芯片制造技術的國際競爭態(tài)勢及企業(yè)創(chuàng)新特征
——以專利為視角

張貝貝，李存金

(北京理工大學管理與經(jīng)濟學院，北京 100081）

芯片技術屬于“高、尖”和新型的重大復雜性技術，是世界各國爭奪的一個技術戰(zhàn)略高地；芯片產(chǎn)品則幾乎應用于各行各業(yè)，涉及到我們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷?。在信息化、?shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化快速發(fā)展的新時代，芯片制造產(chǎn)業(yè)不僅是一種高新產(chǎn)業(yè)，也是一種影響到其他產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平的基礎性產(chǎn)業(yè)。芯片制造技術是中國極為重視的優(yōu)先發(fā)展技術，芯片制造技術水平和產(chǎn)業(yè)發(fā)展已成為事關中國能否在國際市場競爭中獲得優(yōu)勢的關鍵因素之一。在中國經(jīng)濟快速崛起的背景下，美國已將中國列為首要的遏制對象，近年來中美貿(mào)易摩擦持續(xù)升級，中國的華為技術有限公司、中興通訊股份有限公司等許多高技術企業(yè)都被美國列入了出口管制“實體名單”，芯片技術已成為了中國許多高新技術企業(yè)發(fā)展的“卡脖子”技術。因此，殘酷的事實一再證明：核心技術受制于人就很難發(fā)展! 中國信息通信、半導體等相關產(chǎn)業(yè)面臨的“缺芯少魂”局面已引起了政府部門、企業(yè)和民眾的廣泛關注及反思。我們要把芯片制造提升到國家產(chǎn)業(yè)安全戰(zhàn)略的地位去重視，不僅要注重研發(fā)投入，更要走出一條獨立自主的研發(fā)道路，使得芯片技術和產(chǎn)業(yè)成為又一個“國之重器”。那么，透徹了解芯片制造技術的國際競爭態(tài)勢、國家競爭策略和核心企業(yè)的技術創(chuàng)新模式，是政府制定芯片制造技術發(fā)展策略的必要前提。

1 文獻綜述

中國芯片產(chǎn)業(yè)的起步階段可以追溯到20 世紀60 年代中期，1965 年，處在計劃經(jīng)濟體制之下的中國大陸成功研發(fā)出了第一款數(shù)字邏輯電路IC 器件，而后相繼開發(fā)了TTL、ECL、PMOS 和CMOS 等一系列相關技術。隨著改革開放，中國人力成本低、基礎設施良好等優(yōu)勢受到國際商家的青睞，所以在20世紀80 年代，大批的外資芯片企業(yè)將勞動密集型的低附加值生產(chǎn)環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)移到中國。但由于“市場換技術”等原因［1］，1980—1995 年間中國的芯片制造技術水平并沒有獲得顯著提升，在這一階段，中國對芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展的支持主要體現(xiàn)在戰(zhàn)略層面。2000 年以后，中國對芯片產(chǎn)業(yè)的支持力度越來越大，在戰(zhàn)略層面重視的同時發(fā)展到提供具體的政策支持。國家為了鼓勵芯片相關產(chǎn)業(yè)發(fā)展，2000 年頒布了《鼓勵軟件產(chǎn)業(yè)和集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的若干政策》，2012 年發(fā)布《“十二五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，2014 年印發(fā)了《國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進綱要》，通過出臺一系列相關政策，綜合運用投資激勵、稅收優(yōu)惠、進出口補貼、人才補貼和研發(fā)激勵等手段助力芯片技術發(fā)展。

芯片制造產(chǎn)業(yè)具有資本密集型和技術密集型的雙重特征，處在芯片整個產(chǎn)業(yè)鏈的中間位置，是整個產(chǎn)業(yè)鏈中重要的一環(huán)。整體上來說，中國芯片制造領域的產(chǎn)業(yè)整體水平與美日韓歐等存在明顯的差距，雖然在2008—2017 年間產(chǎn)業(yè)整體創(chuàng)新效率有逐步提升的跡象［2］，但仍處于國際產(chǎn)業(yè)鏈的低附加值位置。為提升芯片技術水平以及扭轉(zhuǎn)中國芯片產(chǎn)業(yè)在國際價值鏈中的低附加值地位，學者們分別從不同視角出發(fā)，對芯片制造領域的技術創(chuàng)新發(fā)展問題展開討論，如王鵬飛［3］對比了國內(nèi)外集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展狀況，歸納出中國集成電路產(chǎn)業(yè)存在市場嚴重依賴進口、工藝水平差距大、缺乏高端領軍企業(yè)、基礎技術積累不足以及配套技術發(fā)展滯后等問題，并總結了美日歐韓等發(fā)達國家和地區(qū)的先進經(jīng)驗，提出中國應從政府政策層面改善投融資體系、健全激勵機制以及整合產(chǎn)業(yè)資源等建議；作為補充，Zhou 等［2］認為勞動力投入冗余是阻礙中國芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最大問題；Wu 等［4］運用案例形式探討了政府政策制定與企業(yè)技術創(chuàng)新的互動關系，提出政府應積極構建技術工業(yè)園、引入利于本地企業(yè)發(fā)展的新標準以及解除相關技術的應用管制等，以更好地推動本地半導體企業(yè)的技術創(chuàng)新。Hung 等［5］通過對比半導體企業(yè)的組織模式，認為擁有集團資助的企業(yè)較無集團資助的企業(yè)具有更好的經(jīng)營業(yè)績，強調(diào)了半導體技術發(fā)展中資源集成、團隊協(xié)作的重要性；Wu 等［6］以中國臺灣地區(qū)的42 家半導體企業(yè)為依托，從專利視角構建了企業(yè)技術效率的評價體系，以期能夠有效地解決企業(yè)研發(fā)投入中的資源浪費問題；劉鳳朝等［7］將美國不同時期的技術創(chuàng)新模式歸納為“主導-成長型”“新興-成長型”“主導-成熟型”和“萌芽-滯長型”4 種，并分別總結了不同創(chuàng)新模式的發(fā)展特點，對中國的芯片技術發(fā)展具有借鑒意義。隨著芯片制造技術的復雜化，單個企業(yè)不可能僅僅依靠自身的技術生存，技術研發(fā)的國際合作變得越來越重要，Liu 等［8］從專利視角分析了芯片制造技術領域的國際合作情況，并為中國在該領域的國際合作指出新方向；Kong 等［9］在分析國際合作網(wǎng)絡時，建議政府積極構建芯片制造技術的工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，并努力推動實現(xiàn)相關企業(yè)的全球一體化，積極利用企業(yè)合作網(wǎng)絡的系統(tǒng)協(xié)同效應促進技術創(chuàng)新。

