Millennium-palkittu innovaatio kutistaa elektroniikan
Fyysikko Tuomo Suntolan kehittämä atomikerroskasvatus ALD palkittiin tänään. ALD-reaktoreissa syntyvät ohutkalvot ovat korvaamattomia nykyelektroniikan vaativimpien komponenttien valmistuksessa.
Tuomo Suntolan 1970-luvulla kehittämä atomikerroskasvatusteknologia (Atomic Layer Deposition, ALD) on nykyisin maailmanlaajuisessa käytössä. Sillä valmistetaan muutaman atomikerroksen vahvuisia ohutkalvoja esimerkiksi mikroprosessoreihin ja muistikomponentteihin. ALD-ohutkalvojen ansiosta nykyelektroniikka on paitsi entistä pienempää ja edullisempaa, myös edellisiä laitesukupolvia tehokkaampaa. Monia komponenteissa tarvittavia äärimmäisen ohuita eriste- tai johdekalvoja voidaan valmistaa vain ALD-teknologialla.
– ALD-menetelmä on malliesimerkki käyttäjälle piilossa olevasta teknologiasta, joka on kuitenkin välttämätöntä näkyvälle kehitykselle. ALD on demokratisoinut tietotekniikan omistamista ja sen myötä ihmiskunnan tiedonsaantia ja viestintämahdollisuuksia, sanoo Millennium-teknologiapalkinnon palkintolautakunnan puheenjohtaja, akatemiaprofessori Päivi Törmä.
Suntola kehitti ALD-menetelmän litteiden elektroluminesenssinäyttöjen valmistusteknologiaksi. Lopullisen läpimurtonsa tämä erilaisten ohutkalvojen valmistukseen soveltuva monitoimityökalu teki kuitenkin toisaalla. Menetelmän keksijä näki jo varhain atomikerroskasvatuksen ja ohutkalvotekniikan valtavat mahdollisuudet mikroelektroniikassa ja informaatioteknologiassa. 1990-luvulla Suntola toimi ALD-reaktoreita suunnittelevan ja valmistavan Mikrokemian toimitusjohtajana. Yritys esitteli ensimmäisen puolijohdeteollisuudelle suunnatun ALD-reaktorinsa vuonna 1994.
– Kun puolijohdeteknologiassa ymmärrettiin ALD-teknologian merkitys 2000-luvun alussa, sen käyttö räjähti valtavaan kasvuun, Millennium-palkittu Tuomo Suntola kertoo.
Pelasti Mooren lain
1970-luvulla syntynyt innovaatio on todellakin ollut aikaansa edellä. Vielä 1990-luvulla mikroelektroniikan valmistajat pitivät ALD-tekniikkaa liian hitaana ja työläänä menetelmänä massatuotantoon. 2000-luvulle tultaessa mikrosirut alkoivat kuitenkin olla niin pieniä, että muutaman atomin paksuisille ohutkalvoille alkoi olla käyttöä.
Suntolan innovaatio on yksi keskeinen tekijä siinä, että kuuluisa Mooren laki on pätenyt hämmästyttävän tarkasti näihin päiviin saakka. Gordon E. Moore esitti vuonna 1965, että transistorien lukumäärä mikropiireissä kaksinkertaistuu noin kahden vuoden välein.
Mooren laki oli suuressa vaarassa kumoutua jo 2000-luvun alussa, sillä mikroprosessorien transistorimäärän kasvaessa tarvittiin entistä ohuempia eristekerroksia. Apuun tuli ALD-teknologia. Prosessorivalmistaja Intel otti ALD-tekniikan käyttöönsä ensimmäisenä massavalmistajana, kun se esitteli uuden 45 nanometrin prosessorisukupolvensa vuonna 2007.
Mooren laki olisi jo historiaa ilman ALD-teknologiaa.
– Mooren laki olisi jo historiaa ilman ALD-teknologiaa, toteaa Helsingin yliopiston professori Markku Leskelä.
Nykytietokoneiden ja kännyköiden valmistus olisi jo mahdotonta ilman ALD-ohutkalvoja. Esimerkiksi muistitekniikan kehitys on ollut huimaa sitten vuoden 2004, jolloin ALD-teknologia otettiin ensi kertaa käyttöön DRAM-muistipiirien valmistuksessa. Muistikorteissa ja SSD-kovalevyissä käytettävien Flash-muistien kapasiteetin kasvu taas perustuu monikerroksisiin rakenteisiin, joissa muistipiirit pakataan päällekkäin.
– Nyt rakenteet ovat vertikaalisia 32- tai 64-kerroksisia, tulossa ovat 128-kerroksiset rakenteet, kertoo Leskelä.
Samoin prosessorien transistoritiheyttä on onnistuttu kasvattamaan, kun piikiekoille ladotut transistorirakenteet ovat muuttuneet tasomaisista sormimaisiksi.
