Kuvankaunis Spiezin kunta Thun-järven rannalla vaikuttaa alppien idylliltä. Erään sen räystäiden alla kohtaa näkökulman «Swissnessistä», jota harvoin näkyy postikorteissa, mutta joka silti kuuluu Sveitsiin yhtä lailla kuin Alpit: huipputeknologiainnovaatio. Täällä sijaitsee «Swiss Cluster», Empa-spin-off, joka on erikoistunut uudentyyppisiin ohutkalvojen valmistusjärjestelmiin. «Swiss Cluster» perustettiin loppuvuodesta 2020 Empassa, Thunissa, materiaalitutkija Carlos Guerran ja elektroniikkainsinööri Kevin Lüken johtaman «Materials and Nanostructures Mechanics» -laboratorion tiimin toimesta. Kaksi perustajajäsentä työskentelivät Empassa tehdessään ohutkalvoista kestävämpiä ja lujempia.
Tavoite on keskeinen monille teollisuudenaloille: Ohutkalvoilla on lukuisia käyttökohteita. Ne suojaavat herkkiä osia kulumiselta ja korroosiolta. Optiikassa ne vähentävät linssien heijastuksia ja mahdollistavat erikoissuodattimet. Koristeelliset ohutkalvot antavat kellonosille erityistä väriloistoa. Päällystetyt lääkinnälliset implantit hyväksytään paremmin kehon toimesta. Ja mikroelektroniikassa ohutkalvoteknologia on välttämätön: Transistoreista, tietokonepiireistä ja näytöistä koostuu tarkkoja mikro- ja nanometrien järjestyksiä.
Kaksi menetelmää yhdessä
Fyysinen kaasufaasisaostus (engl. «physical vapor deposition», PVD) on yleinen menetelmä ohutkalvojen valmistamiseen. Siinä alkumateriaali, yleensä metalli tai metallidioksidi, höyrystetään tyhjiökammiossa ja se kondensoituu päällystettävälle osalle, substraatille. Tämä vakiintunut menetelmä yhdistetään «Swiss Clusterin» toimesta olennaisesti uudempaan tyhjiöperusteiseen prosessiin nimeltä atomikerrossaostus (engl. «atomic layer deposition», ALD). PVD-menetelmästä poiketen ALD-menetelmässä lisätään vuorotellen kaasumaisia lähtöaineita tyhjiökammioon. Niistä muodostuu päällystemateriaali kemiallisen reaktion kautta substraatilla – kerroksen paksuuden atomitarkkuudella.
«ALD mahdollistaa erittäin ohuet, homogeeniset kerrokset, jotka tarjoavat erinomaisen suojan korroosiota ja hapettumista vastaan. PVD sen sijaan tuottaa erittäin kovia kerroksia», selittää «Swiss Cluster» -yrityksen toimitusjohtaja Carlos Guerra. «Yhdistämällä nämä kaksi menetelmää voimme tuottaa ohutkalvoja, jotka ovat poikkeuksellisen kestäviä: kovia ja muovautuvia samaan aikaan, lämpöä kestäviä ja korroosiota kestäviä.»
Kahden ohutkalvomenetelmän yhdistäminen on monimutkainen prosessi. Kun substraatti otetaan pois laitteesta ja asetetaan toiseen, ei saavuteta toivottua tulosta: ilmaan altistuminen hapettaa ja saastuttaa pinnan, mikä heikentää seuraavien kerrosten kiinnittymistä. «Empan laboratorioissa varhainen järjestelmä koostui yhdestä tyhjiökammiosta sekä ALD:lle että PVD:lle. Tohtorikoulutettavan piti siirtää substraatti manuaalisesti kammiosta toiseen, ilman tyhjiön keskeyttämistä», muistelee Guerra.
Prosessin parantamiseksi syntyi, osaksi yrittäjähenkisyydestä, osaksi omasta tarpeesta, «Swiss Clusterin» ensimmäinen kone. Se yhdistää ALD ja PVD laitteistot yhteen ainoaan tyhjiökammioon. Nanopinnoitteiset rakenteet, joiden valmistamiseen laboratoriotyömenetelmissä kului viikko, syntyvät siinä muutamassa tunnissa. «Kun rakensimme prototyypin laboratoriossa, tajusimme, että siitä voisi tulla tuote», kertoo Guerra. «Swiss Cluster» oli syntynyt.