綜上所述，芯片制造領域的現(xiàn)有文獻主要圍繞著產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策、技術創(chuàng)新以及企業(yè)合作網(wǎng)絡等方面展開，相關研究較為豐富，但存在以下不足：一方面，芯片制造領域的技術發(fā)展以及競爭態(tài)勢分析多是從銷售額、進出口額等角度出發(fā)，忽略了專利對技術的重要表征作用；另一方面，注重對芯片制造領域的產(chǎn)業(yè)分析，缺乏對芯片制造微觀技術層面的重視。為了更加深入地理解芯片制造技術的國際競爭形勢以及企業(yè)的競爭策略，本研究擬以芯片制造領域2000 年至2020 年的專利數(shù)據(jù)為支撐，從技術輸出視角分析該領域的國際競爭態(tài)勢、歸納核心企業(yè)的技術競爭策略和創(chuàng)新模式。

2 數(shù)據(jù)處理及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)收集與整理

本研究所用專利數(shù)據(jù)（2000—2020 年）來自德溫特創(chuàng)新索引數(shù)據(jù)庫（DII）。芯片技術是包括多個高端工藝分支的重大復雜技術體系，具有明顯的跨學科集成特征，根據(jù)具體的某幾類IPC 國際專利分類號檢索難免會出現(xiàn)紕漏，所以本研究以Liu 等［8］所提供的專利檢索式為基礎，通過專家訪談和查閱芯片制造技術領域知識［10］，對檢索式進行修改和完善，建立了芯片制造領域基本工藝技術的關鍵詞檢索式，并通過對試下載樣本的關鍵詞訓練來進一步完善檢索式，同時將IPC 國際專利分類號檢索作為技術關鍵詞檢索的補充。本研究使用的最終檢索式如表1 所示。

表1 芯片制造技術專利檢索式

芯片制造技術的專利數(shù)據(jù)庫構建過程如圖1 所示。首先根據(jù)上述檢索式下載芯片制造基本工藝技術領域的專利，IPC 分類號作為下載補充，然后將數(shù)據(jù)導入MySQL 數(shù)據(jù)庫進行清洗和精煉。數(shù)據(jù)清洗過程主要是對專利數(shù)據(jù)字段分割、無效數(shù)據(jù)和重復數(shù)據(jù)的刪除。數(shù)據(jù)精煉的目的是合并歸屬于同一專利權人的專利并去除沒有競爭性的專利權人信息，具體的，刪除權利人為個人的數(shù)據(jù)，以確保研究對象為企業(yè)，以及刪除專利申請數(shù)量小于5 件的專利權人信息，以保證競爭企業(yè)的質(zhì)量。

圖1 芯片制造技術的專利數(shù)據(jù)庫構建過程

經(jīng)過清洗、精煉過后，得到芯片制造相關領域?qū)＠麛?shù)據(jù)：基本工藝78 922 條，清洗工藝8 717 條，熱處理工藝11 031 條，摻雜工藝14 066 條，薄膜工藝12 342 條，光刻工藝22 836 條以及平坦化工藝9 930 條。

2.2 研究方法

（1）共現(xiàn)聚類分析。共現(xiàn)是指科學文獻或?qū)＠墨I的特征項信息共同出現(xiàn)的現(xiàn)象。共現(xiàn)分析是對共現(xiàn)現(xiàn)象的定量研究，以揭示信息的內(nèi)容關聯(lián)和特征項所隱含的知識。聚類是將相似的文本分類，以此聚類出關鍵特征不同但內(nèi)部彼此關聯(lián)的集群。聚類分析已廣泛應用于關鍵技術的識別中，如Grieco等［11］強調(diào)了文本聚類方法在技術領域識別中的重要作用；Zhong 等［12］借助共引和聚類分析方法探索了光伏材料領域的關鍵技術演化路徑。本研究在芯片制造基本工藝類型的德溫特手工代碼頻次共現(xiàn)的基礎上，運用文本挖掘軟件CiteSpace 5.6.R5 對主題詞進行聚類分析，從而得出各時間段不同工藝的關鍵技術。關鍵技術類別的確定是進行芯片制造技術國際競爭態(tài)勢分析和核心企業(yè)競爭分析的基礎。

