芯片制造技术的国际竞争态势及企业创新特征——以专利为视角

张贝贝，李存金

(北京理工大学管理与经济学院，北京 100081）

芯片技术属于“高、尖”和新型的重大复杂性技术，是世界各国争夺的一个技术战略高地；芯片产品则几乎应用于各行各业，涉及到我们日常生活的方方面面。在信息化、数字化、网络化、智能化快速发展的新时代，芯片制造产业不仅是一种高新产业，也是一种影响到其他产业发展水平的基础性产业。芯片制造技术是中国极为重视的优先发展技术，芯片制造技术水平和产业发展已成为事关中国能否在国际市场竞争中获得优势的关键因素之一。在中国经济快速崛起的背景下，美国已将中国列为首要的遏制对象，近年来中美贸易摩擦持续升级，中国的华为技术有限公司、中兴通讯股份有限公司等许多高技术企业都被美国列入了出口管制“实体名单”，芯片技术已成为了中国许多高新技术企业发展的“卡脖子”技术。因此，残酷的事实一再证明：核心技术受制于人就很难发展! 中国信息通信、半导体等相关产业面临的“缺芯少魂”局面已引起了政府部门、企业和民众的广泛关注及反思。我们要把芯片制造提升到国家产业安全战略的地位去重视，不仅要注重研发投入，更要走出一条独立自主的研发道路，使得芯片技术和产业成为又一个“国之重器”。那么，透彻了解芯片制造技术的国际竞争态势、国家竞争策略和核心企业的技术创新模式，是政府制定芯片制造技术发展策略的必要前提。

1 文献综述

中国芯片产业的起步阶段可以追溯到20 世纪60 年代中期，1965 年，处在计划经济体制之下的中国大陆成功研发出了第一款数字逻辑电路IC 器件，而后相继开发了TTL、ECL、PMOS 和CMOS 等一系列相关技术。随着改革开放，中国人力成本低、基础设施良好等优势受到国际商家的青睐，所以在20世纪80 年代，大批的外资芯片企业将劳动密集型的低附加值生产环节转移到中国。但由于“市场换技术”等原因［1］，1980—1995 年间中国的芯片制造技术水平并没有获得显著提升，在这一阶段，中国对芯片产业发展的支持主要体现在战略层面。2000 年以后，中国对芯片产业的支持力度越来越大，在战略层面重视的同时发展到提供具体的政策支持。国家为了鼓励芯片相关产业发展，2000 年颁布了《鼓励软件产业和集成电路产业发展的若干政策》，2012 年发布《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》，2014 年印发了《国家集成电路产业发展推进纲要》，通过出台一系列相关政策，综合运用投资激励、税收优惠、进出口补贴、人才补贴和研发激励等手段助力芯片技术发展。

芯片制造产业具有资本密集型和技术密集型的双重特征，处在芯片整个产业链的中间位置，是整个产业链中重要的一环。整体上来说，中国芯片制造领域的产业整体水平与美日韩欧等存在明显的差距，虽然在2008—2017 年间产业整体创新效率有逐步提升的迹象［2］，但仍处于国际产业链的低附加值位置。为提升芯片技术水平以及扭转中国芯片产业在国际价值链中的低附加值地位，学者们分别从不同视角出发，对芯片制造领域的技术创新发展问题展开讨论，如王鹏飞［3］对比了国内外集成电路产业的发展状况，归纳出中国集成电路产业存在市场严重依赖进口、工艺水平差距大、缺乏高端领军企业、基础技术积累不足以及配套技术发展滞后等问题，并总结了美日欧韩等发达国家和地区的先进经验，提出中国应从政府政策层面改善投融资体系、健全激励机制以及整合产业资源等建议；作为补充，Zhou 等［2］认为劳动力投入冗余是阻碍中国芯片产业发展的最大问题；Wu 等［4］运用案例形式探讨了政府政策制定与企业技术创新的互动关系，提出政府应积极构建技术工业园、引入利于本地企业发展的新标准以及解除相关技术的应用管制等，以更好地推动本地半导体企业的技术创新。Hung 等［5］通过对比半导体企业的组织模式，认为拥有集团资助的企业较无集团资助的企业具有更好的经营业绩，强调了半导体技术发展中资源集成、团队协作的重要性；Wu 等［6］以中国台湾地区的42 家半导体企业为依托，从专利视角构建了企业技术效率的评价体系，以期能够有效地解决企业研发投入中的资源浪费问题；刘凤朝等［7］将美国不同时期的技术创新模式归纳为“主导-成长型”“新兴-成长型”“主导-成熟型”和“萌芽-滞长型”4 种，并分别总结了不同创新模式的发展特点，对中国的芯片技术发展具有借鉴意义。随着芯片制造技术的复杂化，单个企业不可能仅仅依靠自身的技术生存，技术研发的国际合作变得越来越重要，Liu 等［8］从专利视角分析了芯片制造技术领域的国际合作情况，并为中国在该领域的国际合作指出新方向；Kong 等［9］在分析国际合作网络时，建议政府积极构建芯片制造技术的工业生态系统，并努力推动实现相关企业的全球一体化，积极利用企业合作网络的系统协同效应促进技术创新。

