Den pittoreska kommunen Spiez vid den vackra Thunsjöns strand är som en alpin idyll. Under ett av de branta taken döljer sig ett inslag av «Swissness» som sällan ses på vykort men som är lika mycket Schweiz som Alperna: högteknologisk innovation. Här har «Swiss Cluster» sitt hem, ett spin-off från Empa, specialiserat på nya system för tillverkning av tunnskikt. «Swiss Cluster» grundades i slutet av 2020 vid Empa i Thun av ett team från laboratoriet «Mechanics of Materials and Nanostructures» under ledning av materialforskaren Carlos Guerra och elektronikingenjören Kevin Lücke. De båda grundarna forskade på Empa för att göra tunnskikt robustare och mer motståndskraftiga.
För många branscher är detta centralt: tunnskikt har många tillämpningar. De skyddar känsliga komponenter mot slitage och korrosion. Inom optik minskar de reflexer på linser och möjliggör specialfilter. Dekorativa tunnskikt ger klockkomponenter en speciell färgspel. Belagda medicinska implantat accepteras bättre av kroppen. Och inom mikroelektronik är tunnskiktteknologier avgörande: transistorer, datorchip och displayer består av precisa sekvenser av mikro- och nanometer-tunna materiallager.
Två metoder i samverkan
En vanlig metod för att tillverka tunnskikt är fysisk ångdeponering (eng. «physical vapor deposition», PVD). Här förångas utgångsmaterialet, oftast en metall eller en metalloxid, i en vakuumkammare och kondenseras på komponenten som ska beläggas, substratet. Denna vedertagna metod kombinerar «Swiss Cluster» med den nyare vakuumbaserade processen kallad atomlagerdeponering (eng. «atomic layer deposition», ALD). Till skillnad från PVD tillsätts vid ALD- processen växelvis gasformiga utgångsmaterial till vakuumkammaren. Det beläggningsmaterialet bildas genom en kemisk reaktion på substratet – med atomprecision på skiktets tjocklek.
«ALD möjliggör väldigt tunna, homogena lager som ger utmärkt skydd mot korrosion och oxidation. PVD å andra sidan ger mycket hårda lager», förklarar Carlos Guerra, VD för «Swiss Cluster». «Genom att kombinera de två metoderna kan vi skapa tunnskikt som är oerhört motståndskraftiga: hårda och duktila samtidigt, termiskt robusta och resistenta mot korrosion.»
Kombinationen av de två tunnskiktsmetoderna är komplex. Att ta ut substratet från en apparat och föra in det i nästa ger inte det önskade resultatet: i kontakt med luft oxideras och förorenas ytan vilket försämrar adhesionen för nästkommande skikt. «För laboratorieexperiment vid Empa bestod ett tidigt system av varsin vakuumkammare för ALD och PVD. En doktorand fick manuellt ta ut substratet mellan kammare utan att bryta vakuumet», minns Guerra.
För att förbättra denna process uppstod, delvis ur ett företagande initiativ och delvis ur ett eget behov, den första maskinen från «Swiss Cluster». Den kombinerar anordningarna för ALD och PVD i en enda vakuumkammare. Nanostrukturer som forskaren i laboratoriet behövde en vecka för att åstadkomma uppstår i denna på bara några timmar. «När vi byggde prototypen i laboratoriet insåg vi att det kunde bli en produkt», säger Guerra. «Swiss Cluster» var fött.
Göra innovation tillgängligare
«Swiss Cluster» är inte det första företaget som kombinerar PVD och ALD. Det «Power-Duo» har redan gjort sitt intåg i halvledarindustrin. «Halvledartillverkarna använder den kombinerade metoden på ett mycket specifikt sätt som är svårt att tillämpa inom andra industrier», säger Guerra. «Vi vill istället fokusera på den övriga marknaden.»
För tunna, robusta och funktionella skikt efterfrågas överallt, från klockindustrin till produktion av optiska komponenter, batterier, implantat och mikroelektronik. Och för de kunder som enbart är intresserade av den framväxande ALD-metoden erbjuder «Swiss Cluster» en annan apparat. Den möjliggör så kallad «Batch ALD»: en variant av atomlagerdeponering som är snabbare och tillåter samtidig beläggning av flera komponenter eller stora och komplexa delar.
«ALD är en relativt ny metod och har bara använts inom industrin i runt 20 år», säger Guerra. «Vi är övertygade om att den kommer att få större betydelse och erövra fler sektorer.» Trots att vakuumbaserade metoder ofta är kostsamma levererar de extremt precisa resultat, vilket ger dem en fördel för många tillämpningar.
Till skillnad från utrustningen som är vanligt inom halvledarindustrin är maskinerna från «Swiss Cluster» kompaktare och relativt enkla att installera och använda. «Vi gör dessa högteknologiska metoder mer tillgängliga», förklarar grundaren. I det egna laboratoriet i Spiez erbjuder start-upen även beläggning som tjänst. «Vi jobbar tillsammans med våra kunder för att hitta lämpliga beläggningar för deras tillämpningar. Det hjälper oss att ytterligare förbättra våra maskiner – och kunden kan övertyga sig om metoden utan att omedelbart behöva investera i en ny maskin», säger Guerra.
Vad som började i ett laboratorium på Empa i Thun med två uppfinnare och en prototyp har idag blivit ett framgångsrikt ungt företag. 15 medarbetare arbetar för «Swiss Cluster» i Spiez, stöttade av ett partnernätverk över hela världen. «Swiss Cluster»-maskiner finns hos forskningsinstitutioner och företag i Schweiz, USA och Storbritannien. Leveranser till Frankrike, Brasilien, Italien och Kina är nära förestående.
Här skiljer sig «Swiss Cluster» från många andra högteknologiska start-ups: det unga företaget inledde från dag ett med en kund ombord och växte hittills huvudsakligen organiskt, genom försäljning av utrustning och tjänster. «Vår första investering fick vi först 2025», säger Guerra. En framgång, men också en utmaning: «Vi var tvungna att göra rätt från början», skrattar medgrundaren. «Av den anledningen är vi extra tacksamma för det inledande stödet vi fick som spin-off från Empa.» Nu har «Swiss Cluster» hedrats av Swiss Economic Forum med den åtråvärda «Swiss Economic Award» i kategorin «Produktion/Handel». Juryn lovordade kombinationen av vetenskaplig excellens, industriell förståelse och entreprenöriell genomförande som spin-offen visar.
kontakta:
Dr. Carlos Guerra
Swiss Cluster AG
carlos.guerra@swisscluster.com
Adress för frågor:
Empa Kommunikationen
redaktion@empa.ch