中国单晶硅生产工艺专利现状分析

李春生 刘庆琳

1947年，美国贝尔实验室发明了半导体点接触晶体管，从此开拓了硅材料的高速发展时代。1958年，美国2家公司率先发明了半导体集成电路IC产品。目前，信息技术产业的发展已进入特大规模集成时代。信息技术产业的发展程度是国家实力的体现，现在全世界有95%以上的信息技术产业基础材料是由硅晶体材料制成。同时，随着光伏产业的迅猛发展，单晶硅材料又被用来制造太阳能电池。目前，单晶硅材料已是信息技术产业和太阳能光伏产业最重要的基础功能材料[1，2]。

随着信息科技产业的发展，单晶硅材料的需求持续增长，相关研究的发展促使硅材料技术领域的专利申请量也急剧增加。专利是反映科学技术发展水平最新动态的情报文献[3]。目前，许多相关文献对硅晶体专利进行了分析[3]，但对于单晶硅材料生产工艺的专利分析未见报道。国家发展和改革委员会以及商务部发布的《鼓励外商投资产业目录（2019版）》中，提到了单晶硅生产工艺领域对外开放。故本文对全球单晶硅生产工艺专利进行分析，展示我国单晶硅材料的生产工艺的专利发展现状和竞争态势，为硅材料技术领域的产业发展提供借鉴。

1 检索数据库和分析工具

本文数据来自律商联讯（Lexis Nexis）公司的专利分析Patent Sight系统和国家知识产权局的专利检索与服务系统——中国专利检索系统文摘数据库。专利采集数据样本为1970年1月1日至本文完稿公开的全球专利，去除合并同族后的专利样本进行分析。

检索策略以单晶硅生产工艺为中英文关键词和IPC分类号C30B15、C30B27、C30B29/06进行组合检索。为更好地体现实际技术数量，检索结果进行了同族合并，即申请和授权、中国专利和国外专利合并为同一个专利。检索命中4 543件全球专利，按照以上方法优化后为3 104件。

2 专利分析指标

2.1 重点生产工艺技术领域IPC专利申请量分布分析

IPC是目前国际通用的专利分类体系，它按照专利文献的技术主题进行分类，是全球专利文献的管理组织WIPO和科技工作者检索经常使用的手段。本文对单晶硅生产工艺技术领域相关专利数据的IPC分布情况进行统计分析，可获知所涉及的重点技术分支领域和发展趋势[4]。结合国际专利分类表IPC中单晶硅不同生长方法的相关分类，对采集到的专利数据样本进行了统计分析，得到单晶硅不同生产工艺技术领域的专利申请量分布，结果如图1所示。

从图1可以看出，专利申请中涉及的单晶硅生长方法主要包括直拉法（C30B15、C30B27）、基座法（C30B11）、区熔法（C30B13）、气相生长法（C30B23、C30B25）、片状生长法（C30B30）等。因上述各自的制备工艺复杂、产品性能不良、成本等因素未能被普遍推广。直拉法（Czochralski，CZ）投料多，生产的单晶直径大，设备自动化程度高，工艺比较简单，生产效率高。直拉法相关的专利申请量是最多的，占总申请量的比例73%，与文献[1]描述的直拉法生产的单晶硅，占直接单晶硅总量的70%以上数据相一致。

图1反映出了目前生产单晶硅技术的研究趋势和方向，本文笔者将主要研究直拉法单晶硅的生产工艺的专利趋势。

2.2 全球专利申请量年度分布趋势

图2为直拉法单晶硅生产工艺全球专利申请数量的年度分布图按照专利法规定，除提前公开的情形外，自专利申请日18个月后会公开申请文本，所以图2数据选择截至2017年底，数据尚不完整，统计结果会有误差。经统计，我国专利局受理我国申请人（以下简称“国内申请”）的单晶硅生产工艺专利申请共计978件，国外申请人申请的全球专利（以下简称“国外申请”）为2 126件，我国专利数量占比整体为31.5%，将近1/3的技术份额，说明整体上我国直拉法单晶硅生产工艺占据主要技术优势。

从图2可以看出，1994年之前，直拉法单晶硅生产工艺还处于萌芽期，期间的专利申请量较少；自1994—2006年呈现出一个缓慢的成长期，期间的专利申请量有所增加；2006年以后，专利申请总量的增长速度明显加快，之后呈平稳上升趋势。国外在2008年后申请量出现了下降，而国内仍保持持续上升，主要原因就是国内的光伏产业的政府刺激政策，国内产业发展态势强劲，竞争格局得到持续增强。

