姜 迪 徐 寅 陳長益 芮雯奕

（1.江蘇科學技術情報研究所，江蘇南京 210042；2.移動集團江蘇分公司，江蘇南京 210029）

0 引言

早在2016年，國際專利檢索公司QUESTEL發(fā)布的《芯片行業(yè)專利分析及專利組合質量評估》報告指出，中國近10年芯片專利增長驚人，已成為芯片專利申請第一大國[1]。然而，雖然我國芯片專利申請量位居世界前列，但據國務院發(fā)布的數據顯示，2019年我國芯片自給率卻僅為30%左右[2]，高端芯片嚴重依賴進口。隨著中美貿易戰(zhàn)的加劇，美國對華為芯片實施制裁和打壓，全面封鎖華為芯片采購，高端芯片的制造已成為我國當下最關心，也是急需解決的“卡脖子”問題。生產芯片的核心設備是光刻機。全球能夠生產高端芯片的極紫外（EUV）光刻機的只有荷蘭的阿斯麥以及日本的尼康、佳能?，F(xiàn)階段我國只能生產中低端光刻機，難以滿足高端芯片制造的需求。

專利記載了發(fā)明創(chuàng)造的內容，是技術信息最有效的載體。分析專利文獻可以掌握技術發(fā)展趨勢，實現(xiàn)其特有的經濟價值。為探究高端光刻機制造難的原因，有學者從光源、抗蝕劑、防護膜等方面對EUV光刻技術進行了難點分析[3]，但從專利角度進行分析的卻很少。通過文獻檢索發(fā)現(xiàn)，只是對光刻機的曝光系統(tǒng)中物鏡拋光技術[4]、光刻膠[5]、無掩蓋光刻技術[6]、對準技術[7]進行了專利分析，而針對光刻技術特別是EUV光刻技術的專利分析研究卻非常少。在這極少的研究中涉及的數據樣本還比較陳舊，不能很好地反映EUV光刻技術發(fā)展現(xiàn)狀[8]。因此，本文將從專利的角度分析EUV光刻技術領域的發(fā)展趨勢、技術分布、競爭態(tài)勢和專利布局，挖掘我國大陸EUV光刻技術與發(fā)達國家/地區(qū)的技術發(fā)展差距，提出擺脫芯片“核芯”技術受制于人困境的對策建議。

1 芯片產業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 芯片產業(yè)鏈

隨著我國集成電路產業(yè)的發(fā)展，芯片產業(yè)已具有一定的規(guī)模，從芯片設計到芯片應用形成了產業(yè)鏈。從芯片產業(yè)鏈來看，上游主要包括設計、制造、封測等制造環(huán)節(jié)；中游主要包括功率半導體芯片、射頻芯片、WiFi芯片、藍牙芯片、存儲芯片等產品；下游主要包括消費電子（手機、PC平板、可穿戴設備等）、汽車電子（車載攝像頭、雷達、傳感器等）、新型創(chuàng)新（物聯(lián)網、虛擬現(xiàn)實技術VR、增強現(xiàn)實技術AR）等應用領域（圖1）。

1.2 我國芯片發(fā)展格局

長期以來，我國國內芯片集成電路行業(yè)產業(yè)鏈中最具競爭力環(huán)節(jié)是封測產業(yè)，目前已具備了規(guī)模和技術基礎，發(fā)展了凸塊技術、晶圓級封裝和3D堆疊封裝等先進技術，設計業(yè)自主發(fā)展迅速，群雄并起，華為海思、紫光展銳已進入全球前10 位。

圖1 芯片行業(yè)產業(yè)鏈示意

然而，目前芯片制造業(yè)依舊是我國大陸芯片產業(yè)中最為薄弱的領域。在芯片制造工藝方面，我國臺灣的臺積電、韓國的三星已演化到最新一代5 nm工藝制程，下一代4 nm、3 nm也在穩(wěn)步推進之中。而中芯國際作為我國大陸最先進的芯片制造企業(yè)，僅有14 nm工藝制程，遠落后于國際水平。光刻機是芯片制造的核心設備，被譽為芯片之母。目前我國量產的仍然是90 nm以下的中低端光刻機，而全球擁有制造高端芯片的EUV光刻機技術的只有荷蘭ASML以及日本尼康和佳能，這些核心裝備用錢是買不來的[9]。從產業(yè)鏈發(fā)展格局看，EUV光刻機技術是我國芯片的主要“卡脖子”技術問題。

