中國單晶硅生產(chǎn)工藝專利現(xiàn)狀分析

李春生 劉慶琳

1947年，美國貝爾實驗室發(fā)明了半導(dǎo)體點接觸晶體管，從此開拓了硅材料的高速發(fā)展時代。1958年，美國2家公司率先發(fā)明了半導(dǎo)體集成電路IC產(chǎn)品。目前，信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已進入特大規(guī)模集成時代。信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展程度是國家實力的體現(xiàn)，現(xiàn)在全世界有95%以上的信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)材料是由硅晶體材料制成。同時，隨著光伏產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，單晶硅材料又被用來制造太陽能電池。目前，單晶硅材料已是信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)和太陽能光伏產(chǎn)業(yè)最重要的基礎(chǔ)功能材料[1，2]。

隨著信息科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，單晶硅材料的需求持續(xù)增長，相關(guān)研究的發(fā)展促使硅材料技術(shù)領(lǐng)域的專利申請量也急劇增加。專利是反映科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平最新動態(tài)的情報文獻[3]。目前，許多相關(guān)文獻對硅晶體專利進行了分析[3]，但對于單晶硅材料生產(chǎn)工藝的專利分析未見報道。國家發(fā)展和改革委員會以及商務(wù)部發(fā)布的《鼓勵外商投資產(chǎn)業(yè)目錄（2019版）》中，提到了單晶硅生產(chǎn)工藝領(lǐng)域?qū)ν忾_放。故本文對全球單晶硅生產(chǎn)工藝專利進行分析，展示我國單晶硅材料的生產(chǎn)工藝的專利發(fā)展現(xiàn)狀和競爭態(tài)勢，為硅材料技術(shù)領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供借鑒。

1 檢索數(shù)據(jù)庫和分析工具

本文數(shù)據(jù)來自律商聯(lián)訊（Lexis Nexis）公司的專利分析Patent Sight系統(tǒng)和國家知識產(chǎn)權(quán)局的專利檢索與服務(wù)系統(tǒng)——中國專利檢索系統(tǒng)文摘數(shù)據(jù)庫。專利采集數(shù)據(jù)樣本為1970年1月1日至本文完稿公開的全球?qū)＠コ喜⑼搴蟮膶＠麡颖具M行分析。

檢索策略以單晶硅生產(chǎn)工藝為中英文關(guān)鍵詞和IPC分類號C30B15、C30B27、C30B29/06進行組合檢索。為更好地體現(xiàn)實際技術(shù)數(shù)量，檢索結(jié)果進行了同族合并，即申請和授權(quán)、中國專利和國外專利合并為同一個專利。檢索命中4 543件全球?qū)＠?，按照以上方法?yōu)化后為3 104件。

2 專利分析指標(biāo)

2.1 重點生產(chǎn)工藝技術(shù)領(lǐng)域IPC專利申請量分布分析

IPC是目前國際通用的專利分類體系，它按照專利文獻的技術(shù)主題進行分類，是全球?qū)＠墨I的管理組織WIPO和科技工作者檢索經(jīng)常使用的手段。本文對單晶硅生產(chǎn)工藝技術(shù)領(lǐng)域相關(guān)專利數(shù)據(jù)的IPC分布情況進行統(tǒng)計分析，可獲知所涉及的重點技術(shù)分支領(lǐng)域和發(fā)展趨勢[4]。結(jié)合國際專利分類表IPC中單晶硅不同生長方法的相關(guān)分類，對采集到的專利數(shù)據(jù)樣本進行了統(tǒng)計分析，得到單晶硅不同生產(chǎn)工藝技術(shù)領(lǐng)域的專利申請量分布，結(jié)果如圖1所示。

