Η γραφική κοινότητα Σπιτς στις όχθες της λίμνης Thun μοιάζει με αλπική ειδυλλιακή. Κάτω από μία από τις σκεπές της διακρίνεται ένας όψη της «ελβετικότητας», που αν και σπάνια συναντάται σε καρτ ποστάλ, είναι τόσο μέρος της Ελβετίας όσο και οι Άλπεις: Η καινοτομία της υψηλής τεχνολογίας. Εδώ στεγάζεται η «Swiss Cluster», ένα εμβολιασμό της Empa που εξειδικεύεται σε καινοτόμες συσκευές για την κατασκευή λεπτών στρώσεων. Η «Swiss Cluster» ιδρύθηκε στα τέλη του 2020 από μια ομάδα από το εργαστήριο «Mechanics of Materials and Nanostructures» υπό την καθοδήγηση του επιστήμονα υλικών Carlos Guerra και του ηλεκτρολόγου μηχανικού Kevin Lücke. Οι δύο συνιδρυτές ερευνούσαν στην Empa πώς να κάνουν τις λεπτές στρώσεις ανθεκτικότερες.
Το γραφικό χωριό Spiez στις όχθες της λίμνης Thun μοιάζει με ένα αλπικό ειδυλλιακό τοπίο. Κάτω από μια από τις αετωτές στέγες του, συναντά κανείς μια πτυχή της «Ελβετίας» που, αν και σπάνια εμφανίζεται σε καρτ ποστάλ, είναι τόσο αναπόσπαστο κομμάτι της Ελβετίας όσο και των ίδιων των Άλπεων: η καινοτομία υψηλής τεχνολογίας. Αυτή είναι η έδρα του Swiss Cluster, ενός θυγατρικού παραρτήματος της Empa που ειδικεύεται σε καινοτόμα συστήματα για την παραγωγή λεπτών μεμβρανών. Το Swiss Cluster ιδρύθηκε στα τέλη του 2020 στην Empa στο Thun από μια ομάδα του εργαστηρίου «Μηχανική Υλικών και Νανοδομών», με επικεφαλής τον επιστήμονα υλικών Carlos Guerra και τον ηλεκτρονικό μηχανικό Kevin Lücke. Οι δύο συνιδρυτές είχαν προηγουμένως διεξάγει έρευνα στην Empa για την αύξηση της ανθεκτικότητας και της ανθεκτικότητας των λεπτών μεμβρανών.
Αυτό το ζήτημα είναι κρίσιμο για πολλές βιομηχανίες: οι λεπτές μεμβράνες έχουν πολυάριθμες εφαρμογές. Προστατεύουν τα ευαίσθητα εξαρτήματα από τη φθορά και τη διάβρωση. Στην οπτική, μειώνουν τις αντανακλάσεις στους φακούς και επιτρέπουν τη χρήση εξειδικευμένων φίλτρων. Οι διακοσμητικές λεπτές μεμβράνες προσδίδουν στα εξαρτήματα των ρολογιών ένα μοναδικό παιχνίδι χρωμάτων. Τα επικαλυμμένα ιατρικά εμφυτεύματα είναι καλύτερα ανεκτά από τον οργανισμό. Και στη μικροηλεκτρονική, οι τεχνολογίες λεπτών μεμβρανών είναι απολύτως απαραίτητες: τα τρανζίστορ, τα τσιπ υπολογιστών και οι οθόνες αποτελούνται από ακριβείς αλληλουχίες στρωμάτων υλικού με λεπτότητα μικρο- και νανόμετρα.
Δύο διαδικασίες παράλληλα
Μια κοινή μέθοδος για την παραγωγή λεπτών μεμβρανών είναι η φυσική εναπόθεση ατμών (PVD). Σε αυτή τη διαδικασία, το αρχικό υλικό, συνήθως ένα μέταλλο ή οξείδιο μετάλλου, εξατμίζεται σε θάλαμο κενού και συμπυκνώνεται στο προς επικάλυψη εξάρτημα, το υπόστρωμα. Αυτή η καθιερωμένη μέθοδος συνδυάζεται από το Swiss Cluster με την πολύ νεότερη διαδικασία κενού που ονομάζεται εναπόθεση ατομικής στρώσης (ALD). Σε αντίθεση με την PVD, η διαδικασία ALD περιλαμβάνει την εναλλασσόμενη προσθήκη αερίων αρχικών υλικών στον θάλαμο κενού. Το υλικό επικάλυψης στη συνέχεια σχηματίζεται στο υπόστρωμα μέσω μιας χημικής αντίδρασης - με ατομική ακρίβεια στο πάχος της στρώσης.