综上所述，芯片制造领域的现有文献主要围绕着产业发展政策、技术创新以及企业合作网络等方面展开，相关研究较为丰富，但存在以下不足：一方面，芯片制造领域的技术发展以及竞争态势分析多是从销售额、进出口额等角度出发，忽略了专利对技术的重要表征作用；另一方面，注重对芯片制造领域的产业分析，缺乏对芯片制造微观技术层面的重视。为了更加深入地理解芯片制造技术的国际竞争形势以及企业的竞争策略，本研究拟以芯片制造领域2000 年至2020 年的专利数据为支撑，从技术输出视角分析该领域的国际竞争态势、归纳核心企业的技术竞争策略和创新模式。

2 数据处理及研究方法

2.1 数据收集与整理

本研究所用专利数据（2000—2020 年）来自德温特创新索引数据库（DII）。芯片技术是包括多个高端工艺分支的重大复杂技术体系，具有明显的跨学科集成特征，根据具体的某几类IPC 国际专利分类号检索难免会出现纰漏，所以本研究以Liu 等［8］所提供的专利检索式为基础，通过专家访谈和查阅芯片制造技术领域知识［10］，对检索式进行修改和完善，建立了芯片制造领域基本工艺技术的关键词检索式，并通过对试下载样本的关键词训练来进一步完善检索式，同时将IPC 国际专利分类号检索作为技术关键词检索的补充。本研究使用的最终检索式如表1 所示。

表1 芯片制造技术专利检索式

芯片制造技术的专利数据库构建过程如图1 所示。首先根据上述检索式下载芯片制造基本工艺技术领域的专利，IPC 分类号作为下载补充，然后将数据导入MySQL 数据库进行清洗和精炼。数据清洗过程主要是对专利数据字段分割、无效数据和重复数据的删除。数据精炼的目的是合并归属于同一专利权人的专利并去除没有竞争性的专利权人信息，具体的，删除权利人为个人的数据，以确保研究对象为企业，以及删除专利申请数量小于5 件的专利权人信息，以保证竞争企业的质量。

图1 芯片制造技术的专利数据库构建过程

经过清洗、精炼过后，得到芯片制造相关领域专利数据：基本工艺78 922 条，清洗工艺8 717 条，热处理工艺11 031 条，掺杂工艺14 066 条，薄膜工艺12 342 条，光刻工艺22 836 条以及平坦化工艺9 930 条。

2.2 研究方法

（1）共现聚类分析。共现是指科学文献或专利文献的特征项信息共同出现的现象。共现分析是对共现现象的定量研究，以揭示信息的内容关联和特征项所隐含的知识。聚类是将相似的文本分类，以此聚类出关键特征不同但内部彼此关联的集群。聚类分析已广泛应用于关键技术的识别中，如Grieco等［11］强调了文本聚类方法在技术领域识别中的重要作用；Zhong 等［12］借助共引和聚类分析方法探索了光伏材料领域的关键技术演化路径。本研究在芯片制造基本工艺类型的德温特手工代码频次共现的基础上，运用文本挖掘软件CiteSpace 5.6.R5 对主题词进行聚类分析，从而得出各时间段不同工艺的关键技术。关键技术类别的确定是进行芯片制造技术国际竞争态势分析和核心企业竞争分析的基础。

（2）文本相似度多维尺度分析（MDS）。采用专利文本信息挖掘计算技术相似度的做法已得到学界的普遍认可，如Moehrle［13］根据文本中技术术语的相似度来测量专利相似性；Park 等［14］根据文本信息的“主-谓-宾”结构衡量专利间的相似程度。专利相似度可视化流程如图2 所示，主要分成以下5 个步骤1）：

