Hyvää Suomesta: ohuilla kalvoilla pintoihin puhtia

Ohutkalvotekniikka sai kesän korvilla runsaasti julkisuutta Atomikerroskasvatustekniikan (ALD = Atomic Layer Deposition) kehittäjän Tuomo Suntolan saaman Millenium palkinnon myötä. Tämä oli ensimmäinen kerta, kun palkinto myönnettiin kokonaisuudessaan Suomeen. Hyvä Suomi!

Vaan mitä ovat ohutkalvot ja mihin niitä käytetään? Materiaalit ovat kosketuksissa ja vuorovaikuttavat ympäristönsä kanssa pintansa kautta. Laittamalla materiaalin pintaan, sopivasti valittua, toista materiaalia voidaan näitä vuorovaikutuksia räätälöidä halutun kaltaisiksi. Vuorovaikutus on hieno sana, mutta tässä se tarkoittaa, ettei pintaa esimerkiksi ruoste raiskaa.

Teollisissa sovelluksissa riippuen pinnoitteilla haetaan usein materiaalin kulutuksen ja korroosion kestävyyttä, parempia kitkaominaisuuksia tai kykyä hylkiä likaa. Lääketieteen materiaaleissa haluttuja ominaisuuksia ovat, edellä mainittujen lisäksi, kyky estää bakteerin ja virusten tarttumista pinnoille tai verihyytymien muodostumista. Kehoon laitettavien implanttien yhteydessä puhutaan myös materiaalien biologisen vasteen hallinnasta sekä bio- ja veriyhteensopivuuden parantamisesta.

Ohuen ohutta vai hieman paksumpaa..

Mitä ohuella tarkoitetaan, vaihtelee hyvinkin paljon pinnoitteen käyttökohteesta riippuen. Painetun elektroniikan kosteussuojakalvoksi muutaman kymmenen nanometriä ”ohut” kerros voi riittää.  Siinä ohuen paksummassa päässä eli kulutuksen ja rasituksen kestoa vaativissa sovelluksissa tarvittavat pinnoitteiden paksuudet ovat tuhat kertaisia tähän verrattuna eli kymmeniä mikrometrejä. Hyvän mielikuvan saa, kun muistaa että puhutaan maksimissaan noin hiuksen paksuista kerroksista. Tällaisia kerroksia ei tehdä pensselillä autotallissa, vaan tarvitaan erilaisia tyhjiöpinnoitustekniikoita. Kalvon kasvu on näet sellaista, että syntyville pinnoille ilmasta kertyvät kaasumolekyylit sekä pöly vaikuttavat pinnoitteen ominaisuuksiin ja pahimmassa tapauksessa johtavat koko pinnoitteen irtoamiseen.

EU rahalla ja yritysten tuella soveltavaa tutkimusta JAMKilla ja yliopistolla

Jyväskylän ammattikorkeakoululla ohutkalvojen soveltavaa tutkimusta on kahden vuoden ajan tehty Teollisesti Funktionaaliset Pinnat (TFP) -hankkeessa. Hankkeessa etsitään tunnetuille ohutkalvotekniikoille uusi sovelluskohteita sekä kehitetään uudenlaista hyperspektrikuvantamiseen perustuvaa tekniikkaa pinnoitteiden teollisiin in-line mittauksiin yhdessä Jyväskylän yliopiston tietotekniikan laitoksen kanssa. Hankkeen päärahoittajana on Euroopan Aluekehitysrahasto ja osarahoittajina sekä teollisuuden näkökulmaa mukaan tuomassa kahdeksan Keski-Suomessa toimivaa yritystä.

PVD menetelmät eli vahvalla fysiikalla mennään

Tärkeänä osana hanketta on valmistaa pinnoitteita nopeisiin kokeiluihin uusissa kohteissa. Pinnoitteet valmistetaan, teollisuudesta käytettynä ostetulla, tyhjiöhöyrystyslaitteella. Tyhjiöhöyrystys on yksi menetelmä niin sanottujen PVD –pinnoitusmenetelmien (fysikaalinen kaasufaasikasvatus) joukossa.  PVD menetelmien yhteisenä nimittäjänä on, että kohtioon tuodaan, tavalla tai toisella, energiaa ja kohtiosta irrotetaan ainetta kaasufaasiin, siis höyryksi. Aine kulkeutuu tyhjiön poikki pinnoitettavalle kohteelle. PVD menetelmistä höyrystysmenetelmiksi voidaan kutsua myös kaaripurkausmenetelmiä, jossa materiaalia höyrystetään korkean jännitteen avulla ikään kuin ”salamaniskusta” plasmaksi sekä laserhöyrystysmenetelmää (laserablaatio). Kun kohtioon tuodaan mekaanista energia pommittamalla energeettisillä ioneilla, puhutaan sputterointimenetelmistä.

Tykittämällä pintaa

JAMKin pinnoituslaitteistossa on kaksi erilaista tapaa kuumentaa ja höyrystää kohtiomateriaalia. Elektronitykki on näistä huomattavasti tehokkaampi. Elektronitykin avulla voidaan höyrystää korkeassa lämpötilassa (~ 3000°C) sulavia yhdisteitä. Toinen tapa höyrystää on ns. terminen höyrystys, jossa ainetta kuumennetaan sähkövirran avulla. Menetelmä soveltuu erityisesti metalleilla, mutta myös monille alhaisemman sulamispisteen (~1800°C) yhdisteille.  Jamkin laitteiston erityisenä etuna on, että molempia pinnoitusmenetelmiä voidaan käyttää samanaikaisesti ja valmistaa doupattuja pinnoitteita sekä nanokomposiittipintoja (lue= sotkea eri materiaaleja sekaisin ja saada aikaan uusia ominaisuusyhdistelmiä).

