0  引言

离子注入机是半导体工艺中最复杂的设备之一，与光刻机、刻蚀机、镀膜机并称为芯片制造的“四大核心装备”，离子注入机的高端市场长期被国外厂商垄断。

如图1所示，离子注入机一般包括离子源、分析器、加速器和靶室，其工作原理是：在离子源部分从源材料中产生带正电荷的杂质离子，然后通过分析器将所需要的离子分选出来、形成需要掺杂离子的束流，通过加速器中的电场对离子束进行加速、获得所需的注入能量，使离子束注入靶室中安装的晶圆，离子束流扫描整个晶圆表面、均匀掺杂^[1]，注入之后的热退火过程将激活晶格结构中的杂质离子，实现掺杂工艺，改变半导体的载流子浓度和导电类型。

图1 离子注入机示意图

离子注入决定了器件在芯片内部结构中最基本、最核心的性能，这是集成电路制造工艺中仅次于光刻工艺的重要环节。

1  产业分析

离子注入机产业链结构主要由上游基础层，中游技术层及下游应用层构成。上游基础层涉及材料、零部件、制造设备等，其中：材料包括金属、陶瓷、高分子材料，零部件包括真空系统零部件、束线系统零部件、晶圆传输系统零部件、电子控制系统零部件等，制造设备包括整机制造中涉及的各类加工设备等^[2]。

离子注入机下游应用领域十分广泛，主要包括半导体制造、材料科学、生物学、医学等领域。按下游应用领域不同，离子注入机可以分为集成电路离子注入机、光伏离子注入机和AMOLED离子注入机三大类。具体的：在集成电路离子注入机中，低能大束流离子注入机主要应用在高端制程逻辑(3-45nm)AI、FPGA、CPU、DRAM、3D内存和CIS等芯片的制造加工中；高能离子注入机主要应用在功率器件如IGBT等、5G射频、光通信、高清CIS等芯片的制造加工中。光伏离子注入机主要应用在N型TOPCON电池和N型IBC电池的制造加工中。AMOLED离子注入式机主要应用在移动设备AMOLED显示屏、可穿戴设备显示屏和大屏QD-OLED电视的制造加工中。

图2 离子注入机产业链示意图

离子注入机是芯片制造设备中复杂、关键、成本较高的核心设备之一，其制造环节所涉及的产业链主要环节的参与企业均为世界顶尖的科技公司，离子注入机在芯片制造设备中具有较高的技术含量。

2 专利和市场分析

以智慧专利分析数据库为工具，将离子注入机内相关专利文献的检索；结合人工标引对获取数据进行去噪、去重处理，检索关键词和分类号如下；关键词包括：离子、ion，注入、掺杂、植入、implant*，机、系统、设备、装置、machine 、device、apparatus、equipment、system。分类号为：H01J37、H01L21/265、C23C14/48。截至2024年6月30日，全球离子注入机相关专利总申请量为31710件，以下进行具体分析。

2.1 专利申请宏观分析

离子注入机领域的专利全球申请时间趋势如图3所示，通过专利申请趋势分析，我们可以从各个时期专利布局热点变化的宏观层面对分析对象进行把握。整体来看，离子注入机的专利申请呈现稳中有升的趋势，主要包括以下几个阶段： 1960-1980的技术萌芽期，1980-1987的第一个高速发展期，1987-1994的平稳发展期，1994-2001的第二个高速发展期， 2001-2016的平稳发展期，2016年至今的第三个高速发展期。

上述趋势分析可知，在20世纪80年代，随着工业制造技术的发展和材料的突破，离子注入机的申请量从1987年首次突破570件后开始快速攀升，并在2001年首次突破900件之后继续稳步攀升，并在2021年达到了年度申请数量为1225件的顶峰。考虑到之后的申请存在尚未公开的情况，有理由相信随着离子注入机上下游产业的日趋成熟，相关专利的申请数量仍处于逐年增加的趋势。

图3 全球申请时间趋势

各国/地区专利申请量的数量和分布，表达了全球范围内该技术领域的区域竞争格局， 能够在一定程度上反映该国家/地区在该技术领域的创新能力、技术实力、市场规模等指标。图4为离子注入机领域的全球专利申请受理局排名，可见：中国的专利申请量已达全球第一，为7896件、比例达到了28.02%；日本以 7750 件专利申请量居第二位，占全球申请量的 27.39%； 其次是美国，专利申请量为 5308 件，所占比例为 18.76%； 排在第四位的是专利申请量为 3048 件的韩国，其专利申请量所占比例为 10.77%。中日美三国的专利申请量占全球申请量的74.17％；因此，离子注入机的技术布局和市场主要集中在中国、日本、美国和韩国这四个国家，其他国家/地区所占的份额只占其中很小的一部分。

图4 受理局排名

2.2 全球专利申请人和市场玩家分析

对离子注入机领域专利申请人进行标准化处理，全球申请人排名前20名如图5所示，以外国企业为主。在申请数量方面，日本日立株式会社以1907件位列第一，美国瓦里安varian半导体设备公司（已被美国应用材料AMAT收购）以1608件紧随其后，之后依次为美国艾克塞利斯AXCELIS、日本日新Nissin、美国应用材料AMAT、日本东京威力科创、韩国三星等。前20位仅有2个国内申请人，分别为第8位的中微半导体和第15位的北方华创，专利申请数量分别为705和338件。

