基于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)再造的芯片制造技術(shù)集成創(chuàng)新機理研究

張貝貝，李 娜，李存金

(北京理工大學(xué) 管理與經(jīng)濟學(xué)院，北京100081)

0 引言

芯片是國家戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，芯片產(chǎn)品涉及人們生活的方方面面。在智能汽車、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、5G等技術(shù)發(fā)展的助推下，我國芯片需求市場呈現(xiàn)逆周期性高速增長趨勢，中國已成為全球最大的IC需求市場，但產(chǎn)品仍主要依賴進口。國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)顯示，我國2020年芯片進口額高達3 800億美元，同比增長25%，創(chuàng)歷史新高。芯片制造技術(shù)具有高、精、尖等特征[1]，是世界各國爭奪的技術(shù)戰(zhàn)略高地。我國芯片制造技術(shù)起步較晚，近年來在國家政策的大力扶持下得到快速發(fā)展，但仍處于全球芯片產(chǎn)業(yè)鏈低附加值位置，高端產(chǎn)品核心技術(shù)與發(fā)達國家相比仍存在較大差距，如PC、服務(wù)器芯片和光刻技術(shù)等。另外，隨著中國經(jīng)濟的迅速崛起，美國已將中國列為首要遏制對象，中美貿(mào)易摩擦持續(xù)升級，致使芯片制造技術(shù)成為我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的“卡脖子”技術(shù)。在外部限制加強、全球疫情沖擊背景下，掌握芯片核心制造能力成為中國占領(lǐng)核心技術(shù)制高點、打造獨立自主芯片制造產(chǎn)業(yè)化能力的關(guān)鍵。芯片核心制造能力影響因素諸多，只有掌握芯片制造核心技術(shù)基本創(chuàng)新原理和方法，才能基于我國國情探索出一條特色創(chuàng)新發(fā)展之路。

由重大復(fù)雜技術(shù)創(chuàng)新實踐可知，集成是芯片制造技術(shù)基本創(chuàng)新模式之一。重大復(fù)雜技術(shù)具有系統(tǒng)性、網(wǎng)絡(luò)性和不可分割性特征[2-3]。根據(jù)系統(tǒng)性特征，可將芯片制造技術(shù)分解為一個三層級系統(tǒng)技術(shù)體系，其中高級模塊由六大工藝組成，分別為清洗工藝、熱處理工藝、摻雜工藝、薄膜工藝、光刻工藝和平坦化工藝，每個高級模塊又被分解為次級技術(shù)模塊。相關(guān)理論表明，技術(shù)集成創(chuàng)新是基于集成思想，將內(nèi)外部技術(shù)資源進行重新甄選、聯(lián)結(jié)和重構(gòu)進而推動技術(shù)創(chuàng)新的動態(tài)循環(huán)過程[4-6]。當(dāng)前，芯片制造技術(shù)和復(fù)雜技術(shù)創(chuàng)新研究主要集中于產(chǎn)業(yè)發(fā)展效率優(yōu)化[7-8]、企業(yè)創(chuàng)新戰(zhàn)略制定[9-10]、創(chuàng)新績效評價[11-13]、創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)分析[14-15]和基礎(chǔ)性創(chuàng)新探索[16-18]等方面，對創(chuàng)新機理的研究較少。有些學(xué)者從組織層面梳理復(fù)雜技術(shù)創(chuàng)新機理。如程鵬等(2018)以中國科技大學(xué)量子系統(tǒng)相關(guān)控制技術(shù)為例，探討重大技術(shù)項目創(chuàng)新機理；Lai等[19]以芯片制造企業(yè)為研究對象，解析該技術(shù)探索式創(chuàng)新機理；Roehrich等[20]運用半結(jié)構(gòu)化訪談方法歸納復(fù)雜技術(shù)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)中組織成員向集成團隊轉(zhuǎn)變的過程?？傊延形墨I對芯片制造技術(shù)集成創(chuàng)新機理的研究較少，對相應(yīng)微觀機理的解析比較匱乏。

芯片制造技術(shù)創(chuàng)新突破不僅需要從宏觀層面關(guān)注政府政策、組織戰(zhàn)略等因素，也需要從微觀層面厘清技術(shù)發(fā)展內(nèi)在規(guī)律。因此，本研究以技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化為切入點，基于結(jié)構(gòu)再造原理構(gòu)建芯片制造技術(shù)集成創(chuàng)新微觀機理解釋框架，以芯片光刻工藝子系統(tǒng)專利數(shù)據(jù)為例進行實證研究，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)再造視角揭示芯片制造復(fù)雜技術(shù)集成創(chuàng)新規(guī)律，可為芯片制造技術(shù)創(chuàng)新提供一種突破路徑，對一般技術(shù)創(chuàng)新實踐和企業(yè)層面創(chuàng)新管理具有重要借鑒意義。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 技術(shù)集成創(chuàng)新理論

