光刻機(jī)照明系統(tǒng)專利分析

張海波，林嫵媚，廖志杰，白 瑜，馮建美，邢廷文

(中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所，四川成都610209)

專利是能夠反映科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平最新動態(tài)的情報文獻(xiàn)，分析某領(lǐng)域的專利，對于科研人員了解國內(nèi)外技術(shù)的發(fā)展動態(tài)、現(xiàn)有技術(shù)水平以及未來發(fā)展趨勢有重要的意義。

在微細(xì)加工產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)域里，投影光刻機(jī)是其中的關(guān)鍵設(shè)備之一，而與投影物鏡匹配的照明系統(tǒng)又是投影光刻機(jī)的重要組成部分，只有高質(zhì)量的照明系統(tǒng)，才可充分發(fā)揮曝光系統(tǒng)的性能并滿足曝光系統(tǒng)成像的需要[1-3]。至今，國內(nèi)外還未見有關(guān)于此領(lǐng)域宏觀的專利分析的文章。本文將通過對光刻機(jī)照明系統(tǒng)專利數(shù)據(jù)進(jìn)行專利權(quán)人分布、國際專利分類、專利申請國分布、年度發(fā)展趨勢和技術(shù)生命周期分析，并對重要專利進(jìn)行挖掘，追蹤技術(shù)發(fā)展方向，旨在為科研人員提供參考，使其了解當(dāng)前照明系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展情況，避免重復(fù)研究，縮短研發(fā)周期。

本文利用Innography 專利檢索分析系統(tǒng)和Excel，統(tǒng)計分析從1983年到2012年之間公開的專利數(shù)據(jù)，Innography 專利檢索系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包括歐洲專利局、美國專利局、日本專利局、中國專利局、世界知識產(chǎn)權(quán)組織等國家和地區(qū)專利局受理和授權(quán)的專利。根據(jù)照明系統(tǒng)的專利分類號和關(guān)鍵詞編輯檢索式，并對檢索結(jié)果進(jìn)一步篩選，得到相關(guān)的專利近1 萬件。

專利檢索式為：

（1） (lithograph* or microlithograph* or photolithograph* or aligner or step-and-scan or step-and-repeat or IC manufacture or integrated circuits or semiconductor or stepper or scanner or scanner) and (illuminat or illuminant or radiat or (light source) or (optical source) ) and G03F7

（2）EUV or extreme w uv or (extreme w ultraviolet) or(extreme w ultra w violet) or (x w ray?))and G03F7

（3）（polarie* or polaris*）and (lithograph* or microlithograph* or photolithography*) and G03F7

下面對對這些專利文件進(jìn)行分析，結(jié)合世界范圍內(nèi)的相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)動態(tài)，探索照明系統(tǒng)領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展總體趨勢。

1 申請趨勢分析

1.1 全球主要專利權(quán)人統(tǒng)計

圖1 為照明系統(tǒng)專利技術(shù)的主要專利權(quán)人，該領(lǐng)域全球?qū)＠暾埩课痪忧八牡膶＠麢?quán)人為阿斯麥（ASML，1748 件）、蔡司（1380 件）、尼康（1304 件）和佳能（1012 件）。

圖1 權(quán)利人專利申請量分析

由圖1 可以看出，在光刻機(jī)照明系統(tǒng)領(lǐng)域的四大巨頭占有了該技術(shù)領(lǐng)域50%的專利。其中，ASML 是荷蘭的半導(dǎo)體設(shè)備制造商[4]，致力于大規(guī)模集成電路制造設(shè)備的研究和制造，在世界同類產(chǎn)品中有80%的市場占有率。前十名公司中，其他主要是日本公司。以銷售額計算2007年ASML 的光刻機(jī)占世界同類產(chǎn)品65%，而在1996年日本尼康占50%，佳能占25%，蔡司、尼康和佳能公司在本世紀(jì)一直保持穩(wěn)步發(fā)展。值得注意的是上海微電子和中科院光電所近年開始大量申請專利，截至2013年低，上海微電子裝備有限公司已申請光刻領(lǐng)域中國專利約1 300 項(xiàng)，中國科學(xué)院光電研究所已申請光刻領(lǐng)域?qū)＠?00 項(xiàng)。