图2 专利相似度可视化流程

1）自然语言处理工具包（NL TK）是较结巴分词更适合英文文档的一种分词方法。首先使用NL TK 包对经过清洗和结构化的专利文本进行分词、剔除停用词，形成全局文档词典。

2）根据词典映射，将专利文本矩阵转化为词频表示的词矩阵。

3）运用TF-IDF（词频-逆向文本频率）方法给每个专利文本词频向量赋权重，从而得到赋权重的文本矩阵。TF-IDF 是评价某个词对一个文档或者语料库的重要程度的赋权重方法［15］。

式（1）（2）中：词频（TF）表示词条在某专利文档中出现的频率；逆向文本频率（IDF）表示对某一词条在全局文档中重要性的度量；nij为某一词条在文件dj中出现的次数；表示文件dj中所有词条出现的次数之和。

4）基于赋权重的文本矩阵训练出一个有k个主题值的潜在语义索引模型（LSI），经降维得到专利文本在k维空间的相似矩阵。潜在语义索引是基于奇异值分解（SVD）来得到文本主题的方法。具体的，首先，依据奇异值思路将经TF-IDF 方法赋权后的矩阵Am×n分解为其特征向量矩阵、奇异值矩阵和转置矩阵三者的乘积：

为了将矩阵Am×n降维到Am×k，式（4）可以近似写为如式（5）：

然后，运用余弦函数计算文本i和文本j的相似度矩阵：

5）运用多维尺度分析方法将专利相似度矩阵可视化。多维尺度法是一种将多维空间的研究对象简化到低维空间进行定位、分析和归类，同时又保留对象间原始关系的数据分析方法，是文本相似矩阵可视化的有力工具［16］，所选用的实现工具为SPSS（20.0）。

3 芯片制造领域关键技术的国家竞争格局

首先，将2000—2020 分割成7 个时间段，然后在每个时间段内对芯片制造技术的专利数据进行共现聚类分析，提取出每个工艺每个时间阶段的前3名关键技术类别，考虑到企业至少处于某项技术的国际前10 名竞争位置时，才会对该领域的技术发展走向产生影响［17］，所以提取每个关键技术类别下竞争排名前十的国际企业，最终得到每个时间段内每个工艺关键技术领域的前30 家国际领先企业，对其资料进行手工查询补充，最后对竞争企业的数据进行分析。

3.1 芯片制造领域

竞争强度计算公式如下：

式（7）中：当计算芯片制造整体技术的国家竞争强度时，axy表示在特定时间段内，y国家的x企业在芯片制造关键技术领域所拥有的专利数量；当计算芯片制造某基本工艺领域的国家竞争强度时，axy表示在特定时间阶段内y国家的x企业在芯片制造某工艺的关键技术领域所拥有的专利数量；当计算芯片制造某工艺领域核心企业的竞争强度时，则y=1，ax表示在特定时间段内x企业在芯片制造某工艺关键技术领域所拥有的专利数量。

由图3 可知，在芯片制造关键技术的国际竞争中，具有显著国际竞争力的有美国、日本、韩国、中国、荷兰、法国和德国。目前芯片制造技术综合竞争实力最强的国家为日本，其次是美国和中国，再者是韩国、德国和荷兰。从各个国家的竞争强度变化形势可以看出，早期美日韩三国交相领先，次之是荷兰、德国和中国之间的相互竞争。具体而言，中国台湾地区在该领域具有较好的技术基础；相比之下，中国大陆的技术基础较为薄弱，其竞争实力在2012 年之后才开始显露，且具有上升的趋势。

图3 芯片制造领域关键技术的国际竞争态势

3.2 芯片制造基本工艺领域

从基本工艺视角进一步分析芯片制造关键技术的国家竞争格局，将2000—2020 年分为3 个时期，其中2000—2005 年为早期，2006—2014 年为中期，2014 年以后为近期。

（1）清洗工艺方面美日韩三国鼎立，中国为新兴力量。就目前的国际竞争形势而言，日本的清洗技术发展水平最高，其次是美国和韩国，再者是中国。如图4（a）所示，总体来看，美日韩3 国常年处于领先地位，清洗技术发展基础较好；法国2000—2009 年间竞争力逐渐减弱，而中国则是在2012 年竞争力开始凸显，并逐年增强；荷兰2006—2008 年间挤入国际竞争前列，但2009 年又退出了国际竞争。特别的，相比于中国台湾地区，中国大陆在该领域起步较晚，但发展势头向好，2015—2019 年间其国际竞争力迅速提升，成为近年来芯片制造清洗工艺领域内竞争力提升速度最快、目前最为重要的新兴国际竞争力量。