（2）文本相似度多維尺度分析（MDS）。采用專利文本信息挖掘計算技術相似度的做法已得到學界的普遍認可，如Moehrle［13］根據(jù)文本中技術術語的相似度來測量專利相似性；Park 等［14］根據(jù)文本信息的“主-謂-賓”結構衡量專利間的相似程度。專利相似度可視化流程如圖2 所示，主要分成以下5 個步驟1）：

圖2 專利相似度可視化流程

1）自然語言處理工具包（NL TK）是較結巴分詞更適合英文文檔的一種分詞方法。首先使用NL TK 包對經(jīng)過清洗和結構化的專利文本進行分詞、剔除停用詞，形成全局文檔詞典。

2）根據(jù)詞典映射，將專利文本矩陣轉(zhuǎn)化為詞頻表示的詞矩陣。

3）運用TF-IDF（詞頻-逆向文本頻率）方法給每個專利文本詞頻向量賦權重，從而得到賦權重的文本矩陣。TF-IDF 是評價某個詞對一個文檔或者語料庫的重要程度的賦權重方法［15］。

式（1）（2）中：詞頻（TF）表示詞條在某專利文檔中出現(xiàn)的頻率；逆向文本頻率（IDF）表示對某一詞條在全局文檔中重要性的度量；nij為某一詞條在文件dj中出現(xiàn)的次數(shù)；表示文件dj中所有詞條出現(xiàn)的次數(shù)之和。

4）基于賦權重的文本矩陣訓練出一個有k個主題值的潛在語義索引模型（LSI），經(jīng)降維得到專利文本在k維空間的相似矩陣。潛在語義索引是基于奇異值分解（SVD）來得到文本主題的方法。具體的，首先，依據(jù)奇異值思路將經(jīng)TF-IDF 方法賦權后的矩陣Am×n分解為其特征向量矩陣、奇異值矩陣和轉(zhuǎn)置矩陣三者的乘積：

為了將矩陣Am×n降維到Am×k，式（4）可以近似寫為如式（5）：

然后，運用余弦函數(shù)計算文本i和文本j的相似度矩陣：

5）運用多維尺度分析方法將專利相似度矩陣可視化。多維尺度法是一種將多維空間的研究對象簡化到低維空間進行定位、分析和歸類，同時又保留對象間原始關系的數(shù)據(jù)分析方法，是文本相似矩陣可視化的有力工具［16］，所選用的實現(xiàn)工具為SPSS（20.0）。

3 芯片制造領域關鍵技術的國家競爭格局

首先，將2000—2020 分割成7 個時間段，然后在每個時間段內(nèi)對芯片制造技術的專利數(shù)據(jù)進行共現(xiàn)聚類分析，提取出每個工藝每個時間階段的前3名關鍵技術類別，考慮到企業(yè)至少處于某項技術的國際前10 名競爭位置時，才會對該領域的技術發(fā)展走向產(chǎn)生影響［17］，所以提取每個關鍵技術類別下競爭排名前十的國際企業(yè)，最終得到每個時間段內(nèi)每個工藝關鍵技術領域的前30 家國際領先企業(yè)，對其資料進行手工查詢補充，最后對競爭企業(yè)的數(shù)據(jù)進行分析。

3.1 芯片制造領域

競爭強度計算公式如下：

式（7）中：當計算芯片制造整體技術的國家競爭強度時，axy表示在特定時間段內(nèi)，y國家的x企業(yè)在芯片制造關鍵技術領域所擁有的專利數(shù)量；當計算芯片制造某基本工藝領域的國家競爭強度時，axy表示在特定時間階段內(nèi)y國家的x企業(yè)在芯片制造某工藝的關鍵技術領域所擁有的專利數(shù)量；當計算芯片制造某工藝領域核心企業(yè)的競爭強度時，則y=1，ax表示在特定時間段內(nèi)x企業(yè)在芯片制造某工藝關鍵技術領域所擁有的專利數(shù)量。

由圖3 可知，在芯片制造關鍵技術的國際競爭中，具有顯著國際競爭力的有美國、日本、韓國、中國、荷蘭、法國和德國。目前芯片制造技術綜合競爭實力最強的國家為日本，其次是美國和中國，再者是韓國、德國和荷蘭。從各個國家的競爭強度變化形勢可以看出，早期美日韓三國交相領先，次之是荷蘭、德國和中國之間的相互競爭。具體而言，中國臺灣地區(qū)在該領域具有較好的技術基礎；相比之下，中國大陸的技術基礎較為薄弱，其競爭實力在2012 年之后才開始顯露，且具有上升的趨勢。

圖3 芯片制造領域關鍵技術的國際競爭態(tài)勢

3.2 芯片制造基本工藝領域

從基本工藝視角進一步分析芯片制造關鍵技術的國家競爭格局，將2000—2020 年分為3 個時期，其中2000—2005 年為早期，2006—2014 年為中期，2014 年以后為近期。

