Tämä on Akateeminen vartti -podcastin tekstivastine. Linkki podcastin ääniversioon löytyy tekstivastineen alta.
Marianne Mustonen: Kuuntelet luonnontiedeaiheista Akateemista Varttia ja äänessä on Marianne Mustonen. Viime viikolla käytiin tutustumassa fyysikkojen työntekoon vähän erikoisemmassa paikassa, nimittäin puhdastilalabrassa tuolla Joensuun kampuksella. Oppaina meillä olivat tutkimuspäällikkö Petri Karvinen, laboratoriomestari Tommi Itkonen ja fysiikan maisteriopiskelija Outi Kaltiainen. Outilla on parhaillaan graduaihe mietinnässä ja katsottiin samalla vähän, että mitä laitteita hän voisi käyttää tutkimuksessaan. Aivan ensiksi piti kuitenkin kysyä olennainen kysymys Petriltä. Mikä ihmeen puhdastila? Eikö tavallisessa labrassa olekaan tarpeeksi puhdasta tai fyysikot tarpeeksi puhtaita työntekoon?
Petri Karvinen: Ei, ei kumpaakaan. Elikkä normaalissakin huoneilmassa on valtava määrä pienenpieniä partikkeleita, joita ei normaalisti nähdä ennen kuin ne sitten laskeutuu pölynä jonnekin pinnoille. Niitä leijuu täällä meidän ympärillä koko ajan. Sitten kun aletaan tekemään pieniä juttuja, mitkä on sen pienen pölyhiukkasen kokoluokkaa tai pienempiä, niin sitten pitää päästä eroon näistä leijuvista hitusista ja sitä varten on erityiset puhdastilat, joihin pukeudutaan erityisellä tavalla ja joissa erityinen ilmanvaihto.
Marianne Mustonen: Ketkäs tätä tilaa nyt sitten käyttävät? Että onko se vaan pelkästään kokeneet tutkijat, vai voiko perusopiskelijat tai maisteriopiskelijat mennä myös sinne?
Petri Karvinen: Enimmäkseen se tulee vastaan tuossa maisterivaiheessa laboratoriotöissä tai sitten joidenkin graduaiheessa ja siitä eteenpäin. Että pääsy on tietysti hyvin rajattu, että täytyy itsenäiseen työskentelyyn olla erityinen koulutus ja muu tämmönen, mitä ei ikävä kyllä tietysti kaikille voi antaa ja kapasiteettikin on rajallinen. Mutta siihen pyritään, että siinä maisterivaiheessa meiltä käytännön puolen tutkijat päästetään ainakin tutustumaan jonkun laboratoriotyön tai sitten gradunsa merkeissä.
Marianne Mustonen: Ja Outi, sinulla on nyt sitten graduaihe mietinnässä, niin mikä ala sinua kiinnostaisi?
Outi Kaltiainen: No, oletettavasti tietysti optista fysiikkaa, kun kerran täällä opiskellaan. Mutta siinähän on valtavasti vaihtoehtoja, että mitä tarkemmin lähettäis tutkimaan, enkä sitä aihetta itse en vielä tiedä. Mutta ehdottomasti haluaisin semmoisen käytännön työn mieluummin kuin hyvin teoreettisen gradun tehdä, että pääsen itsekin paremmin hahmottamaan sitä teoriaa sen käytännön tekemisen kautta.
Marianne Mustonen: No niin, nyt me seuraavaksi lähdetään siirtymään tuonne puhdastilaan ja siellä pitäisi varmaan jotain vaatteita päälle laittaa. Että katsotaanpas kohta, miten tämä sujuu.
No niin, nyt ollaan täällä eteisessä numero kaksi ja meillä on vielä kolmas eteinen edessä. Tommi kerropas, mitä sul on nyt päällä.
