楊 武，陳 培，Gad David

(北京科技大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，北京 100083)

0 引言

隨著中美貿(mào)易摩擦升級，中國在芯片、傳感器、高端材料和設(shè)備、系統(tǒng)軟件等凸顯 “卡脖子”的被動局面[1]。近年來，發(fā)達(dá)國家大力推銷低端光刻機(jī)及低端芯片，但在高端光刻機(jī)上嚴(yán)控對我國的銷售。在美國施壓下，甚至扣押了高端光刻機(jī)EUV系列的出口許可證。這種技術(shù)戰(zhàn)略使得后發(fā)國家的技術(shù)長期鎖定在發(fā)達(dá)國家不愿意做的低端技術(shù)上，并且對發(fā)達(dá)國家的技術(shù)形成依賴。因此， “卡脖子”技術(shù)很容易被技術(shù)供給方壓制，技術(shù)威脅性極強(qiáng)[2]。對于后發(fā)國家來說，交流和吸收發(fā)達(dá)國家的技術(shù)知識至關(guān)重要[3]，其中技術(shù)擴(kuò)散扮演了重要角色。技術(shù)擴(kuò)散是一個(gè)動態(tài)的、復(fù)雜的過程。在此過程中，技術(shù)信息被擴(kuò)散和交流，信息接受者學(xué)習(xí)、消化和吸收，這一過程伴隨著技術(shù)問題涌現(xiàn)、技術(shù)間博弈、新技術(shù)不斷調(diào)整再創(chuàng)新逐漸替代老技術(shù)等[4]。如果阻礙科學(xué)領(lǐng)域中中國與科技強(qiáng)國之間正常技術(shù)知識的交流，會極大阻礙科技強(qiáng)國向中國的知識溢出，將對中國技術(shù)創(chuàng)新產(chǎn)生一定的影響[3]。因此，探究 “卡脖子”技術(shù)代表——光刻技術(shù)擴(kuò)散的過程和特征顯得尤為重要。掌握光刻領(lǐng)域核心技術(shù)的發(fā)展與擴(kuò)散規(guī)律，把握技術(shù)突破機(jī)會，從而擺脫 “卡脖子”困局。

技術(shù)擴(kuò)散是新技術(shù)在使用者之間傳遞的過程，促進(jìn)國家、產(chǎn)業(yè)以及企業(yè)的技術(shù)進(jìn)步[3]。發(fā)明專利是重要的技術(shù)載體，反映最新技術(shù)知識的可靠來源和技術(shù)進(jìn)步的變化[4]。因此，本文所指的專利僅限發(fā)明專利。專利的引用關(guān)系體現(xiàn)了專利間的轉(zhuǎn)移、流動與繼承，使得專利之間產(chǎn)生了密切的關(guān)聯(lián)[5]，同時(shí)伴隨著知識的外溢和擴(kuò)散[6]，可以清晰地展示專利技術(shù)擴(kuò)散的整個(gè)過程[7]。許多學(xué)者達(dá)成共識：專利引用在測度技術(shù)知識擴(kuò)散和流動的指標(biāo)中具有絕對優(yōu)勢[3]，現(xiàn)階段基于專利引用的技術(shù)擴(kuò)散研究較為豐富，但仍存在以下局限。①基于專利視角的技術(shù)擴(kuò)散多是以引用數(shù)量或?qū)＠麛?shù)量的積累變化呈現(xiàn)技術(shù)擴(kuò)散的過程[8]，不能夠從技術(shù)內(nèi)容上體現(xiàn)其技術(shù)擴(kuò)散的路徑和特征，更罕見對技術(shù)擴(kuò)散的起源與擴(kuò)散方向的追蹤；②方法選擇上主要基于前向引用信息或是借助社會網(wǎng)絡(luò)對專利引用關(guān)系做了較簡單的可視化和節(jié)點(diǎn)中心測度[3,9]，對于一些前向引用較少的技術(shù)主體，往往忽略了其技術(shù)擴(kuò)散的潛力及特征，未能體現(xiàn)其在技術(shù)擴(kuò)散中的作用。③現(xiàn)有芯片 “卡脖子”技術(shù)的研究集中在整體半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展[10]、核心技術(shù)識別[11-12]和商業(yè)模式[13]等，具體到關(guān)鍵的 “卡脖子”技術(shù)擴(kuò)散和動態(tài)演化研究相對缺乏。光刻領(lǐng)域的技術(shù)擴(kuò)散過程充分體現(xiàn)了半導(dǎo)體芯片的發(fā)展歷程，是突破 “卡脖子”技術(shù)的關(guān)鍵，盡管光刻已成為世界范圍內(nèi)技術(shù)重點(diǎn)研究領(lǐng)域，但主要基于行業(yè)專家的主觀判斷和文本分析[14-15]，量化研究不充分導(dǎo)致對光刻技術(shù)的突破解釋力欠缺。