（2）热处理工艺方面美韩领先，中国紧随其后。目前，热处理技术最先进的国家是美国，其次为韩国，再者是中国和德国。如图4（b）所示，就竞争演化趋势来看，热处理技术的领跑者为美日韩和中国。其中，美日韩处于领先地位，但相对位置随时间波动，而中国一直处于上升的趋势。具体而言，中国台湾地区的竞争实力一直较强，2012—2015 年间短暂性地超过了韩国，但目前的上升势头仍不及美韩两国；中国大陆的竞争力在2012 年以后开始展现，并具有稳步上升的态势，是重要的新兴竞争力量。

（3）掺杂工艺方面中日领先，德美次之。目前，掺杂技术竞争力最强的是中国，其次是日本，再者是德国和美国。如图4（c）所示，从各国竞争力变迁来看，2015 年之前，美日韩3 国主导技术走向，韩国从2011 年开始竞争力减弱，直至2014 年淡出了国际视线；德国和中国的情况类似，在早期阶段虽已储备了一定的技术力量，但在美日韩技术竞争最为激烈的2005—2012 年间被边缘化，直至2012年复出。中国在2012 年之前处于力量储备阶段，没能挤进国际前端，2012 年之后发展势头猛进，不到8 年的时间竞争力已超越了美日韩等国家，一跃到达了国际领先水平，是芯片制造参杂工艺领域未来重要的技术引导者。

（4）薄膜工艺方面中国和美国领先，日韩德紧随其后。目前薄膜技术竞争力最强的是中国，其次是美国，再者是日本、韩国和德国。如图4（d）所示，从竞争演化过程来看，日本和韩国竞争力有下滑的趋势，而美国、中国和德国处于上升的状态，2015 年以后中国一直处于国际领先地位。具体而言，中国台湾地区的技术率先发展，而中国大陆在2015年才开始出现在国际竞争舞台，但发展势头猛进。

（5）光刻工艺方面日本荷兰交相领先，美韩德与中国发展向好。目前，光刻技术水平最高的国家是日本，其次是美国和韩国，然后是中国、荷兰和德国。值得注意的是，如图4（e）所示，2014 年以前荷兰一家独大，其竞争力远远高于其他竞争国家和地区，但2014 年之后日本超过荷兰，一跃成为国际领先。而中国光刻技术的竞争力主要分布在台湾地区。

（6）平坦化工艺方面美国领先，德韩日次之。平坦化技术当前最具竞争力的国家为美国，其次是韩国和德国，再者是日本。如图4（f）所示，起初美国和韩国交相领先，2006 年以后日本开始崛起，超过美国，但在2012 年之后美国又反超日本，再一次成为国际领先；德国自2009 年以后竞争力凸显且发展速度较快，与美日韩一并成为平坦化工艺领域未来重要的竞争力量。

图4 芯片制造基本工艺领域关键技术的国际竞争态势

4 芯片制造基本工艺领域的核心企业竞争格局

按照基本工艺领域关键技术的企业竞争强度排序，挑选出累计竞争强度前50%的企业群体为核心竞争企业，具体如图5 所示。

图5 国际芯片制造基本工艺领域核心企业的竞争演化

4.1 核心企业及演化

（1）清洗工艺。清洗工艺的核心竞争企业共有12 家，其中4 家为美国企业、4 家为日本企业、2 家为韩国企业，中国企业有2 家。就目前竞争形势来看，技术领先的企业为日本株式会社荏原制作所，其次是日本尼康公司、日本东京电子公司和中国台湾积体电路制造公司，最后是中国上海盛美半导体公司。从企业竞争演化的历程来看，持续竞争力较强的企业有日本东京电子公司、日本株式会社荏原制作所、美国泛林公司和韩国三星电子公司。

（2）热处理工艺。热处理工艺的核心竞争企业共有13 家，其中5 家美国企业、1 家日本企业、4 家韩国企业、3 家中国企业，当前竞争力水平领先的企业为美国应用材料公司和中国中芯国际集成电路制造公司，其次是美国瓦特洛电气公司和中国台湾积体电路制造公司。从企业的竞争演变历程来看，早中期热处理技术领域竞争实力较强的企业为美国超威半导体公司、美国国际商业机械公司、韩国海力士电子公司和韩国三星电子公司；近期逐步被中国台湾积体电路制造公司、美国应用材料公司和中国中芯国际集成电路制造公司超越。值得注意的是，中国中科院微电子所也在核心竞争企业之列，但其竞争力有待进一步提升。

