Cienkie warstwy, mocna wydajność: Spin-off Empa «Swiss Cluster» zdobywa «Swiss Economic Award»

Urokliwa gmina Spiez nad brzegiem jeziora Thun wydaje się być alpejską idyllą. Pod jednym z jej dachów szczytowych można natknąć się na aspekt «szwajcarskości», który rzadko pojawia się na kartkach pocztowych, ale jest równie związany ze Szwajcarią co Alpy: innowacje high-tech. Tu właśnie mieści się siedziba «Swiss Cluster», spin-offu Empa, który specjalizuje się w nowatorskich systemach do produkcji cienkich warstw. «Swiss Cluster» założył pod koniec 2020 roku w Empa w Thun zespół z laboratorium «Mechanics of Materials and Nanostructures» kierowany przez badacza materiałów Carlosa Guerrę i inżyniera elektronika Kevina Lücke. Obaj współzałożyciele prowadzili w Empa badania nad uczynieniem cienkich warstw bardziej odpornymi i wytrzymałymi.

Jeśli chodzi o wiele gałęzi przemysłu, to zagadnienie ma kluczowe znaczenie: cienkie warstwy mają liczne zastosowania. Chronią one wrażliwe elementy przed zużyciem i korozją. W optyce przeciwdziałają one odbiciu światła, umożliwiając tym samym tworzenie specjalnych filtrów. Dekoracyjne cienkie warstwy nadają komponentom zegarowym szczególne zabarwienie. Powlekane implanty medyczne są lepiej akceptowane przez organizm. W mikroelektronice technologia cienkowarstwowa jest wręcz nieodzowna: tranzystory, układy scalone i wyświetlacze są wykonane z precyzyjnych sekwencji warstw materiałów o grubości w mikronach i nanometrach.

Dwa procesy w tandemie

Powszechnym procesem tworzenia cienkich warstw jest fizyczne osadzanie z fazy gazowej (ang. «physical vapor deposition», PVD). Przy tej metodzie materiał wyjściowy, na ogół metal lub metal tlenkowy, jest odparowywany w komorze próżniowej, a następnie kondensuje się na przedmiocie docelowym, zwanym substratem. «Swiss Cluster» łączy ten wypróbowany proces z nowo opracowanym, bazującym na próżni procesem zwanym osadzaniem warstw atomowych (ang. «atomic layer deposition», ALD). W odróżnieniu od PVD, w procesie ALD na zmianę wprowadza się gazowe substancje wyjściowe do komory próżniowej, gdzie materiał powłokowy tworzy się w wyniku reakcji chemicznej na substracie – z precyzją atomową w zakresie grubości warstwy.

«ALD pozwala na tworzenie bardzo cienkich, jednorodnych warstw, które doskonale chronią przed korozją i utlenianiem, podczas gdy PVD dostarcza bardzo twardych warstw», wyjaśnia CEO «Swiss Cluster», Carlos Guerra. «Dzięki połączeniu obu procesów możemy produkować cienkie warstwy, które są wyjątkowo wytrzymałe: zarówno twarde, jak i plastyczne, termicznie wytrzymałe i odporne na korozję.»

Łączenie tych dwóch procesów cienkowarstwowych jest skomplikowane. Wyjęcie urządzenia z jednego urządzenia i umieszczenie go w kolejnym nie przynosi oczekiwanego rezultatu: na powietrzu powierzchnia ulega utlenieniu i zanieczyszczeniu, co pogarsza przyczepność kolejnych warstw. «W przypadku eksperymentów laboratoryjnych w Empa pierwsze układy składały się z oddzielnych komór próżniowych dla ALD i PDV. Doktorant ręcznie przenosił substrat między komorami dla każdej pojedynczej warstwy, nie przerywając próżni», wspomina Guerra.

Aby usprawnić ten proces, z częściowo przedsiębiorczego ducha i własnych potrzeb, powstała pierwsza maszyna «Swiss Cluster». Łączy ona urządzenia dla ALD i PVD w jednej komorze próżniowej. Nanopowlekane struktury, na których stworzenie badacz potrzebował w laboratorium tygodnia, powstają w niej w ciągu kilku godzin. «Kiedy zbudowaliśmy prototyp w laboratorium, zdaliśmy sobie sprawę, że może on zostać przekształcony w produkt», mówi Guerra. Tak powstał «Swiss Cluster».

