電子制造裝備領(lǐng)域及其行業(yè)競爭者專利分析

陳欣 高香珍 薛敬偉 田培

摘? 要：作為全球集成電路消費市場最大的國家，我國對集成電路配套裝備的需求很大，而且隨著我國集成電路設(shè)備領(lǐng)域科技的發(fā)展、技術(shù)的進(jìn)步，進(jìn)口設(shè)備部分必將成為國產(chǎn)化設(shè)備的巨大市場空間。本文針對以光刻機(jī)、化學(xué)機(jī)械研磨設(shè)備、離子注入機(jī)及濕法設(shè)備為代表的電子制造裝備，依托Incopat專利數(shù)據(jù)庫開展分析，包括電子制造裝備領(lǐng)域?qū)＠麘B(tài)勢、行業(yè)主要競爭者分析，提出關(guān)于我國電子制造裝備領(lǐng)域的未來發(fā)展方向的建議。

關(guān)鍵詞：電子制造裝備? 光刻機(jī)? 化學(xué)機(jī)械研磨設(shè)備? 離子注入機(jī)? 專利分析 競爭者分析

中圖分類號：F273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2021）07（a）-0055-05

Patent Analysis of Electronic Manufacturing Equipment Field and Its Competitors

CHEN Xin? GAO Xiangzhen? XUE Jingwei? TIAN Pei

（Information Science Academy of CETC， Beijing， 100083? China）

Abstract： As the largest country in the global IC consumer market， China has a great demand for IC supporting equipment. With the development of science and technology and technological progress in the field of IC equipment， the imported equipment will become a huge market space for domestic equipment. This paper analyzes the electronic manufacturing equipment represented by lithography machine， chemical mechanical grinding equipment， ion implantation machine and wet equipment， relying on the incopat patent database， including the patent situation in the field of electronic manufacturing equipment and the analysis of major competitors in the industry， and puts forward some suggestions on the future development direction of China's electronic manufacturing equipment field.

Key Words： Electronic manufacturing equipment; Lithography machine; Chemical mechanical grinding equipment; Ion implanter; Patent analysis; Competitor analysis

裝備是集成電路產(chǎn)業(yè)的基石，是推動集成電路技術(shù)創(chuàng)新的引擎。

集成電路產(chǎn)業(yè)的特點是“一代產(chǎn)品依賴于一代工藝，一代工藝依賴于一代設(shè)備”。終端產(chǎn)品對芯片的需求不斷挑戰(zhàn)著工藝技術(shù)的極限，大生產(chǎn)工藝技術(shù)不斷挑戰(zhàn)著集成電路裝備能力的極限，集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展依賴于裝備的不斷更新?lián)Q代。

作為全球集成電路消費市場最大的國家，我國對集成電路配套裝備的需求很大，而且隨著我國集成電路設(shè)備領(lǐng)域科技的發(fā)展、技術(shù)的進(jìn)步，進(jìn)口設(shè)備部分必將成為國產(chǎn)化設(shè)備的巨大市場空間。國產(chǎn)集成電路設(shè)備市場規(guī)模變動情況與全球集成電路設(shè)備市場規(guī)模變動基本一致，但總體規(guī)模較小，且嚴(yán)重依賴進(jìn)口。我國集成電路設(shè)備市場目前面臨的問題主要為知識產(chǎn)權(quán)壁壘高、缺乏高端人才、企業(yè)轉(zhuǎn)型升級難度較大、開發(fā)產(chǎn)品緩慢，并且熱銷的高端半導(dǎo)體設(shè)備已為進(jìn)口設(shè)備占領(lǐng)，國產(chǎn)高端半導(dǎo)體設(shè)備的推廣應(yīng)用難度大[1]。

晶圓加工設(shè)備技術(shù)壁壘高、競爭格局高度集中，應(yīng)用材料、拉姆研究、東京電子三大龍頭遙遙領(lǐng)先其他競爭對手。國內(nèi)設(shè)備中，僅有中微半導(dǎo)體的介質(zhì)刻蝕機(jī)成功進(jìn)入了國際一流IC制造廠的最先進(jìn)工藝線，其他設(shè)備部分已經(jīng)小批量銷售，部分還在驗證階段，到大批量銷售還要一段路程要走[2]。