（3）掺杂工艺。掺杂工艺的国际核心竞争企业主要有13 家，其中4 家美国企业、4 家日本企业、3 家韩国企业、2 家中国企业，当前竞争实力最强的企业是中国中芯国际集成电路制造公司。从企业竞争演化路径可以看出，早中期的技术主导企业为美国通用半导体公司、韩国海力士电子公司和日本东芝电子公司；到了近期，中国中芯国际集成电路制造公司发展势头迅猛，逐步超越美国通用半导体公司和美国国际商业机械公司成为领军者。特别的，中国方正集团也在掺杂技术领域表现出了一定的竞争力。

（4）薄膜工艺。薄膜工艺领域核心竞争企业共16 家，其中4 家为美国企业、6 家日本企业、3 家韩国企业、3 家中国企业，当前最具竞争力的企业是中国台湾积体电路制造公司，其次是美国国际商业机械公司、日本胜高株式会社和美国因特尔公司，再者是日本住友电子公司和中国中芯国际集成电路制造公司。早中期时，薄膜技术国际竞争走向主要由日本松下电子公司、日本丰田高分子公司、韩国三星电子公司和韩国海力士电子公司主导；到了后期，中国台湾积体电路制造公司和美国国际商业机械公司竞争实力日益增强，逐步占据了领先地位。

（5）光刻工艺。芯片制造光刻工艺的主要国际竞争企业共有8 家，其中美国企业1 家、日本企业3 家、韩国企业2 家、荷兰企业1 家、中国企业1 家。当前光刻技术水平领先的企业为日本索尼电子公司，其次是中国台湾积体电路制造公司和韩国三星电子公司，再者是美国豪威科技公司和荷兰阿斯姆公司。早中期，荷兰阿斯姆公司一家独大，是光刻技术国际竞争中的绝对领先企业；中后期，日本索尼电子公司开始技术追赶，并逐步占据领先地位，荷兰阿斯姆公司的技术绝对优势已逐渐动摇。

（6）平坦化工艺。平坦化工艺领域的国际竞争企业主要有8 家，其中3 家为美国企业、4 家日本企业和1 家德国企业，目前技术领先者为日本株式会社荏原制作所和德国巴斯夫公司，其次是美国罗门哈斯公司和美国嘉柏微电子公司。从整体来看，日本株式会社荏原制作所和美国罗门哈斯公司的技术竞争力长盛不衰；中后期时日本东洋橡胶工业公司短暂性技术领先，但近期又被日本株式会社荏原制作所取代。

4.2 不同国家核心企业的技术布局特征

通过观察图5 中纵向连接的不同工艺的同一企业，可以勾勒出核心企业的专利布局网络，反映出企业的技术竞争布局特征；将不同国别的企业专利布局特征进行归纳对比，可以发现不同国家的技术竞争布局有所差异。

（1）日本企业更偏重专业性，企业的持续竞争力较强。相比其他国家的企业，日本企业多专注于研究某一个技术领域，跨工艺的情况较少，其国内领先企业的更替频率较低，如东芝电子公司专注于掺杂工艺，竞争力持续不减；住友电子公司专注于薄膜工艺领域，且保持着国际领先；索尼电子公司专注于光刻工艺领域，且保持领先；东京电子公司专注于清洗工艺和热处理工艺，一直处于国际领先地位；富士美公司专注于平坦化技术，且近年来竞争力强劲。

（2）韩国企业专利分布更加广泛，少数企业掌握核心竞争力。参与芯片制造各工艺国际竞争的韩国企业主要是海力士电子公司、三星电子公司、东部电子公司和东部高科公司这4 家企业。相比于其他国家，韩国企业涉及的技术领域更加广泛，且在每个所涉及的技术领域都能够在国际竞争中占一席之地，如海力士电子公司涉足了清洗工艺、热处理工艺和掺杂工艺的研究；东部电子公司参与了热处理工艺、掺杂工艺、薄膜工艺和光刻工艺的竞争；三星电子公司在薄膜工艺、清洗工艺和光刻工艺领域都具有一定的竞争实力。韩国在芯片制造领域的国家竞争力几乎掌握在上述4 家企业中，其内部明星企业的更替频率处于日本与美国之间。