（1）清洗工藝方面美日韓三國鼎立，中國為新興力量。就目前的國際競爭形勢而言，日本的清洗技術發(fā)展水平最高，其次是美國和韓國，再者是中國。如圖4（a）所示，總體來看，美日韓3 國常年處于領先地位，清洗技術發(fā)展基礎較好；法國2000—2009 年間競爭力逐漸減弱，而中國則是在2012 年競爭力開始凸顯，并逐年增強；荷蘭2006—2008 年間擠入國際競爭前列，但2009 年又退出了國際競爭。特別的，相比于中國臺灣地區(qū)，中國大陸在該領域起步較晚，但發(fā)展勢頭向好，2015—2019 年間其國際競爭力迅速提升，成為近年來芯片制造清洗工藝領域內(nèi)競爭力提升速度最快、目前最為重要的新興國際競爭力量。

（2）熱處理工藝方面美韓領先，中國緊隨其后。目前，熱處理技術最先進的國家是美國，其次為韓國，再者是中國和德國。如圖4（b）所示，就競爭演化趨勢來看，熱處理技術的領跑者為美日韓和中國。其中，美日韓處于領先地位，但相對位置隨時間波動，而中國一直處于上升的趨勢。具體而言，中國臺灣地區(qū)的競爭實力一直較強，2012—2015 年間短暫性地超過了韓國，但目前的上升勢頭仍不及美韓兩國；中國大陸的競爭力在2012 年以后開始展現(xiàn)，并具有穩(wěn)步上升的態(tài)勢，是重要的新興競爭力量。

（3）摻雜工藝方面中日領先，德美次之。目前，摻雜技術競爭力最強的是中國，其次是日本，再者是德國和美國。如圖4（c）所示，從各國競爭力變遷來看，2015 年之前，美日韓3 國主導技術走向，韓國從2011 年開始競爭力減弱，直至2014 年淡出了國際視線；德國和中國的情況類似，在早期階段雖已儲備了一定的技術力量，但在美日韓技術競爭最為激烈的2005—2012 年間被邊緣化，直至2012年復出。中國在2012 年之前處于力量儲備階段，沒能擠進國際前端，2012 年之后發(fā)展勢頭猛進，不到8 年的時間競爭力已超越了美日韓等國家，一躍到達了國際領先水平，是芯片制造參雜工藝領域未來重要的技術引導者。

（4）薄膜工藝方面中國和美國領先，日韓德緊隨其后。目前薄膜技術競爭力最強的是中國，其次是美國，再者是日本、韓國和德國。如圖4（d）所示，從競爭演化過程來看，日本和韓國競爭力有下滑的趨勢，而美國、中國和德國處于上升的狀態(tài)，2015 年以后中國一直處于國際領先地位。具體而言，中國臺灣地區(qū)的技術率先發(fā)展，而中國大陸在2015年才開始出現(xiàn)在國際競爭舞臺，但發(fā)展勢頭猛進。

（5）光刻工藝方面日本荷蘭交相領先，美韓德與中國發(fā)展向好。目前，光刻技術水平最高的國家是日本，其次是美國和韓國，然后是中國、荷蘭和德國。值得注意的是，如圖4（e）所示，2014 年以前荷蘭一家獨大，其競爭力遠遠高于其他競爭國家和地區(qū)，但2014 年之后日本超過荷蘭，一躍成為國際領先。而中國光刻技術的競爭力主要分布在臺灣地區(qū)。

（6）平坦化工藝方面美國領先，德韓日次之。平坦化技術當前最具競爭力的國家為美國，其次是韓國和德國，再者是日本。如圖4（f）所示，起初美國和韓國交相領先，2006 年以后日本開始崛起，超過美國，但在2012 年之后美國又反超日本，再一次成為國際領先；德國自2009 年以后競爭力凸顯且發(fā)展速度較快，與美日韓一并成為平坦化工藝領域未來重要的競爭力量。

圖4 芯片制造基本工藝領域關鍵技術的國際競爭態(tài)勢

4 芯片制造基本工藝領域的核心企業(yè)競爭格局

按照基本工藝領域關鍵技術的企業(yè)競爭強度排序，挑選出累計競爭強度前50%的企業(yè)群體為核心競爭企業(yè)，具體如圖5 所示。

圖5 國際芯片制造基本工藝領域核心企業(yè)的競爭演化

4.1 核心企業(yè)及演化

（1）清洗工藝。清洗工藝的核心競爭企業(yè)共有12 家，其中4 家為美國企業(yè)、4 家為日本企業(yè)、2 家為韓國企業(yè)，中國企業(yè)有2 家。就目前競爭形勢來看，技術領先的企業(yè)為日本株式會社荏原制作所，其次是日本尼康公司、日本東京電子公司和中國臺灣積體電路制造公司，最后是中國上海盛美半導體公司。從企業(yè)競爭演化的歷程來看，持續(xù)競爭力較強的企業(yè)有日本東京電子公司、日本株式會社荏原制作所、美國泛林公司和韓國三星電子公司。

（2）熱處理工藝。熱處理工藝的核心競爭企業(yè)共有13 家，其中5 家美國企業(yè)、1 家日本企業(yè)、4 家韓國企業(yè)、3 家中國企業(yè)，當前競爭力水平領先的企業(yè)為美國應用材料公司和中國中芯國際集成電路制造公司，其次是美國瓦特洛電氣公司和中國臺灣積體電路制造公司。從企業(yè)的競爭演變歷程來看，早中期熱處理技術領域競爭實力較強的企業(yè)為美國超威半導體公司、美國國際商業(yè)機械公司、韓國海力士電子公司和韓國三星電子公司；近期逐步被中國臺灣積體電路制造公司、美國應用材料公司和中國中芯國際集成電路制造公司超越。值得注意的是，中國中科院微電子所也在核心競爭企業(yè)之列，但其競爭力有待進一步提升。

