Couches minces, performance élevée : Spin-off d'Empa «Swiss Cluster» remporte le «Swiss Economic Award»

La pittoresque commune de Spiez, au bord du lac de Thoune, ressemble à une idylle alpine. Sous l'un de ses toits à pignon, on découvre un aspect de la «Swissness» qui n'apparaît que rarement sur les cartes postales, mais qui fait tout autant partie de la Suisse que les Alpes : l'innovation high-tech. Ici se trouve «Swiss Cluster», un spin-off de l'Empa, spécialisé dans les systèmes novateurs de fabrication de couches minces. «Swiss Cluster» a été fondé fin 2020 à l'Empa à Thoune par une équipe du laboratoire «Mechanics of Materials and Nanostructures», sous la direction du chercheur en matériaux Carlos Guerra et de l'ingénieur en électronique Kevin Lücke. Les deux cofondateurs menaient des recherches à l'Empa pour rendre les couches minces plus robustes et résistantes.

La question est centrale pour de nombreux secteurs industriels : les couches minces ont de nombreuses applications. Elles protègent les pièces sensibles contre l'usure et la corrosion. Dans l'optique, elles réduisent les reflets des lentilles et permettent des filtres spéciaux. Les couches minces décoratives confèrent aux composants des montres un jeu de couleurs particulier. Les implants médicaux revêtus sont mieux acceptés par le corps. Et dans la microélectronique, les technologies de couches minces sont même essentielles : transistors, puces informatiques et écrans sont constitués de séquences précises de couches de matériaux mesurant à l'échelle micro- et nanométrique.

Deux procédés en tandem

Un procédé largement répandu pour la fabrication de couches minces est le dépôt physique en phase vapeur (PVD). Dans ce procédé, le matériau de base, généralement un métal ou un oxyde métallique, est vaporisé dans une chambre à vide et se condense sur le composant à revêtir, le substrat. Cette méthode établie est combinée par «Swiss Cluster» avec le procédé sous vide plus récent appelé dépôt de couches atomiques (ALD). Contrairement au PVD, dans le procédé ALD, des matières premières gazeuses sont ajoutées successivement dans la chambre à vide. Le matériau de revêtement se forme alors par réaction chimique sur le substrat - avec une précision atomique à l'épaisseur de la couche.

«L'ALD permet d'obtenir des couches très minces et homogènes, qui offrent une excellente protection contre la corrosion et l'oxydation. Quant au PVD, il produit des couches très dures», explique le PDG de «Swiss Cluster», Carlos Guerra. «En combinant ces deux procédés, nous pouvons produire des couches minces qui sont exceptionnellement résistantes : à la fois dures et ductiles, thermiquement robustes et résistantes à la corrosion.»

La combinaison des deux procédés de couches minces est complexe. Sortir le substrat d'un appareil pour l'insérer dans le suivant ne donne pas le résultat désiré : au contact de l'air, la surface s'oxyde et se contamine, ce qui détériore l'adhésion des couches suivantes. «Pour les expériences de laboratoire à l'Empa, un système précoce consistait en une chambre à vide pour l'ALD et une pour le PVD. Un doctorant devait déplacer manuellement le substrat entre les chambres pour chaque couche individuelle, sans rompre le vide», se souvient Guerra.

Pour améliorer ce processus, la première machine de «Swiss Cluster» a été développée, en partie par esprit d'entreprise, en partie par besoin personnel. Elle combine les dispositifs pour l'ALD et le PVD dans une seule chambre à vide. Les structures nanorevêtues, pour lesquelles le chercheur au laboratoire nécessitait une semaine, se forment désormais en quelques heures. «Lorsque nous avons construit le prototype au laboratoire, nous avons réalisé que cela pourrait devenir un produit», déclare Guerra. «Swiss Cluster» était né.

Rendre l'innovation plus accessible

«Swiss Cluster» n'est pas la première entreprise à combiner le PVD et l'ALD. Ce «duo puissant» a déjà pris pied dans l'industrie des semi-conducteurs. «Les fabricants de semi-conducteurs utilisent le procédé combiné de manière très spécifique, difficile à transposer à d'autres secteurs industriels», déclare Guerra. «Nous voulons nous concentrer sur le reste du marché.»

Car des couches minces, robustes et fonctionnelles sont recherchées partout, de l'industrie horlogère à la fabrication de composants optiques, de batteries, d'implants et de microélectronique. Et pour les clients qui ne s'intéressent qu'au procédé ALD émergeant, «Swiss Cluster» propose un autre appareil. Cela permet le «Batch ALD»: une variante du dépôt de couches atomiques, qui est plus rapide et permet le revêtement simultané de plusieurs composants ou de grandes et complexes pièces.

«L'ALD est un procédé relativement nouveau et n'est utilisé dans l'industrie que depuis une vingtaine d'années», affirme Guerra. «Nous sommes convaincus qu'il continuera de prendre de l'importance et d'envahir d'autres secteurs.» Bien que les procédés basés sur le vide soient souvent coûteux, ils fournissent des résultats de haute précision, ce qui leur confère un avantage pour de nombreuses applications.

Contrairement aux équipements courants dans l'industrie des semi-conducteurs, les machines de «Swiss Cluster» sont compactes et relativement simples à installer et à utiliser. «Nous rendons ces procédés high-tech plus accessibles», explique le fondateur. Dans son propre laboratoire à Spiez, la start-up propose également des revêtements en tant que service. «Nous travaillons conjointement avec nos clients pour trouver des revêtements appropriés à leurs applications. Cela nous aide à améliorer nos appareils - et le client peut être convaincu du procédé sans avoir à acquérir immédiatement une nouvelle machine», déclare Guerra.

Ce qui a commencé dans un laboratoire de l'Empa à Thoune avec deux bricoleurs et un prototype est aujourd'hui devenu une jeune entreprise prospère. Quinze collaborateurs travaillent pour «Swiss Cluster» à Spiez, soutenus par un réseau de partenaires dans le monde entier. Les machines de «Swiss Cluster» sont présentes dans des institutions de recherche et des entreprises en Suisse, aux USA et au Royaume-Uni. Des livraisons en France, au Brésil, en Italie et en Chine sont imminentes.

«Swiss Cluster» se distingue de nombreux autres start-ups high-tech : la jeune entreprise a démarré dès le premier jour avec un client à bord et a jusqu'à présent principalement grandi de manière organique, par la vente d'appareils et de services. «Nous avons eu notre premier investissement en 2025 seulement», dit Guerra. Un succès, mais aussi un défi : «Il fallait bien le faire dès le départ», sourit le cofondateur. «C'est aussi pourquoi nous sommes très reconnaissants du soutien initial que nous avons reçu en tant que spin-off de l'Empa.» Désormais, «Swiss Cluster» a été distingué par le Swiss Economic Forum avec le très convoité «Swiss Economic Award» dans la catégorie «Production/Commerce». Le jury a salué la combinaison de l'excellence scientifique, de la compréhension industrielle et de la mise en œuvre entrepreneuriale dont le spin-off fait preuve.

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