– Se on kolmiulotteinen rakenne, jota ei pysty tekemään millään muulla kuin ALD:llä.
Nanometrikokoluokan komponenttien valmistuksessa ALD on usein ainoa mahdollisuus, muistuttaa Leskelä.
– Nykyprosessorien valmistuksessa on 30–35 ALD-työvaihetta.
Bisnes kasvaa nopeasti
ALD on myös isoa bisnestä. ALD-kalvojen valmistukseen käytettävien laitteistojen ja kemikaalien maailmanlaajuiset markkinat ovat arviolta noin kaksi miljardia dollaria, ja ALD-teknologiaan nojaavan kuluttajaelektroniikan markkina-arvo yltää jo ainakin viiteensataan miljardiin dollariin. ALD-teknologian mahdollistama mikroelektroniikan kehitys on Markku Leskelän mukaan “ollut huikeaa menoa”.
– Laitevalmistus kasvaa 45 asteen kulmassa, Leskelä toteaa.
ALD-teknologian parhaat päivät taitavat kuitenkin olla vasta tulossa.
– Mikropiirien valmistus on vain yksi sovellus, Leskelä muistuttaa.
Professori latelee hengästyttävän listan potentiaalisia sovelluskohteita, energiatekniikasta aina korujen valmistukseen. ALD-prosessissa atomikerros kerrallaan kasvatetuille, luonnostaan virheettömille kalvoille ja pinnoitteille on paljon käyttöä esimerkiksi biotekniikassa, lääketieteen sovelluksissa tai jopa pakkausteollisuudessa. Professori Leskelän mukaan ALD-teknologian hyödyntämiselle ei näy rajoja.
Kun kuulostelee teollisuutta, teknologialle löytyy koko ajan uusia sovelluksia.
– Kun kuulostelee teollisuutta, teknologialle löytyy koko ajan uusia sovelluksia.
Alunperin näyttöteknologiaksi
Instrumentarium Oy palkkasi vuonna 1974 kolmekymppisen tekniikan tohtori Tuomo Suntolan “kehittämään jotain uutta”. Lääketieteellisten laitteiden valmistaja luotti Suntolan osaamiseen, sillä hän oli juuri kehittänyt menestyksekkään elektronisen kosteusanturin Vaisalalle. Fyysikko Suntola kartoitti alan tarpeet, ja ehdotti sairaalalaitteiden kömpelöt kuvaputkinäytöt korvaavan litteän näyttötekniikan kehittämistä.
Suntolan johtama tutkimusryhmä lähti kehittämään elektroluminesenssi-ilmiötä hyödyntävää ohutkalvonäyttöä. Ensimmäinen haaste oli voimakkaita sähkökenttiä kestävien ohutkalvojen valmistaminen. Suntolan oivallus uudenlaisesta, atomikerros kerrallaan tapahtuvasta valmistusmenetelmästä toimi myös käytännössä, ja ensimmäinen patenttihakemus menetelmästä jätettiin marraskuussa 1974.
Uudella ohutkalvotekniikalla syntyi erittäin hyvälaatuisia ohutkalvoja. Kun tutkimusryhmä onnistui kehittämään vielä uudenlaisen reaktorin ohutkalvojen kasvatukseen, pystyttiin koko millimetrin tuhannesosan paksuinen valoa emittoiva kalvorakenne kasvattamaan muutamassa tunnissa. Vuonna 1980 televisiovalmistaja Lohja Oy:n omistukseen päätynyt näyttöteknologia esiteltiin ensi kertaa julkisesti.
San Diegossa järjestetyssä konferenssissa näytteillä ollut elektroluminenssinäyttö oli välitön sensaatio. Lohja Oy sai tuhansia tiedusteluja, mutta tuotanto saatiin käyntiin vasta vuosia myöhemmin. Tuolloin japanilainen Sharp ja yhdysvaltalainen Planar olivat jo saaneet EL-näyttönsä markkinoille, ja kuluttajanäytöissä lcd-teknologia nosti jo päätään.
Vaikka EL-näytöistä ei tullut kännykän kaltaista globaalia menestystarinaa, oli niiden monikäyttöisellä valmistusmenetelmällä, atomikerroskasvatuksella, edessään loistava tulevaisuus.
Millenium-palkinnon arvo on miljoona euroa. Kyseessä on suomalainen teknologiapalkinto, joka jaetaan joka toinen vuosi ihmisen elämänlaatua parantaneelle uraauurtavalle innovaatiolle.
Tuomo Suntola TEKin 120 Tekniikan osaajaa -sarjassa
Näin ALD toimii
ALD-menetelmällä voidaan pinnoittaa monimutkaisia kolmiulotteisia rakenteita tarkasti atomikerros kerrallaan. Millennium-palkittu Tuomo Suntola kertoo videolla, miten atomikerroskasvatus ALD toimii ja miksi sen käyttö elektroniikan valmistuksessa on lisääntynyt huimasti. Katso video täältä.
