Die malerische Gemeinde Spiez am Ufer des Thunersees mutet wie eine alpine Idylle an. Unter einem ihrer Giebeldächer stösst man auf einen Aspekt der «Swissness», der zwar selten auf Postkarten zu sehen ist, aber genauso zur Schweiz gehört, wie die Alpen: Hightech-Innovation. Hier ist «Swiss Cluster» zuhause, ein Spin-off der Empa, das sich auf neuartige Systeme zur Herstellung von Dünnschichten spezialisiert hat. Gegründet wurde «Swiss Cluster» Ende 2020 an der Empa in Thun von einem Team aus dem Labor «Mechanics of Materials and Nanostructures» unter der Leitung des Materialforschers Carlos Guerra und des Elektronikingenieurs Kevin Lücke. Die beiden Mitgründer forschten an der Empa daran, Dünnschichten robuster und widerstandsfähiger zu machen.
Das Anliegen ist für viele Industriezweige zentral: Dünnschichten haben zahlreiche Anwendungen. Sie schützen empfindliche Bauteile vor Verschleiss und Korrosion. In der Optik entspiegeln sie Linsen und ermöglichen Spezialfilter. Dekorative Dünnschichten verleihen Uhrenkomponenten ein besonderes Farbenspiel. Beschichtete medizinische Implantate werden besser vom Körper angenommen. Und in der Mikroelektronik sind Dünnschichttechnologien gar das A und O: Transistoren, Computerchips und Displays bestehen aus präzisen Abfolgen von Mikro- und Nanometer-dünnen Materiallagen.
Zwei Verfahren im Tandem
Ein verbreitetes Verfahren zur Herstellung von Dünnschichten ist die physikalische Gasphasenabscheidung (engl. «physical vapor deposition», PVD). Dabei wird das Ausgangsmaterial, meist ein Metall oder ein Metalloxid, in einer Vakuumkammer verdampft und kondensiert sich auf dem zu beschichtenden Bauteil, dem Substrat. Dieses etablierte Verfahren kombiniert «Swiss Cluster» mit dem wesentlich neueren vakuumbasierten Prozess namens Atomlagenabscheidung (engl. «atomic layer deposition», ALD). Anders als bei PVD werden beim ALD-Verfahren abwechselnd gasförmige Ausgangsstoffe in die Vakuumkammer hinzugefügt. Daraus bildet sich das Beschichtungsmaterial in einer chemischen Reaktion auf dem Substrat – mit atomarer Präzision bei der Dicke der Schicht.
«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. Das Substrat aus einem Gerät rausnehmen und ins nächste stecken liefert nicht das gewünschte Resultat: 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.
Um diesen Prozess zu verbessern entstand, teils aus Unternehmergeist, teils aus eigenem Bedarf, die erste Maschine von «Swiss Cluster». Sie kombiniert die Vorrichtungen für ALD und PVD in einer einzigen Vakuumkammer. Nanogeschichtete Strukturen, für die der Forscher im Labor eine Woche gebraucht hat, entstehen darin innerhalb von wenigen Stunden. «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» hat bereits in der Halbleiterindustrie Fuss gefasst. «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.»
Denn dünne, robuste und funktionale Schichten sind überall gefragt, von der Uhrenindustrie bis hin zur Herstellung von optischen Komponenten, Batterien, Implantaten und Mikroelektronik. Und für diejenigen Kunden, die Interesse am aufstrebenden ALD-Verfahren allein haben, bietet «Swiss Cluster» ein weiteres Gerät an. Es ermöglicht sogenanntes «Batch ALD»: 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.» Obwohl vakuumbasierte Verfahren oft kostspielig sind, liefern sie hochpräzise Ergebnisse, was ihnen für viele Anwendungen einen Vorteil verschafft.
Anders als die in der Halbleiterindustrie üblichen Gerätschaften sind die Maschinen von «Swiss Cluster» kompakt und verhältnismässig einfach zu installieren und zu betreiben. «Wir machen diese High-Tech-Verfahren zugänglicher», führt der Gründer aus. Im eigenen Labor in Spiez bietet das Start-up ausserdem Beschichtungen auch als Dienstleistung an. «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.
Was in einem Labor an der Empa in Thun mit zwei Tüftlern und einem Prototyp begann, ist heute eine erfolgreiche Jungfirma geworden. 15 Mitarbeitende arbeiten für «Swiss Cluster» in Spiez, unterstützt von einem Partnernetzwerk auf der ganzen Welt. «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.
Hier setzt sich «Swiss Cluster» von vielen anderen Hightech-Start-ups ab: Die junge Firma startete seit Tag eins mit einem Kunden an Bord und wuchs bis jetzt mehrheitlich organisch, über den Verkauf von Geräten und Dienstleistungen. «Unsere erste Investition hatten wir erst 2025», sagt Guerra. Ein Erfolg, aber auch eine Herausforderung: «Wir mussten es von Anfang an richtig machen», schmunzelt der Mitgründer. «Auch deswegen sind wir sehr froh um die anfängliche Unterstützung, die wir als Spin-off von der Empa erhalten haben.» Nun wurde «Swiss Cluster» vom Swiss Economic Forum mit dem begehrten «Swiss Economic Award» in der Kategorie «Produktion/Gewerbe» ausgezeichnet. Die Jury lobte die Kombination aus wissenschaftlicher Exzellenz, Industrieverständnis und unternehmerischer Umsetzung, die das Spin-off an den Tag legt.
Infobox: Swiss Cluster AG
«Swiss Cluster» wurde im November 2020 als Spin-off der Empa in Thun gegründet. Das Unternehmen entwickelt Systeme zur Beschichtung von Komponenten mittels unterschiedlicher Dünnschichtverfahren und bietet sowohl die Geräte selbst als auch Beschichtungsdienstleistungen an. «Swiss Cluster» wird geführt von den Mitgründern Carlos Guerra (CEO) und Kevin Lücke (CTO) sowie den «Late Co-Founders» Gabriela Sanchez (COO) und Bryan Dousse (CPO). Das Unternehmen ist in Spiez angesiedelt und umfasst heute 15 Mitarbeitende in der Schweiz.
swisscluster.com