Vuoden 2018 Millennium-teknologiapalkinnon saaneen Tuomo Suntolan kehittämää atomikerros-kasvatusteknologiaa (Atomic Layer Deposition, ALD) hyödynnetään 40 vuotta keksimisensä jälkeen yhä kiihtyvällä tahdilla. ALD-reaktoreissa syntyvät ohutkalvot ovat korvaamattomia esimerkiksi alati pienenevien mikroprosessorien ja muistikomponenttien valmistuksessa.

Myös alan tutkimus on lisääntynyt samaa tahtia uusien sovellusten kanssa. Atomikerroskasvatusta käsittelee vuosittain 2 500 tutkimusartikkelia, ALD-patenttihakemuksia tehdään niitäkin tuhat vuosittain. Suomi on alan tutkimuksen ehdoton suurvalta. Aiheesta kirjoitetuista 350 väitöskirjasta noin sata on tehty Suomessa.

Yksi väitelleistä on ALD-laitevalmistaja Beneqillä työskentelevä Markus Bosund.

Hänen funktionaalisia ALD-pinnoitteita käsittelevä väitöskirjansa on monipuolinen kokoelma erilaisia ohutkalvosovelluksia, joilla on käyttöä vedenpuhdistuksesta aina optisiin lasereihin. 

 Väitöskirja sai alkunsa vuonna 2007, kun Bosund oli vielä diplomityönsä kimpussa. Yliopistolla oli käynnissä TEKES-projekti uudenlaisen tietoliikennelaserin kehittämiseksi. Valonlähteenä oli tarkoitus käyttää galliumarsenidi-puolijohdetta. Materiaalissa oli kuitenkin yksi ongelma.

– Galliumarsenidin pinnalle käy vähän kuten raudalle. Sen pinta hapettuu, Bosund selittää.

Korroosiosuojaus parantaa laseria

Bosund lähti diplomityössään etsimään toimivaa ruostesuojausmenetelmää. Hän kokeili, miten eri lähtöaineista valmistetut ALD-ohutkalvot toimivat galliumarsenidin passivoinnissa.

– Yksinkertaistaen voi sanoa, että mitä parempi passivointimenetelmä, sitä enemmän laserista saadaan valoa ulos.

Moni pinnoitemateriaali jopa huononsi tilannetta, mutta titaaninitridin kohdalla vihdoin tärppäsi. Muutaman kymmenen atomikerroksen paksuinen TiN-pinnoite moninkertaisti laserin tuottaman valon.

– Tuli tunne, että tämän tutkiminen saattaisi olla vaivan arvoista, Bosund muistelee.

Tuore diplomi-insinööri päättikin lähteä alan yritysten sijasta yliopiston leipiin tekemään väitöskirjaa.

Aalto-yliopiston nanoteknologiaryhmä oli loistava ympäristö nuorelle tutkijalle. Kokeneet professorit antoivat sopivasti vapautta, ja tarjolla oli kiinnostavia teollisuusprojekteja.

– Meillä oli myös osaavia yhteistyökumppaneita, joiden kanssa yhdistelimme osaamistamme.

Bosundin oma erikoisala olivat tasalaatuista ohutkalvoa atomikerros kerrallaan synnyttävät ALD-reaktorit. Hän vastasi laboratorion koneiden huollosta ja ylläpidosta – ja kehitti niille uusia ohutkalvojen valmistusmenetelmiä.

Yhdessä valokuituihin erikoistuneen professorin kanssa syntyi väitöstyön artikkeli ytterbium-kuitulaserien ominaisuuksia parantavasta ALD-kasvatusprosessista. Väitöstyön viitatuin paperi taas syntyi, kun Kuopion ylipiston tutkija Sari Vilhunen otti yhteyttä.

– Hän tarvitsi ALD-menetelmällä valmistettua titaanidioksidia. Sanoin että mikäs siinä, Bosund kertoo.

Aurinkovoiteiden uv-suojana ja valkoisena maalina käytettävä yhdiste on myös fotokatalyytti, jota voi hyödyntää esimerkiksi vedenpuhdistuksessa. TiO2-pinta saadaan ultraviolettisäteilyn energialla tappamaan bakteereita ja hajottamaan orgaanisia aineita haitattomiksi yhdisteiksi. Tutkijat osoittivat, että ALD-menetelmällä syntyi kaupallisia titaanioksideja parempi fotokatalyytti.

Lapset ajoivat väitöksen edelle

Keväällä 2011 Bosundin väitöskirja oli jo viittä vaille valmis.

– Aloin vähän katsella mitä tekisin seuraavaksi.

Tieto Bosundin valmistumisesta kiiri myös laboratorion ALD-reaktorit toimittaneelle laitevalmistaja Beneqille. Bosund kävi haastattelussa ja uusi työ alkoi saman tien.

– Tuli vähän työ- ja kotikiireitä, kun meille syntyi myös lapsi. Väitöskirjan viimeistely jäi taka-alalle.

Pian kiirettä lisäsi entisestään perheeseen syntynyt toinen poika.

Takaisin kesken jääneen väitöskirjan pariin innosti Bosundin kohtalotoveri, joka sai oman kesken jääneen väitöskirjansa valmiiksi.

– Siitä tuli itsellekin draivi naputella väitöstä iltaisin ja viikonloppuisin.

Bosundin väitöstyö oli vuosia viimeistelyä vaille valmis. Ovatko väitöskirjan tulokset sinä aikana edenneet teollisiksi prosesseiksi? 

 – En tiedä, Bosund vastaa.

Potentiaalinen sovelluskohde olisi Bosundin mukaan esimerkiksi optista dataa mantereelta toiselle siirtävät kuitulaserit. Bosundin kehittämä passivointimenetelmä voisi parantaa optisissa vahvistimissa käytettävien puolijohdelaserien ominaisuuksia.

– Mutta jos joku puolijohdevalmistaja ottaisi tällaisen passivointimenetelmän käyttöönsä, ei se siitä kertoisi, Bosund huomauttaa.

Menetelmää saatetaan jo hyödyntää jossakin päin maailmaa, sillä Beneqille on vuosien varrella tullut yhteydenottoja Bosundin kehittämästä passivointimenetelmästä.

– Pitäisi varmaan selata alan patentteja läpi, Bosund innostuu.

Vaikka alan kehitys on näkymätöntä insinöörityötä, voi ALD-valmistusmenetelmää hyvällä omallatunnolla kutsua vallankumoukseksi. Vuonna 2007, samaan aikaan kun Bosundin diplomityö valmistui, otti Intel ensimmäisenä prosessorivalmistajana ALD-menetelmän käyttöönsä. Tänä päivänä esimerkiksi tietokoneiden tai kännyköiden valmistus ei enää onnistuisi ilman ALD-ohutkalvoja. Nykyprosessorien valmistuksessa on yli 30 ALD-työvaihetta.

– Luin juuri Wikipediasta, että Intel pitää menetelmää suurimpana mullistuksena prosessorien valmistuksessa 30 vuoteen. Aika hieno juttu, että tämä on keksitty Suomessa, Markus Bosund iloitsee. ×

Artikkelin pidempi versio luettavissa netistä lehti.tek.fi/bosund