在中美貿(mào)易戰(zhàn)背景下， “卡脖子”技術(shù)的研究對于中國芯片乃至半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義。基于此，本文以光刻為例，通過引文網(wǎng)絡(luò)采用3種不同的主路徑分析方法，追蹤光刻領(lǐng)域的技術(shù)知識流動，從而描述光刻技術(shù)擴(kuò)散的動態(tài)變化過程，追溯技術(shù)起源與技術(shù)領(lǐng)域擴(kuò)散方向，識別該領(lǐng)域的核心技術(shù)和專利權(quán)人。結(jié)合國際專利分類號 (International Patent Classification，IPC)分析光刻技術(shù)在不同領(lǐng)域以及研發(fā)主體間的擴(kuò)散過程，判斷技術(shù)領(lǐng)域間融合與擴(kuò)散的趨勢，探索技術(shù)層面的知識流動與規(guī)律，有助于梳理技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)和技術(shù)創(chuàng)新的發(fā)展規(guī)律，為 “卡脖子”技術(shù)攻克提供準(zhǔn)確的信息和方向指引，提高光刻技術(shù)研發(fā)效率，實(shí)現(xiàn)光刻技術(shù)創(chuàng)新、擺脫供給方的技術(shù)控制，也對識別技術(shù)優(yōu)先領(lǐng)域、合理配置資源、突破 “卡脖子”技術(shù)具有重要意義。

1 研究方法

1.1 專利權(quán)人和技術(shù)領(lǐng)域評價(jià)指標(biāo)

為了探索技術(shù)知識的擴(kuò)散規(guī)律，需要從整體上把握專利權(quán)人的擴(kuò)散能力以及技術(shù)領(lǐng)域的擴(kuò)散程度[16]。IPC可以在一定程度上代表專利的技術(shù)領(lǐng)域范圍，以不同IPC號表征技術(shù)領(lǐng)域之間的知識流動[9]。本文采用g指數(shù)和h指數(shù)對光刻核心專利權(quán)人和技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行分析。

2005年Hirsch[17]首次提出用h指數(shù)測算研究人員的科研影響力。該定義為：若某科學(xué)家的H篇論文中，至少有h篇論文被引用h次，其余 (H-h)篇論文的被引次數(shù)都小于h，那么該科學(xué)家的h指數(shù)值為h。該方法備受關(guān)注，Guan等[18]將其引入專利技術(shù)領(lǐng)域，認(rèn)為通過h指數(shù)可識別出關(guān)鍵專利權(quán)人，若指數(shù)值大則說明該專利權(quán)人的專利價(jià)值高，被引用多，專利的技術(shù)擴(kuò)散能力較強(qiáng)。本文將h指數(shù)定義為：對于某一專利權(quán)人而言，如果在H項(xiàng)專利中，至少有h項(xiàng)專利被后來專利引用h次，其余 (H-h)項(xiàng)專利被后來專利引用次數(shù)不超過h次，那么該專利權(quán)人的h指數(shù)值為h。2006年Egghe[19]在h指數(shù)基礎(chǔ)上首次提出用g指數(shù)測度科研影響力。該定義為：若某科學(xué)家的G篇論文中，有g(shù)篇論文至少被引用了g2次，而 (g+1)篇論文的被引總數(shù)小于 (g+1)2，則該科學(xué)家的g指數(shù)值為g。同樣，本文將其引入專利技術(shù)領(lǐng)域。

