半导体领域专利分析-前道量测设备2024

从芯片的发展历程来看，可以发现芯片的研发主要遵循摩尔定律，即微处理器内的晶体管数量每隔18个月至两年便翻一番，从而使得芯片的处理能力相应增强。根据Yole的统计，工艺节点每缩减一代，工艺中产生的致命缺陷数量会增加50%。当工序超过500道，单道工序的良率要超过99.99%，最终芯片良率才能超过95%[1]。因此为保证晶圆加工良率，晶圆厂必须在刻蚀、光刻等每个关键步骤后对晶圆进行详尽的检测，这种贯穿晶圆制造全过程的检测/量测工艺被称为半导体前道量测。半导体前道检测/量测设备（本文中简称“晶圆量测设备”）是能够优化制程控制良率、提高效率与降低成本的关键。在半导体设备市场中，晶圆量测设备的价值量占比约为13%。根据QYresearch在2024年1月发布的报告，全球半导体晶圆量测设备市场在2023年的估值为51.257亿美元，预计到2030年将增长至87.975亿美元，期间复合年增长率（CAGR）为7.9%。亚太地区预计将占据市场的重要份额，特别是日本、中国和韩国，其拥有丰富的制造设施、半导体晶圆制造商、半导体制造商、原始设备制造商（originalequipmentmanufacturers,OEM）和原始设计制造商（originaldesignmanufacturers,ODM）[2]，将为亚太地区的市场份额增长提供强有力的支撑。据预测，中国市场在2022年至2030年的复合年增长率约为14.4%，到2030年将达到24亿美元的市场规模，成为增长最快的市场之一[3]。然而，就全球晶圆量测设备厂商的市场占有率而言，美国企业占有60%以上市场份额，日本、荷兰也占有一席之地，市场呈现相对集中的格局。尽管中国对晶圆量测设备的需求旺盛，但国产设备的市场占有率仅为2~3%，暴露出国内晶圆量测设备产业在全球竞争中的脆弱然而，随着国家级政策的相继出台，这一领域正迎来前所未有的发展机遇。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中提到，“在集成电路领域，关注集成电路设计工具、重点装备和高纯靶材等关键材料研发”。国务院发布的《计量发展规划（2021—2035年）》强调了在先进制造领域对精密测量技术的重视，提出要支撑先进制造，强化计量应用。旺盛的市场需求加之政府政策对集成电路领域的支持，晶圆量测设备国产化势在必行。本文旨在从专利的角度分析中国晶圆量测技术及行业的发展趋势，为了研究其专利布局情况，我们分别选择了美国、日本、荷兰的各1-3家行业领军企业作为该国专利权人代表，同时选取了中国[4]的8家领先企业作为中国专利权人代表。结合政府政策和市场信息，本文试图揭示中国晶圆量测技术和行业发展的趋势和潜力。晶圆量测领域专利分析图1展示了以简单同族为统计单位，荷兰、日本、美国和中国在晶圆量测设备领域的头部企业近十年（2014年至2023年）的全球专利申请趋势。由于专利公开的延时，2022年和2023年的数据仅为部分公开的专利申请。从图中可见，直至2020年以前，中国在晶圆量测领域内的专利申请数量远低于美国，几乎不足其三分之一。然而，自2020年起，中国在该领域内的专利申请急剧增加，到2021年中国超越其他三国成为当年专利族申请量最大的国家。我们认为这一变化的主要原因包括：一，政府在政策层面对集成电路行业的高度重视；二，国际贸易争端的背景下，自2018年起美国对中国芯片领域采取了一系列制裁措施，增加了中国企业获取境外晶圆代工服务和产品的难度，这不仅加大了中国晶圆制造设备的生产压力，同时也引起了中国晶圆量测设备企业的担忧；三，中国作为全球最大的芯片消费市场，对晶圆加工的产能和技术的需求日益增加。因此，在政府政策的支持、国际贸易争端的背景以及市场需求的共同推动下，预计中国的晶圆量测设备企业将在未来相当长一段时期内持续增加在该领域的研发和专利投入。图1各国企业专利申请趋势图2呈现了近十年各国企业在晶圆量测领域的CN专利申请趋势，从柱状图中可以看出自2020年起中国的本土企业在CN专利申请总量中所占的比例超过了43%，并且这一比例仍在持续增长中。这一趋势反映出了中国晶圆量测企业加强在国内的专利布局以压制竞争对手进而提升本土市场地位的决心。