1.2 國際專利分類分析

IPC（國際專利分類號）作為使專利文獻(xiàn)獲得統(tǒng)一國際分類的一種工具，首要目的是為各知識產(chǎn)權(quán)局和其他使用者建立一套用于專利文獻(xiàn)的高效檢索工具；可作為進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計的基礎(chǔ)，可以對各個領(lǐng)域的現(xiàn)有技術(shù)作出評價。對于照明系統(tǒng)專利IPC 分布如圖2 所示，從圖2 中可見，前三位技術(shù)領(lǐng)域的專利總和占總量的85%，排名前三位的技術(shù)領(lǐng)域分別為H01L/21/02（半導(dǎo)體器件或其部件的制造處理）、H01L/20/27（為進(jìn)一步的光刻工藝在半導(dǎo)體之上制作掩模）和G03F/07/20（半導(dǎo)體器件的加工工藝、材料曝光及其設(shè)備）。這三個領(lǐng)域均屬于半導(dǎo)體器件制造和加工工藝領(lǐng)域。

圖2 專利申請量技術(shù)領(lǐng)域分析

1.3 專利申請國家和地區(qū)分析

根據(jù)專利申請國家統(tǒng)計分析可以判斷該技術(shù)的主要申請國家和地區(qū)。由圖3 可見，專利申請國家側(cè)重日本和美國。在專利數(shù)量上，中國、中國臺灣地區(qū)、韓國等國家和地區(qū)均位于前十名以內(nèi)，亞太地區(qū)逐漸成為重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域。

圖3 專利申請量國家和地區(qū)分布圖

上述這些國家和地區(qū)是世界上主要的光刻機(jī)廠商所在地或者是主要的半導(dǎo)體生產(chǎn)基地。ASML、尼康、佳能和蔡司公司為代表的光刻機(jī)生產(chǎn)企業(yè)主要以美國和日本作為主要的專利布局國家，這和美日在半導(dǎo)體技術(shù)的領(lǐng)先地位以及美日作為全球主要的半導(dǎo)體生產(chǎn)基地有關(guān)。其中ASML公司在新加坡有相當(dāng)顯著的專利分布（39 篇），經(jīng)查可能是因?yàn)锳SML 在新加坡成立了一家針對亞太地區(qū)的貿(mào)易公司ASML SINGAPORE PTE LTD公司；蔡司公司在澳大利亞的專利分布也較多（19篇），可能是蔡司公司在澳大利亞有分公司Carl Zeiss Vision Australia Pty Ltd。與尼康公司對比，佳能公司W(wǎng)IPO 的專利申請量比較少，而美國申請量較多，佳能公司可能傾向于直接向國外專利局申請專利而很少通過PCT 途徑。值得注意的是中國已經(jīng)成為第三位專利分布國，說明各個主要公司在中國申請量有所增加，開始在中國進(jìn)行專利布局。

1.4 專利年度申請趨勢和生命周期分析

將照明系統(tǒng)領(lǐng)域的專利申請量按照申請年份進(jìn)行統(tǒng)計分析，可以發(fā)現(xiàn)光刻機(jī)照明領(lǐng)域?qū)＠麖?0 世紀(jì)80年代開始申請呈現(xiàn)年度緩慢增長的趨勢，2000年以后申請量開始快速增漲，2004年左右出現(xiàn)最高峰，之后申請量呈現(xiàn)下降趨勢，但是申請量仍然保持一個較高的水平。需要說明的是2012年的數(shù)據(jù)受到部分申請未公開的影響，下降幅度比較明顯，但是不能反映該年度實(shí)際的專利申請量。1983年以前專利量特別少，而2013年由于大部分專利都未公開，數(shù)據(jù)量也很少，所以未在圖4 中作出反映。

2004年以后申請量下降，原因可能是該項(xiàng)技術(shù)在2004年前后已經(jīng)成熟，基本完成了一個技術(shù)周期。據(jù)筆者了解的現(xiàn)在照明系統(tǒng)的技術(shù)基本已經(jīng)處于成熟階段，但隨著光刻技術(shù)出現(xiàn)新的技術(shù)方向，技術(shù)會有新的突破。根據(jù)圖4 推斷，大致可以將光刻照明系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展分為4 個階段，即：技術(shù)萌芽期（1994年以前）， 技術(shù)發(fā)展期（1994-2000年），技術(shù)成熟期（2001-2005年），技術(shù)衰退期（2005年以后）。再通過技術(shù)生命周期曲線圖對此作進(jìn)一步的驗(yàn)證。