（3）美国明星企业更替频率更高。与其他国家相比，美国的明星企业更替更频繁。以掺杂工艺为例，2000—2002 年这一阶段代表美国技术最高水平的企业是通用半导体公司，2003—2005 年这一阶段被亚舍立科技公司取代，而2012—2014 年这一阶段亚舍立科技公司又被超威半导体公司取代，之后通用半导体公司复兴并与国际商业机械公司一起表征美国参与国际竞争。除国际商业机械公司与应用材料公司同时涉及了多个工艺领域之外，其他企业均专注于某一工艺领域的研究，所以美国企业的专业性程度处于日本企业与韩国企业之间。

5 芯片制造基本工艺领域核心企业的技术相似性及创新模式

5.1 技术相似性

对企业间技术距离的分析能够识别出企业的竞争对手以及技术创新机会窗口［18］。图6 为芯片制造各工艺核心竞争企业的技术距离多维尺度分析可视化结果，其中，不同的圆代表不同企业，圆周的线条类型代表企业所属的国家，圆的面积表示企业所拥有的该工艺领域的专利数量，圆环对应的字母为企业简称，不同圆之间的距离表示不同企业间的技术距离，两圆心的距离越近说明两企业之间的技术距离越小，也即技术相似性越大。特别的，由于多维尺度分析的原理是，将具有高维拓扑结构的企业间相似性关系通过降维的方法映射到二维空间相对坐标系中表示，所以图6 中的二维坐标系本身无特殊含义［19］。

如图6（a）所示，清洗工艺领域的主要国际竞争企业中，多数企业的技术相似性较高，如中国上海盛美半导体公司（ACMR）与美国应用材料公司（APMA）、日本尼康公司（NIKR）、日本东京电子公司（TKEL）和日本株式会社荏原制作所（EBAR）所专注的清洗技术较为接近；美国泛林公司（LRES）、美国应用材料公司和日本东芝电子公司（TOKE）的清洗技术研发内容较为接近。值得注意的是，韩国三星电子公司（SMSU）、韩国海力士电子公司（HYNX）和中国台湾积体电路制造公司（TSMC）分别处于坐标系的3 个对立方向，且与其他企业的距离均较远，表明这3 家企业对清洗技术的研发创新具有较强的专业性。就专利数量而言，韩国三星电子公司的优势最为明显。

如图6（b）所示，热处理工艺的主要竞争企业中，中国中芯国际集成电路制造公司（SMCI）、中国台湾积体电路制造公司和美国国际商业机械公司（IBMC）坐标距离较近，表明三者在热处理工艺领域的技术相似程度较高；同理，日本东京电子公司和日本半导体能源实验室（SEME）的技术相似度较高，美国瓦特洛电气公司（WATL）、美国应用材料公司和韩国东部电子公司（DGBU）的技术内容较为接近。而中国中科院微电子所（CAMI）、韩国三星电子公司、韩国海力士电子公司和美国超威半导体公司（ADMI）在坐标系中的位置较为孤立，表明这些企业与其他企业所专注的热处理技术具有一定的差异。专利申请量方面，韩国海力士电子公司的热处理专利量最大。

如图6（c）所示，按照专利相似特征可以将掺杂工艺的国际竞争企业分成5 个相对独立的小群体：第一是中国中芯国际集成电路制造公司和中国台湾积体电路制造公司；第二是韩国东部高科公司（DONG）和美国亚舍立科技公司（AXCE）；第三是美国通用半导体公司（VISH）、日本松下电子公司（MATU）、日本东芝电子公司、日本瑞萨电子公司（RENE）和日本富士通公司（FUIT）；第四是韩国海力士电子公司、美国超威半导体公司和美国国际商业机械公司；第五是韩国东部电子公司。上述每个小群体内部，各企业在掺杂技术的研发创新方面都具有一定程度的相似性，而韩国东部电子公司所关注的掺杂技术独树一帜。其中，专利数量较多的是韩国海力士电子公司和日本东芝电子公司。

图6（d）描绘了芯片制造薄膜工艺领域主要竞争企业的技术相似性情况，该领域技术相似的企业群体性较为明显。中国中芯国际集成电路制造公司、中国台湾积体电路制造公司和中国联华电子公司（UMEC）的薄膜技术研发内容较为接近；美国格罗方德半导体公司（MUBA）和美国国际商业机械公司所专注的薄膜技术也存在相似之处；韩国海力士电子公司、韩国东部电子公司、日本松下电子公司、日本丰田高分子公司（TOZA）、日本住友电子公司（SUME）和美国应用材料公司在薄膜工艺技术领域的技术关注点接近；日本胜高株式会社（MATE）、日本东京电子公司和美国应用材料公司的薄膜技术创新内容近似；而美国因特尔公司（ITLC）和韩国三星电子公司则在薄膜技术创新方面与其他企业相对独立。美国国际商业机械公司和中国台湾积体电路制造公司所拥有的薄膜技术专利数量较其他企业更具优势。

