Urban Forsberg, bitrÀdande professor vid Linköpings universitet, hÄller en liten rektangulÀr svart platta mellan tummen och pekfingret. SvÀrtan pÄ hans fingertoppar tilltar med varje liten rörelse.
â Det hĂ€r Ă€r ren grafit. Kol till 99,9995 procent. Med andra ord ganska rent. Men inte tillrĂ€ckligt dĂ„ grafiten Ă€ndĂ„ behöver en skyddande yta för det vi vill ha den till, sĂ€ger han.
Men vad har dÄ den lilla grafitrektangeln att göra med storpolitik? Jo, grafit Àr en viktig komponent vid tillverkning av halvledarmaterial. De senaste Ären har just halvledarmaterial och bristen pÄ densamma varit i fokus för techbranschen och internationell industri.
Coronapandemin förÀndrade mycket och eftersvallen mÀrks fortfarande i mÄnga avseenden, bland annat inom tillverkningsindustrin. Ju lÀnge pandemin pÄgick desto opÄlitligare blev leveranserna av halvledarmaterial till Europa. Urban Forsberg, bitrÀdande professor vid Institutionen för fysik, kemi och biologi. Foto Magnus Johansson Det berodde pÄ nedstÀngda fabriker och instÀllda internationella leveranser frÄn framför allt Asien. MÄnga elektroniktunga industrier pÄverkas fortfarande som till exempel bilindustrin, energisektorn, hÀlso- och sjukvÄrden och inte minst kommunikationssektorn.
Fördubbla produktionen
Som lök pÄ laxen tillverkas över hÀlften av vÀrldens halvledarmaterial av ett enda företag i en enda fabrik i Taiwan. Den fabriken brukar ibland kallas för vÀrldens viktigaste fabrik. Men ökade spÀnningar mellan Taiwan och Kina gör att osÀkerheten kring halvledartillverkningen blir allt större, och skulle nÄgot hÀnda med fabriken vid en eventuell vÀpnad konflikt stÄr hela vÀrlden inför en monumental utmaning.
DÀrför har EU beslutat att fördubbla sin andel av vÀrldsproduktionen av halvledare frÄn 10 till 20 procent fram till Är 2030. DÄ berÀknas marknaden dessutom att fördubblas vilket innebÀr att ökningen till 20 procent blir Àn större i absoluta tal.
För att det ska kunna bli verklighet har EU gjort en utlysning dÀr cirka 93 miljarder kronor lÄg i potten. Dessutom ska industrin i motprestation skjuta till ytterligare 158 miljarder kronor. I den utlysningen kunde europeiska företag ansöka om bidrag för forskning, utveckling och produktion. Ett av de 56 företag som blivit utvalt Àr tyska SGL Carbon. Vi Äterkommer till dem.
"Skitig i jÀmförelse"
NÀr man tillverkar halvledarmaterial Àr ett delmoment att skapa extremt tunna filmer av bland annat kisel, galliumnidtrid eller kiselkarbid pÄ ett underlag och för att göra det anvÀnder man stora ugnar som kallas CVD-maskiner. Förkortningen stÄr för chemical vapor deposition.Urban Forsberg visar insidan av en Àldre CVD-maskin som doktorander fÄr jobba med och öva upp fÀrdigheter. Foto Magnus Johansson
Men hur var det med grafiten nu dĂ„? Inne i maskinerna Ă€r flera delar som vĂ€rmeelement och substrathĂ„llare gjorda av grafit. Men nĂ€r man vĂ€rmer upp grafiten till ett par tusen grader kommer den att attackeras av gaser som skapas i ugnen och slĂ€ppa ifrĂ„n sig oönskade föreningar â oavsett hur ren den Ă€r. Föreningarna kan skapa defekter och orenheter som förstör halvledarmaterialet och dĂ€rför mĂ„ste man skydda grafitens yta med en sĂ„ kallad diffusionsbarriĂ€r för att undvika föroreningar i halvledarmaterialet.
â Insidan av en CVD-maskin Ă€r en av de renaste miljöerna man kan hitta pĂ„ jorden. En operationssal Ă€r skitig i jĂ€mförelse, sĂ€ger Urban Forsberg.
Ăven inkapslingen av grafidelarna kan göras i en CVD-maskin och det Ă€r just det SGL Carbon gör. De anvĂ€nder bland annat kiselkarbid som skyddande belĂ€ggning och sĂ€ljer sedan komponenterna vidare till halvledarindustrin. Men att fĂ„ till en inkapsling som hĂ„ller för enorma temperaturer, kan göras i tre dimensioner och dessutom till en överkomlig kostnad krĂ€ver forskning.
IndustrinÀra forskning
Linköpings universitet har tidigare bedrivit ett samarbete med SGL Carbon. Det började för sju Är sedan dÄ de insÄg att mer avancerade belÀggningar krÀvdes för att hÄlla jÀmna steg med utvecklingen inom halvledarindustrin. DÄ inledde de jakten efter en akademisk samarbetspartner.