h指數(shù)高的專利權(quán)人所申請的專利應(yīng)該予以更多關(guān)注，或者說明此種專利被引用的概率較大，技術(shù)擴(kuò)散能力相對較強(qiáng)，但h指數(shù)對 “高被引”和 “零被引”均不敏感[20]，相對而言，g指數(shù)更加強(qiáng)調(diào)專利的被引用次數(shù)和專利組合整體的質(zhì)量[18-19]。采用h指數(shù)和g指數(shù)一方面兼顧了專利的總量，同時(shí)也考慮專利的被引次數(shù)，兼顧了專利數(shù)量和質(zhì)量兩個(gè)維度，現(xiàn)有研究建議同時(shí)使用h和g指數(shù)描述專利權(quán)人和技術(shù)領(lǐng)域的貢獻(xiàn)[16]。因此，本文將二者結(jié)合起來可以通過不同的側(cè)重點(diǎn)更全面地比較技術(shù)擴(kuò)散程度。專利權(quán)人和技術(shù)領(lǐng)域的識別與分析，對于把握技術(shù)擴(kuò)散的能力、識別技術(shù)擴(kuò)散主導(dǎo)者以確定技術(shù)擴(kuò)散發(fā)生的技術(shù)領(lǐng)域至關(guān)重要。

1.2 主路徑分析方法

本文通過構(gòu)建引證網(wǎng)絡(luò)識別技術(shù)擴(kuò)散主路徑，不僅可以從專利視角追蹤和描述技術(shù)流動過程，也為特定技術(shù)領(lǐng)域的擴(kuò)散路徑提供工具與方法[16]。主路徑是引文網(wǎng)絡(luò)中的重要路徑，用以識別關(guān)鍵知識流動路徑[21]。Hummon等[22]認(rèn)為主要路徑包括引文網(wǎng)絡(luò)中最重要的軌跡，并采用 “優(yōu)先搜索”算法來追蹤科學(xué)領(lǐng)域中最重要的路徑。Batagelj等[23]提出進(jìn)一步增強(qiáng)主路徑分析的算法，包括搜索路徑計(jì)數(shù) (SPC)、搜索路徑鏈接計(jì)數(shù) (SPLC)、搜索路徑節(jié)點(diǎn)對數(shù) (SPNP)、節(jié)點(diǎn)對投影統(tǒng)計(jì)數(shù) (NPPC)，并且認(rèn)為SPC方法優(yōu)于其他方法，許多學(xué)者將該方法應(yīng)用于技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展軌道研究[7,24]。主路徑分析是將復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)簡化為簡單路徑的方法，剔除不重要信息，只保留最重要的路徑。此外，Liu等[24]提出幾種傳統(tǒng)主路徑方法的變體，即局部主路徑、全局主路徑和關(guān)鍵路徑搜索。

1.2.1 向前局部與向后局部主路徑

對于引文網(wǎng)絡(luò)，傳統(tǒng)的主路徑分析是從源點(diǎn)向匯點(diǎn)向前搜索，源點(diǎn)定義為被引用但未引用其他的節(jié)點(diǎn)，匯點(diǎn)是引用其他但從未被引用的節(jié)點(diǎn)。向前搜索是為了找到當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的匯點(diǎn)方向，向后搜索是為了找到當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的起源。從技術(shù)擴(kuò)散的角度看，起始節(jié)點(diǎn)可以理解為技術(shù)知識的起源，終止節(jié)點(diǎn)表示技術(shù)領(lǐng)域各分支進(jìn)化的目標(biāo)和方向[25]。當(dāng)增加主路徑的數(shù)量時(shí)，可以揭示網(wǎng)絡(luò)的更多細(xì)節(jié)，除了選擇最高的SPC鏈接，還可選擇某個(gè)百分比的容忍度。

1.2.2 關(guān)鍵主路徑分析

雖然向前和向后局部主路徑分析可以從不同角度探索主要路徑，但這些路徑可能仍然不包括最高SPC的所有鏈接。為了彌補(bǔ)這一缺陷，Liu等[24]提出關(guān)鍵路徑分析方法 (Key-route)。有學(xué)者提出以關(guān)鍵路徑為主，結(jié)合其他分析方法可以更全面地對技術(shù)路徑進(jìn)行對比分析[26]。步驟是：①將網(wǎng)絡(luò)中SPC值 (遍歷數(shù))最高的鏈接識別出來，如圖1中C→E、B→D。②從目標(biāo)鏈接的結(jié)束點(diǎn)搜索，找到最有效的向前路徑，然后從同一鏈接的開始節(jié)點(diǎn)搜索，找到最有效的向后路徑。③將向前和向后搜索的結(jié)果合并為一條路徑。④將兩邊兩端路徑合并起來，形成關(guān)鍵路徑。