«Η ALD επιτρέπει την παραγωγή πολύ λεπτών, ομοιογενών στρωμάτων που προσφέρουν εξαιρετική προστασία από τη διάβρωση και την οξείδωση. Η PVD, από την άλλη πλευρά, παράγει πολύ σκληρά στρώματα», εξηγεί ο Carlos Guerra, Διευθύνων Σύμβουλος της Swiss Cluster. «Συνδυάζοντας τις δύο διαδικασίες, μπορούμε να παράγουμε λεπτές μεμβράνες που είναι εξαιρετικά ανθεκτικές: σκληρές και όλκιμες ταυτόχρονα, θερμικά ανθεκτικές και ανθεκτικές στη διάβρωση».
Ο συνδυασμός των δύο διαδικασιών λεπτής μεμβράνης είναι περίπλοκος. Η απλή αφαίρεση του υποστρώματος από τη μία συσκευή και η τοποθέτησή του στην επόμενη δεν παράγει το επιθυμητό αποτέλεσμα: η έκθεση στον αέρα οξειδώνει και μολύνει την επιφάνεια, επηρεάζοντας την πρόσφυση των επόμενων στρωμάτων. «Για τα εργαστηριακά πειράματα στην Empa, ένα πρώιμο σύστημα αποτελούνταν από έναν θάλαμο κενού για την ALD και την PDV. Ένας διδακτορικός φοιτητής έπρεπε να μετακινεί χειροκίνητα το υπόστρωμα μεταξύ των θαλάμων για κάθε μεμονωμένο στρώμα χωρίς να διακόπτει το κενό», θυμάται ο Guerra.
Για να βελτιωθεί αυτή η διαδικασία, εν μέρει ωθούμενη από επιχειρηματικό πνεύμα και εν μέρει από τις δικές τους ανάγκες, αναπτύχθηκε η πρώτη μηχανή από το «Swiss Cluster». Συνδυάζει τις συσκευές για ALD και PVD σε έναν μόνο θάλαμο κενού. Οι νανοστρωματικές δομές, οι οποίες προηγουμένως χρειάζονταν στον ερευνητή μια εβδομάδα για να δημιουργηθούν στο εργαστήριο, τώρα παράγονται μέσα σε λίγες μόνο ώρες. «Όταν κατασκευάσαμε το πρωτότυπο στο εργαστήριο, συνειδητοποιήσαμε ότι θα μπορούσε να γίνει προϊόν», λέει ο Guerra. Έτσι γεννήθηκε το «Swiss Cluster».
Κάνοντας την καινοτομία πιο προσβάσιμη
Η Swiss Cluster δεν είναι η πρώτη εταιρεία που συνδυάζει την PVD και την ALD. Το «δίδυμο ισχύος» έχει ήδη κερδίσει έδαφος στη βιομηχανία ημιαγωγών. «Οι κατασκευαστές ημιαγωγών χρησιμοποιούν τη συνδυασμένη διαδικασία με έναν πολύ συγκεκριμένο τρόπο που είναι δύσκολο να μεταφερθεί σε άλλους κλάδους», λέει ο Guerra. «Θέλουμε να επικεντρωθούμε στην υπόλοιπη αγορά».
Λεπτά, στιβαρά και λειτουργικά στρώματα έχουν ζήτηση παντού, από τη βιομηχανία ωρολογοποιίας έως την παραγωγή οπτικών εξαρτημάτων, μπαταριών, εμφυτευμάτων και μικροηλεκτρονικής. Και για τους πελάτες που ενδιαφέρονται αποκλειστικά για την αναδυόμενη διαδικασία ALD, η Swiss Cluster προσφέρει μια άλλη συσκευή. Επιτρέπει την λεγόμενη «batch ALD»: μια ταχύτερη παραλλαγή της ατομικής εναπόθεσης στρωμάτων που επιτρέπει την ταυτόχρονη επίστρωση πολλαπλών εξαρτημάτων ή μεγάλων και σύνθετων εξαρτημάτων.