….ja apuhärkkivärkkejä

Pyörivän upokaskarusellin ansiosta laitteistolla pystytään valmistamaan monikerrospinnoitteita rikkomatta välillä tyhjiötä. Jos näytteet otetaan välillä huoneilmaan, pinnoille kertyy nopeasti epäpuhtauksia. Epäpuhtaudet voivat vaarantaa kerrosten välisen kiinnipysyvyyden. Koska tyhjiökään ei ole ihan oikeasti tyhjä, pinnoille kertyy epäpuhtauksia myös siellä. Jamkin laitteistossa käytetään happiplasmapuhdistusta antamaan näille epäpuhtauksille kyytiä. Luonnollisesti puhdistus täytyy tehdä juuri ennen varsinaisen pinnoituksen aloittamista. Kasvavan kalvon rakenteen kannalta oleellista on, että pinnoitettavaa kappaletta (pinnoitusihmiset puhuvat substraatista) pystytään myös lämmittämään. Kalvon rakenne, mm. kidemuoto, kiteiden koko, kidevirheet sekä epäpuhtaudet, määrää sen ominaisuudet ja lopulta sen toimiiko pinnoite tarkoituksensa mukaisesti.

Rajansa kaikella vaan konstit on monet

Vaikka laitteisto onkin monipuolinen ja soveltuu hyvin nopeisiin testeihin, sillä on rajoitteensa. Aiemmassa elämässään, ennen korkeakoulumaailmaan siirtymistä, sitä on käytetty optisten komponenttien pinnoittamiseen. Optiikan komponenttien pinnanmuodot eivät yleensä ole kovin kummallisia ja pinnoitusmenetelmä soveltuukin parhaiten tasomaisille kappaleille. Mikäli halutaan pinnoittaa erikoisemman muotoisia pintoja tai esimerkiksi putken sisäpintaa ylivoimainen menetelmä on ALD.

Termisten höyrystysmenetelmien ongelmana on yleisesti ettei ”lämmittämällä” saada höyrystyvälle ”tavaralle” riittävästi energiaa. Energeettinen ”tavara” on monissa sovelluskohteissa tärkeää, erityisesti kun tarvitaan paksumpien kerrosten hyvää kiinnipysyvyyttä substraatissa ja hyvää rasituksen kestoa. Tällaisia sovelluksia ovat esimerkiksi työkalut sekä tekonivelet.  Näihin sovelluksiin eriomainen pinnoitusmenetelmä on kaaripurkausmenetelmä. Menetelmän voimasta kertoo, että kun esimerkiksi hiiltä höyrystetään menetelmän avulla plasmaksi, voidaan saada aikaiseksi timanttia. Hiiliplasman törmätessä pintaan paikalliset olosuhteet, lämpötila ja paine, ovat vastaavat kuin maankuoren sisässä, missä luonnontimantti syntyy.

Tiivistyvää pinnallista yhteistyötä Jyväskylässä

Jyväskylän yliopistolla on lukuisia laitteita ohutkalvojen kasvatukseen, mukaan lukien moderni ALD laitteisto. Yliopisto nanotiedekeskuksessa ja fysiikan laitoksella pinnoitteiden parissa on tehty tutkimustyötä pitkään. Maailmanlaajuisestikin poikkeuksellisia työhevosia ohutkalvotutkimukseen ovat Professori Timo Sajavaaran tutkimusryhmän Pelletron -kiihdytin sekä Nanotiedekeskuksen Helium ioni mikroskooppi.

TFP hankkeen yhtenä tavoitteena on ollut kehittää ohutkalvopinnoitusyhteistyötä Jyväskylän yliopiston, JAMKin sekä alueen yritysten välillä.  Yhteistyö on lähtenyt hyvin liikkeelle ja siinä pyritään hyödyntämää osapuolten erilaisia vahvuuksia. Yliopisto tuo kimppaan ohutkalvo- ja tutkimusosaamisensa ja Jamkin rooli on siirtää tuota osaamista yrityskontaktejaan hyödyntäen teolliseen rajapintaan. Samalla saadaan yliopiston ohutkalvoinfraa entistäkin tehokkaampaan hyötykäyttöön.

Pinnoitusyhteistyö on edelleen nousemassa uudelle tasolle. Tämä kevään aikana on Jyvässeudulle hankittu useampikin Millenium –palkittua ALD teknologiaa hyödyntävä laite. Laitteita ollaan Yliopiston ja Ammattikorkeakoulun yhteistyönä ajamassa ylös ja niitä hyödyntävää yhteistä tutkimus- sekä hanketoimintaa puuhataan kovaa kyytiä. Erityisenä yhteistyön kohteena tulee olemaan kuitupohjaisten materiaalien ja polymeerin rullalta rullalle pinnoitusteknologia ja menetelmän skaalaus teolliseen kokoluokkaan. Jamk panostaa voimakkaasti materiaaliteknologiaan uuden CAMS –keskuksen myötä.  Ohutkalvoihin keskittyvät hankkeet sekä koulutus ja liiketoiminta tulevat olemaan merkittävä osa tämän keskuksen toimintaa.

-Esa Alakoski, projekti-insinööri, FT, Jyväskylän ammattikorkeakoulu