本文針對以光刻機(jī)、化學(xué)機(jī)械研磨設(shè)備、離子注入機(jī)及濕法設(shè)備為代表的電子制造裝備，依托Incopat專利數(shù)據(jù)庫開展分析，分析內(nèi)容包括電子制造裝備領(lǐng)域?qū)＠麘B(tài)勢、行業(yè)主要競爭者分析，并提出我國電子制造裝備領(lǐng)域的未來發(fā)展方向建議。

1? 電子制造裝備領(lǐng)域?qū)＠暾垜B(tài)勢

1.1 總體申請趨勢

2008年至今（數(shù)據(jù)截止2021年6月1日，下同），電子制造裝備領(lǐng)域相關(guān)專利申請26196件，包括13782個專利族，其專利申請趨勢如圖1所示。

2008年至今，除了在2008—2012年專利申請量略有波動之外，總體年申請量穩(wěn)定在1800件左右;同時隨著時間的推移，中國的專利申請占總申請量的比例在穩(wěn)步提升，由2008年的15%提升到了2020年的56%，說明中國市場變得越來越重要，也說明中國國內(nèi)申請人的技術(shù)正在穩(wěn)步提升。

1.2 主要競爭者分析

本節(jié)依托Incopat專利數(shù)據(jù)庫，對光刻機(jī)、化學(xué)機(jī)械研磨設(shè)備、離子注入機(jī)以及濕法設(shè)備領(lǐng)域進(jìn)行申請人的專利申請量排名統(tǒng)計，分析研究4個領(lǐng)域的主要行業(yè)競爭者的專利布局狀況。

光刻機(jī)領(lǐng)域主要申請人包括尼康、東電（TOKYO ELECTRON）、佳能、SCREEN、日立和SEMS等日本企業(yè)，以及ASML和MAPPER LITHOGRAPHY等荷蘭企業(yè)。全球6000余件專利申請中，尼康公司有1537件專利申請，ASML有1014件專利申請，說明光刻機(jī)技術(shù)目前已被國外巨頭壟斷，技術(shù)準(zhǔn)入門檻高。其中，ASML公司于2018年生產(chǎn)的NXT： 2000i（采用193nm光源）產(chǎn)品為現(xiàn)有最高水平的DUV光刻機(jī)，其分辨率為38nm。NXT： 2000i結(jié)合多次曝光套刻技術(shù)可將線寬縮小至7～5 nm[3]。

化學(xué)機(jī)械研磨設(shè)備前十位的申請人主要為美國和日本申請人，美國申請人包括陶氏（包括已被收購的羅姆哈斯）、應(yīng)用材料和卡博特，日本申請人包括日立、JSR和富士軟片（FUJIFILM）。前十位的申請人中，2個國內(nèi)申請人包括中芯國際和清華大學(xué)。相比光刻機(jī)，化學(xué)機(jī)械研磨設(shè)備國外壟斷不太嚴(yán)重，國內(nèi)企業(yè)和高校也有一定技術(shù)積累，中國電子科技集團(tuán)方面可以尋求國內(nèi)相關(guān)高校或者研究機(jī)構(gòu)的合作。

離子注入機(jī)相關(guān)專利前十位的申請人中，應(yīng)用材料和艾克塞利斯（AXCELIS）申請量最多，其中應(yīng)用材料于2011年收購了瓦里安半導(dǎo)體，瓦里安半導(dǎo)體為離子注入領(lǐng)域的重要設(shè)備廠商。離子注入機(jī)領(lǐng)域的申請人主要來自美國和日本，其中美國申請人包括應(yīng)用材料、艾克塞利斯（AXCELIS）、ENTEGRIS和PRAXAIR公司，日本申請人包括住友、SEN、日新離子機(jī)器;前十位還包括一個國內(nèi)申請人，即中國電子科技集團(tuán)所屬的中科信電子裝備。

濕法設(shè)備前十位的申請人中，東電（TOKYO ELECTRON）的申請量最多，達(dá)到了151件，前十位申請人主要為美國和日本申請人。其中有2個中國申請人排名靠前，為華星光電和華力微電子，前文提到濕法設(shè)備國內(nèi)專利申請比例較高，但是前十位申請人只有2個國內(nèi)申請人，說明目前國內(nèi)申請人主要為小型研發(fā)公司，尚未出現(xiàn)領(lǐng)頭企業(yè)，中國電子科技集團(tuán)可以尋找相關(guān)企業(yè)進(jìn)行并購或者合作，減少研發(fā)成本，提高技術(shù)更新效率。

2? 行業(yè)主要競爭者分析

在全球電子制造裝備領(lǐng)域中，有的企業(yè)其產(chǎn)品高度聚焦，采用以關(guān)鍵設(shè)備為核心的縱深發(fā)展模式，例如荷蘭企業(yè)阿斯麥（ASML）高度聚焦光刻機(jī)設(shè)備，其在高端光刻機(jī)領(lǐng)域的市場占有率超過75%[4]。有的企業(yè)其產(chǎn)品覆蓋半導(dǎo)體工藝線的多個主要環(huán)節(jié)，采用全流程配套的橫向發(fā)展模式，如美國企業(yè)應(yīng)用材料（AMAT），其產(chǎn)品種類涉及原子層沉積、物理/化學(xué)氣相沉積、刻蝕、快速熱處理、離子注入、CMP等，幾乎覆蓋了除光刻機(jī)之外的整個半導(dǎo)體工藝環(huán)節(jié)[5]。國內(nèi)電子制造裝備領(lǐng)域的龍頭企業(yè)是北京電控集團(tuán)旗下的北方華創(chuàng)，其發(fā)展思路與美國企業(yè)應(yīng)用材料（AMAT）相似，產(chǎn)品覆蓋了刻蝕、物理/化學(xué)氣相沉積（PVD/CVD）、氧化爐、擴(kuò)散爐、清洗機(jī)等設(shè)備，是國內(nèi)規(guī)模最大、產(chǎn)品體系最豐富的高端半導(dǎo)體設(shè)備供應(yīng)商[6]。下文以美國企業(yè)應(yīng)用材料（AMAT）為目標(biāo)展開分析。

1967年應(yīng)用材料（AMAT）成立于美國山景城，該公司目前的主營業(yè)務(wù)包括半導(dǎo)體設(shè)備、新型顯示、工程軟件三大板塊，其中半導(dǎo)體設(shè)備業(yè)務(wù)在其總營收中的占比約為65%。從2013—2017年，應(yīng)用材料（AMAT）在半導(dǎo)體設(shè)備市場的整體市場占用率約為27%，始終占據(jù)行業(yè)第一的寶座。在晶圓加工細(xì)分領(lǐng)域內(nèi)，該公司多項設(shè)備的技術(shù)水平位居行業(yè)前列，其中在物理氣相沉積（PVD）設(shè)備領(lǐng)域，該公司產(chǎn)品約占全球份額的80%;在化學(xué)氣相沉積（CVD）設(shè)備領(lǐng)域，該公司產(chǎn)品約占全球份額的30%，均位列行業(yè)第一[5]。

隨著高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略的提出，我國將可能承接半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的第三次產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移。根據(jù)SEMI預(yù)測，2018年我國半導(dǎo)體設(shè)備的市場空間將達(dá)到118億美元，成為全球第二大市場。應(yīng)用材料（AMAT）早在1984年就開始布局中國市場，還與國內(nèi)的上海交通大學(xué)、浙江大學(xué)和南開大學(xué)等高校進(jìn)行合作研究。經(jīng)過多年的市場深耕，2017年應(yīng)用材料（AMAT）在中國的營業(yè)收入達(dá)到27.46億美元，同比上升了21.56%[7]。

2.1 應(yīng)用材料（AMAT）專利態(tài)勢分析

2.1.1 應(yīng)用材料（AMAT）的專利申請態(tài)勢

應(yīng)用材料公司自1969年起開始專利申請，至今共擁有46 643件專利，下文對其申請的全部46 643件專利，以及與光刻機(jī)、化學(xué)機(jī)械研磨、離子注入和濕法設(shè)備相關(guān)的專利進(jìn)行統(tǒng)計分析。

應(yīng)用材料公司在1990年之前專利申請量較少，年申請量未超過100件，1990年后專利申請開始快速增長，2000年申請量已經(jīng)超過2000件，達(dá)到2241件。2000年后應(yīng)用材料公司的專利申請呈震蕩增長態(tài)勢，在2014年專利申請量超過3000件達(dá)到3266件。

2.1.2 應(yīng)用材料（AMAT）的專利申請在各產(chǎn)品上分析

（1）技術(shù)申請分類。圖2為應(yīng)用材料公司在光刻機(jī)、化學(xué)機(jī)械研磨設(shè)備、離子注入機(jī)和濕法設(shè)備4個技術(shù)分支的專利申請情況。應(yīng)用材料公司的離子注入機(jī)相關(guān)專利申請達(dá)603件，占到所有專利申請的49%，2011年之前應(yīng)用材料在離子注入機(jī)方面專利較少，其在2011年收購了瓦里安半導(dǎo)體公司（Varian Semiconductor Equipment Associates），并通過這一并購成功進(jìn)入離子注入設(shè)備市場。應(yīng)用材料為化學(xué)機(jī)械研磨設(shè)備方面的技術(shù)龍頭，其專利申請量也相當(dāng)大，達(dá)到447件。應(yīng)用材料在光刻機(jī)和濕法設(shè)備方面專利申請量相對較少，均不超過100件。

（2）地域布局。由圖3可知，應(yīng)用材料的46 643件專利中，在美國申請的專利最多，達(dá)到13 467件，此外在日本、韓國、世界知識產(chǎn)權(quán)組織和中國等國家和地區(qū)布局了大量專利，這一方面說明應(yīng)用材料公司的市場在國際范圍內(nèi)的分布，也說明應(yīng)用材料公司具有優(yōu)秀的海外專利布局意識。

2.1.3 應(yīng)用材料（AMAT）的合作關(guān)系

一般企業(yè)在申請專利時會與其他申請人合作申請，合作申請的對象一般為高校和研究院所，其申請的技術(shù)成果多為合作申請的成果。通過檢索，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用材料公司并未有與高校和研究院所合作申請的情況;除此之外，只有與PRAXAIR公司有3件合作申請，PRAXAIR是一家全球領(lǐng)先的工業(yè)氣體專業(yè)公司，同時也是北美和南美洲最大的工業(yè)氣體供應(yīng)商，應(yīng)用材料與其的合作申請為離子注入相關(guān)專利。

以上結(jié)果說明，應(yīng)用材料的研發(fā)主要依靠自身，極少借助外部研發(fā)機(jī)構(gòu)。此外可以看到其通過收購?fù)呃锇舶雽?dǎo)體公司（Varian Semiconductor Equipment Associates）得以打入離子注入設(shè)備市場，這也是大型公司擴(kuò)展業(yè)務(wù)線的常用手段。

2.2 小結(jié)

通過以上分析，可以看到目前各個技術(shù)的重點申請人多數(shù)來自美國和日本，說明目前電子制造裝備領(lǐng)域，美國和日本的企業(yè)掌握了最先進(jìn)的技術(shù)和最多的市場，此外來自荷蘭的光刻機(jī)設(shè)備公司ASML也憑借其技術(shù)優(yōu)勢和專利申請占據(jù)了重要的地位。具體來看，光刻機(jī)領(lǐng)域重點申請人包括尼康、ASML，此外東電（TOKYO ELECTRON）和佳能公司也有較多專利申請;化學(xué)機(jī)械研磨設(shè)備領(lǐng)域重點申請人包括陶氏、應(yīng)用材料等美國公司和日立、JSR等日本公司，國內(nèi)方面清華大學(xué)申請量較高;離子注入機(jī)領(lǐng)域重點申請人中應(yīng)用材料和艾克塞利斯（AXCELIS）的專利申請量優(yōu)勢較大，前十位還包括一個國內(nèi)申請人，即中國電子科技集團(tuán)所屬的企業(yè)中科信電子裝備;濕法設(shè)備的重點申請人中東電（TOKYO ELECTRON）的優(yōu)勢較大，前十位還有2個國內(nèi)申請人華星光電和華力微電子。

目前各個技術(shù)的重點申請人布局區(qū)域均比較類似，主要為美國、日本、中國、韓國等國家和地區(qū)，這些國家和地區(qū)集中了大多數(shù)的電子制造裝備的研發(fā)公司和生產(chǎn)廠商。

通過對應(yīng)用材料公司的分析，可以看到應(yīng)用材料的專利申請側(cè)重在離子注入機(jī)和化學(xué)機(jī)械研磨領(lǐng)域;在過去10年專利申請相對平穩(wěn)，在2013—2014年有一段專利產(chǎn)出高峰;與其他公司相似，其專利主要布局在美國、日本、中國、韓國等;并且其專利質(zhì)量也高于行業(yè)平均水平。

3? 結(jié)語

目前，我國大規(guī)模集成電路芯片生產(chǎn)線設(shè)備大部分仍然依賴進(jìn)口，國產(chǎn)設(shè)備市場占有率較低。2017年國產(chǎn)半導(dǎo)體設(shè)備銷售額僅占當(dāng)年我國半導(dǎo)體設(shè)備進(jìn)口額的13%。

問題存在的主要原因如下。

一是由于高端電子專用設(shè)備知識產(chǎn)權(quán)壁壘很高，大部分國內(nèi)企業(yè)缺乏高端人才組成的領(lǐng)軍團(tuán)隊，企業(yè)轉(zhuǎn)型升級難度較大，開發(fā)適應(yīng)市場需求的創(chuàng)新產(chǎn)品緩慢。

二是一些市場熱銷的高端半導(dǎo)體設(shè)備已為進(jìn)口設(shè)備占領(lǐng)，而使用國產(chǎn)高端電子專用設(shè)備要比使用進(jìn)口設(shè)備承擔(dān)更大的風(fēng)險責(zé)任，國產(chǎn)高端半導(dǎo)體設(shè)備的推廣應(yīng)用難度較大。未來，我國應(yīng)克服上述問題，在高端半導(dǎo)體設(shè)備領(lǐng)域取得突破。

三是缺乏“領(lǐng)軍”的高技術(shù)人才，一些技術(shù)難度大的關(guān)鍵設(shè)備，由于缺乏“領(lǐng)軍”的高技術(shù)人才，久攻不下，同時也影響了集成電路生產(chǎn)線設(shè)備國產(chǎn)化的推廣。

四是缺乏足夠的研發(fā)投入，集成電路設(shè)備行業(yè)研發(fā)投入高，中國集成電路產(chǎn)業(yè)、企業(yè)依靠自身實力的研發(fā)投入、規(guī)模化投入嚴(yán)重不足。

2017財年國際巨頭應(yīng)用材料、拉姆研究、東京電子、阿斯麥研發(fā)投入分別為115.58億元、77.71億元、56.81億元、95.99億元，收入占比分別為12%、11%、9%、14%。國內(nèi)龍頭北方華創(chuàng)雖然2017財年研發(fā)收入占比高達(dá)33%，但體量太小，所以研發(fā)投入僅有7.18億元，與國際巨頭企業(yè)差距尚大。國際巨頭研發(fā)投入遠(yuǎn)高于國內(nèi)企業(yè)，國內(nèi)企業(yè)還需要借助政策優(yōu)勢，繼續(xù)加大研發(fā)投入，突破核心技術(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 王龍興.2017年全球半導(dǎo)體市場和半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基本情況分析[J].集成電路應(yīng)用，2018，35（10）：1-5.

[2] 魏志強(qiáng)，武鵬.中微：中國半導(dǎo)體裝備國產(chǎn)化的先鋒[J].經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊，2018（8）：64-71.

[3] 宗楠，胡蔚敏，王志敏，等.激光等離子體13.5nm極紫外光刻光源進(jìn)展[J].中國光學(xué)，2020，13（1）：28-42.

[4] 張金穎，安暉.荷蘭光刻巨頭崛起對我國發(fā)展核心技術(shù)的啟示[J].中國工業(yè)和信息化，2019（Z1）：40-44.

[5] 于永秦.AMAT公司基于中國市場的發(fā)展戰(zhàn)略研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2015.

[6] 北方華創(chuàng)微電子.北方華創(chuàng)微電子：中國"芯"設(shè)備崛起[J].中關(guān)村，2018（7）：58-60.

[7] 佚名.聚焦國產(chǎn)自主可控半導(dǎo)體迎發(fā)展良機(jī)[J].股市動態(tài)分析，2019（19）：6-10.