中國單晶硅生產工藝專利現狀分析

李春生 劉慶琳

1947年，美國貝爾實驗室發明了半導體點接觸晶體管，從此開拓了硅材料的高速發展時代。1958年，美國2家公司率先發明了半導體集成電路IC產品。目前，信息技術產業的發展已進入特大規模集成時代。信息技術產業的發展程度是國家實力的體現，現在全世界有95%以上的信息技術產業基礎材料是由硅晶體材料制成。同時，隨著光伏產業的迅猛發展，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產業和太陽能光伏產業最重要的基礎功能材料[1，2]。

隨著信息科技產業的發展，單晶硅材料的需求持續增長，相關研究的發展促使硅材料技術領域的專利申請量也急劇增加。專利是反映科學技術發展水平最新動態的情報文獻[3]。目前，許多相關文獻對硅晶體專利進行了分析[3]，但對于單晶硅材料生產工藝的專利分析未見報道。國家發展和改革委員會以及商務部發布的《鼓勵外商投資產業目錄（2019版）》中，提到了單晶硅生產工藝領域對外開放。故本文對全球單晶硅生產工藝專利進行分析，展示我國單晶硅材料的生產工藝的專利發展現狀和競爭態勢，為硅材料技術領域的產業發展提供借鑒。

1 檢索數據庫和分析工具

本文數據來自律商聯訊（Lexis Nexis）公司的專利分析Patent Sight系統和國家知識產權局的專利檢索與服務系統——中國專利檢索系統文摘數據庫。專利采集數據樣本為1970年1月1日至本文完稿公開的全球專利，去除合并同族后的專利樣本進行分析。

檢索策略以單晶硅生產工藝為中英文關鍵詞和IPC分類號C30B15、C30B27、C30B29/06進行組合檢索。為更好地體現實際技術數量，檢索結果進行了同族合并，即申請和授權、中國專利和國外專利合并為同一個專利。檢索命中4 543件全球專利，按照以上方法優化后為3 104件。

2 專利分析指標

2.1 重點生產工藝技術領域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主題進行分類，是全球專利文獻的管理組織WIPO和科技工作者檢索經常使用的手段。本文對單晶硅生產工藝技術領域相關專利數據的IPC分布情況進行統計分析，可獲知所涉及的重點技術分支領域和發展趨勢[4]。結合國際專利分類表IPC中單晶硅不同生長方法的相關分類，對采集到的專利數據樣本進行了統計分析，得到單晶硅不同生產工藝技術領域的專利申請量分布，結果如圖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雜、產品性能不良、成本等因素未能被普遍推廣。直拉法（Czochralski，CZ）投料多，生產的單晶直徑大，設備自動化程度高，工藝比較簡單，生產效率高。直拉法相關的專利申請量是最多的，占總申請量的比例73%，與文獻[1]描述的直拉法生產的單晶硅，占直接單晶硅總量的70%以上數據相一致。

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

2.2 全球專利申請量年度分布趨勢

圖2為直拉法單晶硅生產工藝全球專利申請數量的年度分布圖按照專利法規定，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數據選擇截至2017年底，數據尚不完整，統計結果會有誤差。經統計，我國專利局受理我國申請人（以下簡稱“國內申請”）的單晶硅生產工藝專利申請共計978件，國外申請人申請的全球專利（以下簡稱“國外申請”）為2 126件，我國專利數量占比整體為31.5%，將近1/3的技術份額，說明整體上我國直拉法單晶硅生產工藝占據主要技術優勢。

從圖2可以看出，1994年之前，直拉法單晶硅生產工藝還處于萌芽期，期間的專利申請量較少；自1994—2006年呈現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，之后呈平穩上升趨勢。國外在2008年后申請量出現了下降，而國內仍保持持續上升，主要原因就是國內的光伏產業的政府刺激政策，國內產業發展態勢強勁，競爭格局得到持續增強。

2.3 專利申請、授權數量地域分布和專利資產指數

圖3為直拉法單晶硅生產工藝全球主要專利申請、授權區域和資產指數情況。圖3左邊是國家、地區專利資產指數排名，中間是以專利申請數量排名，最右邊是以專利授權數量為依據。此處將競爭力轉化為質量概念，競爭力越大的專利，總體上質量越高。

由圖3可以看出，日本、中國、美國是直拉法單晶硅生產工藝領域專利申請數量排名前3的國家。全球專利申請量前3的國家的專利數量分別為：日本1 437件、中國978件、美國258件。而以PatentSight商業數據庫的專業專利資產指數視角分析，其與專利申請數量基本一致。但從全球授權的有效專利數量統計發現，美國超過中國；從中也可以看出，我國專利權人不注重海外布局，而日本和美國積極借助PCT進行海外布局。

從全球專利的資產指數分析我國所處的位置和專利資產指數，說明我國單晶硅直拉法生產工藝具有全球領先的優勢，這與我國的研究投入、專利數量、產業環境和產能基本一致，表明我國直拉法單晶硅生產工藝相關的科研和生產發展趨勢良好，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工藝專利資產指數和專利申請數量的前10申請人排名統計情況。圖4左半部是以專利資產指數進行排名，右半部是以專利數量進行排名。從專利數量排名上看，前10的申請人中日本占據6席，分別為：勝高股份有限公司（Sumco Corp）、信越化學工業株式會社（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）。從專利資產指數排名上看，前10的申請人中日本占據2席，分別為Sumco Corp、ShinEtsu，占據第1，第2位置，與專利數量排名一致，表明上述2家公司數量和質量均較高，在直拉法單晶硅生產工藝專利技術領域有著不錯的科研水平和技術實力。而Coors Tek KK、Nippon Steel、Mitsubishi Materials、JFE Holdings日本公司并未出現。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能源科技有限公司，排名分別在第6、7位置；美國的MACOM技術解決方案控股公司（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能源科技有限公司并未出現在全球申請數量的前10排名中，但其總體累積的專利數量和總體累積的專利資產價值屬于優質資產，具有較高的科技含量和技術實力，具有產業上的競爭力。雖然完全以專利數量排列以顯示企業的技術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工藝技術發展中客觀上占據的中間優勢。在今后的專利布局中，應該在現有技術基礎上申請更多的基礎和核心專利、擴大應用場景或進一步突破，并注重數量上的積累，擴大在該技術領域內中國企業和機構在專利技術總體影響力上的優勢。

3 結語

從專利生產工藝技術領域專利申請量IPC分布分析來看，全球單晶硅生產工藝主要以直拉法單晶硅生產工藝為主，占據73%以上技術市場，與產業界給出的數據基本一致。

直拉法單晶硅生產工藝全球專利申請數量趨勢表明，國內申請占據了全球專利數量的1/3，處于全球領先；從專利資產指數結果來看，國內的在相關領域技術發展上取得了一定技術優勢；從全球授權專利數量來看，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工藝技術處于全球領先，我國在直拉法單晶硅生產工藝方面具有與國外相關企業進行充分的市場競爭的能力。

參考文獻

[1] 黃有志.直拉單晶硅工藝技術[M].北京：化學工業出版社，2015：30.

[2] 鄧豐.多晶硅生產技術[M].北京：化學工業出版社，2009：1—3.

[3] 陳燕.專利信息采集與分析[M].北京：清華大學出版社，2017：1—6.

[4] 世界知識產權組織.國際專利分類表（IPC）[M].北京：知識產權出版社，2008：1—3.