（3）摻雜工藝。摻雜工藝的國際核心競爭企業(yè)主要有13 家，其中4 家美國企業(yè)、4 家日本企業(yè)、3 家韓國企業(yè)、2 家中國企業(yè)，當前競爭實力最強的企業(yè)是中國中芯國際集成電路制造公司。從企業(yè)競爭演化路徑可以看出，早中期的技術主導企業(yè)為美國通用半導體公司、韓國海力士電子公司和日本東芝電子公司；到了近期，中國中芯國際集成電路制造公司發(fā)展勢頭迅猛，逐步超越美國通用半導體公司和美國國際商業(yè)機械公司成為領軍者。特別的，中國方正集團也在摻雜技術領域表現(xiàn)出了一定的競爭力。

（4）薄膜工藝。薄膜工藝領域核心競爭企業(yè)共16 家，其中4 家為美國企業(yè)、6 家日本企業(yè)、3 家韓國企業(yè)、3 家中國企業(yè)，當前最具競爭力的企業(yè)是中國臺灣積體電路制造公司，其次是美國國際商業(yè)機械公司、日本勝高株式會社和美國因特爾公司，再者是日本住友電子公司和中國中芯國際集成電路制造公司。早中期時，薄膜技術國際競爭走向主要由日本松下電子公司、日本豐田高分子公司、韓國三星電子公司和韓國海力士電子公司主導；到了后期，中國臺灣積體電路制造公司和美國國際商業(yè)機械公司競爭實力日益增強，逐步占據(jù)了領先地位。

（5）光刻工藝。芯片制造光刻工藝的主要國際競爭企業(yè)共有8 家，其中美國企業(yè)1 家、日本企業(yè)3 家、韓國企業(yè)2 家、荷蘭企業(yè)1 家、中國企業(yè)1 家。當前光刻技術水平領先的企業(yè)為日本索尼電子公司，其次是中國臺灣積體電路制造公司和韓國三星電子公司，再者是美國豪威科技公司和荷蘭阿斯姆公司。早中期，荷蘭阿斯姆公司一家獨大，是光刻技術國際競爭中的絕對領先企業(yè)；中后期，日本索尼電子公司開始技術追趕，并逐步占據(jù)領先地位，荷蘭阿斯姆公司的技術絕對優(yōu)勢已逐漸動搖。

（6）平坦化工藝。平坦化工藝領域的國際競爭企業(yè)主要有8 家，其中3 家為美國企業(yè)、4 家日本企業(yè)和1 家德國企業(yè)，目前技術領先者為日本株式會社荏原制作所和德國巴斯夫公司，其次是美國羅門哈斯公司和美國嘉柏微電子公司。從整體來看，日本株式會社荏原制作所和美國羅門哈斯公司的技術競爭力長盛不衰；中后期時日本東洋橡膠工業(yè)公司短暫性技術領先，但近期又被日本株式會社荏原制作所取代。

4.2 不同國家核心企業(yè)的技術布局特征

通過觀察圖5 中縱向連接的不同工藝的同一企業(yè)，可以勾勒出核心企業(yè)的專利布局網(wǎng)絡，反映出企業(yè)的技術競爭布局特征；將不同國別的企業(yè)專利布局特征進行歸納對比，可以發(fā)現(xiàn)不同國家的技術競爭布局有所差異。

（1）日本企業(yè)更偏重專業(yè)性，企業(yè)的持續(xù)競爭力較強。相比其他國家的企業(yè)，日本企業(yè)多專注于研究某一個技術領域，跨工藝的情況較少，其國內(nèi)領先企業(yè)的更替頻率較低，如東芝電子公司專注于摻雜工藝，競爭力持續(xù)不減；住友電子公司專注于薄膜工藝領域，且保持著國際領先；索尼電子公司專注于光刻工藝領域，且保持領先；東京電子公司專注于清洗工藝和熱處理工藝，一直處于國際領先地位；富士美公司專注于平坦化技術，且近年來競爭力強勁。

（2）韓國企業(yè)專利分布更加廣泛，少數(shù)企業(yè)掌握核心競爭力。參與芯片制造各工藝國際競爭的韓國企業(yè)主要是海力士電子公司、三星電子公司、東部電子公司和東部高科公司這4 家企業(yè)。相比于其他國家，韓國企業(yè)涉及的技術領域更加廣泛，且在每個所涉及的技術領域都能夠在國際競爭中占一席之地，如海力士電子公司涉足了清洗工藝、熱處理工藝和摻雜工藝的研究；東部電子公司參與了熱處理工藝、摻雜工藝、薄膜工藝和光刻工藝的競爭；三星電子公司在薄膜工藝、清洗工藝和光刻工藝領域都具有一定的競爭實力。韓國在芯片制造領域的國家競爭力幾乎掌握在上述4 家企業(yè)中，其內(nèi)部明星企業(yè)的更替頻率處于日本與美國之間。