從圖1可以看出，專利申請中涉及的單晶硅生長方法主要包括直拉法（C30B15、C30B27）、基座法（C30B11）、區(qū)熔法（C30B13）、氣相生長法（C30B23、C30B25）、片狀生長法（C30B30）等。因上述各自的制備工藝復(fù)雜、產(chǎn)品性能不良、成本等因素未能被普遍推廣。直拉法（Czochralski，CZ）投料多，生產(chǎn)的單晶直徑大，設(shè)備自動化程度高，工藝比較簡單，生產(chǎn)效率高。直拉法相關(guān)的專利申請量是最多的，占總申請量的比例73%，與文獻[1]描述的直拉法生產(chǎn)的單晶硅，占直接單晶硅總量的70%以上數(shù)據(jù)相一致。

圖1反映出了目前生產(chǎn)單晶硅技術(shù)的研究趨勢和方向，本文筆者將主要研究直拉法單晶硅的生產(chǎn)工藝的專利趨勢。

2.2 全球?qū)＠暾埩磕甓确植稼厔?/p>

圖2為直拉法單晶硅生產(chǎn)工藝全球?qū)＠暾垟?shù)量的年度分布圖按照專利法規(guī)定，除提前公開的情形外，自專利申請日18個月后會公開申請文本，所以圖2數(shù)據(jù)選擇截至2017年底，數(shù)據(jù)尚不完整，統(tǒng)計結(jié)果會有誤差。經(jīng)統(tǒng)計，我國專利局受理我國申請人（以下簡稱“國內(nèi)申請”）的單晶硅生產(chǎn)工藝專利申請共計978件，國外申請人申請的全球?qū)＠ㄒ韵潞喎Q“國外申請”）為2 126件，我國專利數(shù)量占比整體為31.5%，將近1/3的技術(shù)份額，說明整體上我國直拉法單晶硅生產(chǎn)工藝占據(jù)主要技術(shù)優(yōu)勢。

從圖2可以看出，1994年之前，直拉法單晶硅生產(chǎn)工藝還處于萌芽期，期間的專利申請量較少；自1994—2006年呈現(xiàn)出一個緩慢的成長期，期間的專利申請量有所增加；2006年以后，專利申請總量的增長速度明顯加快，之后呈平穩(wěn)上升趨勢。國外在2008年后申請量出現(xiàn)了下降，而國內(nèi)仍保持持續(xù)上升，主要原因就是國內(nèi)的光伏產(chǎn)業(yè)的政府刺激政策，國內(nèi)產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢強勁，競爭格局得到持續(xù)增強。

2.3 專利申請、授權(quán)數(shù)量地域分布和專利資產(chǎn)指數(shù)

圖3為直拉法單晶硅生產(chǎn)工藝全球主要專利申請、授權(quán)區(qū)域和資產(chǎn)指數(shù)情況。圖3左邊是國家、地區(qū)專利資產(chǎn)指數(shù)排名，中間是以專利申請數(shù)量排名，最右邊是以專利授權(quán)數(shù)量為依據(jù)。此處將競爭力轉(zhuǎn)化為質(zhì)量概念，競爭力越大的專利，總體上質(zhì)量越高。

由圖3可以看出，日本、中國、美國是直拉法單晶硅生產(chǎn)工藝領(lǐng)域?qū)＠暾垟?shù)量排名前3的國家。全球?qū)＠暾埩壳?的國家的專利數(shù)量分別為：日本1 437件、中國978件、美國258件。而以PatentSight商業(yè)數(shù)據(jù)庫的專業(yè)專利資產(chǎn)指數(shù)視角分析，其與專利申請數(shù)量基本一致。但從全球授權(quán)的有效專利數(shù)量統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，美國超過中國；從中也可以看出，我國專利權(quán)人不注重海外布局，而日本和美國積極借助PCT進行海外布局。

從全球?qū)＠馁Y產(chǎn)指數(shù)分析我國所處的位置和專利資產(chǎn)指數(shù)，說明我國單晶硅直拉法生產(chǎn)工藝具有全球領(lǐng)先的優(yōu)勢，這與我國的研究投入、專利數(shù)量、產(chǎn)業(yè)環(huán)境和產(chǎn)能基本一致，表明我國直拉法單晶硅生產(chǎn)工藝相關(guān)的科研和生產(chǎn)發(fā)展趨勢良好，具有一定的全球競爭力。

