Viimeisen 20 vuoden aikana elektroniikan valmistus on tullut täydellisen riippuvaiseksi atomikerroskasvatuksesta – joka on yksi suurimmista suomalaiskeksinnöistä koskaan.
Atomikerroskasvatus (ALD) on yksi tärkeimmistä suomalaisista teknisistä keksinnöistä koskaan. Tätä Tuomo Suntolan kesällä 1974 eli 50 vuotta sitten tekemää läpimurtoa käytetään puolijohdeteollisuudessa yhä enenevässä määrin, ja elektroniikan valmistusprosessit ovat tulleet edellisen noin 20 vuoden aikana täysin riippuvaisiksi siitä.
Viimeisenä kymmenenä vuotena 2013–2023 pelkästään piikiekkojen valmistamiseen tarkoitettujen ALD-laitteiden maailmanlaajuinen markkina on kasvanut noin 600 miljoonasta dollarista reiluun kahteen miljardiin.
Seuraavan kymmenen vuoden aikana alalle odotetaan jatkuvaa 10–14 prosentin vuosikasvua. Jo vuonna 2027 markkina voi saavuttaa noin 4–5 miljardin dollarin koon, kertoo Ivo Raaijmakers, alankomaalaisen puolijohdeyhtiö ASM:n varajohtaja.
”Nykyisin monimutkaisessa mikrosirussa on ehkä noin tuhat materiaalikerrosta. Niistä enemmän kuin 80 on tehty ALD:llä, ja ALD:n osuus kasvaa koko ajan.”
Raaijmakers esiintyi pääpuhujana ALD-alan AVS ALD/ALE 2024 -konferenssissa Helsingissä elokuussa. Helsingin Messukeskuksessa pidetty konferenssi palasi Suomeen 20 vuoden tauon jälkeen. Paikalle saapui hieman yli tuhat teollisuuden ja yliopistojen asiantuntijaa eri puolilta maailmaa.
ALD:n todellinen arvo rahassa mitattuna on tietenkin paljon suurempi kuin valmistuslaitteiden myynti. Täysin yksiselitteistä arvoa on vaikea määritellä, mutta voimme itse laskea yhden realistisen luvun yllä mainitulta pohjalta eli mikrosirujen osasten alkuperän mukaan.
Näin laskien suomalaiskeksinnöllä tehtäisiin suuruusluokkaa 50 miljardin euron liikevaihto vuodessa. Tulokseen päädytään ottamalla 8 prosenttia (= 80 materiaalikerrosta per 1000) puolijohdeteollisuuden noin 500 miljardin liikevaihdosta sekä lisäämällä sen päälle suuntaa-antava arvio ALD:n käytöstä muilla aloilla, kuten aurinkokennoissa ja optiikassa.
”Mitään elektroniikkaa ei tehdä sataprosenttisesti ALD:llä, mutta myöskään juuri mitään ei voida tehdä enää ilman sitä”, tiivistää kemian professori Mikko Ritala Helsingin yliopistosta.
Toisin sanoen nykyisen tietoteknisen maailman kehitys pysähtyisi ennen pitkää, jos atomikerroskasvatusta ei olisi.
Näin se toimii
Puolijohdesirujen valmistamisessa kaksi tärkeintä prosessitekniikkaa ovat Raaijmakersin mukaan ALD ja ääriultraviolettilitografia. Jälkimmäisessä prosessissa komponenttien muodot etsataan ohutkalvoihin, jotka on ensin valmistettu jollakin menetelmällä – yleensä kemiallisella kaasufaasipinnoituksella (CVD, engl. chemical vapor deposition), sähkökemiallisesti tai ionipommituksella.
Teknis-tieteelliseltä perusidealtaan ALD ja CVD ovat melko yksinkertaisia, ja näillä kahdella tekniikalla on sekä yhtäläisyyksiä että eroja. Molemmissa tekniikoissa syötetään kasvatuskammioon yhtä tai useampaa reaktiivista kaasua tai höyryä, ja niiden reagoidessa kohdepinnalle syntyy kiinteää ainetta ohueksi kerrokseksi.
Atomikerroskasvatusta ja kemiallista kaasufaasipinnoitusta erottaa se, että CVD:ssä lähtöaineet syötetään samanaikaisesti, ja ohutkalvo kasvaa jatkuvasti. ALD taas toimii syklisesti yksi lähtöaine ja yksi atomikerros vuorollaan, jolloin kalvon atomi- ja nanorakenteesta tulee paljon virheettömämpi.
