taustana tutkinto Helsingin Yliopiston Kemian laitokselta tai Aalto-yliopiston Kemian tekniikan korkeakoulusta. Tutkijan työssä tarvitaan pitkäjänteisyyttä, systemaattista ajattelutapaa sekä kykyä omaksua uutta tietoa nopeasti. Yhteistyökyky on tärkeää, kun projekteja tehdään eri asiantuntijoiden kanssa yhdessä. Ripaus luovuutta ei myöskään ole pahitteeksi vaikeiden haasteiden edessä. Laitteita operoivat tuotantopuolella esimerkiksi teknikko-koulutuksen saaneet henkilöt. Tuotannon puolella on apua suurien kokonaisuuksien hahmottamisesta, kun esimerkiksi tehdään tuotantosuunnitelmaa tulevaa viikkoa varten. Toisaalta myös koneiden toimintaa ja yksittäisiä prosesseja pitää ymmärtää, vaikkakin suuremmissa ongelmatilanteissa apua saa aina taitavilta huoltopuolen ammattilaisilta. Jotta Beneqin kaltainen yritys toimii onnistuneesti, tarvitaan lisäksi siis kyvykästä huoltohenkilökuntaa, automaatioinsinöörejä rakentamaan nykyaikaisia tuotantotiloja palvelevia laitteita, konesuunnittelijoita tekemään mekaniikkamalleja laitteista, elektroniikka- ja piirisuunnittelijoita varmistamaan sähköisen puolen toimivuus, huippumyyjiä sekä tietenkin yrityksen talous- ja järjestelmäpuolen osaajia. Kuten työelämässä yleensä, priorisointitaito, eli se, että osaa laittaa asiat tärkeys- ja kiireellisyysjärjestykseen, on kultaakin arvokkaampaa roolista riippumatta!

Menestyvä ALD-yritys tarvitsee monenlaisia osaajia.

 

[Julkaistu: Dimensio 4/2018]

Tags: 

Lisää eDimensiossa

Dimensio 5/2018 , 24. lokakuu 2018 - 9:13
Millennium-palkinto Suomeen , 7. syyskuu 2018 - 10:21
Dimensio 4/2018 , 23. elokuu 2018 - 9:00
MAOL olemme me , 6. toukokuu 2018 - 15:16
Vuoden 2018 opettaja: Stadionilla jyrää , 6. toukokuu 2018 - 15:00
Dimensio 3/2018 , 6. toukokuu 2018 - 14:52
Luovuus, koulu ja matematiikka , 10. maaliskuu 2018 - 14:37
Teknologiateollisuus tutuksi , 10. maaliskuu 2018 - 12:16
Dimensio 2/2018 , 10. maaliskuu 2018 - 11:03
Faces of Women in Mathematics , 10. maaliskuu 2018 - 10:00
Luovuus matematiikassa , 11. helmikuu 2018 - 10:21
Kuka saa tuntea matematiikan ilon? , 11. helmikuu 2018 - 9:31
Analogiamalli sähköoppiin , 3. helmikuu 2018 - 9:30
Helsingin kerho 90 vuotta , 3. helmikuu 2018 - 9:20
Dimensio 1/2018 , 3. helmikuu 2018 - 9:00
Vuoden 2017 opettaja: Vesi, wasser, eau, voda , 19. marraskuu 2017 - 9:57
Dimensio 6/2017 , 19. marraskuu 2017 - 9:01
Opettaja artikkelin kirjoittajana , 16. marraskuu 2017 - 9:36
Dimensio 5/2017 , 29. lokakuu 2017 - 9:16
Mihin matematiikkaa tarvitaan , 16. elokuu 2017 - 9:00
Laskukone vauvan aivoissa , 16. elokuu 2017 - 9:00
Dimensio 4/2017 , 16. elokuu 2017 - 1:00
Dimensio 3/2017 , 23. huhtikuu 2017 - 9:00
Eurajoen vesitornin Foucault’n heiluri , 22. huhtikuu 2017 - 9:00
Historiaa, fysiikkaa ja fysiikan historiaa , 2. huhtikuu 2017 - 9:00
Dimensio 2/2017 , 31. maaliskuu 2017 - 9:00
Erään matematiikan vihaajan tunnustuksia , 2. helmikuu 2017 - 9:00
Dimensio 1/2017 , 26. tammikuu 2017 - 9:00