1.3 我國芯片市場發(fā)展情況

從產業(yè)結構來看，我國芯片產業(yè)結構依然不均衡，制造業(yè)比重相對過低，2019年我國芯片設計、制造、封測三業(yè)銷售收入比重分別為40.5%、28.4%、31.1%，而技術發(fā)達國家的設計、制造、封測三業(yè)占比一般為3:4:3。從市場份額來看，2013—2018年，我國芯片產業(yè)銷售額由368.9 億美元增加至約955 億美元，市場規(guī)模復合增長率達14.5%，全球市場占比提升至20%，成為全球芯片消費的主要市場（圖2）。從芯片自給率來看，2019年我國芯片的進口金額為3 040 億美元，芯片自給率僅為30%左右，芯片制造設備自給率不到20%。

通過以上分析可以看出，芯片制造工藝水平低下是芯片產業(yè)鏈中最為薄弱的環(huán)節(jié)，芯片自給率低，芯片制造設備嚴重依賴進口。高端芯片制造的核心設備是EUV光刻機。本文將從專利分析角度對全球EUV光刻技術進行發(fā)展趨勢、技術分布、競爭態(tài)勢和專利布局分析，從專利視角挖掘我國大陸EUV光刻技術與發(fā)達國家/地區(qū)的技術發(fā)展差距。

2 全球EUV光刻技術專利分析

本文采用Derwent Innovation專利信息檢索分析平臺作為芯片技術專利數據的信息來源。根據EUV光刻技術的分類和特點，以“LITHOGRAPHY/ Mask ADJ Aligner”“integrated circuit/IC/chip/microcircuit/microchip”“Extreme Ultraviolet/EUV”等為檢索關鍵詞構建檢索式，以1990年為檢索的起點時間，經清洗和人工篩選后，共得到13 530 件專利，其中德溫特世界專利索引（Derwent World Patents Index，DWPI）同族數量有4 837 件。由于專利申請存在18 個月不等的公開滯后，2019—2020年并不代表全年完整數據，僅作參考[10]。本文專利檢索時間為2020年11月28日。

圖2 2013—2018年我國芯片產業(yè)銷售額及全球占比

2.1 專利申請趨勢

以全部專利數據為數據源分析EUV光刻技術專利申請趨勢。由圖3可知，1997年之前，EUV光刻技術發(fā)展較為緩慢，每年專利申請數量僅為個位數。1998年到2004年期間，由于集成電路行業(yè)巨頭的關注，EUV光刻技術逐步引起越來越多研發(fā)機構的重視，EUV光刻技術申請量開始呈現(xiàn)爆發(fā)式增長趨勢[7]，2004年申請量是1998年的6.7 倍。在2005年到2007年期間，業(yè)界對EUV技術的研發(fā)遠不如預期，相關專利申請量出現(xiàn)了下降趨勢。2008年以后，芯片晶體管逐步向22 nm、10 nm、7 nm，甚至更小尺寸發(fā)展，傳統(tǒng)的浸沒式光刻技術無法滿足生產要求，且雙重光刻等其他光刻技術的成本迅速上升，因此業(yè)內人士再次對EUV光刻抱以期望[8]，2013年EUV光刻技術申請量達到884 件，比2008年增長了187件。根據摩爾定律，EUV光刻技術達到更小尺寸工藝時也將遇到更大的發(fā)展瓶頸，因此2014年以來，EUV光刻技術專利申請量略有下降，每年都在600 ～800 件。

以家族申請量為數據源，分析EUV光刻技術的技術來源國/地區(qū)專利申請趨勢。從圖4可以看出，日本于1990年開始申請EUV光刻技術專利，是申請最早的技術來源國，美國緊隨其后，其次是德國、歐專局。而中國大陸作為技術來源國/地區(qū)的專利申請起步較晚，晚于發(fā)達國家10年以上，同時申請總量排名第五，僅為技術來源國/地區(qū)專利申請量最多的日本的1/10。