圖1 關(guān)鍵路徑

2 結(jié)果與分析

2.1 數(shù)據(jù)來源

Innojoy專利數(shù)據(jù)庫收集了超過40個(gè)專利機(jī)構(gòu)的相關(guān)專利并實(shí)時(shí)更新，涵蓋了技術(shù)領(lǐng)先地區(qū)的詳細(xì)技術(shù)信息。光刻技術(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精細(xì)程度高，迭代速度快[27]，不能用單一的關(guān)鍵詞或單一的分類號概括該技術(shù)。本文通過參考相關(guān)文獻(xiàn)[15]以及與行業(yè)技術(shù)專家的交流訪談，就每一個(gè)細(xì)分的技術(shù)領(lǐng)域選擇特征關(guān)鍵詞，構(gòu)建關(guān)鍵詞+IPC分類號的檢索方式，從而保證專利數(shù)據(jù)可以全面和準(zhǔn)確的覆蓋該技術(shù)。在IPC分類體系中，涉及光刻技術(shù)的專利廣泛分布在多個(gè)分類號下，主要包括H01L (半導(dǎo)體器件)、G02B (光學(xué)器件)、G03B (光波裝置、設(shè)備)、G03F (曝光及設(shè)備、半導(dǎo)體器件加工)技術(shù)主題下的專利族。確定專利檢索式為： (TI= (lithograph or lithography or microlithograph or photolithograph or photolithography or stepper or scanner or step-and-repeat or step-and-scan)and (mask or photomask or lens or resist or photoresist or duv or euv or extreme ultraviolet))and (SIC=H01L or G02B or G03B or G03F),本研究將專利檢索時(shí)間設(shè)置為1960年1月1日到2020年12月31日，共獲得有效專利32693件，16662條Innojoy專利家族，得到596188條引證關(guān)系。

2.2 基于g指數(shù)和h指數(shù)的專利權(quán)人和技術(shù)領(lǐng)域分析

通過指數(shù)測算從整體擴(kuò)散能力的角度反映專利權(quán)人和技術(shù)領(lǐng)域的重要性，因此在獲得的所有專利數(shù)據(jù)集中 (有效發(fā)明專利32693件)，按照專利申請量對所有專利權(quán)人進(jìn)行排序，并測度專利權(quán)人的h和g指數(shù)。通過比較可知，中國專利權(quán)人出現(xiàn)在第15位，為了更好比較中國與其他專利權(quán)人的差距，最終對專利量、h和g指數(shù)值排在前15位的專利權(quán)人進(jìn)一步的分析，情況見表1和表2。

表1所示為前15位在光刻領(lǐng)域貢獻(xiàn)最大的專利權(quán)人，結(jié)果顯示專利權(quán)人以美國、日本、歐洲公司居多。臺積電 (TSMC)是g指數(shù)和專利數(shù)量排第1位的公司，阿斯麥 (ASML)的h指數(shù)第1位，g指數(shù)排在第2位，遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先第3位英特爾，由此可見其在光刻技術(shù)領(lǐng)域的卓越貢獻(xiàn)，表明光刻技術(shù)知識擴(kuò)散和技術(shù)進(jìn)步是由臺積電、阿斯麥等大公司主導(dǎo)。英特爾和IBM專利數(shù)量雖然不多，但在g、h指數(shù)的排名都處于領(lǐng)先位置，說明其專利質(zhì)量較高。日本的尼康和佳能，韓國的三星無論在g指數(shù)還是h指數(shù)都排在美國和歐洲后面，說明歐洲和美國企業(yè)的技術(shù)擴(kuò)散能力明顯優(yōu)于日韓企業(yè)，日韓優(yōu)于中國企業(yè)，進(jìn)一步說明美國和歐洲在光刻領(lǐng)域具有較強(qiáng)的研發(fā)能力，屬于技術(shù)先行者，亞洲企業(yè)屬于技術(shù)后發(fā)者，值得注意的是臺積電在各項(xiàng)指標(biāo)都名列前茅，說明其技術(shù)擴(kuò)散能力最強(qiáng)。從專利的公開年份看，IBM和佳能相對于其他企業(yè)，進(jìn)入時(shí)間較早，信越化學(xué)和上海微電子都是2000之后進(jìn)入，屬于新興企業(yè)。