«Η ALD είναι μια σχετικά νέα διαδικασία και χρησιμοποιείται στη βιομηχανία μόνο εδώ και περίπου 20 χρόνια», λέει ο Guerra. «Είμαστε πεπεισμένοι ότι θα συνεχίσει να αποκτά σημασία και να κατακτά περισσότερους τομείς». Αν και οι διαδικασίες που βασίζονται σε κενό είναι συχνά ακριβές, παρέχουν εξαιρετικά ακριβή αποτελέσματα, γεγονός που τους δίνει πλεονέκτημα σε πολλές εφαρμογές.
Σε αντίθεση με τον εξοπλισμό που χρησιμοποιείται συνήθως στη βιομηχανία ημιαγωγών, τα μηχανήματα της Swiss Cluster είναι συμπαγή και σχετικά εύκολα στην εγκατάσταση και τη λειτουργία. «Κάνουμε αυτές τις διαδικασίες υψηλής τεχνολογίας πιο προσιτές», εξηγεί ο ιδρυτής. Στο δικό της εργαστήριο στο Spiez, η νεοσύστατη εταιρεία προσφέρει επίσης επιστρώσεις ως υπηρεσία. «Συνεργαζόμαστε με τους πελάτες μας για να βρούμε κατάλληλες επιστρώσεις για τις εφαρμογές τους. Αυτό μας βοηθά να βελτιώσουμε περαιτέρω τον εξοπλισμό μας - και ο πελάτης μπορεί να βιώσει τη διαδικασία από πρώτο χέρι χωρίς να χρειάζεται να αγοράσει αμέσως ένα νέο μηχάνημα», λέει ο Guerra.
Αυτό που ξεκίνησε σε ένα εργαστήριο στην Έμπα στο Τουν με δύο εφευρέτες και ένα πρωτότυπο έχει πλέον εξελιχθεί σε μια επιτυχημένη νεοσύστατη επιχείρηση. Δεκαπέντε υπάλληλοι εργάζονται για την Swiss Cluster στο Σπιτς, με την υποστήριξη ενός παγκόσμιου δικτύου συνεργατών. Μηχανήματα της Swiss Cluster έχουν εγκατασταθεί σε ερευνητικά ιδρύματα και εταιρείες στην Ελβετία, τις ΗΠΑ και τη Μεγάλη Βρετανία. Οι παραδόσεις στη Γαλλία, τη Βραζιλία, την Ιταλία και την Κίνα είναι επικείμενες.
Εδώ, το «Swiss Cluster» διακρίνεται από πολλές άλλες νεοσύστατες επιχειρήσεις υψηλής τεχνολογίας: Η νεαρή εταιρεία ξεκίνησε με έναν πελάτη από την πρώτη μέρα και μέχρι στιγμής έχει αναπτυχθεί κυρίως οργανικά, μέσω της πώλησης εξοπλισμού και υπηρεσιών. «Δεν λάβαμε την πρώτη μας επένδυση μέχρι το 2025», λέει ο Guerra. Μια επιτυχία, αλλά και μια πρόκληση: «Έπρεπε να το κάνουμε σωστά από την αρχή», λέει ο συνιδρυτής με ένα χαμόγελο. «Γι' αυτό είμαστε επίσης πολύ ευγνώμονες για την αρχική υποστήριξη που λάβαμε ως spin-off από την Empa». Τώρα, το «Swiss Cluster» έχει βραβευτεί με το έγκριτο «Swiss Economic Award» στην κατηγορία «Παραγωγή/Βιομηχανία» από το Ελβετικό Οικονομικό Φόρουμ. Η κριτική επιτροπή επαίνεσε τον συνδυασμό επιστημονικής αριστείας, κατανόησης του κλάδου και επιχειρηματικής εφαρμογής που επέδειξε το spin-off.
επαφή:
Dr. Carlos
Guerra
Swiss Cluster AG
carlos.guerra@swisscluster.com
Διεύθυνση για ερωτήσεις:
Empa Kommunikation
redaktion@empa.ch