2.2 主要技術領域

通過表1可知，全球EUV光刻技術的研究主要集中在G03F（半導體器件的加工工藝、感光材料）、H01L（半導體器件）等大組。進一步細分可以發(fā)現(xiàn)，熱點技術主要分布于G03F 7/20（曝光及其設備）、H01L 21/027（在半導體之上制作掩膜）、G03F 7/039（可光降解的高分子化合物，如正電子抗蝕劑）、G03F 7/004（感光材料），分別占同族專利總數的47.8%、41.1%、16.3%、16.1%。其次是H05G 2/00（專用于產生X射線的設備或方法）、G03F 1/24（反射掩膜及其制備）、G03F 7/038（不溶或非均勻可濕的光敏材料），占比分別為10.2%、9.6%、6.1%。這表明全球EUV光刻技術的研究主要聚焦于曝光設備、掩膜、感光材料、可光降解的高分子化合物、X射線產生設備、光敏材料、光學鏡子等技術領域。

圖3 全球EUV光刻技術領域專利申請趨勢

圖4 EUV光刻技術的技術來源國/地區(qū)專利申請趨勢

表1 全球EUV光刻領域專利數量前十的熱點技術專題

從表2來看，各技術方向國內外申請比例不一，但我國大陸在熱點技術方向的申請占比均很少，其中占比最多的是G03F 7/20（曝光及其設備），也僅有4.6%，H05G 2/00、G02B 5/08 次之。由此可以看出，我國大陸在EUV光刻技術領域的技術實力還遠遠落后于技術發(fā)達國家/地區(qū)。

2.3 主要申請人分析

由表3分析可知，全球EUV光刻專利申請量最多的是荷蘭的阿斯麥公司；其次是日本的富士、尼康和中國臺灣的臺積電。從所屬國家來看，在全球前10 位的申請人中，荷蘭有阿斯麥和已經被阿斯麥收購的CYMER，日本占5 席，德國占1 席，美國占1 席。

表2 全球EUV光刻技術專利TOP 10 技術方向中國大陸外申請分布

同時，表3還列出了EUV光刻技術領域主要申請人的重點技術方向。全球申請量前10 位的申請人所研究的技術主要集中在G03F 7/20、H01L 21/027、G03F 7/039、G03F 7/004、H05G 2/00、G03F 1/24 等領域，其中研究最多的就是G03F 7/20（曝光設備）。其中，阿斯麥、臺積電、卡爾蔡司在曝光設備方面研發(fā)最多，尼康、佳能、IBM重點關注掩膜技術。

圖5為申請量前10 位的專利申請人布局圖。從圖5中可以看出，阿斯麥在本國申請的專利特別少，它側重于在全球主要申請國進行均勻布局，其中在美國的專利申請量占比達22.9%，而日本的富士和尼康均以本國申請為主，再在其他國家均勻布局。臺積電和阿斯麥類似，主要在其他國家/地區(qū)進行專利布局，在中國臺灣地區(qū)申請的專利只有41 件，是布局在美國專利數量的1/4。

2.4 區(qū)域分布

由EUV光刻技術的全部專利數分析可以得到，排名靠前的申請國家/地區(qū)以及組織機構為日本、美國、韓國、中國大陸、中國臺灣、世界知識產權組織、歐洲專利局、德國、荷蘭。統(tǒng)計分析可以看出（圖6），日本申請量最多，主要來自本國申請，其他主要來自美國、歐洲專利局、德國；美國申請量排名第二，同樣也是本國申請量最多，其他主要來自日本、歐洲專利局、德國。美國、日本、德國是申請世界知識產權組織（PCT）專利的主要國家，說明這3 個國家比較重視EUV光刻專利的全球布局。中國大陸申請量排名第四，只有18.7%的專利來自本國申請，申請中國大陸優(yōu)先權的專利有275 件，進入其他國家/地區(qū)的只有16 件?？梢钥闯?，中國大陸的本國申請數量比其他國家 / 地區(qū)在中國大陸布局的專利數量少，同時中國大陸在其他國家/地區(qū)布局的專利也微乎其微，說明中國大陸在EUV光刻領域有一些專利申請，但與該領域技術強國的差距很大。這里值得關注的是荷蘭。荷蘭申請量僅有137 件，且主要來自美國、歐洲專利局，荷蘭優(yōu)先權數量也僅有34 件，而荷蘭擁有世界最先進光刻技術的阿斯麥公司，申請專利高達3 127件，遠遠超過了荷蘭申請量和荷蘭優(yōu)先權數量，說明荷蘭主要在國外布局大量專利和申請國外的優(yōu)先權。

