Das Empa-Spin-off «Swiss Cluster» bekam den «Swiss Economic Award» 2026 in der Kategorie «Produktion/Gewerbe». Die junge Firma entwickelt Geräte für vakuumbasierte Beschichtungsverfahren. Mit ihrem System können komplexe Bauteile geschützt oder funktionale Dünnschichten von unvergleichlicher mechanischer und thermischer Widerstandsfähigkeit erstellt werden. Ihre Kunden sind Forschungsinstitutionen, die Uhrenindustrie, die Optikbranche und Elektronikhersteller.
Die Hightechfirma Swiss Cluster wurde Ende 2020 an der Empa in Thun von dem Materialforscher Carlos Guerra und dem Elektronikingenieur Kevin Lücke im Labor «Mechanics of Materials and Nanostructures» unter der Leitung von Johann Michler gegründet. Sie forschten an der Empa daran, Dünnschichten robuster und widerstandsfähiger zu machen.
Dünnschichten sind in der Industrie sehr wichtig. Sie schützen empfindliche Bauteile vor Verschleiss und Korrosion, entspiegeln Linsen und ermöglichen Spezialfilter oder verleihen Uhrenkomponenten ein besonderes Farbenspiel. In der Medizin werden Implantate beschichtet, da sie dann vom Körper besser angenommen werden. Ohne Dünnschichttechnologie in Mikro- und Nanometergrössen funktioniert die Mikroelektronik nicht. Sie wird verwendet für Transistoren, Computerchips und Displays.
Bryan Dousse (links) und Carlos Guerra, zwei der Tüftler hinter den Beschichtungsgeräten von «Swiss Cluster». Bild: Empa
Zwei Verfahren im Tandem
Im weit verbreiteten Verfahren der physikalische Gasphasenabscheidung («physical vapor deposition», PVD) wird das Ausgangsmaterial (Metall oder Metalloxid) in einer Vakuumkammer verdampft und kondensiert sich auf dem zu beschichtenden Bauteil, dem Substrat.
Swiss Clusters greift auf dieses bewährte Prinzip zurück und kombiniert es mit dem neueren vakuumbasierten Prozess namens Atomlagenabscheidung («atomic layer deposition», ALD). Im ALD- Verfahren werden abwechselnd gasförmige Ausgangsstoffe in die Vakuumkammer hinzugefügt. Das Beschichtungsmaterial bildet sich dann durch eine chemische Reaktion in der gewünschten Dicke auf dem Substrat. «ALD ermöglicht sehr dünne, homogene Schichten, die ausgezeichneten Schutz gegen Korrosion und Oxidation bieten. PVD liefert hingegen sehr harte Schichten», erklärt der CEO von «Swiss Cluster», Carlos Guerra. «Durch die Kombination der beiden Verfahren können wir Dünnschichten herstellen, die ausserordentlich widerstandsfähig sind: hart und duktil zugleich, thermisch robust und resistent gegen Korrosion.»
Die Kombination der beiden Dünnschichtverfahren ist komplex. Wird das Substrat von einem Gerät ins andere transferiert, ist das Resultat unbefriedigend. Und an der Luft wird die Oberfläche oxidiert und verunreinigt, was die Anhaftung der nächsten Schichten verschlechtert. «Für Laborexperimente an der Empa bestand ein frühes System aus je einer Vakuumkammer für ALD und PDV. Ein Doktorand musste das Substrat für jede einzelne Schicht manuell zwischen den Kammern verschieben, ohne das Vakuum zu unterbrechen», erinnert sich Guerra.
Zur Verbesserung des Prozesses wurde die erste Maschine gebaut. Sie kombiniert die Vorrichtungen für ALD und PVD in einer einzigen Vakuumkammer und ermöglicht in wenigen Stunden nanogeschichtete Strukturen. Bisher brauchten Forscher dafür im Labor eine Woche. «Als wir den Prototypen im Labor bauten, erkannten wir, dass daraus ein Produkt werden könnte», sagt Guerra. «Swiss Cluster» war geboren.
Innovation zugänglicher machen
«Swiss Cluster» ist nicht das erste Unternehmen, das PVD und ALD kombiniert. Das «Power-Duo» fasste bereits in der Halbleiterindustrie Fuss. «Die Halbleiterhersteller verwenden das kombinierte Verfahren auf eine sehr spezifische Art, die sich schlecht auf andere Industriezweige übertragen lässt», sagt Guerra. «Wir wollen uns stattdessen auf den restlichen Markt fokussieren.»
Dünne, robuste und funktionale Schichten sind überall gefragt, von der Uhrenindustrie bis hin zur Herstellung von optischen Komponenten, Batterien, Implantaten und Mikroelektronik. Für Interessenten am aufstrebenden ALD-Verfahren bietet «Swiss Cluster» ein Gerät an, das «Batch ALD» ermöglicht. Das ist eine Variante von Atomlagenabscheidung, die schneller ist und die gleichzeitige Beschichtung von mehreren Komponenten oder von grossen und komplexen Bauteilen ermöglicht.
«ALD ist ein relativ neues Verfahren und wird erst seit rund 20 Jahren in der Industrie eingesetzt», sagt Guerra. «Wir sind überzeugt, dass es weiter an Bedeutung gewinnen und zusätzliche Sektoren erobern wird.» Vakuumbasierte Verfahren sind teuer, liefern aber hochpräzise Ergebnisse, was ihnen für viele Anwendungen einen Vorteil verschafft.
Durch ihre kompakten und verhältnismässig einfach zu installierenden und zu betreibenden Maschinen macht «Swiss Cluster» dieses Verfahren zugänglicher. Im eigenen Labor in Spiez werden auch Beschichtungsaufträge ausgeführt. «Wir arbeiten gemeinsam mit unseren Kunden, um geeignete Beschichtungen für ihre Anwendungen zu finden. Das hilft uns, unsere Geräte weiter zu verbessern – und der Kunde kann sich vom Verfahren überzeugen, ohne sich gleich eine neue Maschine anschaffen zu müssen», so Guerra.
Die Firma entwickelte sich von einem Labor an der Empa in Thun zu einem erfolgreichen Unternehmen mit 15 Mitarbeitenden, die von einem weltweiten Partnernetzwerk unterstützt werden. Die «Swiss Cluster»-Maschinen stehen in Forschungsinstitutionen und bei Firmen in der Schweiz, den USA und in Grossbritannien. Lieferungen nach Frankreich, Brasilien, Italien und China stehen kurz bevor. Seit Beginn hatte die Firma einen ersten Kunden und sie wuchs vorwiegend organisch durch den Verkauf von Geräten und Dienstleistungen. Das Swiss Economic Forum zeichnete «Swiss Cluster» mit dem begehrten «Swiss Economic Award» in der Kategorie «Produktion/Gewerbe» aus. Die Jury lobte die Kombination aus wissenschaftlicher Exzellenz, Industrieverständnis und unternehmerischer Umsetzung, die das Spin-off an den Tag legt.
