基于文獻計量的全球光刻機領域發(fā)展態(tài)勢研究

文/王楊，阮妹，楊夢雨，王茜

光刻機又名掩模對準曝光機、曝光系統(tǒng)、光刻系統(tǒng)等，是大規(guī)模半導體制造的核心設備，它的精度決定了芯片制程的精度，被譽為半導體工業(yè)皇冠上的明珠。全球高精度半導體用光刻機主要來自荷蘭的ASML以及日本的Nikon和Canon這三家公司，而最頂級的EUV光刻機僅有ASML公司能夠生產(chǎn)，最高能支持2nm芯片的制造，而我國光刻機領域最為領先的上海微電子裝備公司目前僅能生產(chǎn)90nm工藝制程的光刻機。

我國在光刻機領域與國外存在較大差距，因此，對于光刻機領域的全球發(fā)展態(tài)勢研究是極為重要的，不僅可以及時掌握光刻機技術的最新研究進展，為國內(nèi)光刻機領域的發(fā)展指明方向，還能夠為相關科技政策的制定提供參考和借鑒。

國外機構在光刻機領域處于壟斷地位，國內(nèi)光刻技術的研究起步相對較晚，對于光刻機的研究基本上是追隨國外機構的研究步伐。目前，國內(nèi)對光刻機的研究主要集中在深入研究先進光刻機的技術、改進光學元件和精密器件以及對已有光刻技術的創(chuàng)新三個方面。

文獻計量法利用數(shù)學、統(tǒng)計學等方法，對學術成果進行評價，客觀分析某一領域的發(fā)展現(xiàn)狀、研究熱點和趨勢等。目前，鮮少有國內(nèi)學者利用文獻計量的方法對全球光刻機領域的發(fā)展趨勢做系統(tǒng)梳理，但是與光刻機研發(fā)密切相關的集成電路、數(shù)學和機械工程等領域，仍有不少學者利用文獻計量法對該領域的發(fā)展趨勢展開研究。

一、方法與數(shù)據(jù)

本文基于文獻計量法，從專利和論文的角度出發(fā)，通過分析科研成果的年度分布、研究熱點變遷、知名機構的區(qū)域分布，剖析全球光刻機領域的發(fā)展趨勢及研究熱點，并重點研究國內(nèi)外光刻機領域的領先機構——ASML公司和上海微電子裝備公司，探討我國與國外光刻機領先機構的技術差距和不足，并提出相應的建議，以期為學者們的科研工作、光刻機領域的學術交流提供有價值的參考，同時為國家科技政策的制定提供借鑒。

本文的數(shù)據(jù)來源主要有專利與論文數(shù)據(jù)，其中專利數(shù)據(jù)來源于上海市研發(fā)公共服務平臺管理中心的自有專利數(shù)據(jù)庫。

二、全球光刻技術的發(fā)展趨勢及現(xiàn)狀

高新技術產(chǎn)品的發(fā)展往往伴隨著領先的理論研究與不斷更迭的技術創(chuàng)新，本文從專利和論文這兩個角度，分析全球光刻技術的理論研究現(xiàn)狀和技術發(fā)展趨勢。

(一）全球技術創(chuàng)新與理論研究現(xiàn)狀

1.科研成果年度分布

本文對自1990年至2019年的基礎研究與專利申請進行分析，發(fā)現(xiàn)光刻機領域申請專利數(shù)與論文發(fā)表數(shù)相當，自2000年以來對該領域的研究一直處于活躍狀態(tài)，如圖1所示。

其中，英文專利的申請在2004年達到峰值后回落，在2017年左右再次出現(xiàn)了一個階段性的小高峰；中文專利則自2002年后一直穩(wěn)步上升，于近年達到千量級別。在論文產(chǎn)出方面，2003年至2005年是全球理論研究產(chǎn)出增長最迅速的階段，并于2008年左右達到頂峰，而后緩慢下降。通過對光刻機領域的研究產(chǎn)出發(fā)展態(tài)勢進行分析，可以發(fā)現(xiàn)21世紀初期是光刻機領域理論研究和技術創(chuàng)新的加速發(fā)展期。EUV LLC聯(lián)盟的幾百位科學家發(fā)表了大量論文，證明EUV光刻機可行性的時間點；2004年，ASML和臺積電共同研發(fā)出第一臺浸潤式微影機；同年，尼康宣布了157 nm的干式光刻機和電子束投射產(chǎn)品樣機。

2.國內(nèi)外專利研究熱點變遷

對熱點的研究方向變遷進行分析可以了解該領域的研究狀態(tài)及研究趨向。研究發(fā)現(xiàn)，英文專利中，光源、光學系統(tǒng)、光學元件的研究熱度比較高。隨著EUV光刻機的量產(chǎn)，浸沒式液體等有關浸沒式光刻機的研究熱度逐漸降低。

