Atomikerroskasvatusprosesseja on nykyisin satoja kymmenille eri materiaaleille, ja puolijohdeteollisuuden lisäksi niitä voidaan käyttää aurinkopaneeleissa, pakkausmateriaaleissa, hopean suojaamisessa tummumiselta ja lukemattomissa muissa tarkoituksissa. Jyväskylän yliopistossa tarkastetaan 16.9 FM Sami Kinnusen väitöskirja ALD-pinnoituksessa päätyvistä epäpuhtauksista alumiini- ja sinkkioksidikalvoihin.
Syvällisempi ymmärrys atomikerroskasvatuksesta parantaa älylaitteissakin tarvittavia ohutkalvoja. Siksi FM Sami Kinnunen tutki Jyväskylän yliopiston fysiikan laitoksen väitöskirjatyössään ALD-kalvojen sisältämiä epäpuhtauksia ionisuihkumenetelmillä. Epäpuhtaudet vaikuttavat kalvojen ominaisuuksiin.
”Ohutkalvoihin jää usein erityisesti vetyä epäpuhtautena. Vedyn alkuperä tai mekanismi, jolla se kalvoihin päätyy, ei ole useinkaan tiedossa. Matalissa prosessilämpötiloissa kalvon atomeista yli viidennes voi olla vetyä, ja se vaikuttaa merkittävästi ohutkalvon ominaisuuksiin”, Sami Kinnunen kertoo.
Vetyepäpuhtaus voi päätyä kalvoon joko metallilähdeaineesta tai vedestä, josta oksidikalvot saavat happensa. Väitöskirjassa kalvojen happilähdeaineena käytettiin normaalin veden sijasta muun muassa raskasta vettä, jonka sisältämä deuterium voidaan erottaa metallilähdeaineista peräisin olevasta vedystä.
Tutkimuksissa paljastui, että vetyä kalvoihin jättävä lähdeaine vaihtui prosessilämpötilaa nostettaessa. Vedyn määrä oli myös vahvasti riippuvainen huuhtelujen pituudesta lähdeainepulssien välissä. Tämä on tärkeä uusi tieto ja sillä on merkittävä vaikutus epäpuhtauksien määrän minimoimiseen tähtäävässä prosessien kehityksessä.
Vetyepäpuhtauksien havaitseminen onnistuu vain harvoilla menetelmilläKevyimpänä alkuaineena vety on hankala havaita ja vain muutama karakterisointimenetelmä pystyy havaitsemaan sen kalvoista. Tutkimus on toteutettu Jyväskylän yliopiston fysiikan laitoksen kiihdytinlaboratoriossa ja Nanotiedekeskuksessa.
”Jyväskylän yliopiston kiihdytinpohjaisen materiaalitutkimusryhmän käytössä oleva lentoaika-rekyylispektrometria on yksi harvoista menetelmistä vedyn määrän mittaamiseen. Sillä voidaan havaita ohutkalvoista sekä vety että jopa erottaa sen eri isotoopit toisistaan”, Kinnunen kertoo.
Jyväskylän yliopistossa on vahvaa erikoisosaamista ionisuihkupohjaisiin analyysimenetelmiin ja laitteistoja on rakennettu myös muille yliopistoille.
Taustaa: Atomikerroskasvatus ALD aloitti maailmanvalloituksensa Suomesta, kun Tuomo Suntola patentoi menetelmän vuonna 1974. Hän sai keksinnöstään Millennium-palkinnon 2018. Ohuimmillaan muutaman nanometrin paksuisista ALD-kalvoista prosessoidaan puolijohteiden päälle eristäviä ja johtavia kalvoja. Tuloksena saadaan mikroprosessoreita, muisteja ja muita komponentteja. Suomessa valmistetaan myös ALD-laitteistoja.
Väitöskirja on julkaistu Jyväskylän yliopiston väitöstutkimusten JYU Dissertations -sarjassa, numero 558, Jyväskylä 2022, ISBN 978-951-39-9198-2 (PDF), URN:ISBN:978-951-39-9198-2, ISSN 2489-9003. Linkki julkaisuun: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-39-9198-2
Lisää: FM Sami Kinnusen väitöskirjan tarkastustilaisuus perjantaina 16.9.2022 klo 12 (LINKKI, videoyhteys).
Kuvituskuva: Picosunin ALD