Atomikerroskasvatus on tällä vuosituhannella saavuttanut vakiintuneen aseman ohutkalvojen valmistusmenetelmänä. Nyt uudet materiaalit tuovat menetelmälle uusia mahdollisuuksia ja haasteita. Ratkaisuissa hyödynnetään perinteisten piikiekkojen sijaan orgaanisia materiaaleja kuten polymeerejä.
Atomikerroskasvatus ALD mahdollistaa tasaisten ohutkalvojen kasvatuksen atomikerroksen tarkkuudella, ja menetelmää käytetään esimerkiksi osana mikroprosessorien valmistusta. Jyväskylän yliopistossa väittelee perjantaina Mari Napari alueen uusista suuntauksista.
Väitöskirjatyössään Napari tutki, mitkä tekijät vaikuttavat metallioksidien atomikerroskasvatukseen ja näin aikaansaatujen ohutkalvojen ominaisuuksiin, kun kasvatuslämpötilaa lasketaan tavanomaisesta muutamasta sadasta asteesta jopa huoneenlämpötilaan ja kasvatusalustana käytetään erilaisia polymeerimateriaaleja.
Tutkimuksessa havaittiin, että ohutkalvon kasvu näissä lämpötiloissa riippuu vahvasti paitsi kasvatettavasta materiaalista, myös polymeerin ominaisuuksista.
’’Huolimatta kasvua rajoittavista tekijöistä, kalvojen ominaisuuksien ei havaittu heikkenevän, mikä on lupaavaa erilaisia sovelluskohteita ajatellen’’, Napari toteaa ja mainitsee esimerkkeinä mahdollisista sovelluskohteista taipuisan elektroniikan ja pintojen funktionalisoinnin.
Kasvatusprosessin tehostamiseksi tutkittiin myös plasma-avusteista atomikerroskasvatusta (plasma-enhanced ALD, PEALD), jossa hyödynnetään plasmassa syntyviä reaktiivisia hiukkasia.
Tutkimuksessa keskityttiin erityisesti siihen, miten erilaiset plasmageneraattorit ja kasvatusreaktorien konfiguraatiot vaikuttavat plasmaolosuhteisiin ja sitä kautta sinkkioksidikalvojen kasvuun.
’’Vaikka plasmaa käytetään paljon erilaisissa mikrovalmistusmenetelmissä, perusteellista tutkimusta plasman ominaisuuksien merkityksestä plasma-avusteiseen atomikerroskasvatukseen on aikaisemmin tehty matalan lämpötilan prosesseista yllättävän vähän’’, Napari hämmästelee.
Tutkimuksessa osoitettiin plasmaolosuhteiden vaikuttavan huomattavasti kalvojen ominaisuuksiin, mutta olosuhteiden optimointi polymeerien päälle tapahtuvalle kasvatukselle voi olla haastavaa. Tämän lisäksi havaittiin plasman hakeutuvan erilaisiin toimintatiloihin eli moodeihin, jotka johtavat merkittäviin muutoksiin plasmassa ja vaikuttavat siten myös kasvatettuihin kalvoihin.
’’Väitöskirjatyöni tuloksia voidaan toivottavasti tulevaisuudessa hyödyntää PEALD-prosessien kehityksessä ja optimoinnissa, sekä mahdollisesti myös suunniteltaessa uudenlaisia kasvatusreaktoreja’’, Napari tiivistää.
Väitöskirjassa esitetty tutkimus on tehty vuosina 2013–2017 professori Timo Sajavaaran ohjauksessa kiihdytinpohjaisen materiaalifysiikan tutkimusryhmässä sekä matemaattis-luonnontieteellisen tiedekunnan poikkitieteellisessä nanotiedekeskuksessa.
LISÄÄ: Väitöskirja (LINKKI)