表1 當(dāng)前專利權(quán)人指數(shù)列表

表2所示為前10位光刻技術(shù)領(lǐng)域貢獻(xiàn)最大的IPC。光刻的技術(shù)主題主要集中在H部 (電學(xué))、G部 (物理)和C部 (化學(xué))，包含光刻光源、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、光刻膠材料、光學(xué)鏡頭材料、抗蝕劑材料工藝等。其中，G03F在專利數(shù)量、g指數(shù)和h指數(shù)均排第1位，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于第2位G02B，該技術(shù)領(lǐng)域主要涉及光刻器件制造及光刻方法，如對準(zhǔn)系統(tǒng)、調(diào)焦調(diào)平系統(tǒng)等[15]，是光刻最核心的技術(shù)分類；接下來是G02B，主要涉及光刻機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)，包括照明系統(tǒng)和投影系統(tǒng)[15]。G03F、G02B和H01L無論從專利數(shù)量、g指數(shù)和h指數(shù)都位列前3位，占據(jù)光刻技術(shù)的主導(dǎo)地位。值得注意的是在G21K、C08F和G06F技術(shù)領(lǐng)域，雖然專利數(shù)量不多，但g指數(shù)和h指數(shù)排名都在前10位，說明該技術(shù)類別下的專利應(yīng)用范圍廣、被引用多，技術(shù)擴(kuò)散能力強(qiáng)。從專利公開時(shí)間看，大部分技術(shù)類別出現(xiàn)在六七十年代，G06F這一技術(shù)領(lǐng)域出現(xiàn)在九十年代，發(fā)展時(shí)間較短，屬于新興技術(shù)領(lǐng)域。

表2 IPC分類 (小類)列表

指數(shù)排名結(jié)果見表1和表2。個(gè)別專利權(quán)人 (蔡司、格羅方德、佳能、三星)的g和h指數(shù)排名有較大差異，如蔡司和佳能的g指數(shù)排名比h指數(shù)高，說明該專利權(quán)人專利整體質(zhì)量較高，被引用次數(shù)也較多，格羅方德和三星在不考慮整體專利質(zhì)量時(shí)，擴(kuò)散能力較強(qiáng)；IPC指數(shù)排序也發(fā)生了一些變化，但整體差異不大。

3 基于專利引文網(wǎng)絡(luò)的主路徑分析

本文通過專利引文主路徑追溯技術(shù)擴(kuò)散的動態(tài)路徑。借助Pajek軟件運(yùn)用SPC算法構(gòu)建最大專利引文網(wǎng)絡(luò)主路徑，通過不同主路徑方法進(jìn)行比較和分析，以探索不同方法在識別技術(shù)擴(kuò)散路徑的差別與優(yōu)勢。

3.1 向前局部主路徑

進(jìn)行向前局部主路徑分析，從技術(shù)擴(kuò)散角度看，該方法強(qiáng)調(diào)技術(shù)的發(fā)展方向[28]，節(jié)點(diǎn)包含的技術(shù)主題一定程度上反映光刻技術(shù)的發(fā)展趨勢，許多專利都出現(xiàn)在路徑末端，代表了最新研究成果，圍繞極紫外 (EUV)光刻材料展開，包含光敏放大抗蝕劑和光酸產(chǎn)生劑，如圖2路徑末端虛線區(qū)域所示。專利US100251872B_2015_JP和US20160357103A1_2015_JP是一種光敏放大型抗蝕劑材料，來自日本東京電子 (TOKYO ELECTRON)，這兩項(xiàng)專利是一組技術(shù)的共同起點(diǎn)，從這兩項(xiàng)專利開始EUV光刻技術(shù)呈現(xiàn)多樣化發(fā)展。EUV概念是由美國和日本的研究人員首次提出，用軟x射線作為光刻光源[29]。專利US3743842 A_1972_US是軟X射線光刻設(shè)備及工藝，1972年由Smith等[30]發(fā)明的第一個(gè)X射線光刻技術(shù)的專利，也是光刻領(lǐng)域發(fā)展初期的主要技術(shù)。US3892973A_1974_US和US4037111A_1976_US是用于X射線光刻系統(tǒng)的掩膜結(jié)構(gòu)，來自美國貝爾電話實(shí)驗(yàn)室，直到2001年專利US6479196B2_2001_US，主要圍繞光刻掩膜技術(shù)發(fā)展，其中美國麻省理工學(xué)院 (MIT)和貝爾電話實(shí)驗(yàn)室在發(fā)展初期貢獻(xiàn)較大，是光刻技術(shù)的主要來源。