如图6（e）所示，芯片制造光刻工艺的主要国际竞争企业中，长期处于领先地位的荷兰阿斯姆公司（ASML）与剩余所有企业的技术距离均较远，且其所拥有的光刻技术专利数量也领先于其他企业，表明该企业对芯片制造光刻技术的研发具有很强的专业性，且难以被模仿；中国台湾积体电路制造公司与日本佳能公司在坐标系中的距离较近，说明两者对光刻技术的研发具有相似之处；韩国东部电子公司、日本索尼电子公司（SONY）和美国豪威科技公司（OMTE）三者距离较近，说明三者所注重的光刻技术领域存在一定的重叠。

如图6（f）所示，平坦化工艺领域的国际竞争企业中，美国罗门哈斯公司（ROHM）在坐标系中的位置最为孤立，表明其在平坦化技术领域的创新研发具有较强的专业性；日本株式会社荏原制作所所拥有的专利数量最多，且与日本东洋橡胶工业公司（TOYF）距离较近，两者存在一定的技术相似性；同样的，美国罗德尔公司（RODE）与美国嘉柏微电子公司（CABO）具有一定的技术相似性；日本富士美公司（FJMI）、日本日立化学株式会社（HITB）和德国巴斯夫公司（BADI）在平坦化技术领域也存在相似之处。

图6 2000—2020 年国际芯片制造基本工艺领域核心企业的技术距离

5.2 技术创新模式

从核心竞争企业的演化出发，结合企业间的技术距离分析，可以得出企业的技术竞争足迹，从而归纳出企业的创新模式［18］。将核心竞争企业群体采用的基本创新方式分为突破式创新和模仿式创新两种。

（1）日本企业为模仿式创新与突破式创新相结合。观察日本企业的竞争足迹，其更加倾向于突破式创新和模仿式创新相结合的技术创新模式。除了东京电子公司在清洗、热处理和薄膜工艺竞争中表现出了明显的突破式创新能力之外，其他日本企业的技术关注点几乎均处在已有热门技术与空白技术领域之间，倾向于在他人成果基础上开拓具有一定新颖性的技术。

（2）韩国企业为突破式创新。由韩国企业的技术竞争足迹可知，韩国企业首次出现的领域几乎全部为先前空白的技术领域，突出了韩国企业的突破式创新能力。如在清洗工艺、热处理工艺、掺杂工艺和薄膜工艺技术的竞争中，海力士电子公司均率先出现在空白的技术分支领域并具备一定实力；同样的，三星电子公司在清洗工艺、热处理工艺、薄膜工艺和光刻工艺技术竞争中的技术创新模式，东部电子公司在掺杂工艺、光刻工艺竞争中的技术创新模式以及东部高科公司在掺杂工艺竞争中的创新模式，皆是如此。

（3）美国企业以突破式创新为主、模仿式创新为辅。通过观察美国企业在竞争演化中的技术领域分布，可知美国企业注重突破式创新，同时辅以模仿式创新。如在芯片制造热处理、掺杂和薄膜工艺领域的关键技术竞争中，国际商业机械公司表现出了较高的突破式创新能力；类似的，先进微设备公司、罗德尔公司、罗门哈斯公司和泛林公司也在不同工艺领域竞争中表现出了一定的突破式创新能力。而其他参与国际竞争的美国企业则主要采用模仿式创新或两者结合的方式。

（4）中国企业以模仿式创新为主、突破式创新为辅。参与芯片制造各工艺领域国际竞争的中国企业主要是中芯国际集成电路制造公司、上海盛美半导体公司、中科院微电子所、台湾积体电路制造公司和联华电子公司。由企业的技术竞争足迹可知，中国企业主要以模仿式创新为主，如中芯国际集成电路制造公司在热处理工艺的竞争中，出现在美国国际商业机械公司率先专注的技术领域，而在掺杂工艺和薄膜工艺领域主要的追随对象为台湾积体电路制造公司；类似的，上海盛美半导体公司、联华电子公司的技术发展足迹亦是以模仿式创新为主。但中国台湾积体电路制造公司具有较强的突破式创新能力；另外，中科院微电子所在热处理技术领域的竞争中也表现出了一定的突破式创新能力。

