Svensk kiselkarbidpremiär i vår

Norstels kiselkarbidfabrik börjar ta form i Norrköping. Redan finns 20 företag på kundlistan, de flesta multinationella, och om åtta månader drar produktionen igång.

Vi har bokningar för cirka 60 miljoner kronor idag. Nu väntar vi bara på att få börja tillverka kiselkarbidskivor, säger Asko Vehanen, vd för Norstel.

Tredje gången gillt kan man säga. I över tre år har planerna på en fabrik funnits, men de två första förslagen på byggplats nobbades av miljödomstolen. Även finansieringen var länge mycket osäker.

I februari löstes dock det akuta finansieringsbehovet. Ett tillskott på totalt drygt 200 miljoner kronor från Vinnova, Energimyndigheten, Norrköpings kommun och de tre riskkapitalisterna Eqvitec, Northzone och Creandum gjorde att spaden kunde sättas i marken.

- Planen är att installera renrum i november, att bygget ska vara klart och alla maskiner flyttas in i februari samt att processen ska vara kvalificerad för kunderna och produktionen igång i maj-juni nästa år.

I första skedet handlar det om en fabrik på runt 2 000 kvadratmeter, varav några hundra kvadratmeter renrum. Går det sedan bra finns det utrymme för expansion - den detaljen har inte förbisetts.

Hybridbilar väntar på kiselkarbid

Än så länge huserar Norstel på Linköpings universitet. Där sker småskalig produktion samt forskning och utveckling i samarbete med universitetet. Företaget har redan levererat skivor till tjugo företag för test. Vilka kunderna är och hur många som hittills lagt order är konfidentiellt.

- Våra kunder finns i Europa, USA och Japan och de som tittar på kiselkarbid är de som också gör state-of-the-art kiselkretsar, om man bortser från rena processor- och minnestillverkare, säger Asko Vehanen.

Med det i backfickan är det nog en bra gissning att Philips, ST Microelectronics och Infineon står på kundlistan. Alla tre jobbar mycket intensivt med kiselkarbid. Infineon gör exempelvis Schottkydioder i materialet idag.

Bilindustrin har också stort intresse i kiselkarbidkomponenter. Alla stora biltillverkare utvecklar bensinsnåla hybridbilar. Idag är Toyota Prius topprankad i världen. Än så länge är det kisel i bilen, men man jobbar hårt med att föra in kiselkarbid framöver. DC/DC-omvandlaren som används i Toyota Prius är på 40 kW medan bränsleförbrukningen beräknas till 4,5 liter per 100 km.

- Om de kan använda kiselkarbid istället kan bränsleförbrukningen minskas med en tredjedel, säger Asko Vehanen.

Problemet har hittills varit att kvaliteten på materialet som funnits tillgängligt varit alltför dåligt för många tillämpningar.

10 procent vill Norstel åt inom fem år

Lysdioder, blå och vita, är ett undantag. Kiselkarbidsubstrat med ett epitaxiskikt i galliumarsenid används där. Amerikanska Cree är världens största leverantör av kiselkarbidskivor, som nästan uteslutande går till lysdiodtillverkning. Cree tillverkar självt lysdioder och största delen av skivorna används internt.

- De använder sublimering för att framställa skivor. Det fungerar utmärkt till lysdioder, men inte för mer krävande tillämpningar, säger Asko Vehanen.

Han hävdar att den tillverkningsmetoden ger alltför mycket defekter i materialet. Upp till 100 per kvadratcentimeter, men eftersom en lysdiod endast upptar 0,1 mm2 så går det att få in dem mellan defekterna.

- Lysdioder är en marknad, värd 2-3 miljarder dollar och med en tillväxttakt på 50 procent per år, men det är inte något Norstel satsar på närmaste framtiden.

Istället är det avancerade tillämpningar företaget riktar in sig på.

- Vi vill bli nummer ett som oberoende leverantör av kiselkarbidskivor i världen och vi siktar på att ta över 10 procent av marknaden år 2010, säger Asko Vehanen.

