Ald-menetelmällä eli atomikerroskasvatuksella valmistettuihin ohutkalvoihin jää helposti epäpuhtauksia, etenkin vetyä, jota on hankala havaita.
”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”, kertoo Jyväskylän yliopiston tutkija Sami Kinnunen.
Vetyepäpuhtaus voi hänen mukaansa päätyä kalvoon joko metallilähdeaineesta tai vedestä, josta oksidikalvot saavat happensa.
Kinnunen tutki väitöstyössään alumiini- ja sinkkioksidikalvoihin ald-pinnoituksessa päätyviä vetyepäpuhtauksia ionisuihkumenetelmällä, joka paljasti monia uusia asioita.
Hän käytti kalvojen happilähdeaineena normaalin veden sijasta muun muassa raskasta vettä, jonka sisältämä deuterium voidaan erottaa metallilähdeaineista peräisin olevasta vedystä.
Tutkimuksessaan Kinnunen muun muassa huomasi, että vetyä kalvoihin jättävä lähdeaine vaihtui prosessilämpötilaa nostettaessa. Lisäksi vedyn määrä oli vahvasti riippuvainen huuhtelujen pituudesta lähdeainepulssien välissä.
Tiedon avulla on mahdollista minimoida epäpuhtauksien määrä uusia prosesseja kehitettäessä.
Jopa vedyn eri isotoopit erottuivat
Kevyt vety kyetään löytämään ald-kalvoista vain muutamalla karakterisointimenetelmällä.
”Jyväskylän yliopiston kiihdytinpohjaisen materiaalitutkimusryhmän käytössä oleva lentoaikarekyylispektrometria on yksi harvoista menetelmistä vedyn määrän mittaamiseen”, Kinnunen kertoo.
”Sillä voidaan sekä havaita ohutkalvoista vety että jopa erottaa sen eri isotoopit toisistaan.”
Yliopistossa on vahvaa ionisuihkupohjaisten analyysimenetelmien erikoisosaamista. Jyväskyläläiset ovat rakentaneet alan laitteistoja muille yliopistoille.
Atomikerroskasvatus (atomic layer deposition, ald) on suomalaisen tutkijan Tuomo Suntolan vuonna 1974 patentoima menetelmä. Hän sai innovaatiostaan vuoden 2018 Millennium-palkinnon.
Ohuimmillaan muutaman nanometrin paksuisia ald-pinnoitteita on kaikissa nykyisissä älylaitteissa puhelimista tietokoneisiin. Puolijohdeteollisuuden lisäksi ald-kalvoja käytetään muun muassa aurinkopaneeleissa, pakkausmateriaaleissa ja kymmenissä muissa kohteissa.
(Kuva Jyväskylän yliopisto) Sami Kinnusen väitöskirja Hydrogen incorporation in Al2O3 and ZnO thin films grown by atomic layer deposition tarkastetaan Jyväskylän yliopistossa 16. syyskuuta 2022.
Lue myös:
Jyväskylän yliopistolta huippulaitteisto pinnoitusprosessien kehittämiseen
