Ohjelmaesite (Elektroniikan materiaalit ja mikrosysteemit)

1 Johdanto

Suomalainen elektroniikka-alan tutkimus ja kehitystyö, ennen kaikkea tietoliikennesovellusten alueella, on kansainvälistä huipputasoa. Eräänä osoituksena tästä on se, että sähkö- ja elektroniikkateollisuus on kivunnut viennin ykköseksi ohi perinteisen metsäteollisuuden. Jotta nykyinen suotuisa kehitys jatkuisi, Suomen Akatemiassa päätettiin vuonna 1998 käynnistää uusi tutkimusohjelma tukemaan yhtä elektroniikan osa-aluetta. Ohjelman aihepiirinä on elektroniikan materiaalit alkaen materiaalien kasvatuksesta niiden prosessointiin komponenteiksi. Elektroniikan materiaalien ja mikrosysteemien (EMMA) tutkimusohjelma on valmisteltu yhteistyönä Tekesin sekä alan teollisuuden kanssa. Ohjelman laajuus on 30 miljoonaa markkaa, ja sen kesto kolme vuotta, ajoittuen vuosille 1999 - 2002.

Suomen Akatemian toiminnassa on yhä tärkeämpään asemaan nousseet vuosittain käynnistettävät tutkimusohjelmat. Tutkimusohjelma muodostuu useista toisiinsa liittyvistä samalla monitieteisellä kohdealueella toimivista hankkeista. Ohjelmia perustetaan nopeasti kehittyville tieteellisesti merkittäville aloille sekä tieteellistä tietoa vaativille kansallisesti tai kansainvälisesti merkittäville ongelma-alueille. Ohjelmilla pyritään luomaan tai vahvistamaan tieteellistä perinnettä sekä saattamaan yhteen hajallaan olevaa tutkimuskapasiteettia. Yhteiskunnallisesta relevanssista on myös tullut entistä merkittävämpi tekijä ohjelmateemoja valittaessa.

EMMA -ohjelman tavoitteena on luoda pitkäjänteistä ja korkeatasoista perustutkimusta, joka tukee suomalaisen elektroniikka-alan tutkimus- ja kehitystoimintaa ja jonka avulla voidaan innovoida uusia sovelluskohteita. Korkeatasoinen tutkimus sekä korkeasti koulutettu työvoima ovat alan vakaan kehityksen edellytyksiä. Alalla on kuitenkin jatkuva puute ammattitaitoisen työvoiman lisäksi tutkijankoulutuksen saaneista henkilöistä. On arvioitu, että yliopistoista valmistuneista joka viidennellä pitäisi olla tohtorin tutkinto; heistä puolet tarvitaan teollisuuden palvelukseen ja puolet yliopistoihin ja korkeakouluihin opetus- ja tutkimustehtäviin. Ohjelma tukeekin samalla elektroniikan ja sähkötekniikan yliopistollisten tutkimusympäristöjen kehittämistä, mikä on välttämätöntä alan tohtori- ja tutkijankoulutuksen lisäämiseksi. Lisäksi ohjelman kautta pyritään rohkaisemaan yhteistyöhön niin koti- kuin ulkomaistenkin tutkijoiden ja tutkimusryhmien kanssa, sekä lisäämään suomalaisten tutkimusryhmien välistä vuorovaikutusta.


2 Tutkimusohjelman teema-alueet

Elektroniikan integrointiasteen kasvaessa komponentit pienenevät edelleen. Optiikan ja elektroniikan yhdistäminen jatkuu. Se on jo saanut aikaan vallankumouksen tietoliikenteessä. Yhä useammat sähköiset toiminnat pyritään siirtämään optisiksi, jotta nopeus ja tehokkuus kasvaisivat. Optisia, mekaanisia, termisiä ja elektronisia toimintoja sisältävien systeemien integrointi yhdelle piisirulle on johtanut kokonaan uuden ns. mikrosysteemiteknologian syntyyn.

Alalla tarvitaan sekä materiaalien että komponenttien perustutkimusta. Se on tärkeä kilpailukykyä säilyttävä ja uutta kasvua luova tekijä varsinkin pkt -sektorilla, jossa meillä on jo globaalisti menestyviä yrityksiä terveydenhoidon, sairaalatekniikan ja ympäristömittausten aloilla. Tutkimus  palvelee myös optisen tietoliikenteen ja tiedonsiirron kehittämistä.

