Atomlagerdeponeringens fader Tuomo Suntola fick Millenniumpriset för teknologi

Atomlagerdeponering används för att förbättra prestandan för mikroelektronik. Pionjärerna inom området verkar vid avdelningen för kemi vid Helsingfors universitet. Under sin kommande disputation presenterar Maarit Mäkelä atomlagerdeponerings- eller ALD-processer för guld och silver.

Årets Millenniumpris i teknologi har tilldelats Tuomo Suntola, uppfinnaren av ALD eller atomlagerdeponering. ALD står för Atomic Layer Deposition och utvecklades av Suntola i mitten av 1970-talet. Metoden går ut på att man belägger ett bottenmaterial, t.ex. en kiselskiva, med atomer lager på lager. Den här nanoteknologiska metoden tillämpas globalt och används för att tillverka tunnfilm av några atomlagers tjocklek för exempelvis mikroprocessorer och minneskretsar.

Vid Helsingfors universitet arbetar de banbrytande pionjärerna inom området, professorerna i kemi Markku Leskelä och Mikko Ritala och deras arbetsgrupper. De har arbetat med atomlagerdeponering i nästan 30 år.

– Världens mest produktiva ALD-forskningsgrupp från Helsingfors universitet gratulerar Tuomo Suntola med anledning av Millenniumpriset i teknologi, säger Mikko Ritala från arbetsgruppen i materialkemi glatt genast då han får höra att priset landat inom det egna forskningsområdet.

Helsingfors universitets ALD-forskare toppar publikationsstatistiken inom området

ALD-metoden används för att noggrant belägga komplexa tredimensionella strukturer med atomer lager på lager. Vid Helsingfors universitet utvecklas nya processer och material för atomlagerdeponering. Man kan säga att forskarna genom att utvidga de möjliga tillämpningsområdena kommer med nya bidrag till det gemensamma globala ALD-biblioteket.

Den spetsenhet i atomlagerdeponering som verkade vid universitetet 2012–2017 håller nu på att utforma en sammanfattning av sitt arbete. Resultatet är ytterst ståtligt, för den internationella listan över forskare som gett ut mest artiklar någonsin om atomlagerdeponering toppas av Markku Leskelä med 329 artiklar, följd av Mikko Ritala med 327 artiklar. De har dessutom båda den ansedda statusen ISI highly cited author inom materialforskning. 

– Vi fokuserar på att utveckla ny ALD-kemi, det vill säga på utgångsmaterial och processer. Genom att undersöka reaktionsmekanismer vill vi dessutom fördjupa förståelsen av kemi, beskriver Ritala tunnfilmforskningen vid universitetet.

På sistone har kemisterna undersökt tvådimensionella material i stil med grafen, t.ex. MoS2, ReS2 och SnS2, och utvecklat ALD-processer för dem.

– År 2010 utdelades Nobelpriset till grafen och i kölvattnet följde intresse för liknande föreningar som också har tvådimensionell struktur och därmed unika egenskaper. De förväntas möjliggöra mer avancerade och också helt nya produkter inom elektronik, energiproduktion och lagring av energi samt katalysatortillämpningar, berättar Ritala.

Maarit Mäkelä belägger med guld och silver

Även Maarit Mäkelä bidrar med färsk forskning inom området och presenterar den vid sin disputation den 4 juni. I sin doktorsavhandling har hon utvecklat ALD-processer för guld och silver.

Litteraturöversikten i Mäkeläs avhandling avslöjar att det endast finns ett fåtal ALD-processer för att producera tunnfilm av guld och silver. Processerna är få till antalet eftersom de flesta guld- och silverföreningarna inte tål att hettas upp. ALD-metoden går ut på att beläggningsprocessen utförs i en uppvärmd reaktionskammare och grundförutsättningen är att utgångsmaterialet i metall, dvs. metallföreningen, inte sönderfaller på grund av värmen under gasfasen eller på ytan som behandlas.

– Guld är ett mycket utmanande material för ALD-kemin och det blev en nästan oöverkomlig uppgift att skapa en ALD-process för guld. Tack vare Timo Hatanpääs ihärdiga och innovativa arbete för att ta fram ett utgångsmaterial och Maarit Mäkeläs forskning i atomlagerdeponering uppfann vi slutligen en fungerande ALD-process även för guld, berättar Mikko Ritala som handlett doktorsavhandlingarna.

De nya processerna kan utnyttjas i framtiden, tror Mäkelä.

– Till exempel användes titan i min avhandling som underlag i ALD-processen för silver. En motsvarande titanyta kan i teorin användas då man fäster en konstgjord rot i käkbenet. Avsikten med silverbeläggningen var att hindra bakterier från att växa på titanytan, vilket också lyckades. Den här typen av silverbeläggning skulle kunna minska antalet inflammationer och därmed minska behovet av antibiotika, säger Maarit Mäkelä.

Eftersom silverbeläggningen producerades med ALD-metoden kunde tjockleken noggrant kontrolleras och beläggningen följde exakt underlagets fördjupningar.

Grundforskning och tillämpningar för halvledarindustrin

Markku Leskelä och Mikko Ritala är alltså internationella pionjärer inom ALD-forskning. De leder forskning med mål att utarbeta kemiska produktionsmetoder för material som framför allt behövs i mikroelektronik. Men tillämpningsobjekten är många: allt från förhindrande av korrosion till energiteknik och medicin.