ALD nousukiidossa, Suomessa ainutlaatuista osaamista
Suomi on yksi atomikerroskasvatuksen huippumaista.
Mistä löytyy maailman paras osaaminen atomikerroskasvatuksessa?
– Suomi, Korea ja USA, listaa professori Markku Leskelä alan kolme huippumaata.
Millennium-palkitun Tuomo Suntolan työ on jatkunut aktiivisena niin yliopistoissa kuin suomalaisyrityksissä.
Tutkimuspuolella kärkipaikkaa pitää Suomi. Leskelän johtama Helsingin yliopiston atomikerroskasvatuksen tutkimusyksikkö on maailman johtava ALD-prosessien kehittäjä. Helsingin yliopistolla ja VTT:llä työskentelevä 40 tutkijan ryhmä oli vuosina 2012–2017 yksi Suomen akatemian nimeämistä tieteen huippuyksiköistä.
Leskelän johdolla ryhmä on kehittänyt koko joukon ALD-valmistusreseptejä eri materiaaleille, muun muassa hopealle ja kullalle.
– Metallikalvojen kasvattaminen on haastavaa. Kulta on ollut oikein hankala aine, Leskelä kertoo.
Leskelän laskujen mukaan huippuyksikkökaudella ryhmä on tutkinut yli sataa uutta lähtöainetta ja onnistunut kehittämään kymmeniä toimivia prosesseja.
Myös sähkön varastointi on työllistänyt tutkijoita. Esimerkiksi esineiden internetiä ei synny ilman virtalähteitä.
– Nanokokoluokan litiumakkujen valmistuksessa ALD:n reiättömät kalvot ovat meidän mielestämme se oikea ratkaisu.
Kauemmas tulevaisuuteen kurkottaa tutkijoiden kiinnostus yhden atomikerroksen paksuisiin materiaaleihin, joista ylivoimaisesti tunnetuin on grafeeni. Leskelää ja kollegoita kiinnostavat grafeenia enemmän monet muut vastaavat 2D-materiaalit, joiden valmistukseen atomikerroskasvatus sopii paremmin. Yksi tällainen on voiteluaineena paremmin tunnettu molybdeenisulfidi, joka saa yhden atomikerroksen paksuisena aivan uudenlaisia ominaisuuksia.
– Sitä voisi käyttää elektroniikassa puolijohteina tai optisina komponentteina.
Vuonna 1980 ALD-teknologiaan ensi kertaa tutustunut Leskelä on yksi alan pioneereista. Nykyisin akateeminen ALD-osaaminen on levinnyt ympäri maata. Helsingin yliopiston ja Aallon tutkijat ovat erikoistuneet prosessikehitykseen, sovelluksia tutkitaan ALD-reaktorilaitteistoilla, joita on muun muassa Tampereella, Joensuussa, Jyväskylässä ja LUT:n Mikkelin kampuksella.
Suomi on hyvissä asemissa, kun ALD-teknologian käyttö laajenee uusille sovellusalueille. ALD-laitevalmistajiakin Suomessa on useampia: pörssilistautumista valmisteleva Picosun, ALD-pinnoituslaitteita ja läpinäkyviä EL-näyttöjä valmistava Beneq sekä hollantilaisen mikroelektroniikan laitevalmistaja ASM:n tuotekehitysyksikkö ASM Microchemistry. Teknologian soveltajia sen sijaan mahtuisi maahan enemmänkin. Esimerkiksi mittalaitevalmistaja Vaisala hyödyntää ALD-teknologiaa, yllättävämpi hyödyntäjä taas on Kalevala Koru, jonka korujen hopeapinnoitteet valmistetaan ALD:llä.
Menetelmän kehittäjä Tuomo Suntola on jättänyt pysyvän kädenjäljen tekniikan historiaan. Leskelän mielestä on aivan ainutlaatuista, miten Suntola on vienyt teknologiaa eteenpäin.
– Pitkäjänteisesti, härkäpäisesti ja rahoittajat vakuuttaen, Leskelä kuvailee.
Jo uuden EL-näyttöteknologian tuominen ideasta markkinoille oli valtava 10 vuoden ponnistus. Sen jälkeen Suntola keskittyi ALD-laitevalmistuksen kehitystyöhön. Suomalaisinnovaation läpilyönti oli hidasta, sillä se oli paljon aikaansa edellä.
– Vielä 1990-luvulla teknologialle naureskeltiin. Mutta 1990-luvun lopulla mikroelektroniikkateollisuus havahtui siihen, etteivät he pääse olemassa olevilla teknologioilla eteenpäin. ALD oli ratkaisu, Leskelä kertoo.