6 结论及建议

6.1 主要结论

本研究通过对芯片制造领域专利数据的分析，得出如下四方面的结论：

（1）通过对芯片制造领域关键技术的国际竞争态势分析可知，具有显著竞争实力的国家有美国、日本、韩国、中国、荷兰、德国和法国。就目前的竞争形势来看，中国在清洗工艺、热处理工艺、掺杂工艺、薄膜工艺和光刻工艺领域均具有一定的竞争实力，并在掺杂工艺和薄膜工艺领域技术国际领先；美国在热处理工艺和平坦化工艺领域处于国际领先地位；日本在清洗工艺和光刻工艺领域具有最高的技术水平。

（2）芯片制造领域的企业竞争演化分析结果表明，中国在芯片制造领域的明星企业是中芯国际集成电路制造公司、上海盛美半导体公司和台湾积体电路制造公司；美国的明星企业是应用材料公司、瓦特洛电气公司、国际商业机械公司、因特尔公司、美国罗门哈斯公司、豪威科技公司和嘉柏微电子公司；日本的明星企业有株式会社荏原制作所、东京电子公司、尼康公司、日本胜高株式会社和住友电子公司；韩国的明星企业是三星电子公司和海力士电子公司；荷兰的明星企业是阿斯姆公司；德国的明星企业是巴斯夫公司。其中，中国的中芯国际集成电路制造公司、台湾积体电路制造公司和美国的国际商业机械公司三者的技术相似性较高。

（3）通过观察芯片制造领域核心企业的专利布局网络发现，不同国家企业的技术竞争策略各具特点。由于每个国家文化背景、经济结构的差异，在长期的调整适应过程中，企业找到了其最具效率的技术布局策略，具体表现为：日本企业更注重专业化；美国明星企业的更替更频繁；韩国企业专利跨度更大、少数企业掌握了多数关键技术。

（4）分析不同国家芯片制造领域核心企业的技术竞争足迹发现，不同国家企业所侧重的技术创新模式有所差异。具体的：日本企业偏重模仿式与突破式创新相结合；韩国企业注重突破式创新，拥有较强的突破式创新能力；美国企业注重以突破式创新为主、模仿式创新为辅的方式；中国企业具有较强的学习能力，倾向于以模仿式创新为主、突破式创新为辅的方式。

6.2 相关建议

基于上述结论，从以下4 个方面对中国的芯片制造技术发展提出建议：

（1）在明确了各国芯片制造领域的明星企业之后，政府应加大对明星企业的激励和扶持力度，助力其学习先进技术、研发潜在关键技术，促使芯片制造相关技术在中国快速发展，为中国参与下阶段的芯片制造国际竞争取得先发优势。

（2）政府应从制度设计层面加强对中国薄弱领域的重视，如技术补贴、相关技术重大项目制定、相关企业政策优惠等，从产学研多方面弥补技术缺口、刺激技术竞争力的提升；其次，在具备一定实力的工艺层面不能掉以轻心，争取动态持续地掌握核心技术，在国际竞争中争取更多的话语权，这也会在一定程度上缓解薄弱技术领域受制于人的局面。同时，政府应结合企业在不同技术领域的国际竞争地位，有针对性地制定技术发展激励政策。

（3）企业在制定技术创新策略时不要盲从国外模式，应在他国企业技术创新策略的经验基础上，结合中国独有的制度环境以及资源禀赋，因地制宜地制定技术创新策略，以找到适合自身制度环境、可高效利用周边资源、提升竞争力最具效率的技术竞争路径。

（4）企业应了解掌握竞争对手的技术现状和创新模式，在学习国际先进技术经验的同时积极培育自身的突破式创新能力，以领先未来新技术发展。如，近年来中芯国际集成电路制造公司在芯片制造领域发展迅速，是引领中国芯片制造技术市场发展的重要力量，但其仍主要依赖模仿式创新，这会在竞争发展到一定阶段的时候出现技术瓶颈，所以其应在保持强劲学习能力的同时积极储备和提升自身的突破式技术创新能力，以防范技术瓶颈。在热处理工艺、掺杂工艺领域，中芯国际集成电路制造公司已经开始超越其技术学习对象美国国际商业机械公司和中国台湾积体电路制造公司，此时需要提升其突破式技术创新能力，才能在激烈的国际竞争中引领技术市场走向；而在光刻工艺与平坦化工艺领域，模仿创新仍不失为更佳的技术创新模式。

注释：

1）为保证研究的可重复性，文中所有用到的Java 及Python 代码详见https://github.com/weimingdiit/coding。