Piiteknologian materiaalit

Elektroniikkateollisuuden perustana on puolijohdekomponenttien nopea kehitys. Komponenttien kehittyminen puolestaan edellyttää materiaalien osaavaa ja tehokasta käyttöä sekä entistä tehokkaampien materiaalien kehittämistä. Suomessa on omaan innovaatioon perustuen tuotettu jo yli kymmenen vuotta piikiekkoja sekä komponenttien että mikrosysteemien valmistukseen. Kilpailukyvyn ylläpitäminen, uusien innovaatioiden kehittäminen ja mahdollinen komponenttien massatuotannon aloittaminen edellyttävät, että piipohjaisten materiaalien ja niiden prosessoinnin osaamista syvennetään ja osaajien lukumäärää kasvatetaan.

Uudet puolijohdeteknologian materiaalit ja materiaalien rajapintailmiöt

Piin rinnalle uusia materiaaleja kehitetään varsinkin yhdistepuolijohteista. Suora, säädeltävissä oleva kielletty energiaväli sekä varauksenkuljettajien suuri liikkuvuus tekevät niistä ainutlaatuisia suurnopeus- ja optoelektroniikan sekä optisen tietoliikenteen komponenttimateriaaleja. Suomessa on jo viriämässä galliumarsenidi (GaAs)- ja indiumfosfidi (InP) -pohjaisten komponenttien teollista valmistusta. Uudet yhdisteet kuten nitridit (GaN) ja karbidit (SiC) ovat potentiaalisia sinisen ja ultravioletin valon lähteitä sekä korkeita lämpötiloja ja suuria tehoja kestävien komponenttien materiaaleja. Uusia materiaaleja kehitetään myös esim. erilaisiin anturi- ja näyttösovelluksiin. Lisäksi tutkitaan kasvavaa määrää muita materiaaleja, kuten eristeitä ja polymeereja, yhä kehittyvän puolijohdeteknologian tarpeisiin. Eri materiaalien fysikaalisen ja kemiallisen yhteensopivuuden ja rajapintailmiöiden tuntemuksesta on tulossa keskeinen huippuelektroniikan kilpailutekijä.

Komponenttien ja mikrosysteemien kehittäminen

Piiteknologialla on perinteisesti tarkoitettu mikropiirien valmistamista. Pii on myös mekaanisilta ja termisiltä ominaisuuksiltaan erinomainen, ja näin ollen olemassa olevaa teknologiaa voidaan sopivasti täydennettynä käyttää erilaisten miniatyrisoitujen antureiden ja aktuaattoreiden valmistamiseen. Myös tällä alalla ollaan kehittämässä yhä uusia materiaalivaihtoehtoja ja monipuolisempia komponenttiratkaisuja. Mikrosysteemi on mikropiirien, antureiden ja aktuaattoreiden yhdistelmä, jolle on tyypillistä multifunktionaalisuus, ts. mikrosysteemissä on erilaisia fysikaalisia ja/tai kemiallisia toimintoja. Fysikaaliset toiminnat ovat luonteeltaan yleensä sähköisiä, mekaanisia, termisiä tai optisia. Älykkäät mikrosysteemit sisältävät lisäksi systeemin komponenttien ohjaukseen ja mittaussignaalien analyysiin tarvittavat mikropiirit. Suomen teollisuus on ollut alusta lähtien vankasti mukana tässä kehityksessä ytimenään tuotantoketju piikiekoista aina ympäristömittausten mikrosysteemeihin. Myös perinteisemmät mikro- ja optoelektroniikan komponentit ja valmistusmenetelmät kehittyvät nopeasti, mikä avaa laajoja mahdollisuuksia erilaisille tutkimusprojekteille. Kansainvälisen kilpailukyvyn ylläpitäminen edellyttää mikrosysteemien perustutkimuksen tekemistä.


3 Tutkimusprojektit

Kansainvälisen asiantuntijapaneelin antamien arvioiden pohjalta valittiin Suomen Akatemian rahoitettavaksi keväällä 1999 hakeneitten joukosta yksitoista tutkimushanketta: