電子制造裝備領域及其行業競爭者專利分析

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備領域科技的發展、技術的進步，進口設備部分必將成為國產化設備的巨大市場空間。本文針對以光刻機、化學機械研磨設備、離子注入機及濕法設備為代表的電子制造裝備，依托Incopat專利數據庫開展分析，包括電子制造裝備領域專利態勢、行業主要競爭者分析，提出關于我國電子制造裝備領域的未來發展方向的建議。

關鍵詞：電子制造裝備? 光刻機? 化學機械研磨設備? 離子注入機? 專利分析 競爭者分析

中圖分類號：F273 文獻標識碼：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

裝備是集成電路產業的基石，是推動集成電路技術創新的引擎。

集成電路產業的特點是“一代產品依賴于一代工藝，一代工藝依賴于一代設備”。終端產品對芯片的需求不斷挑戰著工藝技術的極限，大生產工藝技術不斷挑戰著集成電路裝備能力的極限，集成電路產業的發展依賴于裝備的不斷更新換代。

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備領域科技的發展、技術的進步，進口設備部分必將成為國產化設備的巨大市場空間。國產集成電路設備市場規模變動情況與全球集成電路設備市場規模變動基本一致，但總體規模較小，且嚴重依賴進口。我國集成電路設備市場目前面臨的問題主要為知識產權壁壘高、缺乏高端人才、企業轉型升級難度較大、開發產品緩慢，并且熱銷的高端半導體設備已為進口設備占領，國產高端半導體設備的推廣應用難度大[1]。

晶圓加工設備技術壁壘高、競爭格局高度集中，應用材料、拉姆研究、東京電子三大龍頭遙遙領先其他競爭對手。國內設備中，僅有中微半導體的介質刻蝕機成功進入了國際一流IC制造廠的最先進工藝線，其他設備部分已經小批量銷售，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、化學機械研磨設備、離子注入機及濕法設備為代表的電子制造裝備，依托Incopat專利數據庫開展分析，分析內容包括電子制造裝備領域專利態勢、行業主要競爭者分析，并提出我國電子制造裝備領域的未來發展方向建議。

1? 電子制造裝備領域專利申請態勢

1.1 總體申請趨勢

2008年至今（數據截止2021年6月1日，下同），電子制造裝備領域相關專利申請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，也說明中國國內申請人的技術正在穩步提升。

1.2 主要競爭者分析

本節依托Incopat專利數據庫，對光刻機、化學機械研磨設備、離子注入機以及濕法設備領域進行申請人的專利申請量排名統計，分析研究4個領域的主要行業競爭者的專利布局狀況。

光刻機領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，以及ASML和MAPPER LITHOGRAPHY等荷蘭企業。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，說明光刻機技術目前已被國外巨頭壟斷，技術準入門檻高。其中，ASML公司于2018年生產的NXT： 2000i（采用193nm光源）產品為現有最高水平的DUV光刻機，其分辨率為38nm。NXT： 2000i結合多次曝光套刻技術可將線寬縮小至7～5 nm[3]。

化學機械研磨設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個國內申請人包括中芯國際和清華大學。相比光刻機，化學機械研磨設備國外壟斷不太嚴重，國內企業和高校也有一定技術積累，中國電子科技集團方面可以尋求國內相關高校或者研究機構的合作。

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

濕法設備前十位的申請人中，東電（TOKYO ELECTRON）的申請量最多，達到了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，前文提到濕法設備國內專利申請比例較高，但是前十位申請人只有2個國內申請人，說明目前國內申請人主要為小型研發公司，尚未出現領頭企業，中國電子科技集團可以尋找相關企業進行并購或者合作，減少研發成本，提高技術更新效率。

2? 行業主要競爭者分析

在全球電子制造裝備領域中，有的企業其產品高度聚焦，采用以關鍵設備為核心的縱深發展模式，例如荷蘭企業阿斯麥（ASML）高度聚焦光刻機設備，其在高端光刻機領域的市場占有率超過75%[4]。有的企業其產品覆蓋半導體工藝線的多個主要環節，采用全流程配套的橫向發展模式，如美國企業應用材料（AMAT），其產品種類涉及原子層沉積、物理/化學氣相沉積、刻蝕、快速熱處理、離子注入、CMP等，幾乎覆蓋了除光刻機之外的整個半導體工藝環節[5]。國內電子制造裝備領域的龍頭企業是北京電控集團旗下的北方華創，其發展思路與美國企業應用材料（AMAT）相似，產品覆蓋了刻蝕、物理/化學氣相沉積（PVD/CVD）、氧化爐、擴散爐、清洗機等設備，是國內規模最大、產品體系最豐富的高端半導體設備供應商[6]。下文以美國企業應用材料（AMAT）為目標展開分析。

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

隨著高質量發展戰略的提出，我國將可能承接半導體產業的第三次產業轉移。根據SEMI預測，2018年我國半導體設備的市場空間將達到118億美元，成為全球第二大市場。應用材料（AMAT）早在1984年就開始布局中國市場，還與國內的上海交通大學、浙江大學和南開大學等高校進行合作研究。經過多年的市場深耕，2017年應用材料（AMAT）在中國的營業收入達到27.46億美元，同比上升了21.56%[7]。

2.1 應用材料（AMAT）專利態勢分析

2.1.1 應用材料（AMAT）的專利申請態勢

應用材料公司自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、化學機械研磨、離子注入和濕法設備相關的專利進行統計分析。

應用材料公司在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年申請量已經超過2000件，達到2241件。2000年后應用材料公司的專利申請呈震蕩增長態勢，在2014年專利申請量超過3000件達到3266件。

2.1.2 應用材料（AMAT）的專利申請在各產品上分析

（1）技術申請分類。圖2為應用材料公司在光刻機、化學機械研磨設備、離子注入機和濕法設備4個技術分支的專利申請情況。應用材料公司的離子注入機相關專利申請達603件，占到所有專利申請的49%，2011年之前應用材料在離子注入機方面專利較少，其在2011年收購了瓦里安半導體公司（Varian Semiconductor Equipment Associates），并通過這一并購成功進入離子注入設備市場。應用材料為化學機械研磨設備方面的技術龍頭，其專利申請量也相當大，達到447件。應用材料在光刻機和濕法設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，應用材料的46 643件專利中，在美國申請的專利最多，達到13 467件，此外在日本、韓國、世界知識產權組織和中國等國家和地區布局了大量專利，這一方面說明應用材料公司的市場在國際范圍內的分布，也說明應用材料公司具有優秀的海外專利布局意識。

2.1.3 應用材料（AMAT）的合作關系

一般企業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，其申請的技術成果多為合作申請的成果。通過檢索，發現應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是一家全球領先的工業氣體專業公司，同時也是北美和南美洲最大的工業氣體供應商，應用材料與其的合作申請為離子注入相關專利。

以上結果說明，應用材料的研發主要依靠自身，極少借助外部研發機構。此外可以看到其通過收購瓦里安半導體公司（Varian Semiconductor Equipment Associates）得以打入離子注入設備市場，這也是大型公司擴展業務線的常用手段。

2.2 小結

通過以上分析，可以看到目前各個技術的重點申請人多數來自美國和日本，說明目前電子制造裝備領域，美國和日本的企業掌握了最先進的技術和最多的市場，此外來自荷蘭的光刻機設備公司ASML也憑借其技術優勢和專利申請占據了重要的地位。具體來看，光刻機領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;化學機械研磨設備領域重點申請人包括陶氏、應用材料等美國公司和日立、JSR等日本公司，國內方面清華大學申請量較高;離子注入機領域重點申請人中應用材料和艾克塞利斯（AXCELIS）的專利申請量優勢較大，前十位還包括一個國內申請人，即中國電子科技集團所屬的企業中科信電子裝備;濕法設備的重點申請人中東電（TOKYO ELECTRON）的優勢較大，前十位還有2個國內申請人華星光電和華力微電子。

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

通過對應用材料公司的分析，可以看到應用材料的專利申請側重在離子注入機和化學機械研磨領域;在過去10年專利申請相對平穩，在2013—2014年有一段專利產出高峰;與其他公司相似，其專利主要布局在美國、日本、中國、韓國等;并且其專利質量也高于行業平均水平。

3? 結語

目前，我國大規模集成電路芯片生產線設備大部分仍然依賴進口，國產設備市場占有率較低。2017年國產半導體設備銷售額僅占當年我國半導體設備進口額的13%。

問題存在的主要原因如下。

一是由于高端電子專用設備知識產權壁壘很高，大部分國內企業缺乏高端人才組成的領軍團隊，企業轉型升級難度較大，開發適應市場需求的創新產品緩慢。

二是一些市場熱銷的高端半導體設備已為進口設備占領，而使用國產高端電子專用設備要比使用進口設備承擔更大的風險責任，國產高端半導體設備的推廣應用難度較大。未來，我國應克服上述問題，在高端半導體設備領域取得突破。

三是缺乏“領軍”的高技術人才，一些技術難度大的關鍵設備，由于缺乏“領軍”的高技術人才，久攻不下，同時也影響了集成電路生產線設備國產化的推廣。

四是缺乏足夠的研發投入，集成電路設備行業研發投入高，中國集成電路產業、企業依靠自身實力的研發投入、規模化投入嚴重不足。

2017財年國際巨頭應用材料、拉姆研究、東京電子、阿斯麥研發投入分別為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%。國內龍頭北方華創雖然2017財年研發收入占比高達33%，但體量太小，所以研發投入僅有7.18億元，與國際巨頭企業差距尚大。國際巨頭研發投入遠高于國內企業，國內企業還需要借助政策優勢，繼續加大研發投入，突破核心技術。

參考文獻

[1] 王龍興.2017年全球半導體市場和半導體產業發展的基本情況分析[J].集成電路應用，2018，35（10）：1-5.

[2] 魏志強，武鵬.中微：中國半導體裝備國產化的先鋒[J].經濟導刊，2018（8）：64-71.

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

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

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

[6] 北方華創微電子.北方華創微電子：中國"芯"設備崛起[J].中關村，2018（7）：58-60.

[7] 佚名.聚焦國產自主可控半導體迎發展良機[J].股市動態分析，2019（19）：6-10.