Esimerkiksi eristemateriaali piidioksidia (SiO₂) syntyy CVD-reaktorissa, kun jotakin piiatomeja sisältävää kaasua sekoitetaan hapettavan kaasun kanssa. Vaihtoehtoja ovat muun muassa silaani (SiH₄), dikloorisilaani (SiH₂Cl₂) ja tetraetyyliortosilikaatti (Si(OEt)₄). Ne palavat piidioksidiksi, kun ne kohtaavat kuumuudessa alkuainehappea tai ilokaasua.
Atomikerroskasvatuksessa lähtöaineet saattavat olla samat kuin CVD:ssä, mutta ALD-kammioon johdetaan kerrallaan vain yhtä reagoivaa kaasua. Silloin reaktio ei tapahdu kaasujen kesken, vaan ainoastaan kaasun ja kohdepinnan välillä pinnan kontrolloimana.
Jos esimerkiksi piikiekko halutaan pinnoittaa ALD:n avulla piidioksidilla, johdetaan ALD-kammioon ensin jotakin piitä sisältävää kaasua. Yksi molekyylikerros kaasua tarrautuu kemiallisesti piin pintaan, joka on ilman hapen luonnostaan hapettama.
Kun koko pinta on peittynyt, tapahtumat keskeytyvät ja kammio huuhdellaan puhtaaksi typellä. Sitten reaktoriin johdetaan happiplasmaa tai otsonia, jolloin pinnalle tarttunut lähtöaine palaa piidioksidiksi. Jos kerroksesta halutaan paksumpi, sama sykli toistetaan useita kertoja.
Kaasumaiset lähtöaineet syötetään sisään yleensä johonkin inerttiin kantajakaasuun, kuten typpeen, sekoitettuna. Lähtöaineiden pitoisuus typen seassa on muutaman prosentin luokkaa.
Tyypillisessä nykyaikaisessa ALD-reaktorissa kokonaispaine on 1–3 millibaarin luokkaa, vaikka myös ilmakehän paineessa toimivia reaktoreja on olemassa, kertoo tutkimuslaitteiden tuotepäällikkö Otto Laitinen suomalaiselta ALD-laitevalmistaja Beneqiltä.
Kun kalvo on 0,000 002 mm, hitaampikin tekniikka toimii
Toiminnan syklisyyden takia atomikerroskasvatus on paljon hitaampaa kuin CVD. Tämä tunnustetaan ALD:n huonoimpana puolena alalla yleisesti.
Yksi sykli kestää noin sekunnista puoleen minuuttiin, ja pinnoitteen kasvatusvauhti on tyypillisesti suuruusluokassa 50 nanometriä tunnissa. Laboratorioreaktoreissa tahti on yleensä nopeammasta päästä, isoissa parhaimmillaan asuinhuoneen kokoisissa teollisuuslaitteissa hitaampi, täsmentää vanhempi tutkija John Rönn, joka Laitisen tavoin työskentelee Beneqillä.
Teollisuuslaitteissa perinteisen ALD:n kasvusyklin hitautta kuitenkin merkittävästi kompensoi koko: reaktiokammioon mahtuu paljon näytteitä kerrallaan.
Juuri hitauden takia kesti 1970-luvulta 2000-luvun alkuvuosiin, ennen kuin elektroniikkateollisuus alkoi hyödyntää ALD:tä ollenkaan. Tuolloinkin aluksi oli kyse vain yhdestä kalvosta nykyisten viidenkymmenen tai sadan sijasta.
Tilanne on muuttunut, koska komponenttien koko on alati pienentynyt. Kun kerrostettava kalvo on ohut, hitaus ei samalla tavoin haittaa, ja laatu merkitsee enemmän.
”Mikroelektroniikan kannalta Suntolan keksintö tuli 20 vuotta liian aikaisin. Olemme usein arvuutelleet, kuka olisi keksinyt ALD:n 1990-luvulla, jos se olisi jäänyt häneltä huomaamatta”, kommentoi HY:n kemian emeritusprofessori Markku Leskelä, joka toimi yhdessä Mikko Ritalan kanssa Helsingin ALD-konferenssin puheenjohtajana.
