Ohuimmillaan muutaman nanometrin paksuisista ALD-kalvoista prosessoidaan puolijohteiden päälle eristäviä ja johtavia kalvoja. Tuloksena saadaan mikroprosessoreita, muisteja ja muita komponentteja.

Atomikerroskasvatusprosesseja on nykyisin satoja kymmenille eri materiaaleille, ja puolijohdeteollisuuden lisäksi niitä voidaan käyttää aurinkopaneeleissa, pakkausmateriaaleissa, hopean suojaamisessa tummumiselta ja lukemattomissa muissa tarkoituksissa. Väitöskirjassaan Sami Kinnunen tutki alumiini- ja sinkkioksidikalvoihin ALD-pinnoituksessa päätyviä epäpuhtauksia.

”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.

Vetyepäpuhtauksien havaitseminen onnistuu vain harvoilla menetelmillä

Kevyimpänä alkuaineena vety on hankala havaita ja vain muutama karakterisointimenetelmä pystyy havaitsemaan sen kalvoista.

”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. Siten menetelmä sopii kuin nenä päähän minun tutkimustani ajatellen”, Kinnunen iloitsee. Jyväskylässä onkin vahvaa erikoisosaamista ionisuihkupohjaisiin analyysimenetelmiin ja laitteistoja on rakennettu myös muille yliopistoille.

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.

Atomikerroskasvatus aloitti maailmanvalloituksensa Suomesta, kun Tuomo Suntola patentoi menetelmän vuonna 1974. Hän saikin keksinnöstään Millenium-palkinnon 2018.

Tutkimus on toteutettu Jyväskylän yliopiston fysiikan laitoksen kiihdytinlaboratoriossa ja Nanotiedekeskuksessa.

Sami Kinnunen kirjoitti ylioppilaaksi Suonenjoen lukiosta 2009 ja filosofian maiseriksi hän valmistui 2015 Jyväskylän yliopistosta fysiikan laitokselta.

FM Sami Kinnusen väitöskirjan ” Hydrogen incorporation in Al2O3 and ZnO thin films grown by atomic layer deposition” tarkastustilaisuus perjantaina 16.9.2022 klo 12. Vastaväittäjänä professori Matti Putkonen (Helsingin yliopisto) ja kustoksena professori Timo Sajavaara. Väitöstilaisuuden kieli on suomi.

Tilaisuutta voi seurata myös etänä: https://r.jyu.fi/dissertation-kinnunen-160922