图2各国企业CN专利申请趋势图3-1展示了近十年各国企业简单同族中国家/地区数量分别为1个或2个及以上的专利族总数及其比例。如图所示，荷兰、日本、美国企业75%以上的专利族在2个及以上的国家/地区（包含WO）有布局，这反映了它们在全球范围内的专利保护意识。相比之下，中国企业大多数的专利族仅有CN专利一个成员，海外专利布局不足10%。图3-2进一步展示了这些企业专利族覆盖的国家/地区平均数量的变化趋势，可以看出荷兰和美国企业平均一个专利族中覆盖的国家/地区数量多达5-6个，日本企业的这一数字稳定在3-4个左右，中国企业平均每个专利族中成员仅为1个。上述数据表明中国的晶圆量测企业目标市场较为明确（即中国本土市场，具体可见上文分析），而海外企业则着眼于更广阔的全球市场。对中国企业来说这既是一个机遇，也是一个软肋。机遇在于，可以加强国内市场的技术积累和市场影响力；软肋则在于，如果希望未来在全球市场上竞争，就需要增强海外专利布局的意识和能力。图3-1各国企业简单同族中国家/地区数量为1个或2个及以上的专利族数图3-2各国企业同族专利中国家/地区的平均数量趋势从技术路线原理上看，晶圆量测主要包括光学检测技术、电子束检测技术和X射线检测技术。根据VLSIResearch和QYResearch的报告，2020年全球半导体检测和量测设备市场中，应用光学检测技术、电子束检测技术及X射线检测技术的设备市场份额占比分别为75.2%、18.7%及2.2%[5]，可以看出应用光学检测技术的设备在市场占比方面具有领先优势。从图4-1可以看出，不同国家的企业在晶圆量测的细分技术领域内的专利布局存在明显不同，比如荷兰和日本的企业在电子束检测技术上布局的专利较多，美国在相对而言更成熟的光学检测领域的专利布局上投入较多，这也反映了美国在晶圆量测市场上的领先地位。中国的企业则更倾向于选择光学检测技术这条赛道，从中也可以看出中国在常用晶圆量测设备国产化的道路上的努力。图4-2展示了近十年海外企业在三大细分领域内的专利申请趋势及授权率，其中授权率表示该年申请的专利中目前已授权专利所占的比例，由于专利授权可能需要3-5年的时间，因此2019年及以后的授权率可能并不准确。值得关注的是，自2018年起，电子束检测技术领域的专利申请量开始追平甚至超越光学检测领域，其授权率自同年起亦超过光学检测技术，暗示着电子束检测技术在研发潜力和技术竞争力方面的优势。同时，在光学检测技术领域内，海外企业的专利授权率一直维持在80%以上，表明尽管该领域已相对成熟，但依然存在较大的研发和创新空间。图4-1各国企业在光学、电子束、X射线检测技术领域内的专利申请总量图4-2海外企业在光学、电子束、X射线检测技术领域内的专利申请趋势及授权率小结与展望1.自2020年起，中国的晶圆量测企业在本领域内开始布局较多专利，年申请专利族数赶超美国、荷兰及日本的企业。在政府政策支持、国际贸易争端背景下以及市场需求增长的共同推动下，预测未来相当长一段时期内中国企业必然将持续增加在本领域内的研发和专利投入。从专利地理布局来看，自2021年起，中国企业的专利申请数量占据了该领域内CN专利申请的50%以上，反映出中国企业主要聚焦本土市场，并在该市场上正逐步建立技术优势。然而，与海外企业相比，中国企业在海外的专利布局尚显不足。尽管中国企业目前聚焦于本土市场，但其仍有必要考虑扩大海外专利布局，以便一方面帮助企业在兼并重组、投融资等市场活动中提高无形资产价值，另一方面在国际市场竞争中可以借此抗衡或牵制海外竞争对手。因此，加强海外专利布局意识和策略是中国晶圆量测设备企业的重要任务。2.在细分技术领域的专利布局中，中国企业主要关注光学检测技术，这一领域不仅市场份额大，也可能是中国传统晶圆量测设备国产化努力的重点。对于专攻该技术领域的本土企业或投资者而言，尤其需要注意的点是对目标产品/技术做好自由实施风险分析，以规避潜在的侵权风险。同时，从近五年的专利数据来看，海外企业在电子束检测技术领域的申请量开始超过光学检测，显示出电子束检测技术将是未来几年内晶圆量测设备企业激烈技术竞争的领域。对于专注于电子束检测技术的本土企业而言，这一领域提供了巨大的研发潜力和弯道超车的机会。企业应通过专利地图分析，定期监控竞争对手的专利动态，探索技术空白点以实现技术创新