Ułatwienie dostępu do innowacji

«Swiss Cluster» nie jest pierwszym przedsiębiorstwem, które łączy PVD i ALD. Ten «duet mocy» zdobył już pozycję w przemyśle półprzewodników. «Producenci półprzewodników używają połączonego procesu w bardzo specyficzny sposób, który trudno przetłumaczyć na inne branże», mówi Guerra. «Chcemy skoncentrować się na pozostałej części rynku.»

Cienkie, wytrzymałe i funkcjonalne warstwy są bowiem poszukiwane wszędzie, od przemysłu zegarmistrzowskiego po produkcję komponentów optycznych, baterii, implantów i mikroelektroniki. Dla tych klientów, którzy interesują się wyłącznie rozwijającym się procesem ALD, «Swiss Cluster» oferuje kolejne urządzenie. Umożliwia ono tzw. «Batch ALD», czyli wariant osadzania warstw atomowych, który jest szybszy i pozwala na równoczesne pokrywanie wielu komponentów lub dużych i złożonych elementów.

«ALD to stosunkowo nowy proces stosowany w przemyśle od około 20 lat», mówi Guerra. «Jesteśmy przekonani, że zdobędzie on na znaczeniu i zajmie kolejne sektory.» Chociaż metody próżniowe są często kosztowne, dostarczają one wysoce precyzyjnych wyników, co daje im przewagę w wielu zastosowaniach.

W przeciwieństwie do urządzeń powszechnie stosowanych w przemyśle półprzewodników, maszyny «Swiss Cluster» są kompaktowe i stosunkowo łatwe w instalacji i obsłudze. «Udostępniamy te zaawansowane procesy technologiczne», tłumaczy założenie firmy jej założyciel. W swoim laboratorium w Spiez start-up oferuje również powlekanie jako usługę. «Współpracujemy z naszymi klientami, aby znaleźć odpowiednie powlekanie dla ich zastosowań. Pomaga to nam ulepszać nasze urządzenia – a klient może się przekonać o zaletach metody, nie dokonując od razu zakupu nowej maszyny», dodaje Guerra.

Co zaczęło się w laboratorium w Empa w Thun dzięki dwóm wynalazcom i prototypowi, stało się dziś odnoszącą sukcesy młodą firmą. Obecnie 15 pracowników «Swiss Cluster» w Spiez wspieranych jest przez sieć partnerską na całym świecie. Maszyny «Swiss Cluster» znajdują się w instytucjach badawczych oraz firmach w Szwajcarii, USA i Wielkiej Brytanii. Dostawy do Francji, Brazylii, Włoch i Chin są w fazie planowania.

W tym miejscu «Swiss Cluster» odróżnia się od wielu innych start- upów high-tech: od pierwszego dnia firma miała klienta na pokładzie i rosła do tej pory głównie organicznie, sprzedając urządzenia i usługi. «Naszą pierwszą inwestycję mieliśmy dopiero w 2025 roku», mówi Guerra. Sukces, ale także wyzwanie: «Musieliśmy wszystko robić dobrze od samego początku», uśmiecha się współzałożyciel. «Dlatego bardzo doceniamy początkowe wsparcie, które otrzymaliśmy jako spin-off z Empa.» Teraz «Swiss Cluster» zostało nagrodzone przez Swiss Economic Forum prestiżową nagrodą «Swiss Economic Award» w kategorii «Produkcja/Rzemiosło». Jury pochwaliło kombinację doskonałości naukowej, zrozumienia przemysłu oraz przedsiębiorczego wdrożenia, które prezentuje spin-off.

Kontakt:
Dr. Carlos Guerra
Swiss Cluster AG
carlos.guerra@swisscluster.com

Adres do skontaktowania się:
Empa Kontakt medialny
redaktion@empa.ch

Informacja redakcji: prawa do zdjęcia należą do odpowiedniego wydawcy. Prawa do zdjęcia: EMPA