Tommi Itkonen: No minulla on puhdastilapuku, joka puettiin nyt tässä toisessa kammiossa niin sanotusti, kun tullaan ulkoa sisälle päin. Tuohon ensimmäiseen jätetään kengät ja ulkovaatteet ja sellaiset, sitten pistetään puku päälle tässä toisessa eteisessä ja sitten mennään vielä kolmanteen eteiseen, jossa laitetaan sitten hanskat käteen ja siitä siirrytään sitten varsinaiseen puhdastilaan. Tässä on semmoinen sähkölukkosysteemi, joka estää sen, että kahta ovea ei voi olla yhtä aikaa auki ja sillä pyritään estämään se, että ei tule sellaista läpituuletustilannetta, jossa likainen ilma pääsisi tuonne puhtaaseen päin.
Marianne Mustonen: Seuraavaksi pitäisi ilmeisesti putsata kännykkä jä tämä nauhuri?
Tommi Itkonen: Joo, elikkä elikkä nyt ollaan täällä saatu kumihanskat käteen ja otetaan tällaista isopropanolipyyhettä tässä hieman ja sillä olisi tarkoitus sitten pyyhkiä pölyjä näistä esineistä, joita sinne puhdastilaan viedään. Pyyhkäistään kevyesti vähän sieltä täältä. Meillä on myös tyyppipistooli tuossa, jolla pystyy sitten puhaltamaan myöskin pölyjä pois semmoisista kappaleista, joita ei pysty pyyhkimään, esimerkiksi juuri tämä nauhuri. Siinä on sellaisia koloja, joihin ei tällaisella pyyhkeellä pääse. Kyllä sieltä jotakin lähti, väriä jäi paperiin.
Meillähän on täällä kahdenlaisia laitteita, elikkä toisilla tuotetaan näitä nanorakenteita, hyvin pieniä rakenteita ja toisilla sitten niin sanotusti karakterisoidaan, elikkä mitataan, että mitä on saatu aikaan, koska nämä rakenteet on niin pieniä, että niitä ei silmällä näe tai näkee, että jotain siinä näytteillä on, mutta ei pysty sitä pientä rakennetta sieltä tutkimaan ja optisella mikroskoopillakaan ei välttämättä riitä resoluutio näkemään, että mitä on saatu aikaan. Ja sen takia sitten pitää olla tällaisia erikoislaitteita niin kuin tässä tällainen stylus-profilometri, joka sitten pystyy tuottamaan niistä nanorakenteista sitten kuvaa tai dataa, käyriä siitä, että minkälaisia ne on laadultaan ne rakenteet oikeasti ja tarkasti.
Marianne Mustonen: Niin mikäs laite tämä sitten on tässä edessä?
Petri Karvinen: No tässä on meillä montakin. Tässä on höyrystin ja tuossa on toinen höyrystin ja tuolla on sputteri ja kaikilla näillä tehdään ohutkalvoja, eli pinnoitetaan hirmuisen ohuita kalvoja eri näköisiä materiaaleja.
Marianne Mustonen: Mihin niitä ohutkalvoja käytetään?
Petri Karvinen: No niillä voi olla erilaisia optisia ominaisuuksia. Yleisin on varmaan semmoinen antiheijastuskalvo, mitkä voi olla vaikka jonkun silmälasien päällä, että siitä ei sitten valo heijastu niin paljon, vaikka enempi menee läpi. Periaate on hirmu yksinkertainen. Eli siellä on vain kammio, mikä on vakuumissa eli siellä on tyhjiö. Sitten siellä on se meidän näyte yleensä ylhäällä ja alhaalla on sitten materiaalia mitä vaan lämmitetään ja se sitten höyrystyy siellä kaikkialle myös sinne meijän näytteelle. Sitten käytännössähän se, että se saadaan tehtyä hyvin ja tarkasti ja kontrolloidusti, niin vaatii sitten aika paljo tätä kaikkea teknologiaa. Mutta periaate on hirmu yksinkertainen. Ainut mittari siellä on se paksuusmittari, millä sitten tarkkaillaan sitä prosessia. Mutta joo, tietokoneohjattu laitehan se on, että sitä kaikki se tyhjiöpumppaamisesta kaikkien pumppujen ja muitten ohjaaminen sitten siihen itse höyrystysprosessiin, niin kaikkea sitten ohjataan tietokoneella. Että tämmöinen melko tavallinen PC tässä kyljessä pyörii.
