Вакуумом (от лат. vacuum «пустота») в идеале называют пространство, свободное от вещества. На практике под вакуумом понимают состояние, при котором давление газа значительно, на порядки, ниже атмосферного. Например, самый простой вакуум, технический, принято считать существующим с давления около 1 мм рт. ст. (нормальное атмосферное примерно 740-760). Ну и далее, вплоть до сверхвысокого. Получение вакуума ниже 10–5 паскалей (Па) или обеспечение большой скорости откачки при среднем вакууме являются сложными техническими задачами. Сверхвысокий вакуум в английском часто пишется как UHV. Это режим, характеризующийся давлением ниже 10−7 Па. Именно его применяют передовые заводы микроэлектроники. Собственно, о вакууме в электронике мы сегодня и расскажем.
Где применяется
Типы вакуума представлены в табл. 1
Таблица 1: Основные типы вакуума, Па
Название | Английский аналог | Верхняя граница | Нижняя граница |
Низкий вакуум | Low | 105 | 3,3∙103 |
Средний вакуум | Medium | 3,3∙103 | 0,1 |
Высокий вакуум | High | 0,1 | 0,0001 |
Очень высокий вакуум | Very High | 0,0001 | 10-7 |
Ультравысокий вакуум | Ultrahigh | 10-7 | 10-10 |
Экстремальный вакуум | Extreme Ultra High | 10-10 | - |
Ультравысокий вакуум используется в сложных технологических процессах, чувствительных к остаточной среде:
Производство полупроводников — сверхвысокий вакуум важен для таких процессов, как молекулярно-лучевая эпитаксия, ультрафиолетовая литография;
Космическое моделирование — камеры сверхвысокого вакуума используются для моделирования околовакуумных условий космоса для испытаний спутников и компонентов космических кораблей;
Научные исследования — ультравысокий и экстремальный вакуум важен для экспериментов по изучению взаимодействий на атомном уровне при ядерных исследованиях.
Однако в электронике по технологиям 1960-1990-х годов применяют и примитивный, высокий вакуум.
В маркетинговом исследовании Vacuum Equipment Market Trends By Type сообщается, что производство полупроводников, фармацевтика и аэрокосмическая промышленность — ключевые отрасли, определяющие спрос на вакуумное оборудование. Развивающаяся полупроводниковая и электронная промышленность является важным фактором развития рынка вакуумного оборудования. Растущий спрос на современные электронные устройства, включая смартфоны, ноутбуки и носимые гаджеты, требует использования высокоточного вакуумного оборудования в производственных процессах. Технологические достижения в области вакуумных технологий повышают эффективность, надёжность и производительность вакуумного оборудования. Ожидается, что такие инновации, как сухие вакуумные насосы, турбомолекулярные насосы и усовершенствованные системы управления, будут способствовать росту рынка. Компании: Agilent, SKY Technnology Development, Anest Iwata, Kashiyama и другие.
В данной публикации нас интересует патентный аспект.
Патенты на вакуум
Патентный портал Google по запросу Vacuum electronics показывает более 100 000 документов, при этом эксперты Онлайн Патент оценивают общее количество на уровне 1 млн ед. По международной патентной классификации лидируют следующие темы:
диагностика; хирургия; опознание личности A61B – 14.6%;
полупроводниковые приборы H01L – 13.1%;
органические электрические твердотельные устройства H10K – 11.7%;
устройства и приспособления для введения лекарств в организм или для нанесения их на кожный покров человека; устройства для трансдукции или отбора различных сред из организма человека; устройства для усыпления или прерывания сна или состояния ступора A61M – 10.5%;
сокращение выбросов парниковых газов Y02E – 10.3%;
исследование или анализ материалов путем определения их химических или физических свойств G01N – 9.5%
В разделе полупроводниковые приборы H01L учтено на 27.07.2025 более 60 000 патентов. Динамика патентования представлена на рис. 1
Видно, что пик публикации патентов не достигнут, он идёт по нарастающей. Лидеры следующие:
Samsung Electronics Co., Ltd. — 2,3%;
Infineon Technologies Ag — 1,2%;
Micron Technology, Inc. — 1,2%.
Как видите, всем известные корпорации-производители полупроводников и электроники во главе с тайваньской TSMC, которая значительно опережает конкурентов.
Примеры патентов:
US20240413193A1 Semiconductor device structure with electrode layer and method for forming the same;
CN118522643A Method for forming semiconductor structure and semiconductor structure.
А что в России?
В базе ФИПС поиск Вакуумные технологии по рефератам даёт 753 патента РФ на изобретения. По разделу полупроводниковых приборов H01L 85 патентов, из которых 30 действующие. Динамика их публикации представлена на рис. 2.
Рисунок 2: Динамика публикаций действующих российский патентов на изобретения по вакуумным технологиях для полупроводниковых приборов в 2010-2025 гг., ед.