（3）美國明星企業(yè)更替頻率更高。與其他國家相比，美國的明星企業(yè)更替更頻繁。以摻雜工藝為例，2000—2002 年這一階段代表美國技術最高水平的企業(yè)是通用半導體公司，2003—2005 年這一階段被亞舍立科技公司取代，而2012—2014 年這一階段亞舍立科技公司又被超威半導體公司取代，之后通用半導體公司復興并與國際商業(yè)機械公司一起表征美國參與國際競爭。除國際商業(yè)機械公司與應用材料公司同時涉及了多個工藝領域之外，其他企業(yè)均專注于某一工藝領域的研究，所以美國企業(yè)的專業(yè)性程度處于日本企業(yè)與韓國企業(yè)之間。

5 芯片制造基本工藝領域核心企業(yè)的技術相似性及創(chuàng)新模式

5.1 技術相似性

對企業(yè)間技術距離的分析能夠識別出企業(yè)的競爭對手以及技術創(chuàng)新機會窗口［18］。圖6 為芯片制造各工藝核心競爭企業(yè)的技術距離多維尺度分析可視化結果，其中，不同的圓代表不同企業(yè)，圓周的線條類型代表企業(yè)所屬的國家，圓的面積表示企業(yè)所擁有的該工藝領域的專利數(shù)量，圓環(huán)對應的字母為企業(yè)簡稱，不同圓之間的距離表示不同企業(yè)間的技術距離，兩圓心的距離越近說明兩企業(yè)之間的技術距離越小，也即技術相似性越大。特別的，由于多維尺度分析的原理是，將具有高維拓撲結構的企業(yè)間相似性關系通過降維的方法映射到二維空間相對坐標系中表示，所以圖6 中的二維坐標系本身無特殊含義［19］。

如圖6（a）所示，清洗工藝領域的主要國際競爭企業(yè)中，多數(shù)企業(yè)的技術相似性較高，如中國上海盛美半導體公司（ACMR）與美國應用材料公司（APMA）、日本尼康公司（NIKR）、日本東京電子公司（TKEL）和日本株式會社荏原制作所（EBAR）所專注的清洗技術較為接近；美國泛林公司（LRES）、美國應用材料公司和日本東芝電子公司（TOKE）的清洗技術研發(fā)內(nèi)容較為接近。值得注意的是，韓國三星電子公司（SMSU）、韓國海力士電子公司（HYNX）和中國臺灣積體電路制造公司（TSMC）分別處于坐標系的3 個對立方向，且與其他企業(yè)的距離均較遠，表明這3 家企業(yè)對清洗技術的研發(fā)創(chuàng)新具有較強的專業(yè)性。就專利數(shù)量而言，韓國三星電子公司的優(yōu)勢最為明顯。

如圖6（b）所示，熱處理工藝的主要競爭企業(yè)中，中國中芯國際集成電路制造公司（SMCI）、中國臺灣積體電路制造公司和美國國際商業(yè)機械公司（IBMC）坐標距離較近，表明三者在熱處理工藝領域的技術相似程度較高；同理，日本東京電子公司和日本半導體能源實驗室（SEME）的技術相似度較高，美國瓦特洛電氣公司（WATL）、美國應用材料公司和韓國東部電子公司（DGBU）的技術內(nèi)容較為接近。而中國中科院微電子所（CAMI）、韓國三星電子公司、韓國海力士電子公司和美國超威半導體公司（ADMI）在坐標系中的位置較為孤立，表明這些企業(yè)與其他企業(yè)所專注的熱處理技術具有一定的差異。專利申請量方面，韓國海力士電子公司的熱處理專利量最大。

如圖6（c）所示，按照專利相似特征可以將摻雜工藝的國際競爭企業(yè)分成5 個相對獨立的小群體：第一是中國中芯國際集成電路制造公司和中國臺灣積體電路制造公司；第二是韓國東部高科公司（DONG）和美國亞舍立科技公司（AXCE）；第三是美國通用半導體公司（VISH）、日本松下電子公司（MATU）、日本東芝電子公司、日本瑞薩電子公司（RENE）和日本富士通公司（FUIT）；第四是韓國海力士電子公司、美國超威半導體公司和美國國際商業(yè)機械公司；第五是韓國東部電子公司。上述每個小群體內(nèi)部，各企業(yè)在摻雜技術的研發(fā)創(chuàng)新方面都具有一定程度的相似性，而韓國東部電子公司所關注的摻雜技術獨樹一幟。其中，專利數(shù)量較多的是韓國海力士電子公司和日本東芝電子公司。

圖6（d）描繪了芯片制造薄膜工藝領域主要競爭企業(yè)的技術相似性情況，該領域技術相似的企業(yè)群體性較為明顯。中國中芯國際集成電路制造公司、中國臺灣積體電路制造公司和中國聯(lián)華電子公司（UMEC）的薄膜技術研發(fā)內(nèi)容較為接近；美國格羅方德半導體公司（MUBA）和美國國際商業(yè)機械公司所專注的薄膜技術也存在相似之處；韓國海力士電子公司、韓國東部電子公司、日本松下電子公司、日本豐田高分子公司（TOZA）、日本住友電子公司（SUME）和美國應用材料公司在薄膜工藝技術領域的技術關注點接近；日本勝高株式會社（MATE）、日本東京電子公司和美國應用材料公司的薄膜技術創(chuàng)新內(nèi)容近似；而美國因特爾公司（ITLC）和韓國三星電子公司則在薄膜技術創(chuàng)新方面與其他企業(yè)相對獨立。美國國際商業(yè)機械公司和中國臺灣積體電路制造公司所擁有的薄膜技術專利數(shù)量較其他企業(yè)更具優(yōu)勢。

