Рений в электронике: патентный анализ

Рений — исключительно редкий элемент периодической системы Менделеева. Если построить пирамиду, по сторонам которой расположить элементы в порядке убывания их содержания в земной коре, то рений будет находиться в ее вершине. Кларковое содержание рения составляет семь на десять в минус восьмой степени процентов, что обусловливает необходимость большой степени концентрирования его при осуществлении технологических операций и выбор селективных материалов для этого. Тем не менее, этот редкий элемент все-таки используют во многих отраслях, в том числе при производстве электроники. Об этом и, разумеется, патентном аспекте мы сегодня и поговорим. 

Применение и добыча

Из первичного минерального сырья рений получают, как и многие столь редкие элементы, только попутно. При переработке традиционного сырья — молибденовых и медных руд — пирометаллургическим методом он переходит в газовую фазу, где улавливается подкисленной водой с получением так называемой промывной серной кислоты — основного сырьевого источника рения. Особенность этого процесса обусловливает высокая летучесть гептаоксида рения, вследствие которой возможны потери до половины и более извлекаемого металла. Для снижения потерь необходима полная герметизация газовых трактов. Конечный продукт переработки первичного сырья, как правило,— перренат аммония, в котором должно быть очень низкое содержание калия (примерно 4-10%), мешающего получению качественного металла. В связи с этим на определенных стадиях ^[1] концентрирования рения используют так называемую катионированную воду, то есть воду, очищенную от катионов калия. 

В маркетинговом обзоре ^[2] приведена сегментация по конечному использованию: аэрокосмические двигатели, химическая обработка, электрические контакты, высокотемпературная электроника. Объем рынка рения оценивался в 610,78 млн долларов США в 2024 году. Ожидается, что производство ^[2] рения вырастет с 640,35 млн долларов США в 2025 году до 980,02 млн долларов США к 2034 году. Ожидается, что CAGR (темп роста) рынка рения составит около 4,8% в течение прогнозируемого периода (2025-2034).

Патентный аспект

На портале Google.Patents поиск по запросу Rhenium показывает более 100 000 документов. По международной патентной классификации лидируют следующие темы:

• химические и физические процессы B01J ^[3] – 31,8%;

• ациклические и карбоциклические соединения C07C ^[4] – 24,1%;

• защита природы в разных процессах, в т.ч. биологическая очистка Y02P ^[5] – 21,4%;

• гетероциклические соединения C07D ^[6] – 12,7%;

• сплавы C22C ^[7] – 11,8%;

• крекинг углеводородных масел; производство жидких углеводородных смесей, например путем деструктивной гидрогенизации, олигомеризации, полимеризации C10G ^[8] – 11,1%;

• разное оборудование Y10T ^[9] – 10,2%;

• лекарства и медикаменты A61K ^[5] – 9,6%;

• покрытия C23C ^[5] – 8,7%;

• технические устройства Y10S ^[5] – 6,9%;

• сокращение выбросов парниковых газов Y02E ^[5] – 6,1%%;

• полупроводниковые приборы H01L ^[5] – 6,1%;

• использование наноструктур B82Y ^[5] – 5,3%;

• порошковые технологии B22F ^[5] – 5%.

  По H01L ^[5] в Google 9037 документов. Группа лидеров по количеству патентов «рений в полупроводниковых приборах» следующая:

1. Samsung Electronics Co., Ltd. ^[10] – 2,8%;

2. International Business Machines Corporation ^[11] – 2,7%;

3. Applied Materials, Inc. ^[12] – 2,4%;

4. Micron Technology, Inc. ^[12] – 2%;

5. Intel Corporation ^[12] – 1,8%;

6. Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. ^[12] – 1,5%.

Как видите, сплошь известные всем компании с южнокорейским техногигантом во главе. 

Динамика патентования «рений в полупроводниковых приборах» представлена на рис. 1

Рисунок 1: Динамика мирового патентования изобретений на тему (Rhenium) (H01L) в 1992-2025 гг.

Видно два относительных пика патентования изобретений по нашей тематике: в 2001-2004 гг. и в 2016-2025 годы. Объяснение следует искать в деталях развития технологий производства полупроводниковых приборов с применением рения.