Tämä on ALD. Tällä on ihan sama tarkoitus kun mitä tuolla edellisellä höyrystimellä, tämä vaan tehdään ihan eri tavalla. Eli tämä on sitten semmoiseen kemiaan perustuva pinnoitusmenetelmä, millä saadaan vielä tarkemmin niitä tosi ohkasia kalvoja tehtyä.
No niin, Outi, eli niin kuin äsken tuossa sanoin, niin näillä voi tehdä semmoisia anti-heijastuskalvoja tai sitten sitä heijastusta voi myös lisätä. Että sehän on vähän niistä sinun graduajatuksista, missä AR-laseja rakenneltais, niin jotain niitä komponentteja voisi sitten pinnoitella näillä ja saada jotain jännää aikaiseksi.
Outi Kaltiainen: Kyllä, se olisi ihan mielenkiintoista lähteä kehittelemään tätä AR-lasihommaa eteenpäin.
Petri Karvinen: Joo, pidetään mielessä.
Tommi Itkonen: No niin, tässä on Plasmalab-niminen laite. Se on tällainen plasmaetsain, kuivaetsain ja kun tuolla höyrystimillä tehdään näytteitten pintaan ohutkalvoja, niin tällä sitten taas etsataan niitä kalvoja pois, mutta yleensä ei kyllä kokonaan, vaan yleensä sinne etsataan jotain rakenteita. Ja täällä on tosiaankin taas kerran vakuumikammio, jonne se näyte menee ja sinne sitten tuotetaan sähköisesti plasmaa. Elikkä sinne johdetaan ensin sopivia prosessikaasuja sisään ja sitten sähkökentällä saadaan se muutettua plasmaksi. Sinne syttyi vähän niin kuin valot sinne kammioon ja sitten tämä plasma etsaa, elikkä savoksi syövyttää niitä kalvoja tietyllä tavalla hallitusti niin, että saadaan jotain rakenteita siihen näytteeseen. Ja jälleen kerran periaate on melko yksinkertainen, mutta kyllähän se aika paljon kaikenlaisia laitteita ja toimintoja tarvii, että se saadaan hallitusti tehtyä. Ja tässä on niin kuin monessa näissä meidän laitteessa on tyhjiökammio, se vaatii pumppaamista ja yleensä se on tämmöinen kaksivaiheinen pumppaus, eli siellä on esivakuumipumppu ensin, joka tekee kohtuullisen hyvää vakuumia ja sitten on tämmöinen turbopumppu, joka sitten tekee sitä huippuvakuumia. Ja tässä taitaa olla ehkä meidän laitteitten suurin turbo täällä pyörimässä. Se on oikeastaan samanlainen kuin suihkukoneiden turbiini, elikkä siellä on vaan kovaa pyöriviä siipiä sisällä. Tietysti suihkarissa itsessään se on monimutkaisempi. Täällä ei sentään pala mitään sisällä, mutta. Ei ainakaan siellä turbon sisällä pitäisi palaa mitään. Ja tuossa on se turbo, esivakuumipumppu on tuolla seinän takana jyrisemässä ja siellä on plasmageneraattoria tai tällainen no sanotaan nyt vaikka niin, mutta siis tällainen sähkölähde, joka sitten tuottaa sen energian tuohon plasmaan ja siellä on oikeastaan kaksikin niitä. Ja sitten on kaikenlaisia venttiileitä ja nostokoneistoja ja muuta, millä käsitellään sitä näytettä, ladataan sisään, otetaan ulos ja niin edelleen.
Marianne Mustonen: Mitenkäs tämän paikan turvallisuus, että jos vaikka tulee sähkökatko, niin miten silloin pitää toimia?