集成創(chuàng)新基于集成思想，根據(jù)產(chǎn)品開發(fā)目的進行一系列新技術(shù)選擇、調(diào)查和評估活動，具有復(fù)雜性和多面性特征[21-22]，其目的不是在現(xiàn)有技術(shù)庫中選擇一個或兩個市場中廣泛使用的技術(shù)，而是集成多種技術(shù)到一個與企業(yè)環(huán)境相匹配的復(fù)雜新產(chǎn)品系統(tǒng)中。集成創(chuàng)新并非企業(yè)傳統(tǒng)研發(fā)活動，而是在公司現(xiàn)有能力以外開展技術(shù)改進活動，其在新穎性探索與復(fù)雜產(chǎn)品開發(fā)之間搭建了“橋梁”[23]。Ferrari等[24]認為，新技術(shù)開發(fā)本身就是對企業(yè)內(nèi)部知識和技術(shù)資源進行有效集成的過程。

圖1為Iansiti[22]基于集成思想構(gòu)建的新技術(shù)開發(fā)流程。其中，在探索/研究階段，企業(yè)根據(jù)技術(shù)市場要求，在系統(tǒng)預(yù)測、技術(shù)規(guī)劃和研究數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進行基礎(chǔ)性研究和探索，一般發(fā)生在企業(yè)或大學(xué)、研究機構(gòu)實驗室，由各不同學(xué)科領(lǐng)域并行研究，為技術(shù)集成提供元素級資源供給。技術(shù)集成介于基礎(chǔ)研究與產(chǎn)品開發(fā)之間，在企業(yè)現(xiàn)有技術(shù)、資源基礎(chǔ)上加入新技術(shù)元素，對產(chǎn)品概念進行系統(tǒng)設(shè)計，進而形成新產(chǎn)品概念和技術(shù)規(guī)范體系。在產(chǎn)品開發(fā)階段，根據(jù)技術(shù)集成階段制定的技術(shù)規(guī)范章程進一步開工實施。

國內(nèi)研究未對技術(shù)集成與技術(shù)整合作嚴格區(qū)分。魏江等[6]在Iansiti技術(shù)集成理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)前國內(nèi)技術(shù)發(fā)展環(huán)境，對技術(shù)集成作出進一步界定，認為技術(shù)集成是指基于特定外部市場環(huán)境，為實現(xiàn)企業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新和工藝創(chuàng)新，對企業(yè)內(nèi)外部各類技術(shù)資源進行甄選、轉(zhuǎn)移和重構(gòu)的動態(tài)循環(huán)過程。借鑒這一思路，本文將技術(shù)集成創(chuàng)新定義為基于集成思想，對企業(yè)內(nèi)外部技術(shù)資源進行重新甄選、聯(lián)結(jié)和重構(gòu)進而推動技術(shù)創(chuàng)新的動態(tài)循環(huán)過程。

1.2 結(jié)構(gòu)再造原理

結(jié)構(gòu)再造即技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的重新構(gòu)造，如結(jié)構(gòu)優(yōu)化、結(jié)構(gòu)重組等。重組思維是指思維主體對原有事物的部分或整體進行修改，對應(yīng)要素重組和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)重組[25]。要素重組是指將多個獨立的可創(chuàng)新要素按照實踐需要和一定規(guī)律在系統(tǒng)內(nèi)部重組，以獲取具有統(tǒng)一整體和協(xié)調(diào)功能的新技術(shù)、新工藝或新產(chǎn)品[26]。

同理，技術(shù)系統(tǒng)內(nèi)部各要素按照一定規(guī)則形成不同于其它系統(tǒng)、具有特殊功能的特定結(jié)構(gòu)。重組是創(chuàng)新的基本特征之一，技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化重組會帶來技術(shù)產(chǎn)品物理、化學(xué)性質(zhì)的改進。徐文鵬[27]通過優(yōu)化相應(yīng)技術(shù)結(jié)構(gòu)，在外觀不變情況下消除3D模型缺陷，使其具有更好的變形性和穩(wěn)定性，減少了打印材料，縮短了打印時間；郭杰等[28]在不改變技術(shù)元素種類情況下，對電池充電技術(shù)串并聯(lián)結(jié)構(gòu)進行重新構(gòu)造，提升了電池充電速度和均衡效果；Rani 等[29]通過調(diào)整蛋白質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，改變了相應(yīng)外部功能；Wang等[30]通過控制外界物理條件重組聚乙烯內(nèi)部構(gòu)成結(jié)構(gòu)，研發(fā)出具有不同使用功能的材料。因此，結(jié)構(gòu)再造原理是指通過改變技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使技術(shù)系統(tǒng)各部分之間的關(guān)系更加協(xié)調(diào)、合理，相互之間的配合更加高效，進而改進和完善原技術(shù)系統(tǒng)功能的過程。

