Professori Mikko Ritalan luento Studia Generalia -luentosarjassa 13.10.2011. Tilaisuuden teemana Aineen monet mahdollisuudet.
Atomikerroskasvatusta (ALD, atomic layer deposition) voi perustellusti kutsua nanoteknologian kolmen konstin timpermannin menetelmäksi. Tällä alkuaan Suomessa kehitetyllä menetelmällä valmistetaan ohutkalvomateriaaleja kontrolloidusti, atomikerros kerrallaan. ALD-menetelmässä kaasumaiset lähtöaineet pulssitetaan alustamateriaalin eli substraatin pinnalle vuorotellen (Kuva 1). Lähtöainepulssien välissä reaktori huuhdellaan kantajakaasulla, jolloin ainoastaan pintaan tiukimmin sitoutunut yksi molekyylikerros ensimmäistä lähtöainetta jää pinnalle ja reagoi seuraavaksi pulssitettavan lähtöaineen kanssa muodostaen haluttua ohutkalvomateriaalia ja kaasumaisia sivutuotteita. Prosessi etenee kyllästyvien pintareaktioiden kautta, mikä takaa, että kunkin reaktiosyklin aikana ohutkalvo kasvaa täsmälleen yhtä paljon, yleensä vajaan atomikerroksen kerrallaan. Ohutkalvon kasvu on täten itsekontrolloivaa, tarkemmin sanottuna pintakemian kontrolloimaa.
Itsekontrolloivan kasvumekanismin ansiosta ALD-menetelmällä on monia käytännön etuja kilpaileviin ohutkalvojen kasvatusmenetelmiin verrattuna. Näistä tärkeimpiä ovat kalvojen paksuuksien tarkka säädeltävyys yksinkertaisesti reaktiosyklien lukumäärän avulla ja mahdollisuus kasvattaa hyvin tasaisia kalvoja niin suuripinta-alaisille kuin monimutkaisen muotoisillekin alustoille (Kuva 2). Menetelmän toistettavuus on erinomainen, sillä kohtuulliset vaihtelut prosessiolosuhteissa, esimerkiksi lämpötilassa tai lähtöainevirtauksissa, eivät vaikuta kalvojen paksuuksiin
ja niiden muihin ominaisuuksiin. ALD-menetelmä soveltuu myös erinomaisesti erilaisten monikerrosrakenteiden valmistamiseen yhdessä jatkuvassa prosessissa.
Kuva 1. ALD-menetelmän periaate esimerkkinä TiO2:n kasvatus TiCl4:sta ja vedestä. Yksi ALD-sykli koostuu neljästä vaiheesta: ensimmäinen lähtöaine (TiCl4), huuhtelu, toinen lähtöaine (H2O) ja huuhtelu.
ALD-menetelmän ongelmana on kalvojen pieni kasvunopeus, mikä on tyypillisesti vain 100-300 nm/h. Tämä oli pitkään este menetelmän laajemmalle käytölle. Viimeisen kymmenen vuoden aikana ALD:n sovelluskohteet ovat kuitenkin merkittävästi lisääntyneet. Tähän on kolme perussyytä: (i) monissa sovelluksissa ohutkalvoilta vaaditaan nykyään ominaisuuksia, joita ei voida saavuttaa muilla menetelmillä; (ii) monet ohukalvot ovat kutistuneet niin ohuiksi että ALD:n hitaus on menettänyt merkitystään; (iii) on opittu hyödyntämään ALD:n antamaa mahdollisuutta tuottavuuden lisäämiseen pinnoittamalla suuri määrä substraatteja samanaikaisesti. ALD on jo laajalti teollisessa käytössä mikroelektroniikasta koruteollisuuteen, ja sitä tutkitaan aktiivisesti ympäri maailman mitä erilaisimmissa sovelluksissa, erityisesti mikroelektroniikassa ja nanoteknologiassa mutta myös esimerkiksi energiateknologioissa.
ALD-menetelmän menestys perustuu kemiaan. Menetelmän ainutlaatuinen itsekontrolloiva kasvu voidaan saavuttaa vain oikeanlaisilla lähtöaineilla, jotka tulee etsiä ja optimoida kullekin tavoitellulle materiaalille erikseen. Helsingin yliopiston Kemian laitoksen tutkimusryhmällä on yli 20 vuoden kokemus ALD-kemian kehittämisestä, missä se on saavuttanut maailmanlaajuisesti tunnustetun aseman. Ryhmän johtama konsortio valittiin Suomen Akatemian tutkimuksen huippuyksiköksi kaudelle 2012–2017.
Kuva 2. Esimerkkejä ALD-menetelmällä valmistetuista ohutkalvoista. Ylhäällä vasemmalla SEM-kuva konformaalisesta eli tarkasti substraatin pinnan muotoja myötäilevästä Al2O3-kalvosta, oikealla TEMkuva ZrxSiyOz-ZrxTiyOz–nano-laminaatista, missä yksittäiset kerrokset ovat noin 1 ja 4 nm paksuisia. Alhaalla vasemmalla GeTe:lla täytetty faasimuutos-muistirakenne, oikealla Al2O3-nanoputki, joka on valmistettu pinnoittamalla templaattina toiminut polymeerinanokuitu ALD:llä.