比較來看，近幾年中文專利中關于“曝光設備”“PCB板”“曝光光源”的研究比較熱門。國內(nèi)EUV光刻機相關技術的研究熱度比較低。由此推知，在國外機構對EUV光刻機技術有了重大突破后，我國依舊對EUV光刻機相關的技術缺乏研究。

3.國內(nèi)外知名機構區(qū)域分布

機構尤其是企業(yè)，是技術領域創(chuàng)新的主體。EUV光刻機的誕生即是由企業(yè)聯(lián)合科研院所完成理論可行性的論證后，再由企業(yè)完成產(chǎn)品化到量產(chǎn)的過程。從地域分布來看，全球光刻機領域的巨頭ASML公司（荷蘭）和CARL ZEISS SMT GMBH（德國）均位于歐洲。日本公司曾是光刻機領域的巨頭，自2002年ASML公司生產(chǎn)出浸入式光刻機XT：1700i之后，日本公司逐漸失去了在光刻機領域的優(yōu)勢地位，目前只在中低端領域占據(jù)較多的市場份額。

國內(nèi)知名機構臺灣積體電路制造股份有限公司（簡稱：臺積電）是全球三大半導體公司之一，本身也具有較強的科研實力，并已與ASML公司展開深度合作。其余研究機構主要集中在北京、上海，以高校和科研院所為主。而實驗室生產(chǎn)的光刻機樣品與實際生產(chǎn)活動中使用的光刻機仍存在一定的差距，高校和科研機構需要與半導體制造商進一步加強合作，了解光刻機的生產(chǎn)需求。

（二）國內(nèi)外重點技術創(chuàng)新主體對比研究

本文以全球光刻機領域的巨頭——ASML和國內(nèi)光刻機領域的領導者——上海微電子裝備（集團）股份有限公司（以下簡稱“上海微電子”）為例，從企業(yè)技術創(chuàng)新成果對國內(nèi)外光刻機技術創(chuàng)新主體的研究特點和研究方向變遷進行比較。

ASML成立于1984年，是飛利浦旗下的一家合資小公司，公司自1997年起持續(xù)有光刻機專利產(chǎn)出。上海微電子成立于2002年，在2004年 開 始 在 光刻機專利方面有了突破，此時ASML已在專利申請上十分活躍。單從發(fā)展起步時間的角度來看，國內(nèi)機構就與國外機構存在一定差距。如圖2所示，上海微電子的發(fā)展過程較為平穩(wěn)，在2010年達到頂峰后，逐步維持在五十個以上的專利申請。而ASML雖然較2004年的巔峰時期回落，但每年申請的專利仍在上海微電子之上。

ASML公司在EUV輻射上的研究熱度在2012—2014年達到最高值，期間ASML收購了美國頂級光源企業(yè)Cymer，現(xiàn)今ASML為全球唯一一家能生產(chǎn)EUV光刻機的廠商。此外，基材臺和圖案輻射束是近幾年的研究熱點，而浸沒式液體以及浸沒式光刻設備熱度波動比較大，自2004年開始有一定量的技術成果，到2010年開始明顯降溫。

相比之下，上海微電子的研究主要集中在投影物鏡、測量系統(tǒng)等光學元件以及精密機械部件上，在EUV光刻機領域并未有太大的突破，這與我國光刻機領域的整體情況相一致。在研究進度方面，上海微電子要落后于ASML公司。

三、結論與建議

目前，ASML是光刻機行業(yè)的巨頭，在45nm以下高端光刻機設備市場占據(jù)份額高達80%以上。ASML公司在光刻機領域的壟斷地位與其在技術上的研發(fā)創(chuàng)新密不可分。因此，為進一步推動我國光刻機技術的發(fā)展，擴大我國在全球光刻機領域的影響力，本文從政產(chǎn)學研用多主體出發(fā)提出如下建議。

（1）在國家方面，政府加大扶持光刻機產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，設立專項基金，為光刻機企業(yè)提供部分研發(fā)資金。政府牽頭建立由政府、科研院所、光刻機制造商等協(xié)同參與的技術創(chuàng)新服務平臺，促進科研成果的共享和技術轉移。同時，政府積極制定光刻機領域的人才引進計劃，吸納國外的優(yōu)秀專家和學者。

（2）在企業(yè)方面，光刻機制造商可借鑒ASML公司的發(fā)展策略，建立優(yōu)勢技術互補和利益共享機制，形成從基礎研發(fā)、零部件研發(fā)制造到核心部件研發(fā)制造的技術鏈，建立自己的工藝研發(fā)生產(chǎn)線，共同推動光刻機領域的創(chuàng)新和發(fā)展。

（3）在科研機構和高校方面，科研院所和高校積極對接光刻機制造商和半導體制造商，掌握半導體制造商對光刻機的要求以及光刻機制造的技術難關，以企業(yè)需求為導向，積極開展科研攻關。高校與科研機構也可以與光刻機制造商聯(lián)合舉辦學術交流活動，為科研機構和企業(yè)建立一個穩(wěn)定的溝通交流平臺，促進科研成果的生產(chǎn)運用。