Millennium-teknologiapalkinnon tuoreen voittajan Tuomo Suntolan innovaatio mahdollistaa sen, että elektroniikkalaitteiden suorituskyky paranee vuodesta toiseen. Suntolan innovoimalle atomikerroskasvatusteknologialle löytyy jatkuvasti uusia käyttökohteita, esimerkiksi lääketieteessä.

Miksi tietokoneemme ja älypuhelimme ovat vuosi vuodelta tehokkaampia? Miksi niiden kamerat ovat tarkempia, näytöt parempia ja muistia tulee aina vain lisää?

Niin outoa kuin se onkin, kyseessä on liki luonnonlaki. Puolijohdevalmistaja Intelin perustaja Gordon Moore nimittäin havaitsi vuonna 1965, että mikropiireissä käytettävien transistorien lukumäärä kaksinkertaistuu noin kahden vuoden välein. Hän myös ennusti, että trendi jatkuu näköpiirissä olevassa tulevaisuudessa. Ennustetta on sittemmin alettu kutsua Mooren laiksi.

Yli viisikymmentä vuotta sitten tehty ennuste on pitänyt yllättävän hyvin kutinsa. Mikropiireissä olevien transistorien ja muiden komponenttien määrä tiettyä pinta-alaa kohden on historian saatossa kaksinkertaistunut keskimäärin puolessatoista vuodessa tähän päivään asti hintojen kuitenkin samalla laskiessa.

Mutta jatkuuko Mooren lain ennustama kehitys ikuisesti? Ehkä ei, sillä ennen pitkää mikropiirien koon pienentämisessä tulevat rajat vastaan. Näin käy silloin, kun aletaan työskennellä yksittäisten molekyylien ja atomien kokoluokassa.


Kolmiulotteista pintaa atomikerros kerrallaan

Millennium-teknologiapalkinnon toukokuussa 2018 voittaneen suomalaisen fyysikon, tekniikan tohtori Tuomo Suntolan, kehittämä atomikerroskasvatusteknologia (Atomic Layer Deposition, ALD) on menetelmä, joka on vaikuttanut merkittävästi siihen, että Mooren laki on yhä voimissaan.

ALD-teknologialla voidaan valmistaa muutaman atomikerroksen vahvuisia ohutkalvoja ja pinnoittaa monimutkaisia kolmiulotteisia rakenteita tarkasti atomikerros kerrallaan – siis muun muassa tehdä entistä pienempiä komponentteja mikropiireihin.

Jatkuvasti kehittyvän ALD-teknologian ansiosta laitteet ovat pienempiä ja edullisempia, mutta samalla tehokkaampia. 

Kun Intel otti ensimmäisenä puolijohdevalmistajana ALD-prosessin käyttöön mikroprosessoriensa valmistuksessa vuonna 2007, se luonnehti askelta suurimmaksi muutokseksi tietokoneiden komponenttien valmistamisessa 40 vuoteen. Intel teki tuolloin atomikalvoja vain yhdessä tuotantovaiheessa. Nykyään ALD-teknologiaa käyttävät kaikki puolijohteiden valmistajat, jopa kymmenissä valmistuksen eri vaiheissa.

Itse innovaatio syntyi jo vuonna 1974. Tuomo Suntola oli juuri suunnitellut sääasemistaan ja -sondeistaan tunnetulle Vaisalalle elektronisen kosteutta mittaavan ohutkalvoanturin. Instrumentarium kiinnostui miehestä ja pyysi häntä perustamaan yritykselle tutkimusryhmän. Toimeksianto oli kehittää ”jotain uutta liiketoimintaa.”

”Halusin keskittyä litteiden elektroluminessinäyttöjen kehittämiseen. Ongelmana oli, että miten voitaisiin valmistaa tuhannesosamillimetrin paksuinen kalvo, jolla olisi hyvä sähkönkestävyys”, Suntola kertoo.

”Työhuoneeni seinällä roikkui alkuaineiden jaksollinen taulukko. Mietin, että mitä jos autetaan luontoa ja tarjoillaan yhdisteen osat yksi kerrallaan oloissa, joissa atomien järjestäytyminen voi tapahtua. Onnistuin synnyttämään olosuhteet, joissa pinta hyväksyy aina atomikerroksen kerrallaan”, Suntola kuvailee.


”Mietin, että mitä jos autetaan luontoa.”

Suntola ei pidä innovaationsa syntyä kuitenkaan minään heureka-hetkenä. Hän sanoo, että keksinnön taustalla oli vankka teoreettinen työ ja selvä näkemys siitä, mitä haluttiin luoda.

”Halusin kehittää täysin uudenlaisen tavan tehdä litteitä näyttöjä. Ja tiesin, että sitä varten pitää miettiä kokonaan uudestaan se, miten ohutkalvoja valmistetaan”, Suntola muistelee. ”ALD-menetelmä syntyi määrätietoisen tutkimuksen ja etsinnän tuloksena.”

Suntolan keksinnöt patentoitiin nopeasti ja ensimmäiset ALD-teknologiaan perustuvat elektroluminenssinäytöt esiteltiin Lohja Oy:n toimesta maailmalle San Diegossa vuonna 1980. Instrumentarium oli myynyt vähän aikaisemmin kehityshankkeen Lohjalle.