据光大证券统计，离子注入机在全球的生产制造巨头主要有应用材料、Axcelis、AIBT、 日新、Intevac、日本真空技术公司、日本住友重型机械工业公司和凯世通等。其中：在芯片离子注入机领域，美国应用材料AMAT占据了全球 50%以上的市场，具有绝对的领导优势， AMAT的主要产品包括大束流离子注入机、中束流离子注入机、超大剂量的离子注入机等；美国艾克塞利斯Axceli的主要产品是高能离子注入机，在该领域的市占率达55％；日本日新Nissin主要生产中束流离子注入机和AMOLED领域使用的离子注入机，在中束流离子注入机领域的市占率约为10%。

以上专利分析和市场玩家分析的结果是可互相印证的。

图5 全球申请人排名

再进一步分析离子注入机领域专利申请（专利权）人在国家/区域的专利分布情况，如图6所示：在全球市场份额占比较高的企业如美国应用材料AMAT（包括瓦里安）和艾克塞利斯AXCELIS在中美日的专利申请和布局较为均衡、在每个国家/地区均在百件以上；可见以上地区/国家是离子注入机的主要市场。日本和韩国的企业更侧重在本国的申请和布局、其申请占比远远大于在其他国家/地域；中国的2家企业仅在中韩有专利布局。

图6 申请（专利权）人区域专利分布

需要注意的是：东京威力科创和兰姆研究公司在中国的专利申请与布局的比例最大，说明其的产品的主要销售市场、制造厂商或研究机构等主要在中国。

中国申请人的专利申请数量排名如图7所示，其中，仅有两家企业有量产并在市场上销售的离子注入机产品，是专利申请量分别为246、63件的中科信和凯世通。其他的申请人主要在于对离子注入机进行应用改进和非量产的研究。

图7 中国申请人排名

2.3 国内重点企业专利分析

2.3.1 中科信

北京烁科中科信成立于2019年，源于中国电科第48研究所，是国内较早专注于集成电路领域离子注入机业务的高端装备供应商。中科信的科研团队连续突破光路、控制、软件等关键模块的核心技术，形成了中束流、大束流、高能及第三代半导体等全系列离子注入机产品格局，实现了离子注入装备28纳米工艺制程全覆盖。电科装备研发的芯片制造关键装备——碳化硅高温离子注入机已实现100%国产化，稳居国内市场占有率第一。

对北京中科信电子装备有限公司和北京烁科中科信电子装备有限公司所有公开专利进行检索，共检索到公开专利514组，其中包括10件PCT专利申请。如图8所示，对中科信的专利申请进行趋势分析，该公司的第一件专利申请于2004年，2005和2006年的年度专利申请数量均达到45件以上、成为该公司专利申请的第一个爆发期，之后每年的专利申请数量下降并趋于平缓；但在2010年后迎来第二个爆发期、申请量逐年攀升，且在2013年的专利申请数量达到55件，近年来趋于平稳，说明该公司的技术和产品逐渐稳定。

图8 中科信专利申请趋势分析

进一步分析中科信的中国专利申请类型和法律状态，如图9所示，外圈表示的是中科信的发明专利申请、共412件，其中授权有效的发明专利为99件、失效的发明专利为60件、处于实质审查阶段的发明专利为253件；内圈表示的是中科信的实用新型专利申请、共92件，其中授权有效的实用新型专利为7件、失效的实用新型专利为85件。中科信的发明专利申请占比高达80%以上、且失效发明专利在所有发明专利申请中占比不足15%，说明该企业具有较强的研发实力、专利申请的质量较高，在一定程度上具有专利控制力且技术领先；其失效的实用新型专利数量较多，可能与其早期专利申请采用一案双申的策略有关。

图9 中科信中国专利及法律状态分析

最后，对中科信的专利申请进行人工筛选和标引分析，分析中科信的专利申请的技术分布。如图10所示，中信科的专利申请中，技术方案涉及离子源和控制系统的专利占比最高，分别为21.6%和21.2%，主要目的在于：如何通过结构以控制系统上的改进，使得离子源产出稳定高效的离子束，并在一定程度上减低损耗，如何基于PID控制的原理，通过实时采集的参数在线调节和控制离子源和分析器的工作参数、实现自动控制功能。涉及分析器技术方案的专利申请占比为13.5%，主要包括透镜系统、磁场和电机的结构、控制和相关设计；中科信还申请了大量涉及在离子注入机制造过程中，对离子束参数进行测量和验证的测试装置、系统和方法；涉及配套装置的专利申请技术方案一般包括传片装置、真空系统等组件；还有涉及加速器和靶室的专利申请。因此，中科信对离子注入机的专利布局较为全面，涵盖了离子注入机上游零部件和中游整机和控制系统的各个部分，能够对其产品进行较为完善的保护。

