Nanopinnoitetta pintaan atomikerros kerrallaan

Vuoden 2018 Millennium-teknologiapalkinnon saaneen Tuomo Suntolan kehittämää atomikerroskasvatusteknologiaa (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. Atomikerros kerrallaan kasvatetuille, luonnostaan virheettömille kalvoille ja pinnoitteille on paljon käyttöä myös biotekniikassa, lääketieteen sovelluksissa ja pakkausteollisuudessa. 

Myös alan tutkimus on lisääntynyt samaa tahtia uusien sovellusten kanssa. Atomikerroskasvatusta käsittelee vuosittain 2500 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. 

Suomi on atomikerroskasvatuksen tutkimuksessa ehdoton suurvalta.

Matkalla neuvotteluhuoneeseen Bosund pysähtyy Beneqin aulan vitriineille esittelemään mitä kaikkea yrityksen koneilla voi tehdä. Esimerkiksi Kalevala-korujen hopeapinnoitteet syntyvät Beneqin ALD-reaktoreissa, samoin monet optisten linssien pinnoitteet. Vitriinissä koreilee myös tavallisia juomalaseja, jotka ovat saaneet atomikerroskasvatuksella uusia värejä pintaansa.

Bosundin funktionaalisia ALD-pinnoitteita käsittelevä väitöskirja on sekin 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. 

Vähän tuli kiireitä, kun meille syntyi lapsi.

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

– Siitä tuli itsellekin draivi naputella väitöstä iltaisin ja viikonloppuisin.

Projektin viimeistelyssä muiden töiden ohella meni yli vuosi. Tutkimustieto ei kuitenkaan ollut muutamassa vuodessa päässyt vanhentumaan. Bosund pääsi väitöksen johdannossa kertomaan, miten alan teollisuus oli kehittynyt ja mitä tutkimuksesta oli seurannut.

Ovatko väitöstyön tulokset jo edenneet teollisiksi prosesseiksi?

– En tiedä, Bosund vastaa.

Potentiaalinen sovelluskohde olisi Bosundin mukaan esimerkiksi optista dataa mantereelta toiselle siirtävät kuitulaserit. 

– Valokaapelien vahvistimissa käytetään valonlähteenä galliumarsenidi-puolijohdetta, Bosund kertoo.

Bosundin kehittämä passivointimenetelmä voisi parantaa vahvistimissa käytettävien puolijohdelaserien ominaisuuksia.

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

Uudet innovaatiot pidetään visusti omana tietona. 

Ammattilaisten piirissä kiinnostusta väitöskirjan tuloksiin kuitenkin on. 

– Meille on tullut yhteydenottoja galliumarsenidin passivoinnista.

Todennäköisesti menetelmää siis hyödynnetään jo jossakin päin maailmaa.

– Pitäisi varmaan selata alan patentteja läpi, Bosund innostuu.

Tietokoneiden tai kännyköiden valmistus ei enää onnistuisi ilman ALD-ohutkalvoja.

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.

“Hienoa nähdä, kun asiakas ottaa kehittämämme prosessin käyttöön.”

Markus Bosundin työpaikalla voi aistia historian siipien havinaa. Vuonna 1984 valmistuneen rakennuksen puhdastiloissa pyöri maailman ensimmäinen teollinen ALD-prosessi, kun Lohja Oy aloitti täällä uudenlaisten litteiden elektroluminesenssinäyttöjen valmistuksen. Bosund oli tuolloin kolmevuotias.

– Ja niinkuin tuotekehityksessä usein tapaa käydä, siitä ei tullutkaan litteää olohuonetelkkaria, vaan jotain aivan muuta, Bosund toteaa.

ALD on tänään iso bisnes. ALD-laitteistojen ja kemikaalien maailmanlaajuiset markkinat ovat arviolta noin kaksi miljardia dollaria, ja ALD-teknologiaan nojaavan kuluttajaelektroniikan markkina-arvoksi arvioidaan vuonna 2018 huimat 500 miljardia dollaria.

ALD on tänään iso bisnes.

Maailmassa on reilu parikymmentä ALD-laitevalmistajaa, niistä kolme toimii Suomessa. Alan jättiläisten, kuten prosessorivalmistajia palvelevan ASM:n, liikevaihto on satoja miljoonia ja ne keskittyvät massavalmistukseen. Reilu 200 ALD-reaktoria toimittanut haastaja Beneq taas hakee kasvua erikoistumalla. 

Tekniikan tohtoreita tarvitaan, sillä koneiden lisäksi myydään asiantuntemusta.

– Me voimme räätälöidä laitteita ja kehittää asiakkaalle uuden valmistusprosessin. Siihen eivät isommat yritykset lähde, Bosund kertoo.

Hän ratkoo työkseen asiakkaiden ongelmia. Yhteydenotto saattaa tulla esimerkiksi kodinelektroniikkavalmistajan tuotekehittäjiltä, jotka haluavat selvittää, voisiko ALD-menetelmä ratkaista heidän valmistusteknisen ongelmansa. 

– Me arvioimme, voisiko ratkaisu toimia, ja kehitämme menetelmän heidän tarpeisiinsa. Se on heille paljon halvempaa ja nopeampaa kuin perustaa oma laboratorio, ostaa koneet ja lähteä harjoittelemaan nollasta.

Onnistuneen kehitysprojektin päätteeksi asiakkaalle myydään vielä Beneqin koneet.

– On hienoa nähdä, kun asiakkaat ottavat tuotantolinjalleen koneen ja ALD-prosessin, jota on ollut itse kehittämässä.

Bosund vihjaa, että hänen insinöörin kädenjälkensä voi nähdä ihan joka kodin elektroniikassa. Mutta missä, siitä suu pidetään visusti kiinni.