圖1 技術(shù)集成創(chuàng)新流程Fig.1 Technology integration innovation process

2 芯片制造技術(shù)系統(tǒng)集成創(chuàng)新機理

2.1 基于結(jié)構(gòu)再造的集成創(chuàng)新機理內(nèi)涵

本文將基于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)再造的集成創(chuàng)新機理內(nèi)涵歸納為：在技術(shù)資源集成過程中，調(diào)整或重構(gòu)芯片制造技術(shù)系統(tǒng)中技術(shù)元素之間的線性或非線性集成規(guī)則，使系統(tǒng)各部分間的關(guān)系更加協(xié)調(diào)、相互配合更加高效，從而推動原技術(shù)系統(tǒng)向具有高良品率、高集成能力和低能耗的芯片制造新技術(shù)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。如圖2所示，根據(jù)芯片制造技術(shù)結(jié)構(gòu)層次特征，將其分解為一個三層級系統(tǒng)體系。其中，芯片制造技術(shù)由若干高級模塊組成，每個高級模塊都由各自的子模塊構(gòu)成，子模塊又由元技術(shù)群體構(gòu)成。本文將人類在不同時期創(chuàng)造出來的可以構(gòu)成任意領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)的基本技術(shù)稱之為元技術(shù)。

芯片制造技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化原因包括技術(shù)元素變化、技術(shù)元素間關(guān)聯(lián)關(guān)系變化和技術(shù)元素比重變化3種。具體而言，元素種類變化指技術(shù)系統(tǒng)中各層級技術(shù)元素新增或淘汰，關(guān)聯(lián)關(guān)系變化指技術(shù)元素之間非線性關(guān)系變化。圖2中虛線方框表示技術(shù)元素間新增的非線性關(guān)系，實線方框表示技術(shù)元素間消失的非線性關(guān)系。技術(shù)元素比重變化對應(yīng)該技術(shù)系統(tǒng)物理性結(jié)構(gòu)變化，圖中虛線更新標(biāo)記表示該技術(shù)元素在系統(tǒng)中所占比重上升，實線更新標(biāo)記表示該技術(shù)元素比重下降。

以芯片制造技術(shù)子模塊為例，設(shè)z為元技術(shù)，w為元技術(shù)在某一子模塊系統(tǒng)中所占的比重，r為子模塊系統(tǒng)中元技術(shù)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，F(xiàn)為功能函數(shù)。其中，zn表示子模塊中第n種元技術(shù)，wn為第n種元技術(shù)所占比重，r1n表示第一種元技術(shù)和第n種元技術(shù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系。將由n種元技術(shù)交互集成的子模塊功能表示為t，其是z、r和w共同作用的函數(shù)，如式(1)所示。同理，將由m個子模塊Z、子模塊間關(guān)聯(lián)關(guān)系R和子模塊比重W相互作用組成的芯片制造技術(shù)系統(tǒng)功能表示為T，如式(2)所示。

t=F(z,w,r)

(1)

T=F(Z,W,R)

(2)

如圖2所示，3種因素帶來的技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化程度不同。其中，技術(shù)元素比重變化或技術(shù)元素關(guān)聯(lián)關(guān)系變化帶來技術(shù)系統(tǒng)或技術(shù)子模塊局部結(jié)構(gòu)變化，屬于小幅度技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)再造；技術(shù)元素更新變化同時導(dǎo)致技術(shù)元素比重變化和技術(shù)元素間關(guān)聯(lián)關(guān)系變化，對應(yīng)芯片制造技術(shù)系統(tǒng)或技術(shù)子模塊整體結(jié)構(gòu)變動，屬于大幅度技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)再造。所以，根據(jù)結(jié)構(gòu)變化程度不同，將技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)再造分為結(jié)構(gòu)調(diào)整和結(jié)構(gòu)重組兩種。

圖2 基于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)再造原理的芯片制造技術(shù)集成創(chuàng)新機理Fig.2 Integrated innovation mechanism of chip manufacturing technology based on system structure reengineering

2.2 基于結(jié)構(gòu)調(diào)整的集成創(chuàng)新

基于結(jié)構(gòu)調(diào)整的集成創(chuàng)新是指在芯片制造原集成系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，技術(shù)元素間聯(lián)結(jié)關(guān)系或技術(shù)元素比重中一種或兩種因素同時變化，對應(yīng)技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)局部調(diào)整，促使系統(tǒng)各組成部分之間的關(guān)系更協(xié)調(diào)、配合更高效，能夠降低單位能耗，推動適應(yīng)市場需求的芯片制造技術(shù)新系統(tǒng)誕生。技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)調(diào)整集成創(chuàng)新往往對應(yīng)著技術(shù)漸進式創(chuàng)新和微創(chuàng)新，技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)調(diào)整存在3種情況：第一,當(dāng)其它因素不變時，技術(shù)元素比重發(fā)生變化。第二，當(dāng)其它因素不變時，技術(shù)元素間關(guān)聯(lián)關(guān)系發(fā)生變化。第三，當(dāng)技術(shù)元素種類不變時，元素間關(guān)聯(lián)關(guān)系和元素比重同時變化。