Innovaatioiden saataville tuominen
«Swiss Cluster» ei ole ensimmäinen yritys, joka yhdistää PVD ja ALD. Tämä «Power-Duo» on jo jalkautunut puolijohdeteollisuuteen. «Puolijohdevalmistajat käyttävät yhdistettyä menetelmää hyvin erityisellä tavalla, jota on vaikea siirtää muihin teollisuudenaloihin», sanoo Guerra. «Sen sijaan haluamme keskittyä muihin markkinoihin.»
Koska ohuet, kestävät ja toiminnalliset kerrokset ovat kysyttyjä kaikkialla, kelloteollisuudesta optisten komponenttien, paristojen, implanttien ja mikroelektroniikan valmistukseen. Ja niille asiakkaille, joita kiinnostaa yksin nouseva ALD-menetelmä, «Swiss Cluster» tarjoaa toisen laitteen. Se mahdollistaa niin kutsutun «Batch ALD»:n, eri version atomikerrossaostuksesta, joka on nopeampi ja mahdollistaa useiden komponenttien tai suurien ja monimutkaisten osien samanaikaisen pinnoituksen.
«ALD on suhteellisen uusi menetelmä ja on ollut käytössä teollisuudessa vasta noin 20 vuotta», sanoo Guerra. «Olemme vakuuttuneita, että se saa jatkossakin merkitystä lisää ja valloittaa uusia sektoreita.» Vaikka tyhjiöperusteiset menetelmät ovat usein kalliita, ne tuottavat erittäin tarkkoja tuloksia, mikä antaa niille etua moniin sovelluksiin.
Toisin kuin puolijohdeteollisuudessa tavallisesti käytettävät laitteet, «Swiss Clusterin» koneet ovat kompakteja ja suhteellisen helppoja asentaa ja käyttää. «Teemme näistä huipputeknologisista menetelmistä helpommin saatavilla olevia», selittää perustaja. Spiezissä sijaitsevassa omassa laboratoriossa startup tarjoaa myös pinnoituspalveluita. «Teemme yhteistyötä asiakkaidemme kanssa löytääksemme sopivia pinnoitteita heidän sovelluksiinsa. Tämä auttaa meitä parantamaan laitteitamme – ja asiakas voi vakuuttua menetelmästä ilman, että heidän tarvitsee heti hankkia oma kone», kertoo Guerra.
Mikä alkoi laboratoriosta Empassa Thunissa kahden keksijän ja prototyypin kanssa, on nykyisin menestyksekäs nuori yritys. 15 työntekijää työskentelee «Swiss Clusterin» parissa Spiezissä, tukemana maailmanlaajuista kumppaniverkostoa. «Swiss Clusterin» koneet ovat tutkimuslaitoksissa ja yrityksissä Sveitsissä, Yhdysvalloissa ja Iso-Britanniassa. Toimitukset Ranskaan, Brasiliaan, Italiaan ja Kiinaan ovat lähellä.
Tässä «Swiss Cluster» erottuu monista muista huipputeknologian startup-yrityksistä: Nuori yritys aloitti heti ensimmäisenä päivänä asiakkaan kanssa ja kasvoi tähän mennessä suurimmaksi osaksi orgaanisesti, laitteiden ja palvelujen myynnin kautta. «Ensimmäinen sijoituksemme oli vasta 2025», sanoo Guerra. Menestys, mutta myös haaste: «Meidän piti alusta saakka tehdä asioita oikein», hymyilee perustaja. «Juuri siksi olemme kiitollisia alkuperäisestä tuesta, jonka saimme Empan spin-offina.» Nyt «Swiss Cluster» on Swiss Economic Forumin palkitsema halutulla «Swiss Economic Award» -palkinnolla kategoriassa «Tuotanto/Käsityö». Tuomaristo kehui spin-offin tieteellistä erinomaisuutta, teollisuuden ymmärrystä ja yrittäjämäistä toteutusta.