圖4 專利年度申請趨勢圖

技術(shù)生命周期[5]是指某項(xiàng)特定技術(shù)從開發(fā)研制出來投入使用，到該技術(shù)逐漸為社會生產(chǎn)部門所淘汰為止所經(jīng)歷的時間過程，常用折線圖表示，橫軸表示專利數(shù)量/時間段，縱軸表示發(fā)明人/時間段，圖5 為技術(shù)生命周期通用曲線圖。通過某一特定領(lǐng)域的技術(shù)生命周期圖與通用曲線圖的比較，可發(fā)現(xiàn)該產(chǎn)業(yè)所處的技術(shù)生命周期狀況，如技術(shù)萌芽期、發(fā)展期、衰退期、復(fù)蘇期。以此作為研發(fā)投入的重要參考，企業(yè)通常會加大處于發(fā)展期技術(shù)的研發(fā)投入。

根據(jù)技術(shù)生命周期分析的理論，我們對收集的照明系統(tǒng)專利進(jìn)一步統(tǒng)計，得出了1983年至2012年的專利申請和申請人數(shù)量，并繪制出照明系統(tǒng)專利雙年技術(shù)曲線周期圖，如圖6。結(jié)合圖4 我們可推斷照明系統(tǒng)技術(shù)在1994年之前處于萌芽期，1994年之后進(jìn)入技術(shù)發(fā)展期，1998年以后專利數(shù)量和發(fā)明人數(shù)量開始大幅度增長，2004年之后專利量和發(fā)明人數(shù)量勻出現(xiàn)回落，出現(xiàn)技術(shù)衰退，這和根據(jù)專利申請年統(tǒng)計結(jié)果的推斷十分一致。

圖5 通用技術(shù)生命周期曲線圖

圖6 照明系統(tǒng)技術(shù)生命周期曲線圖

回顧光刻機(jī)市場，可以發(fā)現(xiàn)光刻機(jī)自誕生來，曝光光源從先后經(jīng)歷了g 線、i 線、248 nm 和193 nm等幾個技術(shù)階段[6-7]。20 世紀(jì)80年代初期，g 線機(jī)型占統(tǒng)治地位，20 世紀(jì)80年代后期到90年代中期，i線機(jī)型占主導(dǎo)地位，此時光刻機(jī)廠商僅有美國的GCA 等幾家公司，此時正是技術(shù)萌芽期；90年代以后，全球先后有30 余家企業(yè)躋身光刻領(lǐng)域，光刻技術(shù)進(jìn)入發(fā)展期，照明系統(tǒng)專利申請量開始增加，此時遠(yuǎn)紫外機(jī)型便取代i 線機(jī)成為主流機(jī)型；到2001年，ASML 率先推出的Twin Scan AT1100B 型ArF準(zhǔn)分子激光步進(jìn)掃描光刻機(jī)，其后日本的尼康和佳能先后也推出193 nm 的光刻機(jī)，2003年193 nm的ArF 光刻機(jī)走向成熟，成為主流設(shè)備，由于采用了浸沒技術(shù)，目前193 nm 光刻技術(shù)延伸到65 nm、45 nm 甚至32 nm 節(jié)點(diǎn)。通過分析光刻機(jī)的發(fā)展歷程，印證了光刻機(jī)照明系統(tǒng)的一個整體技術(shù)發(fā)展趨勢的正確性?，F(xiàn)在照明系統(tǒng)似乎已經(jīng)進(jìn)入了衰退期，但是隨著光刻機(jī)新技術(shù)的不斷推進(jìn)，照明系統(tǒng)技術(shù)可能會出現(xiàn)一個復(fù)蘇期。

2 專利文件深度分析

2.1 核心專利分析

“專利強(qiáng)度”是Innography 的核心功能之一，它是專利價值判斷的綜合指標(biāo)。專利強(qiáng)度受權(quán)利要求數(shù)量、引用與被引用次數(shù)、是否涉案、專利時間跨度、同族專利數(shù)量等因素影響，其強(qiáng)度的高低可以綜合地反映出該專利的文獻(xiàn)價值大小。

通過Innography 的專利強(qiáng)度分析功能，我們可以快速從大量專利中篩選出核心專利，將專利強(qiáng)度高于90%的專利視為核心專利，其中前十位的專利如表1 所示。

