Алмазоподобные углеродные пленки в электронике: патентный анализ

Углерод, как известно, имеет две основные кристаллические разновидности – графит (гексагональная) и алмаз (кубическая). Алмазоподобный углерод – материал из аморфного углерода с преимущественно тетраэдральными связями углерода; обладает некоторыми свойствами алмаза. В англоязычной литературе популярны следующие термины: ta-C (tetrahedral amorphous carbon, тетраэдрический аморфный углерод); DLF (diamond-like film, алмазоподобная плёнка); DLC (diamond-like carbon, алмазоподобный углерод); DLC films (плёнки из алмазоподобного углерода).

Известны алмазоподобные не углеродные (например, кремниевые, кремний-оксид-углеродные, бор-нитридные) пленки; здесь мы их рассматривать не будем.

Алмазоподобный углерод является широкозонным полупроводником. Он обладает высокой механической прочностью и прозрачностью в видимой и инфракрасной областях. В электронике DLC используются в качестве защитных и пассивирующих покрытий, в частности оптических окнах, дисплеях, магнитных дисках, микроэлектромехнических устройствах. Легирование бором алмазоподобных углеродных плёнок, например методом импульсного лазерного осаждения, открывает перспективы для применения в фотовольтаике. Об этом и других аспектах применения алмазоподобных углеродных плёнок мы и поговорим в нашем материале.

Патенты на алмазоподобные углеродные пленки

На портале Google.Patents по разделу МПК H01L (полупроводниковые приборы) числилось на январь 2025 года слово diamond-like 39665 документов. Динамика опубликования патентов по дате заявки на изобретения представлена на рис. 1.

Рисунок 1: Динамика мирового патентования изобретений на тему «алмазоподобные [пленки] в полупроводниковых приборах»

Видно, что последние 20 лет изобретательство в этой области шло более-менее стабильно на уровне 8-10 условных баллов (за период 2022-2025 гг. представлены неполные данные по очевидной причине). За 2004-2024 гг. количество новых патентных документов в мире можно оценить в 1500 в год, не все они собственно патенты, часто – цитируемые источники в патентах. 

ТОП-5 лидеров в патентовании:

1. Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. ^[1] – 5,9%;

2. International Business Machines Corporation ^[2] – 4%;

3. Monolithic 3D Inc. ^[3] – 4%;

4. Applied Materials, Inc. ^[4] – 2%;

5. Infineon Technologies Ag ^[5] – 1,6%.

На первом месте с серьезным отрывом от конкурентов расположилась фирма патентного короля Японии Ямадзаки Сюмпэя Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd.. Ему мы уже посвятили отдельный материал ^[6] на Хабре. Далее идут американские и одна немецкая компании. Примечательно, что часть патентов Сюмпэй записал на свое имя. В ТОП-5 среди авторов патентов он на третьем месте:

1. Brian Cronquist ^[7];

2. Zvi Or-Bach ^[7];

3. Shunpei Yamazaki ^[8];

4. Deepak Sekar ^[9];

5. Koichiro Tanaka ^[10].

Примеры патентов:

• US7508033B2 Semiconductor device with diamond-like carbon film on backside of substrate;

• US10333003B2 Display device and manufacturing method of the same;

• TWI820667B Gapfill deposition method and diamond-like carbon gapfill material;

• KR102165733B1 Diamond-like carbon layer formed by electron beam plasma process;

• CN110634733B Method for preparing capacitor hole of semiconductor memory.

В частности, в первом из указанных патентов US7508033, принадлежащем Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd., изобретение относится к структуре полупроводникового устройства, включающего тонкопленочный транзистор, то есть a thin film transistor (TFT). Среди различных типов жидкокристаллических дисплеев есть жидкокристаллический дисплей типа TFT-LCD. Это дисплей с активной матрицей, в котором в качестве переключающего элемента пикселя используется тонкопленочный транзистор (TFT). Если TFT-дисплей поврежден, пиксель жидкокристаллического дисплея остается включенным или выключенным. В результате на дисплее жидкокристаллического дисплея возникает дефект. Электростатический пробой может происходить не только при практическом использовании жидкокристаллического дисплея, но и в процессе его изготовления. Пленка DLC может защищать подложку от зарядов статического электричества и способна предотвращать возникновение электростатического пробоя.

А что в России?

