27.06.2019
27.6.2019
Atomikerroskasvatus eli ALD (Atomic Layer Deposition) on yksi merkittävimmistä ja laajimmin hyödynnetyistä suomalaisista teknologiakeksinnöistä. Lähes jokaisen taskussa kulkeva älypuhelin ei olisi mahdollinen ilman ALD:n suomia pieniä puolijohteita. Teknologiaa voi kuvata monitoimityökaluksi, jota hyödynnetään niin tietokoneissa, led-valoissa kuin aurinkokennoissakin ympäri maailman.Tekniikan tohtori Tuomo Suntola keksi lähes viisikymmentä vuotta sitten, kuinka materiaalin pinnalle voidaan rakentaa äärimmäisen ohut kalvo yksi atomi kerrallaan. Hän sai ALD-teknologialle ja ohutkalvojen valmistuslaitteistolle kansainvälisen patenttisuojan jo 1970-luvulla. Hyvä patenttisuoja mahdollisti ALD-ohutkalvojen valmistuslaitteistojen tuotannon pitämisen omissa käsissä, kun ALD-kalvoille löydettiin yhä uusia sovelluksia teollisuudessa. Todellinen läpimurto tapahtui kuitenkin vasta 2000-luvun alussa, kun ALD tuli laajasti käyttöön puolijohdevalmistuksessa.
Mistä ALD-teknologiassa on kyse, Kolsterin patenttijohtaja Tapio Äkräs?
”Kaikki lähti liikkeelle näytöistä. Suntola työskenteli Instrumentarium Datex Oy:ssä 1970-luvulla ja havaitsi, että monien teknologisten laitteiden haasteena oli laadukkaiden, litteiden näyttöjen puute. Tätä haastetta Suntola lähti ratkomaan. Tuloksena oli ALD-tekniikalla valmistettu elektroluminenssinäyttö.
Teknisesti ALD:ssa on kyse siitä, että erilaisille alustoille rakennetaan kiinteitä, erittäin ohuista materiaalikerroksista koostuvia kalvoja, joiden paksuutta kyetään kontrolloimaan nanometrien tarkkuudella. Materiaalikerrokset saavat muotonsa, kun kaasumaiset lähtöaineet vuorotellen reagoivat alustan pinnan kanssa. ALD-menetelmälle alustaksi kelpaavat monenlaiset aineet aina piistä nanoselluloosaan. ALD:n avulla laajoille ja epätasaisillekin alustoille saadaan muodostettua laadukas, yhtenäinen kalvopinnoite.”
Kuinka merkittävästä keksinnöstä on kyse?
”Kyseessä on erittäin merkittävä keksintö, jopa yksi monipuolisimmin hyödynnetyistä suomalaisinnovaatioista. Kesti vuosikymmeniä ennen kuin ALD:n koko potentiaali saatiin hyödynnettyä, mutta nyt sitä käyttävät muun muassa useimmat elektroniikkavalmistajat. Tämän valmistusteknologian ansiosta laitteet ovat entistä pienempiä ja edullisempia mutta samalla tehokkaampia.
ALD:n hyödyntäminen lisääntyy edelleen jatkuvasti, koska teknologian ympärillä on ansiokasta tutkimusta niin kotimaassa kuin kansainvälisestikin. On poikkeuksellista, että yksi teknologia on kantanut näin pitkälle ja siitä voidaan koko ajan ammentaa lisää korkean teknologian tuotteisiin. Merkittävyydestä kertoo myös se, että Tuomo Suntola sai ALD-teknologian kehittämisestä kansainvälisen Millennium-teknologiapalkinnon vuonna 2018.”
Miten ALD-teknologia näkyy arjessamme?
”ALD on mukana varmasti lähes jokaisen elämässä näkymättömänä osana tuotteita. Atomikerroskasvatuksella valmistettuja ohutkalvoja käytetään niin tietokoneissa kuin erilaisissa älylaitteissakin. Aurinkokennojen, sähköautojen litium-akkujen ja led-valojen suorituskykyä voidaan parantaa ALD:lla. Toisaalta sitä käytetään myös ympäristöystävällisten pakkausmateriaalien valmistukseen.
Tekniikkaa käytetään myös esimerkiksi estämään hopean tummumista. Kalevala Koru otti ensimmäisten joukossa käyttöönsä ALD-reaktorin. Sen avulla hopeakoruihin saadaan äärimmäisen ohut oksidikalvo, joka estää korun tummumisen.
ALD:n hyödyntäminen saa koko ajan uusia muotoja. Muun muassa atomikerroskasvatuksen soveltamisesta lääketieteellisiin instrumentteihin ja implanttien pinnoille on saatu hyviä tuloksia. On hienoa, että useat startup-yritykset ovat voineet hyödyntää teknologiaa.”