Примеры патентов:

• JP7411021B2 Atomic layer deposition of rhenium-containing thin films;

• US11769670B2 Methods for forming a rhenium-containing film on a substrate by a cyclical deposition process and related semiconductor device structures.

А что в России? 

На Яндекс.Патент выдает 1515 документов по теме рений в электронике за период 1929-2023 гг. с двумя пиками патентования в 1977-1987 и 2008-2017 гг. Однако ИИ Яндекса даёт много информационного шума.

В базе ФИПС в рефератах на изобретения РФ по запросу рений 543 патента на изобретения, из которых по теме полупроводниковых устройств H01L две ед., из которых один уже перешёл в общественное достояние, а второй не действует из-за неуплаты пошлины:

• №2230397 ^[13] (2004) Термоэлектрическая батарея. Научно-производственное предприятие "Квант" (Москва). Для защиты от продуктов сублимации полупроводниковых материалов конструкции чехла его внутренняя поверхность с горячей стороны снабжена антикоррозионным покрытием, выполненным из титана, алюминия, рения, молибдена, вольфрама и сплавов на их основе.

• №2451766 ^[14] (2012) Способ изготовления биаксиально текстурированной подложки из бинарного сплава на основе никеля для эпитаксиального нанесения на нее буферного и высокотемпературного сверхпроводящего слоев для ленточных сверхпроводников. Институт физики металлов Уральского отделения РАН (Екатеринбург). В качестве бинарного сплава на основе никеля используют сплав рений ≤7 ат.%, никель - остальное.

По разделу «Н» — «Электричество» 18 патентов РФ на изобретения, часть из которых относится в электронике, приведем примеры:

• №2454482 ^[15] (2012) Способ получения составной мишени для распыления из сплава вольфрам-титан-рений. Институт физики твердого тела Российской академии наук (Черноголовка). Патент не действует из-за неуплаты пошлины. 

• №2724980 ^[16] (2020) Двухслойный металлопористый катод и способ его изготовления. АО "Научно-производственное предприятие "Алмаз" (Саратов). Изобретение относится к электронной технике, в частности к металлопористым катодам (МПК) электронных приборов СВЧ с повышенным сроком службы и надежностью. Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение долговечности металлопористого катода. Технический результат достигается тем, что в торцевую часть металлопористого катода, выполненного в виде корпуса из тугоплавкого металла (молибдена), установлена двухслойная пористая губка с разной плотностью слоев. Основной эмитирующий слой губки плотностью 78-80% состоит из порошка вольфрама с зерном 1-2 мкм или смеси порошков (20% осмия, иридия или рения и 80% вольфрама с зерном 1-2 мкм).

• №2738380 ^[17] (2020) Спиральная замедляющая система ЛБВ. АО "Научно-производственное предприятие "Алмаз" (Саратов). Изобретение относится к области электронной техники, а именно к спиральным замедляющим системам СВЧ-приборов О-типа, в частности, для ламп бегущей волны (ЛБВ). Лента из тугоплавкого металла с высокой упругостью может быть изготовлена из вольфрамовой проволоки с величиной относительного удлинения при упругопластической деформации не менее 4%, из молибденовой проволоки с величиной относительного удлинения при упругопластической деформации не менее 8%, или из сплава вольфрама с рением.

В базе ФИПС на полезные модели числится 12 патентов по слову «рений» в реферате, из которых два относятся к электронике:

• №87566 ^[19] (2009) Электровакуумная лампа. АО "Восход" Калужский радиоламповый завод" (Калуга). Изобретение относится к электронике, в частности к электронным приборам и может быть применено для работы устройства в качестве фазоинвертора или двойного усилителя с резистивной связью. Спираль подогревателя выполнена из сплава на основе вольфрама и рения. Патент перешел в общественное достояние.

• №231051 ^[20] (2024) Диод Шоттки. Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (Москва). Диод Шоттки содержит кремниевую сильнолегированную подложку n-типа проводимости.

  

Баз данных, топологий интегральных схем и программ для ЭВМ по теме «рений в электронике» в РФ нет. 

Заключение

Ведущие мировые производители полупроводниковых устройств активно патентуют изобретения по применению рения и его сплавов. В частности используют как рутинные методы магнетронного напыления, так и продвинутые способы атомно-послойного осаждения. Российские патенты немногочисленны. Формально, они составляют 0,1% от мировых.