以第一種情況為例，對于技術(shù)子模塊而言，當(dāng)其它因素不變時，改變原子模塊內(nèi)部技術(shù)元素比重，對應(yīng)原技術(shù)模塊結(jié)構(gòu)局部調(diào)整，從而推動該模塊功能創(chuàng)新，調(diào)整后的模塊結(jié)構(gòu)更適應(yīng)技術(shù)發(fā)展需求，原模塊功能t升級至t'，如公式(3)所示。當(dāng)其它對應(yīng)因素不變時，技術(shù)元素間關(guān)聯(lián)關(guān)系由r變?yōu)閞'、技術(shù)元素比重w和關(guān)聯(lián)關(guān)系r同時變化與上述情況類似。

同理，對于技術(shù)系統(tǒng)而言，當(dāng)其它因素不變時，芯片制造技術(shù)系統(tǒng)子模塊比重發(fā)生改變，對應(yīng)技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)局部調(diào)整，系統(tǒng)內(nèi)部各子模塊之間的協(xié)同更加高效，從而推動整個技術(shù)系統(tǒng)功能創(chuàng)新，系統(tǒng)功能由T變?yōu)門'，如公式(4)所示。

t'=F(z,w',r)

(3)

T'=F(Z,W',R)

(4)

2.3 基于結(jié)構(gòu)重組的集成創(chuàng)新

基于結(jié)構(gòu)重組的集成創(chuàng)新是指在技術(shù)市場需求引導(dǎo)下，更新原技術(shù)系統(tǒng)中的技術(shù)元素種類，同時會引起元素間聯(lián)結(jié)關(guān)系和元素比重變化，對應(yīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的大幅度變動，促使系統(tǒng)內(nèi)各部分重新組合，相互之間的配合更加高效、關(guān)系更加協(xié)調(diào)，從而推動適應(yīng)市場需求的芯片制造新技術(shù)系統(tǒng)誕生。結(jié)構(gòu)重組集成創(chuàng)新往往對應(yīng)著技術(shù)突破式創(chuàng)新和顛覆式創(chuàng)新。對于技術(shù)子模塊而言，隨著技術(shù)發(fā)展需求的不斷提升，更新技術(shù)子模塊原系統(tǒng)中技術(shù)元素種類z、技術(shù)元素間關(guān)聯(lián)關(guān)系r和技術(shù)元素比重w隨之發(fā)生變動，對應(yīng)該模塊技術(shù)元素重新交互集成，推動功能更強大的子模塊系統(tǒng)誕生，模塊功能由t變?yōu)閠'，如公式(5)所示。

t''=F(z'',w'',r'')

(5)

同理，對于技術(shù)系統(tǒng)而言，技術(shù)系統(tǒng)功能是技術(shù)子模塊、子模塊間關(guān)聯(lián)關(guān)系和子模塊所占比重三者的函數(shù)。當(dāng)技術(shù)子模塊種類發(fā)生變化時，會同時引起技術(shù)模塊間關(guān)聯(lián)關(guān)系R和技術(shù)模塊比重W發(fā)生變動，技術(shù)系統(tǒng)中各子模塊重新組合，促使各子模塊的關(guān)系更加協(xié)調(diào)、合理，相互之間配合更加高效，進而推動芯片制造技術(shù)系統(tǒng)功能由T升級至T'，如公式(6)所示。

T''=F(Z'',W'',R'')

(6)

3 實證解析——以專利為視角

光刻是芯片制造領(lǐng)域的核心工藝，從最簡單的硅集成電路到如今5nm制程的特大規(guī)模集成電路芯片，光刻工藝在芯片制造技術(shù)演進過程中發(fā)揮著重要作用。本文以光刻工藝結(jié)構(gòu)調(diào)整為例，從專利視角解析基于結(jié)構(gòu)再造原理的芯片制造技術(shù)集成創(chuàng)新機理。

3.1 芯片光刻工藝專利數(shù)據(jù)收集

本文所用專利數(shù)據(jù)(2011-2020年)來自德溫特創(chuàng)新索引數(shù)據(jù)庫(DII)。鑒于芯片光刻工藝技術(shù)系統(tǒng)的復(fù)雜性，根據(jù)某幾類IPC國際專利分類號檢索難免出現(xiàn)紕漏，故本文參閱芯片光刻技術(shù)相關(guān)資料[31-32]，通過專家訪談建立對應(yīng)的關(guān)鍵詞檢索式，同時以IPC國際專利分類號檢索作為補充，如表1所示。根據(jù)表1檢索式下載專利數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行清洗、字段分割、去重并刪除專利權(quán)人為個人的數(shù)據(jù)，最終得到光刻工藝專利數(shù)據(jù)27 118條。

表1 芯片光刻工藝專利檢索式Tab.1 Patent search scheme for chip lithography technology

3.2 研究方法

首先，構(gòu)建芯片光刻工藝2011-2015年和2016-2020年兩階段技術(shù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；其次，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點重要性分析芯片光刻工藝技術(shù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；最后，通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中技術(shù)元素比重變化情況解析芯片光刻工藝集成創(chuàng)新機理。

3.2.1 技術(shù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)建法

技術(shù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)建是指從專利原始數(shù)據(jù)到繪制出技術(shù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的過程，通過以下3步實現(xiàn)：