如圖6（e）所示，芯片制造光刻工藝的主要國際競爭企業(yè)中，長期處于領先地位的荷蘭阿斯姆公司（ASML）與剩余所有企業(yè)的技術距離均較遠，且其所擁有的光刻技術專利數(shù)量也領先于其他企業(yè)，表明該企業(yè)對芯片制造光刻技術的研發(fā)具有很強的專業(yè)性，且難以被模仿；中國臺灣積體電路制造公司與日本佳能公司在坐標系中的距離較近，說明兩者對光刻技術的研發(fā)具有相似之處；韓國東部電子公司、日本索尼電子公司（SONY）和美國豪威科技公司（OMTE）三者距離較近，說明三者所注重的光刻技術領域存在一定的重疊。

如圖6（f）所示，平坦化工藝領域的國際競爭企業(yè)中，美國羅門哈斯公司（ROHM）在坐標系中的位置最為孤立，表明其在平坦化技術領域的創(chuàng)新研發(fā)具有較強的專業(yè)性；日本株式會社荏原制作所所擁有的專利數(shù)量最多，且與日本東洋橡膠工業(yè)公司（TOYF）距離較近，兩者存在一定的技術相似性；同樣的，美國羅德爾公司（RODE）與美國嘉柏微電子公司（CABO）具有一定的技術相似性；日本富士美公司（FJMI）、日本日立化學株式會社（HITB）和德國巴斯夫公司（BADI）在平坦化技術領域也存在相似之處。

圖6 2000—2020 年國際芯片制造基本工藝領域核心企業(yè)的技術距離

5.2 技術創(chuàng)新模式

從核心競爭企業(yè)的演化出發(fā)，結合企業(yè)間的技術距離分析，可以得出企業(yè)的技術競爭足跡，從而歸納出企業(yè)的創(chuàng)新模式［18］。將核心競爭企業(yè)群體采用的基本創(chuàng)新方式分為突破式創(chuàng)新和模仿式創(chuàng)新兩種。

（1）日本企業(yè)為模仿式創(chuàng)新與突破式創(chuàng)新相結合。觀察日本企業(yè)的競爭足跡，其更加傾向于突破式創(chuàng)新和模仿式創(chuàng)新相結合的技術創(chuàng)新模式。除了東京電子公司在清洗、熱處理和薄膜工藝競爭中表現(xiàn)出了明顯的突破式創(chuàng)新能力之外，其他日本企業(yè)的技術關注點幾乎均處在已有熱門技術與空白技術領域之間，傾向于在他人成果基礎上開拓具有一定新穎性的技術。

（2）韓國企業(yè)為突破式創(chuàng)新。由韓國企業(yè)的技術競爭足跡可知，韓國企業(yè)首次出現(xiàn)的領域幾乎全部為先前空白的技術領域，突出了韓國企業(yè)的突破式創(chuàng)新能力。如在清洗工藝、熱處理工藝、摻雜工藝和薄膜工藝技術的競爭中，海力士電子公司均率先出現(xiàn)在空白的技術分支領域并具備一定實力；同樣的，三星電子公司在清洗工藝、熱處理工藝、薄膜工藝和光刻工藝技術競爭中的技術創(chuàng)新模式，東部電子公司在摻雜工藝、光刻工藝競爭中的技術創(chuàng)新模式以及東部高科公司在摻雜工藝競爭中的創(chuàng)新模式，皆是如此。

（3）美國企業(yè)以突破式創(chuàng)新為主、模仿式創(chuàng)新為輔。通過觀察美國企業(yè)在競爭演化中的技術領域分布，可知美國企業(yè)注重突破式創(chuàng)新，同時輔以模仿式創(chuàng)新。如在芯片制造熱處理、摻雜和薄膜工藝領域的關鍵技術競爭中，國際商業(yè)機械公司表現(xiàn)出了較高的突破式創(chuàng)新能力；類似的，先進微設備公司、羅德爾公司、羅門哈斯公司和泛林公司也在不同工藝領域競爭中表現(xiàn)出了一定的突破式創(chuàng)新能力。而其他參與國際競爭的美國企業(yè)則主要采用模仿式創(chuàng)新或兩者結合的方式。

（4）中國企業(yè)以模仿式創(chuàng)新為主、突破式創(chuàng)新為輔。參與芯片制造各工藝領域國際競爭的中國企業(yè)主要是中芯國際集成電路制造公司、上海盛美半導體公司、中科院微電子所、臺灣積體電路制造公司和聯(lián)華電子公司。由企業(yè)的技術競爭足跡可知，中國企業(yè)主要以模仿式創(chuàng)新為主，如中芯國際集成電路制造公司在熱處理工藝的競爭中，出現(xiàn)在美國國際商業(yè)機械公司率先專注的技術領域，而在摻雜工藝和薄膜工藝領域主要的追隨對象為臺灣積體電路制造公司；類似的，上海盛美半導體公司、聯(lián)華電子公司的技術發(fā)展足跡亦是以模仿式創(chuàng)新為主。但中國臺灣積體電路制造公司具有較強的突破式創(chuàng)新能力；另外，中科院微電子所在熱處理技術領域的競爭中也表現(xiàn)出了一定的突破式創(chuàng)新能力。