Suntola oli alusta asti varma ALD-teknologian läpilyöntiin.

”Se oli sensaatio. Näyttömme olivat selvästi parempia kuin kilpailijoiden näytöt. Saimme heti yli 3 000 tuotetiedustelua”, Suntola muistelee. ”Mutta tilaisuus meni vähän ohi, koska tuotantolinjamme ei ollut vielä valmis.”

Ajan myötä elektroluminenssinäytöt hävisivät kilpailussa nestekidenäytöille. ALD-teknologiaa kehitettiin kuitenkin eteenpäin ja sovellutuskohteita etsittiin muun muassa aurinkokennoista ja öljynjalostuksen katalyyteista.

Tuomo Suntola kertoo olleensa itse jo alusta asti varma, että ALD tulee lyömään läpi mikropiirien valmistuksessa.

”Mutta kuitenkin esimerkiksi vielä 1980-luvun alussa, kun tarjosimme teknologiaa merkittävälle puolijohdevalmistajalle, suhtautuminen oli nihkeää. Heillä oli omat teknologiansa, eikä juuri kiinnostusta tehdä kauppoja pienten suomalaistoimijoiden kanssa.”

Mooren laki jylläsi kuitenkin taustalla ja mikropiireistä tuli koko ajan pienempiä. ALD-teknologialle syntyi tarve, kuten Suntola oli ennustanut.

”ALD-menetelmä syntyi määrätietoisen tutkimuksen ja etsinnän tuloksena”, kertoo Millennium-teknologiapalkinnon voittanut tekniikan tohtori Tuomo Suntola.

Nykyään Tuomo Suntolan innovaatiolla on vankka asema it-alalla ja merkittävä tulevaisuus lukuisilla muilla aloilla. ALD-ohutkalvojen hyödyntämisestä lääketieteellisissä instrumenteissa ja implanttien pinnoilla on saatu lupaavia tutkimustuloksia.

Startup-yrityksiä on syntynyt kaupallistamaan teknologiaa esimerkiksi sovelluksissa, jotka säätelevät lääkeaineiden vapautumista ihmiskehossa. ALD-menetelmällä voidaan parantaa muun muassa aurinkokennojen, led-valojen ja sähköautojen litium-akkujen suorituskykyä ja sitä voidaan hyödyntää ympäristöystävällisissä pakkausmateriaaleissa. Menetelmää käytetään myös erilaisissa optiikan sovelluksissa. Arkipäivän käytössä ohutkalvot estävät metallin tummumista kellojen ja hopeakorujen pinnoitteissa.

ALD-kalvojen valmistukseen käytettävien laitteistojen ja kemikaalien maailmanlaajuiset markkinat ovat arviolta noin kaksi miljardia dollaria, ja ALD-teknologiaan nojaavan kuluttajaelektroniikan markkina-arvo yltää jo ainakin viiteensataan miljardiin dollariin.

Suntola sanoo, että hän ei itse ole keksinnöllään sen pahemmin päässyt rikastumaan.

”Patentit menivät umpeen jo kauan sitten”, hän toteaa. ”Mutta kunnia jäi, ja olen todella iloinen siitä, millaista uutta tieteellistä tutkimusta ja millaisia sovelluksia sen varaan on syntynyt.”


”Todellista ratkaisua ei löydy ilman ongelman syvällistä teoreettista ymmärtämistä.”

TAF:in, Tekniikan Akatemia -säätiö, myöntämä miljoonan euron Millennium-teknologiapalkinto annetaan kahden vuoden välein uraauurtavalle teknologian innovaatiolle, joka parantaa ihmisten elämänlaatua ja edistää kestävää kehitystä. Palkittavan innovaation on oltava jo sovellettu käytäntöön ja sillä on saatava aikaan mittavia muutoksia nyt ja tulevaisuudessa.

Innovaation on myös edistettävä korkealaatuista tieteellistä ja teknologiaan liittyvää tutkimus- ja kehitystyötä. Aikaisemmin palkinnon ovat saaneet muun muassa World Wide Webin kehittäjä Tim Berners-Lee ja Linux-käyttöjärjestelmästä tunnettu Linus Torvalds.

Millennium-teknologiapalkinnossa yhdistyy teoria ja käytäntö, perus- ja soveltava tutkimus. Tuomo Suntolan tutkijanhahmoon tämä filosofia kiteytyy mainiosti.

”Itse lähden aina liikkeelle konkreettisesta ongelmasta, joka vaatii ratkaisua. Mutta todellista ratkaisua ei löydy ilman ongelman syvällistä teoreettista ymmärtämistä”, Suontola luonnehtii.

”Eli perustutkimusta tarvitaan. Mutta pelkkä perustutkimus ei riitä. Tarvitaan myös tietynlaista teknokraattista asennetta – sitä, joka kysyy, että mihin ongelmiin ylipäätään kannattaa tarttua.”

FIM on Millennium-teknologiapalkinnon pitkäaikainen yhteistyökumppani. Kansainvälinen Millennium-teknologiapalkinto jaettiin jo kahdeksatta kertaa. Palkinnon jakoi tasavallan presidentti Sauli Niinistö Helsingissä 22.5.2018

22.05.2018