(1)聚類。將上述光刻工藝領(lǐng)域?qū)＠麛?shù)據(jù)聚類，得到具有不同研究主題的技術(shù)子模塊，并對歸屬于不同子模塊的專利數(shù)據(jù)作相應(yīng)標(biāo)記。本文采用經(jīng)典K-Means算法進行聚類，結(jié)合TF-IDF(詞頻-逆向文本頻率)法對文本矩陣賦予權(quán)重。

TF-IDF=TF*IDF

(7)

其中，詞頻(TF)表示詞條在某專利文檔中出現(xiàn)的頻率，nij指某一詞條在文件dj中出現(xiàn)的次數(shù)，分母表示文件dj中所有詞條出現(xiàn)的次數(shù)之和。

(8)

在式(8)中，逆向文本頻率(IDF)用以對某一詞條在全局文檔中的重要性進行度量。其中，|D|表示語料庫中的文件總數(shù)，分母表示包含詞條ti的文件數(shù)目。為避免分母為0，所以此處加1處理。

(2)專利國際分類號(IPC)和技術(shù)領(lǐng)域映射。首先，選取某一技術(shù)子模塊專利數(shù)據(jù)為研究對象，截取專利數(shù)據(jù)庫中IP字段(國際分類號)前3位，與專利國際技術(shù)分類體系中的技術(shù)領(lǐng)域相映射，得到對應(yīng)專利技術(shù)領(lǐng)域字段，即元技術(shù)群體。

(3)光刻工藝系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。從技術(shù)子模塊專利數(shù)據(jù)庫中提取技術(shù)領(lǐng)域字段，構(gòu)建不同模塊技術(shù)元素共現(xiàn)矩陣，將共現(xiàn)矩陣去權(quán)重、去頻次、去方向，得到技術(shù)元素間的關(guān)系矩陣。運用社會網(wǎng)絡(luò)分析軟件Pajek(1.0)，將上述各子模塊關(guān)系矩陣網(wǎng)絡(luò)化，得到芯片光刻工藝網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

3.2.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析法

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點位置決定技術(shù)系統(tǒng)整體功能重要性，本文從點度中心性、接近中心性和中介中心性3個方面進行分析，最終以三者的綜合指標(biāo)反映某一技術(shù)元素的節(jié)點重要性。

(1)點度中心性。某一元技術(shù)點度中心性表示該技術(shù)與其它所有技術(shù)節(jié)點連接的緊密程度，直接組合技術(shù)節(jié)點越多，表明該技術(shù)節(jié)點點度中心性值越高[33]，該元技術(shù)組合越廣。對于一個擁有n個元技術(shù)的芯片制造元技術(shù)網(wǎng)絡(luò)而言，第i個元技術(shù)度中心性計算公式如下：

(9)

其中，xij表示節(jié)點i與節(jié)點j之間的組合連線。

(2)接近中心性。接近中心性指某一元技術(shù)到其它技術(shù)節(jié)點的距離，距離越小，說明該技術(shù)與其它技術(shù)節(jié)點的組合越緊密[34]，該元技術(shù)組合程度越深。對于一個擁有n個元技術(shù)的芯片制造元技術(shù)網(wǎng)絡(luò)而言，第i個元技術(shù)的接近中心性計算公式如下：

(10)

其中，d(Ni,Nj)指節(jié)點i與節(jié)點j之間的測地距離。

(3)中介中心度。中介中心性指某一技術(shù)節(jié)點調(diào)節(jié)和控制其它技術(shù)節(jié)點組合的程度，是影響技術(shù)交流和組合方式的重要指標(biāo)，某一元技術(shù)的中介中心性越高，說明該節(jié)點在技術(shù)組合中的“橋梁”或“紐帶”作用越強[35]。對于一個擁有n個元技術(shù)的芯片制造元技術(shù)網(wǎng)絡(luò)而言，第i個元技術(shù)的接近中心度計算公式如下：

(11)

其中，gjk表示節(jié)點j與節(jié)點k間測地距的路徑數(shù)量，gjk(Ni)代表j和k之間經(jīng)過節(jié)點i的路徑條數(shù)。

將上述3個指標(biāo)標(biāo)準化，運用加權(quán)平均法計算每個技術(shù)元素的綜合性結(jié)構(gòu)指標(biāo),得到第i個元技術(shù)在光刻工藝技術(shù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的重要性指標(biāo)Ii。

(12)

3.2.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)調(diào)整分析法

對比兩個時間階段芯片光刻工藝網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，以技術(shù)元素比重變化解析技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)調(diào)整集成創(chuàng)新機理。第一，以不同時間段某一子模塊對應(yīng)元技術(shù)的比重變化描繪子模塊系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)整；第二，以不同時間段技術(shù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中子模塊專利數(shù)量比重變化描繪技術(shù)系統(tǒng)整體集成結(jié)構(gòu)調(diào)整；第三，將兩者結(jié)合描繪整個芯片光刻工藝技術(shù)系統(tǒng)集成結(jié)構(gòu)調(diào)整。

(13)