Milloin ALD on patentoitu?
”Vuonna 1974 Instrumentarium Datex Oy jätti patenttihakemuksen FI347374 Suntolan keksimälle menetelmälle, josta käytettiin nimitystä Atomic Layer Epitaxy (ALE). ALE oli siis ensimmäinen nimitys atomikerroskasvatukselle, nykyiselle ALD:lle.
Teknologia oli kuitenkin vielä laboratorioasteella ja sellaisenaan soveltumaton laajaan tuotantoon. Vuonna 1978 Datex Oy myi näyttökehityksen (ALD) Lohja Oy:lle, joka oli laajentamassa elektroniikkatoimialalle. Heti seuraavana vuonna Suntola teki toisen patenttihakemuksen, FI790680:n, jossa menetelmää ja valmistuslaitteistoa paranneltiin merkittävästi ja paremmin teolliseen tuotantoon soveltuvaksi.
1980- ja 1990-luvuilla pinnoituslaitteiden eli ALD-reaktoreiden kehittämistä ja valmistusta jatkettiin suomalaisessa Mikrokemia Oy:ssä. Tältä ajalta on joukko patenttihakemuksia, joissa Suntola oli keksijänä. Mikrokemia Oy myytiin 2000-luvulla hollantilaiselle ASM-yhtiölle ja reaktoreiden valmistus siirtyi pois Suomesta. Mikrokemian asiantuntijat perustivat 2004 Picosun Oy:n jatkamaan ALD-reaktoreiden kehitystä ja valmistusta Suomessa. Tuomo Suntola toimii Picosunin hallituksen puheenjohtajana. Myös Beneq Oy:n ALD-reaktoritoiminta käynnistettiin Mikrokemian osaajien avulla. Picosun ja Beneq ovat nykyisin kymmenien miljoonien liikevaihtoa tekeviä yrityksiä ja erittäin aktiivisia tuotekehittäjiä ja patentoijia.
Puolijohdeteknologiassa atomikerroskasvatusta alettiin laajemmin käyttää 2000-luvun alussa, jolloin sekä alan tutkimus että liiketoiminta nousivat ennen näkemättömään arvoon. Tällöin myös 1970-luvulla jätettyjen patenttien suoja-aika oli päättynyt ja ALD-perusmenetelmät olivat tulleet vapaasti käytettäviksi. ALD-teknologiaan liittyvien patenttihakemusten määrä on kasvanut räjähdysmäisesti 2000-luvulla.”
Tekniikan tohtori Tuomo Suntola sai Millennium-teknologiapalkinnon 2018 atomikerroskasvatusteknologian (Atomic Layer Deposition, ALD) kehittämisestä. Kuva: Tekniikan Akatemia.
Esittelemme Kolsterin 145. juhlavuoden kunniaksi joka kuukausi yhden kiinnostavan suomalaisen keksinnön tai patentin.
Kohosen kartta – itseoppivan tekoälyn mahdollistaja
Tekoäly ja koneoppiminen ovat jo kahvipöytäkeskustelujen vakioaiheita. Moni ei kuitenkaan tiedä, että tekoälyä kehitetään nyt ja tulevaisuudessa suomalaisen akateemikon Teuvo Kohosen keksintöjen avulla.
AIV-rehu – suomalaisten keksintöjen aatelia
Artturi Ilmari Virtanen keksi, miten suomalaisen maidontuotannon määrää ja laatua parannetaan merkittävästi. Hänen kehittämänsä AIV-rehu käytännössä pelasti suomalaisen maatalouden kilpailukyvyn ja niitti mainetta myös maailmalla.
Saunakiuas – kivikasasta designtuotteeksi
Saunakiukaan historia ulottuu 1900-luvun alkupuolelle, jolloin Fredrik Terho sai patentin tavalleen valmistaa rautaisia saunauuneja. Sadassa vuodessa tuote on kehittynyt, ja perinteisten pönttöuunin sijaan saunaansa voi hankkia vaikkapa tonttua muistuttavan designmallin.
Heteka – aikansa rautainen hittituote
Kuka muistaa hetekan? Aika moni, sillä hittituotteeksi muodostuneen huonekalun tuotantomäärät liikkuivat kahdessa miljoonassa kappaleessa.
Kolsterin ensimmäinen patentti palveli paperiteollisuutta
Vuonna 1874 myönnettiin Kolsterin ensimmäinen patentti. Samana vuonna alkoi myös Suomen vanhimman IPR-alan yrityksen alkutaipale.
Tapio Äkräs
tapio.akras@kolster.fi
050 5242406