图10 中科信专利技术分析

但是，中科信的海外专利布局较少，虽有10件PCT申请，但仅有2件2012年申请的美国的授权专利，虽然仍处于维持有效的状态，但没有持续坚持在海外进行布局，其专利保护力相对较弱。

2.3.2 凯世通

上海凯世通半导体股份有限公司，2009年4月在张江成立，是一家以离子束技术为核心的集科研、制造于一体的高科技企业，主要研制、生产、再制造和销售高端离子注入机，重点应用于光伏太阳能电池，新型平板显示，和半导体集成电路领域。2018年并入万业企业（股票代码600641）；凯世通已生产、交付多款高端离子注入机系列产品，2024年新增了两家12寸芯片晶圆制造厂客户，新增的订单金额超1.6亿元，涵盖了逻辑、存储、功率等多个应用领域方向。

图11 凯世通专利申请趋势分析

对上海凯世通半导体股份有限公司、北京凯世通半导体有限公司、上海临港凯世通半导体有限公司和无锡凯世通科技有限公司所有公开专利进行检索，检索到公开专利261组，其中有9件PCT专利申请。如图11所示，对凯世通的专利申请进行趋势分析，该公司的第一件专利申请于2009年，并在2010年达到历史最高、为41件专利申请/年，之后有所回落并趋于平稳，但在2020年至今又有逐年上升的趋势、2022年的专利申请数量为34件；说明该公司在近年可能在技术上有所突破和创新。

凯世通的中国公开专利共231件，其中包括8件外观设计专利；在此仅对发明和实用新型专利的数量和法律状态进行分析，如图12所示，外圈表示的是凯世通的发明专利申请、共144件，其中授权有效的发明专利为78件、失效的发明专利为41件、处于实质审查阶段的发明专利为25件；内圈表示的是中科信的实用新型专利申请、共79件，其中授权有效的实用新型专利为74件、失效的实用新型专利为5件。

图12 凯世通中国专利及法律状态分析

凯世通的发明专利占比为64.6%、且授权发明专利在所有发明专利申请中占比达到54.2%，说明该企业具有专利控制力，专利申请的质量较高、研发实力较强；凯世通不仅对技术方案进行保护，还请求保护了产品的外观，专利布局的类型较为全面。

最后，对凯世通的专利申请进行人工筛选和标引分析，分析凯世通的专利申请的技术分布。如图13所示，凯世通的专利申请中，技术方案涉及离子源的专利占比最高、为33%，凯世通申请了具有不同结构特点、采用不同技术手段的离子源；排名第二的技术分支为分析器和配套装置、均占比26.6%，对于分析器的改进主要在于磁场、透镜和控制系统上，专利申请涉及配套装置主要包括：传片系统、送料系统、真空系统、安装平台、散热设备、冷却设备和摆动及旋转装置等；还有涉及加速器、控制和测试的专利申请。可见，凯世通的重点专利布局主要在于离子源和分析器这两个关键技术部分，其他专利主要涉及对离子注入机上其他部分的适用性改进。

图13 凯世通专利技术分析

凯世通2010年开始进行海外专利布局，具有9件PCT国际申请，共进入美国、韩国和中国台湾3个国际/地区，获得了16件授权有效的海外专利；申请的技术主题主要在于离子注入机整机、分析器的透镜结构、掺杂方法和传片装置等。凯世通针对其海外市场和主要竞争对手进行了海外专利布局，具有一定的海外专利控制力。

3 结语

在整体产业发展概况方面，离子注入机的龙头企业主要以美国应用材料AMAT、艾克塞利斯Axcelis、汉辰科技AIBT、日新Nissin等国际巨头为主；离子注入机行业存在较高竞争壁垒，行业集中度较高，从市场格局来看，目前在全球离子注入机市场，美国和日本的企业占据着主导地位。离子注入机的国际巨头企业一边通过构建围绕核心技术的“专利丛林”，积极占领行业市场；另一边借助自身品牌的影响力，满足高端客户群体的需求，从而在竞争中保持优势，成功垄断高端市场。专利布局方面，应用材料、日立、艾克塞利斯、日新、东京威力科创、三星在本领域中也具有较强的技术创新和核心专利布局能力。

相较之下，我国现有的离子注入机企业的自主创新能力有待加强，并且在专利的申请、布局、保护和维权方面也需要进一步提高水平；国内仅北京中科信和上海凯世通能够实现离子注入机的生产和组装，专利申请的数量和布局的质量相较于国际上的行业巨头还有很大的差距，要想利用专利对产品进行有效保护、并在一定程度上遏制竞争对手，还需要很长的一段路要走。

整体而言，离子注入机产业发展前景广阔，具有巨大的市场潜力。但与此同时，行业内的竞争也在加剧，企业需要不断增强自身的核心竞争力，以适应市场的变化和需求。

参考文献：

[1]杜中一. 半导体芯片制造技术[M]. 北京:电子工业出版社. 2012.

[2]池宪念．基于全球离子注入机行业现状探析中国离子注入机突破之路[J]. 电子元器件与信息技术，2022，6(1):46-47．