6 結論及建議

6.1 主要結論

本研究通過對芯片制造領域?qū)＠麛?shù)據(jù)的分析，得出如下四方面的結論：

（1）通過對芯片制造領域關鍵技術的國際競爭態(tài)勢分析可知，具有顯著競爭實力的國家有美國、日本、韓國、中國、荷蘭、德國和法國。就目前的競爭形勢來看，中國在清洗工藝、熱處理工藝、摻雜工藝、薄膜工藝和光刻工藝領域均具有一定的競爭實力，并在摻雜工藝和薄膜工藝領域技術國際領先；美國在熱處理工藝和平坦化工藝領域處于國際領先地位；日本在清洗工藝和光刻工藝領域具有最高的技術水平。

（2）芯片制造領域的企業(yè)競爭演化分析結果表明，中國在芯片制造領域的明星企業(yè)是中芯國際集成電路制造公司、上海盛美半導體公司和臺灣積體電路制造公司；美國的明星企業(yè)是應用材料公司、瓦特洛電氣公司、國際商業(yè)機械公司、因特爾公司、美國羅門哈斯公司、豪威科技公司和嘉柏微電子公司；日本的明星企業(yè)有株式會社荏原制作所、東京電子公司、尼康公司、日本勝高株式會社和住友電子公司；韓國的明星企業(yè)是三星電子公司和海力士電子公司；荷蘭的明星企業(yè)是阿斯姆公司；德國的明星企業(yè)是巴斯夫公司。其中，中國的中芯國際集成電路制造公司、臺灣積體電路制造公司和美國的國際商業(yè)機械公司三者的技術相似性較高。

（3）通過觀察芯片制造領域核心企業(yè)的專利布局網(wǎng)絡發(fā)現(xiàn)，不同國家企業(yè)的技術競爭策略各具特點。由于每個國家文化背景、經(jīng)濟結構的差異，在長期的調(diào)整適應過程中，企業(yè)找到了其最具效率的技術布局策略，具體表現(xiàn)為：日本企業(yè)更注重專業(yè)化；美國明星企業(yè)的更替更頻繁；韓國企業(yè)專利跨度更大、少數(shù)企業(yè)掌握了多數(shù)關鍵技術。

（4）分析不同國家芯片制造領域核心企業(yè)的技術競爭足跡發(fā)現(xiàn)，不同國家企業(yè)所側(cè)重的技術創(chuàng)新模式有所差異。具體的：日本企業(yè)偏重模仿式與突破式創(chuàng)新相結合；韓國企業(yè)注重突破式創(chuàng)新，擁有較強的突破式創(chuàng)新能力；美國企業(yè)注重以突破式創(chuàng)新為主、模仿式創(chuàng)新為輔的方式；中國企業(yè)具有較強的學習能力，傾向于以模仿式創(chuàng)新為主、突破式創(chuàng)新為輔的方式。

6.2 相關建議

基于上述結論，從以下4 個方面對中國的芯片制造技術發(fā)展提出建議：

（1）在明確了各國芯片制造領域的明星企業(yè)之后，政府應加大對明星企業(yè)的激勵和扶持力度，助力其學習先進技術、研發(fā)潛在關鍵技術，促使芯片制造相關技術在中國快速發(fā)展，為中國參與下階段的芯片制造國際競爭取得先發(fā)優(yōu)勢。

（2）政府應從制度設計層面加強對中國薄弱領域的重視，如技術補貼、相關技術重大項目制定、相關企業(yè)政策優(yōu)惠等，從產(chǎn)學研多方面彌補技術缺口、刺激技術競爭力的提升；其次，在具備一定實力的工藝層面不能掉以輕心，爭取動態(tài)持續(xù)地掌握核心技術，在國際競爭中爭取更多的話語權，這也會在一定程度上緩解薄弱技術領域受制于人的局面。同時，政府應結合企業(yè)在不同技術領域的國際競爭地位，有針對性地制定技術發(fā)展激勵政策。

（3）企業(yè)在制定技術創(chuàng)新策略時不要盲從國外模式，應在他國企業(yè)技術創(chuàng)新策略的經(jīng)驗基礎上，結合中國獨有的制度環(huán)境以及資源稟賦，因地制宜地制定技術創(chuàng)新策略，以找到適合自身制度環(huán)境、可高效利用周邊資源、提升競爭力最具效率的技術競爭路徑。

（4）企業(yè)應了解掌握競爭對手的技術現(xiàn)狀和創(chuàng)新模式，在學習國際先進技術經(jīng)驗的同時積極培育自身的突破式創(chuàng)新能力，以領先未來新技術發(fā)展。如，近年來中芯國際集成電路制造公司在芯片制造領域發(fā)展迅速，是引領中國芯片制造技術市場發(fā)展的重要力量，但其仍主要依賴模仿式創(chuàng)新，這會在競爭發(fā)展到一定階段的時候出現(xiàn)技術瓶頸，所以其應在保持強勁學習能力的同時積極儲備和提升自身的突破式技術創(chuàng)新能力，以防范技術瓶頸。在熱處理工藝、摻雜工藝領域，中芯國際集成電路制造公司已經(jīng)開始超越其技術學習對象美國國際商業(yè)機械公司和中國臺灣積體電路制造公司，此時需要提升其突破式技術創(chuàng)新能力，才能在激烈的國際競爭中引領技術市場走向；而在光刻工藝與平坦化工藝領域，模仿創(chuàng)新仍不失為更佳的技術創(chuàng)新模式。

注釋：

1）為保證研究的可重復性，文中所有用到的Java 及Python 代碼詳見https://github.com/weimingdiit/coding。