2.4 全球和我國主要申請人情況

圖4為全球直拉法單晶硅生產(chǎn)工藝專利資產(chǎn)指數(shù)和專利申請數(shù)量的前10申請人排名統(tǒng)計情況。圖4左半部是以專利資產(chǎn)指數(shù)進行排名，右半部是以專利數(shù)量進行排名。從專利數(shù)量排名上看，前10的申請人中日本占據(jù)6席，分別為：勝高股份有限公司（Sumco Corp）、信越化學(xué)工業(yè)株式會社（Shin—Etsu）、Covalent材料公司（Coors Tek KK）、新日本制鐵株式會社（Nippon Steel）、三菱公司（Mitsubishi Materials）、JFE控股公司（JFE Holdings）；其他依次為韓國的SK集團、臺灣地區(qū)的中美矽晶制品有限公司（Sino—American Silicon）、德國的硅電子股份公司（Siltronic AG）、美商休斯電子材料公司（SunEdiso）。從專利資產(chǎn)指數(shù)排名上看，前10的申請人中日本占據(jù)2席，分別為Sumco Corp、ShinEtsu，占據(jù)第1，第2位置，與專利數(shù)量排名一致，表明上述2家公司數(shù)量和質(zhì)量均較高，在直拉法單晶硅生產(chǎn)工藝專利技術(shù)領(lǐng)域有著不錯的科研水平和技術(shù)實力。而Coors Tek KK、Nippon Steel、Mitsubishi Materials、JFE Holdings日本公司并未出現(xiàn)。其他依次為德國的Siltronic AG、英飛凌科技股份有限公司（Infineon）和賀利氏有限公司（Heraeus）3家公司；臺灣地區(qū)的Sino——American Silicon；韓國的SK集團；2家中國大陸公司為江西賽維LDK太陽能高科技有限公司和常州時創(chuàng)能源科技有限公司，排名分別在第6、7位置；美國的MACOM技術(shù)解決方案控股公司（MACOM）排名第9。

2家中國大陸公司江西賽維LDK太陽能高科技有限公司和常州時創(chuàng)能源科技有限公司并未出現(xiàn)在全球申請數(shù)量的前10排名中，但其總體累積的專利數(shù)量和總體累積的專利資產(chǎn)價值屬于優(yōu)質(zhì)資產(chǎn)，具有較高的科技含量和技術(shù)實力，具有產(chǎn)業(yè)上的競爭力。雖然完全以專利數(shù)量排列以顯示企業(yè)的技術(shù)競爭力可能與實際情況有較大偏差，但其一定程度上也能夠反映出我國在直拉法單晶硅生產(chǎn)工藝技術(shù)發(fā)展中客觀上占據(jù)的中間優(yōu)勢。在今后的專利布局中，應(yīng)該在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上申請更多的基礎(chǔ)和核心專利、擴大應(yīng)用場景或進一步突破，并注重數(shù)量上的積累，擴大在該技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)中國企業(yè)和機構(gòu)在專利技術(shù)總體影響力上的優(yōu)勢。

3 結(jié)語

從專利生產(chǎn)工藝技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾埩縄PC分布分析來看，全球單晶硅生產(chǎn)工藝主要以直拉法單晶硅生產(chǎn)工藝為主，占據(jù)73%以上技術(shù)市場，與產(chǎn)業(yè)界給出的數(shù)據(jù)基本一致。

直拉法單晶硅生產(chǎn)工藝全球?qū)＠暾垟?shù)量趨勢表明，國內(nèi)申請占據(jù)了全球?qū)＠麛?shù)量的1/3，處于全球領(lǐng)先；從專利資產(chǎn)指數(shù)結(jié)果來看，國內(nèi)的在相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展上取得了一定技術(shù)優(yōu)勢；從全球授權(quán)專利數(shù)量來看，我國缺少海外專利布局，缺少海外市場的保護。

總體上，我國直拉法單晶硅生產(chǎn)工藝技術(shù)處于全球領(lǐng)先，我國在直拉法單晶硅生產(chǎn)工藝方面具有與國外相關(guān)企業(yè)進行充分的市場競爭的能力。

參考文獻

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