表1 核心專利列表

表2 所示為專利的主要技術(shù)點(diǎn)，其中，上述10 件專利涉及到光調(diào)制有4 件，偏振照明2 件，浸沒式2 件，照明模式1 件，計算機(jī)模擬照明場分布1 件。核心技術(shù)分布在不同的技術(shù)方向。其中，US5631721（1995年申請）在2001年發(fā)生法律訴訟，Ultratech Stepper 訴SVG 侵權(quán)（US5631721 原權(quán)利人為SVG Lithography System 公司，后SVG被ASML 收購），涉案專利共42 件；該專利文件被引用數(shù)量也高達(dá)132 次，說明該專利文件的重要性，摘要附圖如圖8 所示。該專利文件采用在照明場放置多圖像光學(xué)元件14（multi-image optical element 14），用于形成二次光源，會聚透鏡16 會聚二次光源光，衍射光學(xué)元件18 放置于會聚透鏡16 的焦面處，利用多圖像光學(xué)元件14（multi-image optical element14）和衍射光學(xué)元件18 的配合，可產(chǎn)生一個小數(shù)值孔徑值，并且產(chǎn)生不依賴于光源特性的角分布[8]。沿著該專利文件的技術(shù)軌跡挖掘，1997年，專利US5896188（如圖9）將此技術(shù)進(jìn)行了更進(jìn)一步的研究[9]，由于采用multi-image optical element14 導(dǎo)致產(chǎn)生圖像噪音，通過頻率調(diào)制器36 調(diào)制光源脈沖，可以降低噪聲干擾，并可以改變線寬和邊緣粗糙度；2002年，US6784976 的專利文件又對如何改變線寬進(jìn)行了深入研究[10]。通過上述一系列的專利文件，可以發(fā)現(xiàn)ASML 公司一直對核心技術(shù)進(jìn)行不斷深入的技術(shù)攻關(guān)和專利布局。

從表1 中可以看出，核心專利均為國外專利，且根據(jù)分析結(jié)果專利強(qiáng)度高于80%的專利文件基本都是國外專利，很少有中國申請人的專利文件以及國外企業(yè)在中國申請的專利文件。說明我國的申請人的專利文件基本無核心技術(shù)，且國外的核心技術(shù)專利也并未在中國進(jìn)行申請?？赡苁怯捎谠缙趪馄髽I(yè)對中國的重視程度不夠，認(rèn)為中國在光刻領(lǐng)域的技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國家，不會對其造成威脅，所以未在中國進(jìn)行周密的專利布局。這些未在中國申請的核心技術(shù)就可以進(jìn)行借鑒和在國內(nèi)無償使用。

2.2 技術(shù)功效矩陣分析

“專利強(qiáng)度”是Innography 的核心功能之一，它是專利價值判斷的綜合指標(biāo)。專利強(qiáng)度受權(quán)利要求數(shù)量、引用與被引用次數(shù)、是否涉案、專利時間跨度、同族專利數(shù)量等因素影響，其強(qiáng)度的高低可以綜合的反映出該專利的文獻(xiàn)價值大小。照明領(lǐng)域產(chǎn)生了離軸照明及偏振照明等主要代表性照明技術(shù)，利用該分析系統(tǒng)，首先將偏振照明領(lǐng)域的專利擴(kuò)增同族后的所有檢出的專利按照專利強(qiáng)度進(jìn)行分段統(tǒng)計，選取專利強(qiáng)度大于30%的專利作為技術(shù)功效矩陣分析的對象。圖9 對偏振照明領(lǐng)域的專利進(jìn)行技術(shù)功效矩陣分析，其中縱坐標(biāo)為技術(shù)點(diǎn)，橫坐標(biāo)為其實(shí)現(xiàn)的功能或達(dá)到的效果，氣泡大小代表專利數(shù)量的多少，沒有氣泡即專利量為零，數(shù)據(jù)來源為利用偏振照明系統(tǒng)關(guān)鍵詞和橫縱坐標(biāo)對應(yīng)的關(guān)鍵詞進(jìn)行布爾運(yùn)算編輯檢索式的命中目標(biāo)數(shù)。

