Urban Forsberg, bitr盲dande professor vid Link枚pings universitet, h氓ller en liten rektangul盲r svart platta mellan tummen och pekfingret. Sv盲rtan p氓 hans fingertoppar tilltar med varje liten r枚relse.
鈥� Det h盲r 盲r ren grafit. Kol till 99,9995 procent. Med andra ord ganska rent. Men inte tillr盲ckligt d氓 grafiten 盲nd氓 beh枚ver en skyddande yta f枚r det vi vill ha den till, s盲ger han.
Men vad har d氓 den lilla grafitrektangeln att g枚ra med storpolitik? Jo, grafit 盲r en viktig komponent vid tillverkning av halvledarmaterial. De senaste 氓ren har just halvledarmaterial och bristen p氓 densamma varit i fokus f枚r techbranschen och internationell industri.
Coronapandemin f枚r盲ndrade mycket och eftersvallen m盲rks fortfarande i m氓nga avseenden, bland annat inom tillverkningsindustrin. Ju l盲nge pandemin p氓gick desto op氓litligare blev leveranserna av halvledarmaterial till Europa. Urban Forsberg, bitr盲dande professor vid Institutionen f枚r fysik, kemi och biologi. Foto Magnus Johansson Det berodde p氓 nedst盲ngda fabriker och inst盲llda internationella leveranser fr氓n framf枚r allt Asien. M氓nga elektroniktunga industrier p氓verkas fortfarande som till exempel bilindustrin, energisektorn, h盲lso- och sjukv氓rden och inte minst kommunikationssektorn.
F枚rdubbla produktionen
Som l枚k p氓 laxen tillverkas 枚ver h盲lften av v盲rldens halvledarmaterial av ett enda f枚retag i en enda fabrik i Taiwan. Den fabriken brukar ibland kallas f枚r v盲rldens viktigaste fabrik. Men 枚kade sp盲nningar mellan Taiwan och Kina g枚r att os盲kerheten kring halvledartillverkningen blir allt st枚rre, och skulle n氓got h盲nda med fabriken vid en eventuell v盲pnad konflikt st氓r hela v盲rlden inf枚r en monumental utmaning.
D盲rf枚r har EU beslutat att f枚rdubbla sin andel av v盲rldsproduktionen av halvledare fr氓n 10 till 20 procent fram till 氓r 2030. D氓 ber盲knas marknaden dessutom att f枚rdubblas vilket inneb盲r att 枚kningen till 20 procent blir 盲n st枚rre i absoluta tal.
F枚r att det ska kunna bli verklighet har EU gjort en utlysning d盲r cirka 93 miljarder kronor l氓g i potten. Dessutom ska industrin i motprestation skjuta till ytterligare 158 miljarder kronor. I den utlysningen kunde europeiska f枚retag ans枚ka om bidrag f枚r forskning, utveckling och produktion. Ett av de 56 f枚retag som blivit utvalt 盲r tyska SGL Carbon. Vi 氓terkommer till dem.
"Skitig i j盲mf枚relse"
N盲r man tillverkar halvledarmaterial 盲r ett delmoment att skapa extremt tunna filmer av bland annat kisel, galliumnidtrid eller kiselkarbid p氓 ett underlag och f枚r att g枚ra det anv盲nder man stora ugnar som kallas CVD-maskiner. F枚rkortningen st氓r f枚r chemical vapor deposition.Urban Forsberg visar insidan av en 盲ldre CVD-maskin som doktorander f氓r jobba med och 枚va upp f盲rdigheter. Foto Magnus Johansson
Men hur var det med grafiten nu d氓? Inne i maskinerna 盲r flera delar som v盲rmeelement och substrath氓llare gjorda av grafit. Men n盲r man v盲rmer upp grafiten till ett par tusen grader kommer den att attackeras av gaser som skapas i ugnen och sl盲ppa ifr氓n sig o枚nskade f枚reningar 鈥� oavsett hur ren den 盲r. F枚reningarna kan skapa defekter och orenheter som f枚rst枚r halvledarmaterialet och d盲rf枚r m氓ste man skydda grafitens yta med en s氓 kallad diffusionsbarri盲r f枚r att undvika f枚roreningar i halvledarmaterialet.
鈥� Insidan av en CVD-maskin 盲r en av de renaste milj枚erna man kan hitta p氓 jorden. En operationssal 盲r skitig i j盲mf枚relse, s盲ger Urban Forsberg.
脛ven inkapslingen av grafidelarna kan g枚ras i en CVD-maskin och det 盲r just det SGL Carbon g枚r. De anv盲nder bland annat kiselkarbid som skyddande bel盲ggning och s盲ljer sedan komponenterna vidare till halvledarindustrin. Men att f氓 till en inkapsling som h氓ller f枚r enorma temperaturer, kan g枚ras i tre dimensioner och dessutom till en 枚verkomlig kostnad kr盲ver forskning.
Industrin盲ra forskning
Link枚pings universitet har tidigare bedrivit ett samarbete med SGL Carbon. Det b枚rjade f枚r sju 氓r sedan d氓 de ins氓g att mer avancerade bel盲ggningar kr盲vdes f枚r att h氓lla j盲mna steg med utvecklingen inom halvledarindustrin. D氓 inledde de jakten efter en akademisk samarbetspartner.