Inte illa med tanke på att marknaden beräknas vara värd 20 miljarder kronor då.

Bättre kvalitet med gas än pulver

Grunden till hans övertygelse ligger i företagets tillverkningsprocess. Den har utvecklats av finska Okmetic, ABB och forskare på Linköpings universitet. Den kallas HTCVD (high temperature Chemical Vapor Deposition) och går ut på att man använder gas istället för fast material för att få kiselkarbidkristaller att växa.

- Våra skivor får betydligt högre kvalitet än de som är tillverkade med sublimering eftersom vi kan styra gasens sammansättning, temperaturen och tillväxtzonens läge under processens gång.

Företaget har redan fått bevis för att skivorna är bra. Redan år 2000 levererade Norstel, som på den tiden hette Okmetic, skivor till Thales (fd Thomson) som utvecklar MESFET-transistorer av den svenskutvecklade skivan. Målet är att nå uppåt 100 W i Gigahertz-området med dessa transistorer.

Norstel har också fått i uppdrag att leverera kiselkarbidskivor till ett stort projekt inom den västeuropeiska försvarsalliansen för komponenter till nya radarsystem. Även Ericsson är med på ett hörn och FMV finansierar den svenska verksamheten.

- Vi har börjat leverera skivor dit, men det är ett forsknings- och utvecklingsprojekt så ännu handlar det inte om några större volymer, säger Asko Vehanen.

Inom högfrekvenstillämpningar är det försvarsindustrin som är först med att visa ett aktivt intresse. På den civila sidan är det istället krafttillämpningarna som ligger först.

- Kraft är det viktigaste tillämpningsområdet för oss närmaste tiden. Vi kommer att leverera volymer för kraft redan nästa år. Högfrekvens kommer att komma i volym om tre till fem år.

Alla i branschen förutom Norstel och japanska Hoya använder idag sublimering. Hoya använder kiselskivor som bas och lägger på ett tunt epitaxi av kiselkarbid. Problemet är de olika materialegenskaperna, vilket gör det svårt att få bra kvalitet.

Hur konkurrensen ser ut nästa år är svårare att säga. Det finns många som försöker ta en bit av marknadskakan, men nästan alla jobbar med sublimeringsmetoden.

Asko Vehanen

Kristaller växer ur ånga

Nästan alla kiselkarbidtillverkare använder sublimering för att skapa substratet. Då förångas ett pulver som innehåller kol och kisel vid över 2 000 grader C. En svårighet med metoden är att kisel förångas mycket snabbare än kol, vilket gör att ångans sammansättning förändras över tiden. Detta tillsammans med att tillväxtytan förflyttas i ugnen då kristallen växer vilket påverkar temperaturen och andra fysiska förutsättningar gör att materialkvaliteten blir sämre.

Norstel tillverkar kristaller av kiselkarbid med den nya metoden HTCVD (High Temperature Chemical Vapor Deposition), som har utvecklats under tio år av en forskargrupp på Linköpings universitet i samarbete med ABB och finska Okmetic.

HTCVD-metoden använder gas som råmaterial och tillväxten sker vid cirka 2 000 grader C. Gaserna som används är renare än pulvret i sublimeringsmetoden, vilket ger högre renhet i kiselkarbidkristallen. Gasens sammansättning kan styras under hela processen. Tillväxten sker i samma miljö under hela processen genom att den växande kristallen roteras och samtidigt dras ur ugnen med samma hastighet som den växer.

Den färdiga kristallcylindern, Göten, är några centimeter lång och sågas upp i en halv millimeter tunna kiselkarbidskivor som sedan poleras. Polerade skivor kan beläggas med ett kiselkarbidskikt, epitaxi, på några tusendels millimeter. Olika skikt ger olika materialegenskaper. Norstel använder hetväggsepitaxi, en tillväxtmetod som utvecklats på Linköpings universitet.