2.3 专利申请、授權数量地域分布和专利资产指数

图3为直拉法单晶硅生产工艺全球主要专利申请、授权区域和资产指数情况。图3左边是国家、地区专利资产指数排名，中间是以专利申请数量排名，最右边是以专利授权数量为依据。此处将竞争力转化为质量概念，竞争力越大的专利，总体上质量越高。

由图3可以看出，日本、中国、美国是直拉法单晶硅生产工艺领域专利申请数量排名前3的国家。全球专利申请量前3的国家的专利数量分别为：日本1 437件、中国978件、美国258件。而以PatentSight商业数据库的专业专利资产指数视角分析，其与专利申请数量基本一致。但从全球授权的有效专利数量统计发现，美国超过中国；从中也可以看出，我国专利权人不注重海外布局，而日本和美国积极借助PCT进行海外布局。

从全球专利的资产指数分析我国所处的位置和专利资产指数，说明我国单晶硅直拉法生产工艺具有全球领先的优势，这与我国的研究投入、专利数量、产业环境和产能基本一致，表明我国直拉法单晶硅生产工艺相关的科研和生产发展趋势良好，具有一定的全球竞争力。

2.4 全球和我国主要申请人情况

图4为全球直拉法单晶硅生产工艺专利资产指数和专利申请数量的前10申请人排名统计情况。图4左半部是以专利资产指数进行排名，右半部是以专利数量进行排名。从专利数量排名上看，前10的申请人中日本占据6席，分别为：胜高股份有限公司（Sumco Corp）、信越化学工业株式会社（Shin—Etsu）、Covalent材料公司（Coors Tek KK）、新日本制铁株式会社（Nippon Steel）、三菱公司（Mitsubishi Materials）、JFE控股公司（JFE Holdings）；其他依次为韩国的SK集团、台湾地区的中美矽晶制品有限公司（Sino—American Silicon）、德国的硅电子股份公司（Siltronic AG）、美商休斯电子材料公司（SunEdiso）。从专利资产指数排名上看，前10的申请人中日本占据2席，分别为Sumco Corp、ShinEtsu，占据第1，第2位置，与专利数量排名一致，表明上述2家公司数量和质量均较高，在直拉法单晶硅生产工艺专利技术领域有着不错的科研水平和技术实力。而Coors Tek KK、Nippon Steel、Mitsubishi Materials、JFE Holdings日本公司并未出现。其他依次为德国的Siltronic AG、英飞凌科技股份有限公司（Infineon）和贺利氏有限公司（Heraeus）3家公司；台湾地区的Sino——American Silicon；韩国的SK集团；2家中国大陆公司为江西赛维LDK太阳能高科技有限公司和常州时创能源科技有限公司，排名分别在第6、7位置；美国的MACOM技术解决方案控股公司（MACOM）排名第9。

2家中国大陆公司江西赛维LDK太阳能高科技有限公司和常州时创能源科技有限公司并未出现在全球申请数量的前10排名中，但其总体累积的专利数量和总体累积的专利资产价值属于优质资产，具有较高的科技含量和技术实力，具有产业上的竞争力。虽然完全以专利数量排列以显示企业的技术竞争力可能与实际情况有较大偏差，但其一定程度上也能够反映出我国在直拉法单晶硅生产工艺技术发展中客观上占据的中间优势。在今后的专利布局中，应该在现有技术基础上申请更多的基础和核心专利、扩大应用场景或进一步突破，并注重数量上的积累，扩大在该技术领域内中国企业和机构在专利技术总体影响力上的优势。

3 结语

从专利生产工艺技术领域专利申请量IPC分布分析来看，全球单晶硅生产工艺主要以直拉法单晶硅生产工艺为主，占据73%以上技术市场，与产业界给出的数据基本一致。

直拉法單晶硅生产工艺全球专利申请数量趋势表明，国内申请占据了全球专利数量的1/3，处于全球领先；从专利资产指数结果来看，国内的在相关领域技术发展上取得了一定技术优势；从全球授权专利数量来看，我国缺少海外专利布局，缺少海外市场的保护。

总体上，我国直拉法单晶硅生产工艺技术处于全球领先，我国在直拉法单晶硅生产工艺方面具有与国外相关企业进行充分的市场竞争的能力。

参考文献

[1] 黄有志.直拉单晶硅工艺技术[M].北京：化学工业出版社，2015：30.

[2] 邓丰.多晶硅生产技术[M].北京：化学工业出版社，2009：1—3.

[3] 陈燕.专利信息采集与分析[M].北京：清华大学出版社，2017：1—6.

[4] 世界知识产权组织.国际专利分类表（IPC）[M].北京：知识产权出版社，2008：1—3.