其中，Pi表示第i個子模塊在芯片光刻工藝系統(tǒng)中出現(xiàn)的頻次(篇幅所限，不再詳細列示)。

3.3 結(jié)果解析

3.3.1 芯片光刻工藝網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

基于專利數(shù)據(jù)國際分類號字段，運用社會網(wǎng)絡(luò)分析法構(gòu)建芯片光刻工藝網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并聚類得到芯片光刻工藝技術(shù)子模塊次級網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。如圖3所示，芯片光刻工藝由3層級體系網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成，次級技術(shù)系統(tǒng)由曝光顯影、光刻膠和刻蝕3個技術(shù)子模塊組成，每個技術(shù)子模塊又由對應(yīng)的元技術(shù)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。3個子模塊技術(shù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)存在交叉重疊的元技術(shù)類型共43種，同時每個子模塊又擁有各自獨特的元技術(shù)種類。曝光顯影模塊元技術(shù)網(wǎng)絡(luò)共包含84種元技術(shù)，其中金屬沖壓技術(shù)、切割技術(shù)和測時技術(shù)等是該模塊特有的元技術(shù)類型；刻蝕模塊共包含57種元技術(shù)，其中道路鐵路及橋梁技術(shù)、切割技術(shù)等為該模塊特有的元技術(shù)類型；光刻膠模塊共包含70種元技術(shù)，其中一般發(fā)動機技術(shù)、鉆進技術(shù)和組合生長技術(shù)是該模塊所特有的元技術(shù)類型?？傮w而言，曝光顯影子模塊包含的元技術(shù)種類最多，光刻膠子模塊次之，刻蝕模塊系統(tǒng)涉及的元技術(shù)種類最少。

圖3 芯片光刻工藝網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)Fig.3 Network system of chip lithography technology

就模塊子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)密度而言，曝光顯影子模塊和光刻膠子模塊網(wǎng)絡(luò)密度均為0.28，刻蝕子模塊網(wǎng)絡(luò)密度較大，為0.37，表明刻蝕子模塊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中元技術(shù)關(guān)聯(lián)關(guān)系較曝光顯影和光刻膠子模塊更緊密。

3.3.2 芯片光刻工藝網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)解析

(1)指標(biāo)解析。上述點度中心性、接近中心性和中介中心性三者構(gòu)成綜合指標(biāo)I，用來衡量元技術(shù)在子模塊技術(shù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的重要性。本文根據(jù)重要性指標(biāo)將元技術(shù)分為3個群體，分別為核心元技術(shù)(I>1)、基本元技術(shù)(0

表2 刻蝕子模塊元技術(shù)結(jié)構(gòu)指標(biāo)Tab.2 Element Technical structure index of etching submodule element

(2)芯片光刻工藝2016-2020年網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。根據(jù)元技術(shù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征構(gòu)建光刻工藝集成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，得到如圖4所示的具有同心圓結(jié)構(gòu)的技術(shù)集成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。其中，每個子模塊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)都由3個相互關(guān)聯(lián)的同心圓組成，最中心圓弧為核心元技術(shù)，中間圓弧為基本元技術(shù)，外圍圓弧為輔助元技術(shù)。從中可見，芯片光刻工藝體系由曝光顯影、刻蝕和光刻膠3個技術(shù)子模塊組成，三者在芯片光刻工藝系統(tǒng)中所占比重分別為45.5%、39.6%和14.9%。第一，曝光顯影子模塊核心元技術(shù)占比85.3%，包括基本電氣元件、電通信技術(shù)、點記錄術(shù)、測量測試、計算術(shù)、光學(xué)技術(shù)和衛(wèi)生學(xué)技術(shù)；基本技術(shù)占比12.1%，包括顯示技術(shù)、其它電技術(shù)及基本電子電路技術(shù)；輔助技術(shù)占比2.6%，包括信息存儲技術(shù)、晶體生長技術(shù)、層狀產(chǎn)品技術(shù)和制冷制熱技術(shù)。第二，刻蝕子模塊核心元技術(shù)占比84.3%，包括有基本電氣元件、表面處理技術(shù)和電記錄術(shù)；基本技術(shù)占比12.3%，包括其它電技術(shù)、燃料涂料拋光劑技術(shù)和微觀結(jié)構(gòu)技術(shù)等；輔助技術(shù)占比3.4%，包括有機化學(xué)技術(shù)、拋光技術(shù)和有機高分子化合物技術(shù)等。第三，光刻膠子模塊核心元技術(shù)占比69.2%，包括基本電器元件、電記錄術(shù)、有機高分子化合物技術(shù)、燃料涂料拋光劑技術(shù)和測量測試技術(shù)；基本技術(shù)占比27.2%，包括其它電技術(shù)、光學(xué)技術(shù)和納米技術(shù)等；輔助技術(shù)占比3.6%，包括生物化學(xué)或遺傳工程技術(shù)、顯示技術(shù)和照明技術(shù)等。