Piidioksidin ohella kaikkein tavallisimmat atomikerroskasvatuksella tuotetut yhdisteet ovat Raaijmakersin mukaan alumiinioksidi (Al₂O₃) ja titaaninitridi (TiN). Alumiinioksidi ja piidioksidi ovat eristeitä, mutta titaaninitridi johtaa sähköä hyvin.
Yleisimpien ALD-materiaalien joukkoon kuuluu neljäntenä edellisiä yhdisteitä selvästi eksoottisempi hafniumoksidi (HfO₂), jonka käyttö elektroniikassa alkoi noin vuonna 2007. Sen dielektrisyysvakio eli suhteellinen permittiivisyys on korkeampi kuin piidioksidin, mikä antaa merkittävän edun.
Uusimmissa mikropiireissä HfO₂-kalvot ovat ohuimmillaan noin 6–8 atomikerrosta eli noin 1,5–2 nanometriä paksut, Raaijmakers kertoo.
Metallijohtimet ovat kertaluokkaa paksumpia, noin 20-nanometrisiä. Tämä vastaa kuparissa noin 75:ä rinnakkaista atomia. Vaikka uusimpia elektroniikan valmistusprosesseja nimitetään virallisesti 2 ja 3 nanometrin prosesseiksi, ei nimitys ole enää pitkään aikaan kertonut johdinten todellista leveyttä.
Kolme tärkeää tutkimussuuntaa
Myös puhtaita metalleja on alettu kasvattaa mikrosiruille ALD:llä atomikerros kerrallaan, ja tulevaisuudessa tämä tekniikka saattaa yleistyä.
Metalli-ALD ei onnistu kovin helposti, sillä alkuainemuotoiseksi höyryksi kuumennettu metalli härmistyisi kohdepinnalle jatkuvalla syötöllä. Reaktio ei rajoittaisi itseään yhteen atomikerrokseen. Lisäksi useissa tapauksissa metallien aivan liian korkeat kiehumispisteet haittaisivat tätä yksinkertaisinta vaihtoehtoa.
Jotta metalleista saadaan atomikerros atomikerrokselta reagoivia prekursorikaasuja, metalliatomit pitää yleensä vangita jonkin orgaanisen molekyylirakenteen sisään. Tämän kompleksimolekyylin pitää olla riittävän haihtuva ja riittävän reaktiivinen, mutta silti stabiili.
Kompleksimolekyylejä metalli-ALD:n lähtöaineina tutkitaan paraikaa Suomessa ja maailmalla paljon. Helsingin ALD-konferenssissa esiteltiin muun muassa nikkelin, koboltin, kuparin, molybdeenin ja alumiinin atomikerroskasvatusta.
Toinen tärkeä tutkimusaihe alalla on pintaselektiivinen ALD. Se tarkoittaa, että lähtöainekaasut eivät reagoi koko käsiteltävällä pinnalla, vaan ainoastaan halutussa osassa pintaa – kuten tietyssä komponenttikuviossa.
Selektiivisyys voidaan toteuttaa valitsemalla materiaalit niin, että kaasut eivät tartu kaikkiin kohtiin, tai peittämällä osa pinnasta väliaikaisella suojakerroksella.
Pintaselektiivisen kasvatuksen tutkimusta motivoi perinteisen litografiamenetelmän heikkous: kohdistusvirheet. Näin puhui Suomeen amerikkalaisesta Stanfordin yliopistosta saapunut professori Stacey Bent.
Litografiassa koko käsiteltävälle pinnalle kasvatetaan ensin halutusta materiaalista kattava kalvo ja sen päälle valoherkkä väliaikainen suojaresisti eli tietynlainen suojakalvo. Kohdepinta valotetaan maskin läpi niin, että valo ja sitä seuraava etsaus uurtavat kalvoihin halutun kuvion.
Koska päällekkäisiä kerroksia on paljon, nämä askeleet toistetaan monta kertaa peräkkäin, ja kaikki täytyy särmätä erittäin tarkasti kohdakkain. Komponenttien yhä kutistuessa litografinen kohdistaminen on muuttunut koko ajan vaikeammaksi, mutta pintaselektiivisellä atomikerroskasvatuksella rajat syntyvät luonnostaan oikeaan kohtaan.
Nykyiset litografialaitteet sädettävät pintoja 13,5 nanometrin valolla, jonka aallonpituus sijoittuu röntgensäteilyn ja ääri-uv-valon rajalle.