Forskningen kombinerar tunnfilmsteknik och ytteknik på nanonivå, syntetiserar utgångsämnets molekyler och ordnar molekylerna på ytor. Det är svårt att analysera extremt tunna filmer och därför har ett nära samarbete med acceleratorlaboratoriet, som leds av professorerna i fysik Juhani Keinonen och Jyrki Räisänen, varit centralt.

Ute i världen har man tagit emot ALD-teknikens tillämpningar med intresse. Forskningsresultaten tillämpas i praktiken och stärker den finländska atomlagerdeponeringsindustrins ställning i den internationella konkurrensen. Viktiga företag inom branschen är ASM Microchemistry, Picosun och Beneq, och alla dessa företag har Helsingfors universitets alumner bland sina anställda.

– Nu pågår det femtonde året av samarbete med ASM och ett nytt kontrakt för fem år planeras. Vi utvecklar nya ALD-processer för dem, som de sedan säljer i sina produkter till halvledarindustrin runtom i världen, berättar Mikko Ritala.

ASM Microchemistry Oy har varit universitetets hyresgäst på Campus Gumtäkt alltsedan 2004. Företaget har utvidgat sin verksamhet och i höstas utökades de gamla lokalerna på Pehr Kalms gata med nya laboratorier. Företagets huvudsakliga kunder är affärsenheterna hos moderbolaget ASM International N.V. med huvudkontor i Holland. Enheterna utvecklar och säljer produktionsanordningar för tunnfilm.  

– Den viktigaste nyttan av det här samarbetet har för universitetets del varit långvarig forskningsfinansiering som vi snart åtnjutit i femton år. ASM Microchemistry Oy finansierar många påbyggnadsstuderande, säger Ritala.

-------------------------------------------

Republikens president Sauli Niinistö överräckte det åttonde Millenniumpriset i teknologi i Helsingfors den 22 maj 2018. Prissumman är en miljon euro och utdelas av Teknikakademien TAF.

År 2012 utdelades Millennium-teknologipriset till Linus Torvalds, expert på öppen källkod och även han Helsingfors universitets alumn. Torvalds delade priset med stamcellsforskaren Shinya Yamanaka.

Ytterligare information om prisutdelningen och priset:
Päivi Törmä, ordförande för den internationella prisnämnden för Millenniumpriset i teknologi, paivi.torma@aalto.fi
Ari Ahonen, vd, Teknikakademien TAF, ari.ahonen@taf.fi

Bekanta dig med ALD-expertisen vid Helsingfors universitet

Lyssna på ett podcast-program om ALD-teknik och andra nya material. I det första avsnittet, Kings of Chemistry, möts nanocellulosans fader Alistair King och Peter King från ALD-laboratoriet. Har de något annat gemensamt än efternamnet? Åtminstone sinnet för humor. Ytbeläggning som används av halvledarindustrin utnyttjar egenskaperna hos olika material och kan användas i processorer av nanostorlek.

Markku Leskelä – banbrytare inom atomskiktsdeponi
Läs mera om materialkemi och tunnfilmer
Läs mera om grundforskningen för halvledarindustrin
PLOS ONE 10.2.2018, Characterizing the field of Atomic Layer Deposition: Authors, topics, and collaborations

Kontaktuppgifter till universitetets ALD-experter:

Mikko Ritala, 02941 50193, mikko.ritala@helsinki.fi
Markku Leskelä, markku.leskela@helsinki.fi
Maarit Mäkelä, 050 521 8637, maarit.makela@helsinki.fi

Följ diskussionen på Twitter: @HelsinkiALD @KumpulaScience @millenniumprize
Minna Meriläinen-Tenhu, @MinnaMeriTenhu, 050 415 0316, minna.merilainen@helsinki.fi
Nanometrar av guld och silver

Maarit Mäkelä disputerar om atomlagerdeponering av guld och silver måndagen den 4 juni kl. 12 med rubriken Studies on atomic layer deposition of gold and silver thin films. Så här berättar hon om sitt arbete:

”Under disputationen går jag igenom ALD-processerna för tunnfilmer av guld och silver. Processerna är utvecklade i gruppen för oorganisk materialkemi vid Helsingfors universitet 2010–2016. Arbetet har tagit flera år eftersom ämnet är svårt, något som är typiskt för universitetets grundforskning. Men ute i världen har man redan lagt märke till forskningen.

Den process för guld som utvecklades under avhandlingsarbetet och publicerades 2017 var den första termiska ALD-processen någonsin att publiceras för tunnfilmer av guld. Den PEALD-process för silver som publicerades 2011 är för tillfället den mest använda processen inom forskning för tillverkning av tunnfilmer i silver med ALD-metoden.

I min doktorsavhandling presenterar jag två möjliga tillämpningar för tunnfilmer i silver. I den ena tillämpningen beläggs underlag som kan användas i SERS-mikroskopi. I den andra tillämpningen är underlaget av titan. I de båda fallen har man enligt undersökningen stor fördel av att belägga underlaget med silver, jämfört med situationer där ingen ytbeläggning i silver finns.

Betydelsen av min doktorsavhandling klarnar först om flera år. Nu är processerna offentliga och i användning. Inget företag har möjlighet till motsvarande långsiktig forskning. Men den här grundforskningen möjliggör för sin del företagens verksamhet.

Välkommen till disputationen den 4 juni 2018 i Chemicum på Campus Gumtäkt!”