В российской базе ФИПС на термин DLC имеется всего 38 патентов на изобретения РФ, из которых 3 по разделу «электричество» и ни одного по полупроводникам. На слово «алмазоподобная» по разделу МПК H01L (полупроводниковые приборы) числится 23 патента РФ на изобретение, но действующих патентов по тематике алмазоподобных углеродных пленок всего 4. Перечислим их:

• №2715472 ^[11] Изделие, содержащее основу из кремния и покрывающий слой в виде нанопленки углерода с кристаллической решеткой алмазного типа, и способ изготовления этого изделия (получение на подложке из кремния углеродного материала с кристаллической структурой алмазного типа – для полупроводниковых приборов в микро-, нано- и оптоэлектронике) и №2727557 ^[12] Способ изготовления функционального элемента полупроводникового прибора (из пленки карбида кремния формируют нанопленку углерода с кристаллической решеткой алмазного типа), от ООО «Научно-технический центр “Новые технологии”», Санкт-Петербург.

• №2723893 ^[13] Способ контроля структурного состояния алмазоподобных тонких пленок и №2791963 ^[14] Способ переключения типа носителя в углеродных алмазоподобных пленках (сканированием поверхности алмазоподобной пленки проводящим зондом сканирующего зондового микроскопа в режиме туннельного тока фиксируются проводящие каналы, распределенные по поверхности), Алтайский государственный университет, Барнаул.

Патентообладателями недействующих патентов выступали Научно-исследовательский институт механики МГУ им. М. В. Ломоносова, Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, московское ЗАО «Техно-ТМ» (ликвидировано в 2001 г.), Тинк Лаборатори Ко., Лтд. (Япония).

Есть одно изобретение из области акустики – №2819098 ^[15] Способ изготовления диафрагмы веерного типа с алмазоподобным углеродным покрытием (технический результат – расширение диапазона частотной характеристики акустического устройства) Белгородский государственный национальный исследовательский университет.

Патентов РФ на полезные модели на термин «алмазоподобная» в базе ФИПС 104 ед., но по теме полупроводниковых устройств – ноль.

Программ для ЭВМ всего 4 штуки:

• №2013661928 ^[16] Программа для проведения лабораторной работы по исследованию цветовых характеристик светодиодов (на основе широкозонных алмазоподобных материалов), Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет ЛЭТИ им. В.И. Ульянова (Ленина);

• №2014661625 ^[17] Комплекс расчета энергии и силы адгезионного взаимодействия алмазоподобных покрытий методом диэлектрического формализма, Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского;

• №2018619412 ^[18] Model one phonon Raman spectra of crystalline semiconductors (для обработки спектров комбинационного рассеяния алмазоподобных материалов, полученных на установке Labram HR 800), ООО «НТЦ тонкопленочных технологий в энергетике»;

• №2019610253 ^[19] Определение модуля Юнга для углеродных алмазоподобных пленок, Научно-исследовательский институт перспективных материалов и технологий

Топологий интегральных схем нет.

На портале «Наука и инновации» на термин «алмазоподобная в электронике» всего 11 документов периода 2010-2020-х годов. Например, ещё в 2016 г. была выполнена работа на тему «Разработка физико-химических основ технологии структурированных сегнетоэлектрических пленок на алмазоподобных подложках для мощных сверхвысокочастотных применений». В проекте планировалось построение моделей кристаллизации пленок твердых растворов оксидных сегнетоэлектриков на алмазоподобных подложках. Работу выполнил за грант в 2 млн руб. от РФФИ Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет ЛЭТИ им. В.И. Ульянова (Ленина).

В 2018 г. Институт радиотехники и электроники им. В.А.Котельникова РАН выполнил за грант 18 млн руб. от ФАНО исследование взаимодействия электромагнитных волн микроволнового, терагерцового и оптического диапазонов с мета- и наноструктурами, в том числе содержащими управляемые компоненты и устройства. В рамках НИР разработаны новые метаструктуры на основе алмазов, алмазоподобных и других материалов.

В специальной литературе встречаются единичные научные статьи по алмазоподобным углеродным плёнкам, например авторов из Института проблем технологии микроэлектроники РАН, Института сильноточной электроники Сибирского отделения РАН, Башкирского госуниверситета, Санкт-Петербургского политехнического университета и т.д.

Заключение

В России алмазоподобными изобретениями для электроники занимаются вузы, научные институты РАН и малые предприятия. Промышленные предприятия радиоэлектроники в патентовании на эту тему не замечены. 

В недружественных странах много (десятки, если не сотни) открытых патентов принадлежит именно производителям из США, Японии, Южной Кореи, Тайваня, ФРГ и др. в аспекте повышения ресурса работоспособности электронных устройств массового спроса. 

Бесплатный поиск, мониторинг и регистрация товарных знаков  и других объектов интеллектуальной собственности. ^[20]

Поиск по программам для ЭВМ ^[21]

Регистрация программы для ЭВМ ^[22]

Оформление патента ^[23]