Maaliline Spiezi linn Thunijärve kaldal tundub nagu alpiidüll. Kuid ühe tema räästa all kohtab aspekti «Swissnessist», mis küll harva postkaartidele jõuab, aga samavõrra Šveitsi kuulub nagu Alpidki: kõrgtehnoloogia innovatsioon. Siin asub «Swiss Cluster», Empa idufirma, mis on spetsialiseerunud uudsetele süsteemidele õhukeste kihtide tootmiseks. «Swiss Cluster» asutati 2020. aasta lõpus Empas Thunis mateeriauuringute labori «Mechanics of Materials and Nanostructures» tiimi poolt, mida juhtisid materjaliteadlane Carlos Guerra ja elektroonikainsener Kevin Lücke. Need kaks kaasasutajat uurisid Empas, kuidas muuta õhukesed katted vastupidavamaks ja tugevamaks.
See teema on paljudele tööstusharudele keskse tähtsusega: õhukesed katted on igapäevaselt kasutuses. Nad kaitsevad tundlikke komponente kulumise ja korrosiooni eest. Optikas vähendavad nad läätsede peegeldumist ja võimaldavad erifiltrid. Dekoratiivsed õhukesed katted annavad kellakomponentidele erilise värvimängu. Kaetud meditsiinilised implantaadid võetakse organismi poolt paremini vastu. Mikroelektroonikas on õhukeste kihtide tehnoloogia hoopis tähtsaim element: transistorid, arvutikiibid ja ekraanid koosnevad täpsetest mikro- ja nanomeetri paksuste materiaalsete kihtide järjestustest.
Kaks meetodit käsikäes
Üks levinud meetod õhukeste kihtide valmistamiseks on füüsikaline gaasfaasipihustamine (inglise «physical vapor deposition», PVD). Selle käigus aurustatakse lähteaine, enamasti metall või metallioksiid, vaakumkambrites ja kondenseeritakse kattestatavatele komponentidele, substraatidele. «Swiss Cluster» kombineerib seda kehtestatud meetodit palju uuema vaakumpõhise protsessiga, mida nimetatakse atomikihtide sadestamiseks (inglise «atomic layer deposition», ALD). Erinevalt PVD-st lisatakse ALD protsessi puhul vaheldumisi gaasilisi lähteaineid vaakumkambrisse. Seetõttu moodustub kattematerjal keemilise reaktsiooni teel substraadil - kihtide paksuse täpsusega atomitasemel.
«ALD võimaldab väga õhukesi, homogeenseid kihte, mis pakuvad suurepärast kaitset korrosiooni ja oksüdeerumise eest. PVD annab aga väga kõvasid kihte,» selgitab «Swiss Clusteri» tegevjuht Carlos Guerra. «Kombineerides mõlemad meetodid, suudame toota õhukesi kihte, mis on erakordselt vastupidavad: kõvad ja sitked ühtaegu, taluvad soojust ja on vastupidavad korrosioonile.»
Kahe õhukeste kihtide meetodi kombinatsioon on keeruline. Substraadi eemaldamine ühest seadmest ja teise viimine ei anna soovitud tulemust: õhus muutub pind oksüdeerituks ja saastatuks, mis halvendab järgmiste kihtide kinnitumist. «Empa laborikatseteks koosnes varajane süsteem kummastki PVD ja ALD vaakumkambrist. Doktorandid pidid substraate iga kihi vahel käsitsi kambrite vahel nihutama, katkestamata vaakumit», meenutab Guerra.
Selle protsessi täiustamiseks tekkis «Swiss Clusteri» esimene masin, osaliselt ettevõtlikkusest, osaliselt enda vajadusest lähtuvalt. See ühendab ALD ja PVD seadmed ühes vaakumkambri. Laboris loodud nanokihilised struktuurid, mille valmistamine võttis aega nädala, tekivad nüüd mõne tunni jooksul. «Kui me laboratooriumis prototüübi ehitasime, nägime, et sellest võiks kujuneda toode», ütleb Guerra.
Innovatsioon ligipääsetavamaks
«Swiss Cluster» ei ole esimene ettevõte, mis kombineerib PVD ja ALD. See «Power-Duo» on juba pooljuhitööstuses kanda kinnitanud. «Pooljuhtide tootjad kasutavad seda kombineeritud meetodit väga spetsiifiliselt, mida on raske rakendada teistele tööstustele», ütleb Guerra. «Meie aga soovime keskenduda ülejäänud turule.»
Ka õhukesed, vastupidavad ja funktsionaalsed kihid on kõikjal nõutud, kellatööstusest kuni optiliste komponentide, akude, implantaatide ja mikroelektroonika tootmiseni. Ja nendele klientidele, kes on huvitatud ainuüksi esilekerkivast ALD protsessist, pakub «Swiss Cluster» teist seadet. See võimaldab nn «Batch ALD»: atomikihtide sadestamise varianti, mis on kiirem ja võimaldab samaaegselt katta mitmeid komponente või suuri ja keerulisi detaile.
«ALD on suhteliselt uus meetod ja seda on tööstuses kasutatud alles umbes 20 aastat», ütleb Guerra. «Oleme veendunud, et selle tähtsus kasvab ja see vallutab veelgi enam sektoreid.» Kuigi vaakumiga seotud meetodid on sageli kulukad, pakuvad nad väga täpseid tulemusi, mis on nende eeliseks mitmesugustes rakendustes.
Erinevalt pooljuhitööstuses tavapärastest seadmetest on «Swiss Clusteri» masinad kompaktsed ja suhteliselt lihtsad paigaldada ja käitada. «Me muudame need kõrg-tehnoloogilised meetodid kättesaadavamaks», lisab asutaja. Omas laboris Spiezi pakub idufirma ka katmisprotseduure teenusena. «Teeme koostööd oma klientidega, et leida sobivaid katteid nende rakendustele. See aitab meid oma seadmeid edasi arendada - ja klient võib veenduda protsessi tõhususes, ilma et peaks kohe uue masina ostma,» ütleb Guerra.
Mis algas Empa laboratooriumis Thunis kahe leiutaja ja prototüübiga, on nüüdseks saanud edukaks nooreks ettevõtteks. «Swiss Clusteris» töötab Spiezis 15 inimest, keda toetab globaalne partnerivõrgustik. «Swiss Clusteri» masinad asuvad teadusasutustes ja ettevõtetes Šveitsis, USAs ja Suurbritannias. Kohaletarned Prantsusmaale, Brasiiliasse, Itaaliasse ja Hiinasse on peatselt tulekul.
Siin eristub «Swiss Cluster» paljudest teistest kõrg-tehnoloogilistest idufirmadest: noor ettevõte alustas esimesest päevast alates kliendiga pardal ja on kasvanud senimaani peamiselt orgaaniliselt, seadmete ja teenuste müügi kaudu. «Meie esimene investeering tuli alles 2025», ütleb Guerra. Edu, aga ka väljakutse: "Pidime kõik algusest peale õigesti tegema," muheleb kaasasutaja. «Seetõttu oleme väga tänulikud algse toetuse eest, mida saime Empa idufirmana.» Nüüd on «Swiss Cluster» pälvinud soovitud «Swiss Economic Award» auhinna kategoorias «Tootmine/kaubandus» Šveitsi majandusfoorumilt. Žürii kiitis, teaduslikku suurepärastust, tööstuslikku mõistmist ja ettevõtlikku teostust, mida idufirma näitab.