表2 核心專利技術(shù)特征

圖7 專利US5631721附圖

圖8 專利US5896188 附圖

通過圖9 可以發(fā)現(xiàn)該領(lǐng)域的熱門和冷門的技術(shù)研發(fā)方向，其中專利技術(shù)比較集中于通過偏振片和晶體獲得旋轉(zhuǎn)角度、通過偏振片調(diào)節(jié)偏振方向、和通過偏振片和晶體獲得不同狀態(tài)的偏振片。同時也可以發(fā)現(xiàn)復(fù)眼透鏡和斬光器與橫向功效點(diǎn)基本沒有專利產(chǎn)生，一方面可能是由于這樣的技術(shù)點(diǎn)無法實(shí)現(xiàn)，另一方面也可能是這方面投入的科研精力較少，所以還沒有專利文件產(chǎn)生，我國的科研人員可以嘗試從這些技術(shù)薄弱點(diǎn)進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，同時也可以考率是否可以對技術(shù)熱點(diǎn)的專利進(jìn)行借鑒并進(jìn)行外圍專利布局。

3 國內(nèi)相關(guān)企業(yè)的發(fā)展

有關(guān)光刻照明系統(tǒng)的中國申請專利中，國外申請占了73%，而國內(nèi)申請僅占27%。下面僅以離軸照明技術(shù)為例，分析國內(nèi)外專利申請的差距。世界范圍有關(guān)離軸照明共有1044 件專利技術(shù)，中國專利申請的離軸照明專利有45 件，其中國外申請為35 件，國內(nèi)申請為10 件，表面此領(lǐng)域大部分的專利沒有進(jìn)入中國，可以認(rèn)為離軸照明領(lǐng)域國外公司在我國的專利布局尚未完成。其中ASML公司申請量最多占17 件，其專利基本上都是保護(hù)離軸照明系統(tǒng)的整體設(shè)計方案，從離軸照明系統(tǒng)原理上和結(jié)構(gòu)上保護(hù)其知識產(chǎn)權(quán)，同時還側(cè)重保護(hù)照明光源和照明元件等局部細(xì)節(jié)。佳能公司只有兩件。國內(nèi)方面，中科院光電所有2 件實(shí)用新型的申請，上海微電子有5 件發(fā)明專利申請，涉及生成離軸照明元件的改進(jìn)和離軸照明系統(tǒng)的改進(jìn)，與國外技術(shù)相比，我國的專利基本上都是在國外技術(shù)基礎(chǔ)上的局部改進(jìn)，沒有擁有核心專利。而國外的公司采用的是立體的保護(hù)策略，其專利涵蓋離軸照明的所有技術(shù)方面，即包括器件也有系統(tǒng)，我國在研究內(nèi)容上不夠完整，深度上不夠具體。這體現(xiàn)了我國專利申請的一個整體狀況。

圖9 專利技術(shù)－功效矩陣分析

圖10 國內(nèi)外專利申請對比

4 結(jié)論和建議

光刻機(jī)照明系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了萌芽、發(fā)展、成熟和衰退4 個階段，目前，專利申請量已經(jīng)出現(xiàn)下降的態(tài)勢，但是隨著光刻技術(shù)新技術(shù)的出現(xiàn)，其必然會出現(xiàn)復(fù)蘇期；該領(lǐng)域的專利主要能集中于ASML、尼康、佳能和蔡司4 家行業(yè)巨頭的手中，他們的研發(fā)水平處于國際領(lǐng)先地位，且一直保持專利數(shù)量和質(zhì)量方面的優(yōu)勢；美國、日本和中國成為三大專利申請國，技術(shù)領(lǐng)域集中于半導(dǎo)體器件制造和加工工藝領(lǐng)域，雖然這些企業(yè)在中國境內(nèi)也進(jìn)行了專利部署，但大部分核心專利未進(jìn)入中國，意味著可以在中國境內(nèi)無償使用這些專利。

而對于我國的企業(yè)，由于近年來國家重視，加大了研發(fā)力度，專利數(shù)量和質(zhì)量都有了大幅提高，上海微電子裝備有限公司、中國科學(xué)院光電研究所、和中國科學(xué)院長春光機(jī)所等一批中國機(jī)構(gòu)在該領(lǐng)域申請了大量的專利文件，但是與行業(yè)巨頭相比，技術(shù)積累還比較薄弱，技術(shù)構(gòu)成也不全面，核心技術(shù)仍然掌握在行業(yè)巨頭手中。我國的企業(yè)不僅要研發(fā)出產(chǎn)品，還要規(guī)避專利風(fēng)險，加強(qiáng)照明系統(tǒng)外圍技術(shù)的研究工作和專利布局。

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