3.3.3 芯片光刻工藝集成創(chuàng)新

為避免技術(shù)元素種類變化和技術(shù)元素間關(guān)聯(lián)關(guān)系變化帶來的干擾，本文以芯片光刻工藝兩階段系統(tǒng)共存的技術(shù)元素群體為研究對象。對比芯片光刻工藝2011-2015年和2016-2020年兩階段網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，提取共同局部網(wǎng)絡(luò)，計算相應(yīng)技術(shù)元素比重變化，從技術(shù)系統(tǒng)和技術(shù)子模塊兩個層面解析芯片光刻工藝系統(tǒng)集成創(chuàng)新。芯片光刻工藝系統(tǒng)集成結(jié)構(gòu)變化見圖5，節(jié)點大小對應(yīng)元技術(shù)變化幅度。

(1)子模塊到技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)調(diào)整。從技術(shù)系統(tǒng)層面看，在技術(shù)系統(tǒng)進化過程中，光刻工藝技術(shù)由三角形abc區(qū)域變?yōu)閍’b’c’區(qū)域，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)得以調(diào)整。光刻工藝3個子模塊相對比重發(fā)生變化，曝光顯影模塊從第一階段的46.7%降至45.5%，同比下降2.6%；光刻膠模塊由第一階段的13.8%升至14.9%，同比增長8%；而刻蝕模塊在兩階段中的比重?zé)o明顯變化。

(2)元技術(shù)到子模塊結(jié)構(gòu)調(diào)整。在芯片光刻工藝原系統(tǒng)向功能更強大的新系統(tǒng)進化過程中，3個子模塊元技術(shù)網(wǎng)絡(luò)次級系統(tǒng)均發(fā)生較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)變化。在曝光顯影模塊中，核心元技術(shù)整體同比下降0.6%，基本元技術(shù)整體同比增長2.5%，輔助元技術(shù)整體同比下降20.7%。具體而言，在核心元技術(shù)中，增長較為明顯的是點記錄術(shù)，增幅為14%；下降幅度較為顯著的是衛(wèi)生學(xué)技術(shù)、計算術(shù)，降幅分別為39%和18%。在基本元技術(shù)中，同比增長幅度較大的是核物理核工程、噴射或霧化技術(shù)、納米技術(shù)，增幅分別為232%、76%和66%；減少幅度較大的是一般物理化學(xué)方法或裝置及有機化學(xué)技術(shù)，降幅均在40%以上。輔助元技術(shù)中增長幅度較大的是一般熱交換技術(shù)、繪圖器具技術(shù)、一般門窗卷軸簾，同比增幅分別為232%、149%和149%；減少幅度較大的元技術(shù)是鐵門窗等零件技術(shù)和運動娛樂活動，降幅均在70%以上。

在刻蝕模塊中，核心元技術(shù)整體同比下降1.5%，基本元技術(shù)整體同比增長4.5%，輔助元技術(shù)整體同比增長21%。其中，核心元技術(shù)中變化較明顯的是微觀結(jié)構(gòu)技術(shù)，同比增長16%，剩余同比變化幅度均在10%以下。基本元技術(shù)中增長較明顯的是噴射和霧化技術(shù)，同比增長幅度均為166%；比重下降較明顯的是一般物理化學(xué)方法或裝置、染料涂料拋光劑技術(shù)、電解電泳技術(shù)，同比下降幅度分別為46%和40%。在輔助元技術(shù)群體中，增長幅度較大的是氣體液體貯存分配技術(shù)、裝飾技術(shù)和供熱通風(fēng)技術(shù)，同比增幅均在240%以上；減少幅度較大的是衛(wèi)生學(xué)技術(shù)、冶金或合金處理和手動工具技術(shù)，同比下降幅度均在70%以上。

圖4 光刻工藝系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 Network system structure of lithography technology system

圖5 芯片光刻工藝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)調(diào)整Fig.5 Structure adjustment of chip lithography technology system

在光刻膠子模塊中，核心元技術(shù)比重增幅為2.1%，基本元技術(shù)同比下降2.8%，輔助元技術(shù)較上期增長8.8%。其中，核心元技術(shù)增長較明顯的是基本電器元件，增幅為21%；比重下降較明顯的是測量測試、衛(wèi)生學(xué)技術(shù)，降幅分別為34%和32%?；驹夹g(shù)中增幅較大的是印刷打字排版模印機技術(shù)、電解電泳技術(shù)、噴射或霧化技術(shù)，增幅分別為208%、121%和109%；減少幅度較大的是發(fā)電、變電和配電技術(shù)、計算術(shù)、廢水污水處理，減少幅度分別為68%、52%和47%。在輔助元技術(shù)中，增長幅度較大的是裝飾技術(shù)、晶體生長技術(shù)和信息存儲技術(shù)，增幅皆是前一階段的1.5倍以上；減少幅度較大的是附加制造技術(shù)、冶金或合金制造技術(shù)和家具設(shè)備技術(shù)，降幅均在70%以上。

綜上所述，當(dāng)技術(shù)元素種類和關(guān)聯(lián)關(guān)系不變時，通過調(diào)整芯片光刻工藝原系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，能夠產(chǎn)生結(jié)構(gòu)更合理、更協(xié)調(diào)且各組成部分之間配合更高效的新技術(shù)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)調(diào)整是技術(shù)系統(tǒng)創(chuàng)新的一種有效途徑。