鈥� De googlade: 鈥漹em 盲r b盲st i v盲rlden p氓 kiselkarbid?鈥� och d氓 d枚k Link枚pings universitet och professor Erik Janz茅n upp. Tyv盲rr gick han bort 2017 men fram till sin d枚d byggde han upp en produktiv forskningsmilj枚 som samarbetade n盲ra industrin, s盲ger Urban Forsberg som nu forts盲tter det arbetet.
I och med att SGL Carbon 盲r ber盲ttigade att f氓 EU-pengarna kan de tillsammans med LiU bygga upp en forskningsverksamhet med nytt labb, ny CVD-maskin och ett antal forskare som jobbar med projektet i ytterligare fem 氓r. Samarbetet hittills har resulterat i en disputerad forskare, en postdoktor, ett antal artiklar och 盲ven patent.Provplattan av grafit 盲r belagd med ett mycket tunt lager tantalkarbid som ska innesluta grafiten. Foto Magnus Johansson
I f枚rl盲ngningen inneb盲r det att LiU blir en 盲nnu mer betydelsefull partner f枚r SGL Carbons forskningsverksamhet. Men trots att uppdraget kommer fr氓n ett privat f枚retag har man sett till att beh氓lla den akademiska friheten.
鈥� Det 盲r en balansg氓ng. Det 盲r n盲stan uppdragsforskning, eller i alla fall v盲ldigt industrin盲ra forskning, men vi m氓ste ha en akademisk h枚jd p氓 det. Detta 盲r n氓got SGL f枚rst氓r tack vare att de har m氓nga tidigare akademiker i ledande positioner som f枚rst氓r vad som kr盲vs, s盲ger Urban Forsberg.
H氓llbart och ekonomiskt
Projektet finansieras av SGL Carbon 枚ver fem 氓r f枚r Link枚pings universitet. Urban Forsberg forts盲tter:
鈥� Alla tycker inte att det 盲r s氓 fint med industrin盲ra forskning. Men Erik Janz茅n, med bakgrund p氓 ABB, f枚rstod tidigt att ut枚ver bidrag fr氓n Vetenskapsr氓det, Vinnova och s氓 vidare, m氓ste man ha industripartners f枚r att uppn氓 en kritisk massa. Forskningen 盲r v盲ldigt dyr s氓 det g盲ller att man satsar p氓 r盲tt grejer. Det finns plats 盲ven f枚r den h盲r typen av forskning p氓 universitetet och det 盲r viktigt.
De fr盲msta materialen som LiU-forskarna fokuserar p氓 idag 盲r kiselkarbid och tantalkarbid. Men kiselkarbid 盲r begr盲nsad till vissa applikationer och tantalkarbid 盲r dyrt. S氓 det l氓ngsiktiga m氓let f枚r projektet 盲r att hitta nya b氓de h氓llbara och ekonomiska bel盲ggningar f枚r grafitkomponenterna.
Nytt labb
Men renheten 盲r avg枚rande f枚r tillverkning av halvledare som tillexempel ska bli de kraftkomponenter som sitter i elbilar som styr hur elektriciteten f枚rdelas mellan olika motordelar.
鈥� Det 盲r viktigt att f枚rb盲ttra materialkvaliteten och att f氓 ner produktionskostnaden. Samtidigt 盲r halvledarindustrin v盲ldigt traditionsbunden och det 盲r sv氓rt att introducera nya material. Du m氓ste visa att det fungerar 枚ver l氓ng tid, s盲ger Urban Forsberg.
Det nya labbet kommer att byggas upp under 2024. Men p氓 grund av fortsatt l氓nga leveranstider i eftersvallet av coronapandemin 盲r det os盲kert n盲r alla delar till CVD-maskninen kan vara p氓 plats. Men n盲r den v盲l 盲r p氓 plats ska man kunna bel盲gga hela prototypdelar i tre dimensioner med nya typer av bel盲ggningar och material.Den svarta provplattan 盲r ren grafit och den guldf盲rgade 盲r belagd med tantalkrabid. Foto Magnus Johansson
鈥� Det vi tillverkar i v氓rt labb kan vi skicka till partners i utbyte mot resultaten de f氓r n盲r de anv盲nder produkten i sina maskiner. Men det 盲r viktigt att komma ih氓g att vi inte driver en fabrik, det 盲r ett forskningslabb.
Fakta: Halvledare
Metaller leder elektricitet medan isolatorer, som plast och glas, inte g枚r det. Mitt emellan finns s氓 kallade halvledare. De leder str枚m helt okej vilket 枚ppnar f氓r m氓nga m枚jligheter. N氓gra vanliga halvledarmaterial 盲r kisel, germanium och kiselkarbid. Genom att tills盲tta andra 盲mnen i materialet (dopning) kan det bli ett halvledarmaterial som anv盲nds i elektronik. Vanliga halvledarkomponenter 盲r lysdioder, transistorer och chip.