â De googlade: âvem Ă€r bĂ€st i vĂ€rlden pĂ„ kiselkarbid?â och dĂ„ dök Linköpings universitet och professor Erik JanzĂ©n upp. TyvĂ€rr gick han bort 2017 men fram till sin död byggde han upp en produktiv forskningsmiljö som samarbetade nĂ€ra industrin, sĂ€ger Urban Forsberg som nu fortsĂ€tter det arbetet.
I och med att SGL Carbon Àr berÀttigade att fÄ 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 Är. Samarbetet hittills har resulterat i en disputerad forskare, en postdoktor, ett antal artiklar och Àven patent.Provplattan av grafit Àr belagd med ett mycket tunt lager tantalkarbid som ska innesluta grafiten. Foto Magnus Johansson
I förlÀngningen innebÀr det att LiU blir en Ànnu mer betydelsefull partner för SGL Carbons forskningsverksamhet. Men trots att uppdraget kommer frÄn ett privat företag har man sett till att behÄlla den akademiska friheten.
â Det Ă€r en balansgĂ„ng. Det Ă€r nĂ€stan uppdragsforskning, eller i alla fall vĂ€ldigt industrinĂ€ra forskning, men vi mĂ„ste ha en akademisk höjd pĂ„ det. Detta Ă€r nĂ„got SGL förstĂ„r tack vare att de har mĂ„nga tidigare akademiker i ledande positioner som förstĂ„r vad som krĂ€vs, sĂ€ger Urban Forsberg.
HĂ„llbart och ekonomiskt
Projektet finansieras av SGL Carbon över fem Är för Linköpings universitet. Urban Forsberg fortsÀtter:
â Alla tycker inte att det Ă€r sĂ„ fint med industrinĂ€ra forskning. Men Erik JanzĂ©n, med bakgrund pĂ„ ABB, förstod tidigt att utöver bidrag frĂ„n VetenskapsrĂ„det, Vinnova och sĂ„ vidare, mĂ„ste man ha industripartners för att uppnĂ„ en kritisk massa. Forskningen Ă€r vĂ€ldigt dyr sĂ„ det gĂ€ller att man satsar pĂ„ rĂ€tt grejer. Det finns plats Ă€ven för den hĂ€r typen av forskning pĂ„ universitetet och det Ă€r viktigt.
De frÀmsta materialen som LiU-forskarna fokuserar pÄ idag Àr kiselkarbid och tantalkarbid. Men kiselkarbid Àr begrÀnsad till vissa applikationer och tantalkarbid Àr dyrt. SÄ det lÄngsiktiga mÄlet för projektet Àr att hitta nya bÄde hÄllbara och ekonomiska belÀggningar för grafitkomponenterna.
Nytt labb
Men renheten Àr avgörande för tillverkning av halvledare som tillexempel ska bli de kraftkomponenter som sitter i elbilar som styr hur elektriciteten fördelas mellan olika motordelar.
â Det Ă€r viktigt att förbĂ€ttra materialkvaliteten och att fĂ„ ner produktionskostnaden. Samtidigt Ă€r halvledarindustrin vĂ€ldigt traditionsbunden och det Ă€r svĂ„rt att introducera nya material. Du mĂ„ste visa att det fungerar över lĂ„ng tid, sĂ€ger Urban Forsberg.
Det nya labbet kommer att byggas upp under 2024. Men pÄ grund av fortsatt lÄnga leveranstider i eftersvallet av coronapandemin Àr det osÀkert nÀr alla delar till CVD-maskninen kan vara pÄ plats. Men nÀr den vÀl Àr pÄ plats ska man kunna belÀgga hela prototypdelar i tre dimensioner med nya typer av belÀggningar och material.Den svarta provplattan Àr ren grafit och den guldfÀrgade Àr belagd med tantalkrabid. Foto Magnus Johansson
â Det vi tillverkar i vĂ„rt labb kan vi skicka till partners i utbyte mot resultaten de fĂ„r nĂ€r de anvĂ€nder produkten i sina maskiner. Men det Ă€r viktigt att komma ihĂ„g att vi inte driver en fabrik, det Ă€r ett forskningslabb.
Fakta: Halvledare
Metaller leder elektricitet medan isolatorer, som plast och glas, inte gör det. Mitt emellan finns sÄ kallade halvledare. De leder ström helt okej vilket öppnar fÄr mÄnga möjligheter. NÄgra vanliga halvledarmaterial Àr kisel, germanium och kiselkarbid. Genom att tillsÀtta andra Àmnen i materialet (dopning) kan det bli ett halvledarmaterial som anvÀnds i elektronik. Vanliga halvledarkomponenter Àr lysdioder, transistorer och chip.