Petri Karvinen: No meillä on täällä hätävalot, että koska ikkunoitahan ei ole, koska täällä käsitellään valoherkkiä aineita, niin tärkeätä on, että on valot ja muuta. Mutta hyvin samanlaiset kuin muissakin isoissa julkisissa tiloissa vois olla, paitsi että täällä on paljon hyvin vaarallisia aineita, myös vaarallisia myrkkykaasuja. Ja siihen on tietysti sitten omat mittarit ja omat hälytykset. Mutta samalla tavalla toimitaan kuin tulipallonkin aikana, että suorinta tietä ulos. Tuossakin sinun selän takana on yksi hätäpoistumistie, jos sitten tämmöinen onnettomuustilanne tulisi.
No niin, tässä on että spinneri, elikkä tämmönen hyvin taas periaate on hyvin yksinkertainen ja elegantti, että tässäkin tehdään niitä pinnotuksia, mutta nämä ovat yleensä muovia, polymeerejä. Ja periaate on samanlainen kuin savenvalajalla, että laitetaan vain näyte tuohon ja pyöritetään sitä ja siihen päälle jotain ainetta, niin sitten se jäljelle jäävän kalvon paksuus riippuu siitä pyöritysnopeudesta ja sen polymeeriseoksen ominaisuuksista. Ja tämä on näinkin yksinkertainen. Ajan tässä nyt tämmöisen puhdistusreseptin vain. Elikkä sillä se meidän näyte, tämmöinen piikiekko, siihen voitais laittaakin sitä polymeeriseosta, mutta siihen laitetaankin vähän asetonia ja isopropanolia. Siitä tämä ikävä haju tänne, mikä nyt tuli. Ja tämä nyt puhdistaisi sen kiekon, jos siinä olisi niitä polymeerijäämiä, niin se tuo asetoni liuottaisi sen pois ja sen jälkeen isopropanonilla huuhdotaan ja sitten vielä ilmavirralla kuivataan. Mutta tässä nyt sinne menee asetonia ja nyt se vaihtuu siihen isopropanoliin ja koko ajan sitä kiekkoa pyöritetään, että tämä liuotin leviää siellä tasaisesti. Kohta se vasta lähtee.
No niin, eli kaikki, mitä tässä nyt on nähty ja katellaan, liittyy siihen, että me saataisiin valmistettua semmoisia tosi pieniä rakenteita, mitä nyt enimmäkseen käytetään nyt tässä mikro- ja nano-optiikassa. Eli myös kaikki ne mittalaitteet, mitä nyt on nähty, niin liittyy vain siihen, että me voidaan katsoa, mitä tuli tehtyä ja sillä tavalla sitten parantaa niitä prosesseja. Koko tämä 200 neliötä puhdastiloja on tämmöisen litografiaprosessin ja sen tukitoimien ylläpitämiseksi.
No niin, tässäpä nyt muutama näistä laitteista, mitä meillä on. Että niin kuin sanoin, tätä puhdastila-aluetta on se parisataa neliötä ja noin yli puolet laitteista jäi nyt käymättä vielä, mutta lähdetään hiljalleen siirtymään ja ulospäin. Ja sitten käänteisessä järjestyksessä se mitä tultaessa. Että mennään niihin eteisiin ja heitetään sulla on tommonen kertakäyttöinen puku ja meillä vakiasiakkailla on tämmöiset, mitkä pestään. Meillä on omat pesutilat, erikoisaineet ja muut näille puhdastilapuvuille ja sitten ollaan taas ulkona ja normaalissa valaistuksessa.
Marianne Mustonen: Kuuntelit juuri Akateemista Varttia ja äänessä oli Marianne Mustonen. Olipa mielenkiintosta käydä tutustumassa puhdastilaan Petri Karvisen, Tommi Itkosen ja Outi Kaltiaisen kanssa. Tästä käynnistä on pieni videokin yliopistomme Youtube-kanavalla. Siellä voit käydä katsomassa, että miltä siellä labrassa oikein näytti.