表3 全球EUV光刻專利申請人前十

圖5 EUV光刻技術主要申請人的申請國/地區(qū)分布

2.5 分析小結

通過專利分析可知，EUV光刻技術正處于平穩(wěn)發(fā)展期。中國大陸作為技術來源國/地區(qū)進行專利申請起步較晚，且專利申請量僅有日本的1/10；中國大陸在全球EUV光刻熱點技術方向的申請均很少，其中申請最多的是曝光設備方向，全球占比僅有4.6%；在全球專利申請量排名前10 的主要申請人中，申請量最多的是荷蘭阿斯麥，日本占據5 席；在全球EUV光刻技術申請量排名中，中國大陸申請量排名第四，但只有18.7%的專利來自本國申請，其余申請主要來自美國和日本等國的在華申請；在全球EUV光刻技術的專利布局中，荷蘭在國外布局大量專利和申請國外優(yōu)先權，而中國大陸在其他國家/地區(qū)布局的專利微乎其微。

3 結論與建議

本文從芯片的產業(yè)現(xiàn)狀和發(fā)展格局入手，梳理出我國芯片產業(yè)鏈上的“卡脖子”環(huán)節(jié)是“高端芯片制造的EUV光刻技術”，然后從專利角度分析我國大陸EUV光刻技術與發(fā)達國家/地區(qū)的申請趨勢、技術分布、競爭態(tài)勢和專利布局的差距，得到以下分析結論，并提出相應的對策建議。

圖6 EUV光刻技術主要申請國/地區(qū)的技術來源國/地區(qū)分布

（1）通過芯片產業(yè)分析得知，我國大陸芯片制造業(yè)是芯片產業(yè)中最為薄弱的環(huán)節(jié)，芯片工藝制程遠遠落后于國外發(fā)達國家/地區(qū)水平，生產高端芯片的核心設備光刻機嚴重依賴進口。通過對EUV光刻技術進行專利分析可知，荷蘭、美國、日本等發(fā)達國家EUV光刻技術專利申請方面起步較早，在海外布局的專利很多，已經形成了很強的專利壁壘，而我國大陸在EUV光刻各熱點技術領域的專利申請量均很少，在海外布局的專利更少，因此我國大陸的芯片制造嚴重受制于人。

（2）基于以上芯片“卡脖子”問題分析研究，從以下3 個方面提出建議：一是積極攻克芯片制造的技術短板問題。建議國家進一步集中科研力量，聯(lián)合上海微電子等光刻機研發(fā)廠家，聚焦EUV光刻技術，推動光刻領域的曝光、光源、鏡頭、光刻機、掩膜等核心技術的持續(xù)創(chuàng)新，盡快突破一系列光刻核心技術難題，逐步實現(xiàn)具有先進工藝制程的光刻機國產化替代。二是深化轉型，提升產業(yè)協(xié)同與集中度。打通芯片生產全產業(yè)鏈，建立設計、制造、封測企業(yè)之間良好的溝通渠道，縮短研發(fā)周期，提高生產效率，打造可以獨立完成設計、制造和封測所有環(huán)節(jié)的企業(yè)；在區(qū)位布局上，應推動三業(yè)形成產業(yè)集聚，積極引導集成電路企業(yè)與整機廠商對接，促進協(xié)同發(fā)展；積極融入全球化進程，在全球范圍內加強合作和對外交流，共同打造芯片產業(yè)鏈，使它更加健康可持續(xù)發(fā)展[11-12]。三是換道超車，突破專利壁壘。加強在芯片制造、計算、應用發(fā)展的領域布局，從5G+工業(yè)互聯(lián)網、人工智能等新一代技術等角度尋求新興領域的突破，避開國外發(fā)達國家在芯片傳統(tǒng)領域的專利壁壘，實現(xiàn)“換道超車”。

（3）本文僅圍繞芯片的其中一個重要“卡脖子”環(huán)節(jié)即EUV光刻技術進行專利分析。由于篇幅有限，專利分析未能向法律狀態(tài)信息、引文信息、核心專利等方面深入開展，且僅從專利挖掘信息，研究存在一定的局限性。未來可以進一步從政策、產業(yè)、市場、人才、技術等多方面視角進行剖析，也可以從芯片的其他“卡脖子”問題入手，挖掘出更多有價值的情報。