Beneqin edustajat nimeävät kolmanneksi uutuudeksi spatiaalisen ALD:n. Sitä ei pidä sekoittaa pintaselektiiviseen tekniikkaan. Sen sijasta, että koko kammio täytettäisiin kerrallaan homogeenisesti yhdellä kaasulla, eri kohtiin kammiota suutetaan eri kaasuja ja pinnoitettavaa kohdetta siirretään niiden alla.
Koska kaasuvirtaukset täytyy erottaa toisistaan tarkasti, menetelmä on vaikea. Sillä kuitenkin päästään monta kymmentä kertaa perinteistä ALD:tä korkeampiin kasvatusvauhteihin, jopa noin kahteen mikrometriin tunnissa.
Neuvostoliitto melkein voitti
Puolijohdefyysikko Tuomo Suntola keksi atomikerroskasvatuksen saatuaan silloiselta työnantajaltaan Instrumentariumilta tehtäväksi kehittää elektroluminisenssinäyttö. Toteutus vaati ohutta sinkkisulfidikerrosta, jonka kiderakenteen piti olla täydellinen. Muuten tuote ei olisi kestänyt yli 200 voltin kennojännitettä, jota tarvittiin sen aikaisissa elektroluminisenssinäytöissä.
Suntola oivalsi ALD:n idean loppukesällä 1974 vain muutama kuukausi tehtävänannon jälkeen. Elektroluminisenssinäyttö saatiin laboratoriossa valmiiksi vuonna 1980, ja kolme vuotta myöhemmin Helsinki-Vantaan lentokentälle pystytettiin Lohja Oy:n valmistama iso prototyyppinäyttöpaneeli osoittamaan lentojen lähtö- ja saapumisaikoja.
Atomikerroskasvatus sai patenttisuojan 26 maassa. Vähällä kuitenkin oli, ettei sitä hoksattu jo vuosikymmentä aiemmin silloisessa Neuvostoliitossa.
1960-luvun puolivälissä Leningradin (nyk. Pietarin) Teknologisen Instituutin tutkijat pääsivät ALD:n perusperiaatteiden jäljille, mutta Suntolan mukaan heidän lähestymiskulmansa poikkesi hänen omastaan. Materiaalikalvojen kasvattamisen sijasta neuvostotutkijoita kiinnosti enemmän pinnan muokkaus.
Tekniikoiden eroa havainnollistaa jossain määrin myös se, että Suntola sai ALD:stä patentin jopa Neuvostoliitossa. Hänen piti käydä puolustamassa sitä aina Moskovassa asti.
Suntola ei aikanaan tiennyt Leningradin tutkimuksista mitään. Hän kertoo kuulleensa asiasta vasta vuonna 1990, hieman ennen Neuvostoliiton romahdusta.
Kaksi sukulaistekniikkaa
Atomikerroskasvatuksella ja kemiallisella kaasufaasipinnoituksella on sekä isoja yhtäläisyyksiä että tärkeitä eroja. Tästä syystä nämä kaksi tekniikkaa luokitellaan eri yhteyksissä eri tavoin.
Tieteellisissä koostejulkaisuissa ja tietosanakirjan kaltaisissa tietopaketeissa menetelmien eroja pidetään selvinä. Samalla ALD ja CVD hahmotetaan usein molemmat kuuluviksi yleisempään CVD-tyyppisten tekniikoiden perheeseen.
ALD-alan ammattilaisista useimmat korostavat tekniikoiden välistä eroa tietosanakirjoja enemmän. Myös Tuomo Suntola ja ASM:n Ivo Raaijmakers mieltävät ALD:n ja CVD:n toisistaan kokonaan erillisiksi asioiksi.
Toisaalta jotkut ammattilaiset ovat toista mieltä. Tokyo Electron -yhtiön vanhempi tutkija Robert Clark sanoi konferenssiesitelmässään, ettei ALD:n ja CVD:n erottelu ole niin tarkkaa. Tärkeintä on, että tuote saadaan valmistettua, ja joskus työhön voi soveltua parhaiten jopa jokin välimuotomenetelmä.
Clark myönsi ilmiselväksi tosiasiaksi, että ALD on tärkeä menetelmä, mutta hänen mukaansa puolijohdeteollisuuden into sitä kohtaan ei ole varauksetonta. Päinvastoin hän kertoi olevansa sitä kohtaan ”yhä pakon edessä hieman skeptinen”.