4 結(jié)論與啟示

4.1 研究結(jié)論

本研究以技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)再造為切入點，構(gòu)建芯片制造技術(shù)系統(tǒng)集成創(chuàng)新微觀機理理論解釋框架，以芯片光刻工藝專利數(shù)據(jù)為研究對象，得出以下結(jié)論：第一，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)再造是實現(xiàn)技術(shù)集成創(chuàng)新的一種有效途徑。在技術(shù)資源集成過程中，調(diào)整或重構(gòu)技術(shù)系統(tǒng)內(nèi)部元素之間的線性或非線性集成規(guī)則，促使系統(tǒng)各部分更加協(xié)調(diào)、相互配合更加高效，從而推動原技術(shù)系統(tǒng)向更適應(yīng)當(dāng)前技術(shù)發(fā)展要求的新系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。第二，芯片制造技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化原因包括技術(shù)元素種類變化、技術(shù)元素間關(guān)聯(lián)關(guān)系變化和技術(shù)元素比重變化3種，3種因素均會引發(fā)不同程度的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)再造。第三，根據(jù)結(jié)構(gòu)變化程度不同，可將結(jié)構(gòu)再造分為結(jié)構(gòu)調(diào)整和結(jié)構(gòu)重組兩種類型。

4.2 研究啟示

根據(jù)上述研究結(jié)論，本文提出如下實踐啟示：

(1)政府層面。一方面，政府應(yīng)制定相應(yīng)激勵政策，鼓勵芯片制造重大復(fù)雜技術(shù)領(lǐng)域基本創(chuàng)新原理研究，構(gòu)建相應(yīng)國家級創(chuàng)新平臺，以核心技術(shù)基礎(chǔ)原理研究為中心，集成不同社會領(lǐng)域資源，為基礎(chǔ)性研究集成創(chuàng)新營造良好環(huán)境；另一方面，政府還應(yīng)完善知識產(chǎn)權(quán)保護制度，加強對知識產(chǎn)權(quán)和創(chuàng)新成果的保護，保障社會各主體之間集成創(chuàng)新活動的順利開展。

(2)企業(yè)層面。一方面，企業(yè)應(yīng)重視技術(shù)創(chuàng)新原理研究，為研發(fā)人員深入理解創(chuàng)新原理提供有利條件；另一方面，企業(yè)應(yīng)制定合理的人才引進政策，積極構(gòu)建一個集多學(xué)科、多領(lǐng)域人才于一體的技術(shù)研發(fā)團隊，打造開放、合作的企業(yè)文化，積極主動與外界建立連接，建立有效溝通機制，提高企業(yè)內(nèi)外部人員跨組織、跨團隊、跨項目交流效率，最大化集成企業(yè)內(nèi)外部顯性知識和隱性知識，提升企業(yè)自身資源集成能力。

(3)技術(shù)人員層面。一方面，研發(fā)人員應(yīng)在深入理解芯片制造復(fù)雜技術(shù)創(chuàng)新原理的基礎(chǔ)上培養(yǎng)自身集成創(chuàng)新思維，以系統(tǒng)結(jié)構(gòu)再造為視角，在技術(shù)創(chuàng)新實踐中更新技術(shù)組成元素、改進技術(shù)元素間關(guān)聯(lián)關(guān)系或改變技術(shù)組成元素比重，調(diào)整或重組原技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，為核心技術(shù)突破提供更多可能；另一方面，研發(fā)人員還應(yīng)提升自身對技術(shù)市場變化的敏感性，實時關(guān)注本領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展情況和相關(guān)領(lǐng)域新技術(shù)內(nèi)容，為芯片制造技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)再造提供更多可供選擇的技術(shù)元素。

4.3 不足與展望

芯片制造技術(shù)是關(guān)乎國家安全和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵核心技術(shù)，其創(chuàng)新管理是典型的系統(tǒng)工程，需要不同領(lǐng)域、不同學(xué)科的創(chuàng)新主體共同協(xié)作完成，不僅要重視微觀技術(shù)層面的創(chuàng)新機理研究，同時也要加強學(xué)科、知識等層面的創(chuàng)新機理探索。未來可進一步關(guān)注如下議題：一是芯片制造技術(shù)跨學(xué)科交互創(chuàng)新機理研究，對比分析該領(lǐng)域的學(xué)科分布特征，探索不同學(xué)科之間的交互作用類型以及如何推動芯片制造技術(shù)功能改進；二是芯片制造技術(shù)知識融合創(chuàng)新機理，分析不同類型知識的非線性作用如何促進芯片制造技術(shù)創(chuàng)新，以及知識異質(zhì)性、知識寬度等融合特征如何影響芯片制造技術(shù)的創(chuàng)新效果；三是探索芯片制造技術(shù)創(chuàng)新活動與復(fù)雜系統(tǒng)管理理論的契合性，結(jié)合我國制度環(huán)境及社會發(fā)展階段特征，探索出一條具有中國特色的芯片技術(shù)自主創(chuàng)新道路。