Видна тенденция роста патентов по вакуумным технологиям для полупроводниковых приборов в 2010-2023 гг., что согласуется с общемировым трендом. Правда, в 2024–2025 гг. патентование изобретений РФ резко снизилось. Примеры патентов РФ на изобретения:
№2 458 430 (2012). Способ изготовления омического контакта к GaAs. АО «Научно‑производственная фирма „Микран“ (Томск). Пластину n‑GaAs в едином вакуумном цикле подвергают термообработке при температуре T1=150-460°C в атмосфере атомарного водорода при плотности потока атомов водорода на поверхность пластины, равной 1013–1016 ат.·см-2·с-1.
№2669159 (2018) Способ вакуумного эпитаксиального выращивания легированных слоёв германия. Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского. Изобретение относится к технологии эпитаксии легированных слоев германия, основанной на сочетании в одной вакуумной камере одновременных осаждения германия из германа и сублимации германия с легирующим элементом с поверхности источника легированного германия, разогретого электрическим током, и может быть использовано для производства полупроводниковых структур.
№2729510 (2020) Способ формирования металлического y-образного затвора сверхвысокочастотного транзистора. МИФИ. Профиль в диэлектрике SixOyNz не подвержен деградации из-за термического воздействия в процессе вакуумного напыления металлов, является механически жестким и хорошо контролируется методом растровой электронной микроскопии.
В базе ФИПС 110 патентов РФ на полезные модели, из которых 18 действующие. Примеры патентов по электронике и полупроводникам:
№193792 (2019) Кассета для закрепления оптического волокна. ФГУП "РФЯЦ-ВНИИТФ им. академ. Е.И. Забабахина" (Снежинск). Устройство относится к технологии нанесения оптических покрытий методом вакуумного распыления на торцы оптических волокон.
№218186 (2023) Устройство электронной литографии. Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина). Улучшение прецизионности рисунка на резисте является техническим результатом от использования полезной модели, которая выполнена в виде вакуумной камеры, в которой расположен анод с подложкой со слоем резиста, нанесенного на подложку, технологическая камера, в которой расположена катод-маска и реализуется локальный высоковольтный тлеющий газовый разряд, обеспечивающий вторичную ионно-электронную эмиссию электронов из катода-маски, при этом топология катода-маски выполнена как бинарная система из двух разнородных материалов.
За период 2013-2025 гг. выданы свидетельства РФ на 40 программ для ЭВМ по вакуумным технологиям, из которых несколько относится к микроэлектронике, например:
№2024682308 Программа управления турбомолекулярным насосом вакуумной системы. Московский государственный технологический университет «СТАНКИН».
№2025663321 Программа управления технологией изготовления мощных GaN НЕМТ. Правообладатель Торхов Николай Анатольевич. Область применения: производство электронной компонентной базы. Алгоритм программы адаптирован к управлению последовательностью выполнения команд технологических операций и процессов изготовлением мощных СВЧ GaN НЕМТ с проектными нормами 0,25 мкм и уровнем выходной мощности Pout≤100 Вт.
Баз данных по вакуумным технологиям в электронике нет (имеются базы для медицины, пищевой промышленности, электротехники, металлургии и др.).
НИОКТР
На портале ГИС «Наука и инновации» имеется 3583 документа по термину «Вакуумные технологии», которые охватывают большинство технических применений разных типов вакуума – в медицине, металлургии, пищёвке и т.д. На запрос «вакуум в электронике» 75 ед., в основном отчёты по грантам. Нас привлекли сведения о развёрнутых и начинаемых научно-исследовательских работах, которые сулят новые патенты на изобретения и полезные модели, а также программы для ЭВМ.
НИР «Разработка и совершенствование конструктивно-технологического базиса отечественной электронной компонентной базы» за 21,8 млн руб. от Минобрнауки РФ в 2023-2025 гг. выполняет Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова. КБГУ и НПП «Радий» (г. Москва) создали «Научно-технологический центр микроэлектроники и нанотехнологий КБГУ».
Заключение
Вакуумные технологии нашли широкое применение в мировой микроэлектронике. В России, что удивительно, патентов много. Патентообладателями выступают ведущие производственные предприятия, авторитетные научные центры, многочисленные технические вузы. В настоящее время проблемы увеличения объемов выпуска, расширения номенклатуры, повышения функциональности и надежности отечественной электронной компонентной базы (ЭКБ) приобретают важнейшее значение в связи с выраженным дефицитом ЭКБ на фоне постоянно возрастающего спроса на изделия микроэлектроники.
Качество вакуума в российских патентах редко детально указывается. Обычно сообщают об остаточном давлении, например вакуумную камеру. Для производства полупроводниковых структур с высокими технологическими нормами существенное значение имеют вещественный состав примесей в сверхглубоких вакуумных установках и системах.
О сервисе Онлайн Патент
Онлайн Патент — цифровая система №1 в рейтинге Роспатента. С 2013 года мы создаем уникальные LegalTech-решения для защиты и управления интеллектуальной собственностью. Зарегистрируйтесь в сервисе Онлайн-Патент и получите доступ к следующим услугам:
Онлайн-регистрация программ, патентов на изобретение, товарных знаков, промышленного дизайна;
Опции ускоренного оформления услуг;
Бесплатный поиск по базам патентов, программ, товарных знаков;
Мониторинги новых заявок по критериям;
Онлайн-поддержку специалистов.