De schilderachtige gemeente Spiez aan de oevers van het Thun-meer oogt als een alpine idylle. Onder een van haar gevels vind je een aspect van de «Swissness», dat weliswaar zelden op ansichtkaarten te zien is, maar net zo goed bij Zwitserland hoort als de Alpen: hightech-innovatie. Hier is «Swiss Cluster» gevestigd, een spin-off van de Empa, dat zich heeft gespecialiseerd in nieuwe systemen voor de productie van dunne lagen. «Swiss Cluster» werd eind 2020 opgericht bij de Empa in Thun door een team uit het laboratorium «Mechanics of Materials and Nanostructures», onder leiding van materiaalkundige Carlos Guerra en elektronica-ingenieur Kevin Lücke. De twee medeoprichters deden bij de Empa onderzoek om dunne lagen robuuster en veerkrachtiger te maken.
Het onderwerp is cruciaal voor veel industrieën: dunne lagen hebben talrijke toepassingen. Ze beschermen gevoelige componenten tegen slijtage en corrosie. In de optiek verminderen ze de spiegeling van lenzen en maken ze speciale filters mogelijk. Decoratieve dunne lagen geven horlogecomponenten een bijzondere kleurglans. Gecoate medische implantaten worden beter door het lichaam geaccepteerd. En in de micro-elektronica zijn technologieën voor dunne lagen echt essentieel: transistors, computerchips en schermen bestaan uit precieze reeksen van micro- en nanometer-dunne materiaallagen.
Twee processen in tandem
Een veelgebruikte methode voor de productie van dunne lagen is de fysieke dampneerslag (Engels: «physical vapor deposition», PVD). Hierbij wordt het startmateriaal, meestal een metaal of een metaaloxide, in een vacuümkamer verdampt en condenseert het op het te coaten onderdeel, het substraat. «Swiss Cluster» combineert deze gevestigde methode met het veel nieuwere vacuümgebaseerde proces genaamd atoomlaagdepositie (Engels: «atomic layer deposition», ALD). In tegenstelling tot PVD worden bij het ALD-proces afwisselend gasvormige uitgangsstoffen aan de vacuümkamer toegevoegd. Hierdoor wordt het coatingmateriaal gevormd in een chemische reactie op het substraat, met atomische precisie bij de dikte van de laag.
«ALD maakt zeer dunne, homogene lagen mogelijk die uitstekende bescherming bieden tegen corrosie en oxidatie. PVD levert daarentegen zeer harde lagen», legt de CEO van «Swiss Cluster», Carlos Guerra, uit. «Door de twee methoden te combineren, kunnen we dunne lagen produceren die buitengewoon veerkrachtig zijn: hard en tegelijk ductiel, thermisch robuust en bestand tegen corrosie.»
De combinatie van de twee processen voor dunne lagen is ingewikkeld. Het substraat uit een apparaat halen en in het volgende stoppen levert niet het gewenste resultaat op: in de lucht wordt het oppervlak geoxideerd en verontreinigd, wat de hechting van de volgende lagen verslechtert. «Voor laboratoriumexperimenten bij de Empa bestond een vroeg systeem uit één vacuümkamer voor zowel ALD als PDV. Een promovendus moest het substraat voor elke afzonderlijke laag handmatig tussen de kamers verplaatsen, zonder het vacuüm te onderbreken,» herinnert Guerra zich.
Om dit proces te verbeteren werd, deels door ondernemingsgeest, deels door interne behoefte, de eerste machine van «Swiss Cluster» ontwikkeld. Deze combineert de voorzieningen voor ALD en PVD in een enkele vacuümkamer. Nanogecoate structuren, waarvoor de onderzoeker in het laboratorium een week nodig had, ontstaan hierin binnen enkele uren. «Toen we de prototype in het laboratorium bouwden, realiseerden we ons dat het een product kon worden,» zegt Guerra. «Swiss Cluster» werd geboren.
Innovatie toegankelijker maken
«Swiss Cluster» is niet het eerste bedrijf dat PVD en ALD combineert. Het «krachtige duo» heeft al voet aan de grond gekregen in de halfgeleiderindustrie. «De halfgeleiderfabrikanten gebruiken het gecombineerde proces op een zeer specifieke manier, die moeilijk op andere sectoren kan worden toegepast,» zegt Guerra. «Wij willen ons in plaats daarvan richten op de rest van de markt.»
Want dunne, robuuste en functionele lagen zijn overal in trek, van de horloge-industrie tot de productie van optische componenten, batterijen, implantaten en micro-elektronica. En voor die klanten die alleen interesse hebben in het opkomende ALD-proces, biedt «Swiss Cluster» nog een apparaat aan. Het biedt zogenaamde «Batch ALD»: een variant van atoomlaagdepositie, die sneller is en de gelijktijdige coating van meerdere componenten of van grote en complexe onderdelen mogelijk maakt.
«ALD is een relatief nieuwe methode en wordt pas sinds ongeveer 20 jaar in de industrie gebruikt», zegt Guerra. «Wij zijn ervan overtuigd dat het verder aan belang zal winnen en meer sectoren zal veroveren.» Hoewel vacuümgebaseerde procedures vaak duur zijn, leveren ze zeer nauwkeurige resultaten op, wat hen een voordeel biedt voor veel toepassingen.
Anders dan de apparatuur die gangbaar is in de halfgeleiderindustrie, zijn de machines van «Swiss Cluster» compact en relatief eenvoudig te installeren en te bedienen. «We maken deze hightech-methodes toegankelijker,» legt de oprichter uit. In zijn eigen laboratorium in Spiez biedt de start-up ook coatings als dienst aan. «We werken samen met onze klanten om geschikte coatings voor hun toepassingen te vinden. Dat helpt ons onze apparaten verder te verbeteren - en de klant kan zichzelf van de methode overtuigen zonder meteen een nieuwe machine aan te schaffen,» zegt Guerra.
Wat in een laboratorium bij de Empa in Thun begon met twee knutselende mensen en een prototype, is vandaag de dag uitgegroeid tot een succesvolle jonge onderneming. 15 medewerkers werken voor «Swiss Cluster» in Spiez, ondersteund door een partnernetwerk over de hele wereld. «Swiss Cluster»-machines staan in onderzoeksinstellingen en bij bedrijven in Zwitserland, de VS en het Verenigd Koninkrijk. Leveringen naar Frankrijk, Brazilië, Italië en China zijn binnenkort aanstaande.
Hier onderscheidt «Swiss Cluster» zich van veel andere hightech-start-ups: het jonge bedrijf begon vanaf dag één met een klant aan boord en groeide tot nu toe voornamelijk organisch, via de verkoop van apparatuur en diensten. «Onze eerste investering hadden we pas in 2025,» zegt Guerra. Een succes, maar ook een uitdaging: «We moesten het vanaf het begin goed doen,» glimlacht de medeoprichter. «Ook daarom zijn we zeer dankbaar voor de initiële ondersteuning die we als spin-off van de Empa hebben gekregen.» Nu is «Swiss Cluster» door het Swiss Economic Forum onderscheiden met de begeerde «Swiss Economic Award» in de categorie «Productie/Industrie». De jury prees de combinatie van wetenschappelijke excellentie, industrieel begrip en ondernemerschap die de spin-off aan de dag legt.
Contact:
Dr. Carlos Guerra
Swiss Cluster AG
carlos.guerra@swisscluster.com
Adres voor vragen:
Empa Communicatie
redaktion@empa.ch