圖2 向前局部主路徑

專利US20030170565A1_2002_US是一種將光刻圖案轉(zhuǎn)移到基板上的方法。US20040136494A1_2004_US屬于浸沒光刻的設(shè)備制造方法，US20070-091451A1_2004_DE是一種適用于浸沒光刻的投影物鏡，專利US20050248856A1_2005_JP是用于浸沒投影系統(tǒng)和方法，浸沒光刻時(shí)代由此開啟。US7326525B2_2005_KR是一種用于光刻抗反射涂層組合物，US20050202340A1_2005_US是頂部涂料的光刻膠成像方法，US20080032202A1_2007_JP是一種用于浸沒光刻形成保護(hù)膜材料的工藝，這些專利為浸沒光刻提供了不同的光刻膠技術(shù)。

3.2 向后局部主路徑

進(jìn)行向后局部主路徑分析，該方法更加注重技術(shù)的起源[28]，向后局部主路徑結(jié)果如圖3所示，許多專利都出現(xiàn)在路徑起始階段。US42-11834A_1977_US專利主導(dǎo)了技術(shù)發(fā)展初期階段，是多個(gè)分支的融合點(diǎn)，該專利是一種深紫外線的曝光掩膜方法。US3639185A_1969_US是金屬薄膜腐蝕工藝，US4078098A_1974_US是高能輻射的正性光刻膠掩膜工藝，US402293-2A_1975_US是制作光刻膠掩膜的方法，最終技術(shù)集中應(yīng)用于專利US4211834A_1977_US。專利US4329410A_1979_US是X射線光刻掩膜的制造方法。說明初始階段的技術(shù)創(chuàng)新集中在光刻掩膜工藝的改進(jìn)。

圖3 向后局部主路徑

3.3 向前局部主路徑-容忍度10%

設(shè)置一定的容忍度從主路徑中獲得更多信息，本研究設(shè)置為10%觀察不同路徑結(jié)果，如圖4所示。除了專利集群A和B，其他專利均與向前局部主路徑相似，A專利集群以專利US3657545A_1968_GB開始，這是一個(gè)平面單元復(fù)制圖案到另一個(gè)平面上的方法和裝置，這一集群主要圍繞光刻曝光投影系統(tǒng)方法和裝置，直到專利US20060028630A1_2005_JP，該專利是一種針對浸沒光刻的投影系統(tǒng)與方法。B專利集群以US20050233254A1_2005_JP開始，是一個(gè)針對浸沒光刻的圖案工藝及抗蝕劑涂層材料，這一集群主要圍繞圖案形成及抗蝕劑材料的改進(jìn)，直到2016年US20170256418A1_2016_TW，該專利是光刻圖案形成的方法，光刻由此開啟技術(shù)多樣化發(fā)展。

圖4 向前局部主路徑 (10%)

3.4 key-route主路徑

關(guān)鍵路徑方法包含最重要的環(huán)節(jié)，而重要環(huán)節(jié)的數(shù)量取決于細(xì)節(jié)的程度，因此可以通過調(diào)整Key-route數(shù)量來改變主路徑級別，設(shè)置連接數(shù)量為10，基于IPC分類進(jìn)行關(guān)鍵主路徑分析,如圖5所示。為了從時(shí)間和國家兩個(gè)層面追溯技術(shù)擴(kuò)散路徑，本文標(biāo)記關(guān)鍵路徑中每一個(gè)專利族的年份和國家，年份代表專利族中最早專利的公開年份，地區(qū)代表專利權(quán)人國。

1965—1991年，這一階段專利主要在IPC技術(shù)分類G03F (圖紋面的照相制版工藝)之下，這些專利用于X射線光刻掩膜及其制造方法；1997—2003年，專利主要集中在H01L (半導(dǎo)體元器件)+G03F，且用于光刻掩膜制造方法以及利用掩膜的光源校正方法；2003—2007年，專利主要集中在G03B (攝影、放映的裝置或設(shè)備，利用光波等類似技術(shù)的裝置或設(shè)備)+G02B (光學(xué)元件、系統(tǒng)或儀器)+G03F，涉及折射投影物鏡的改進(jìn)，從該階段的專利節(jié)點(diǎn)看，技術(shù)改進(jìn)主要針對浸沒光刻折射投影物鏡；2007—2015年，這一階段的專利主要集中在G03F+C08F (僅用碳-碳不飽和鍵反應(yīng)得到的高分子化合物)+G03B+G03C (照相用的感光材料，照相過程)，此階段的專利涉及頂部涂層組合物、光刻膠組合物等；2015—2020年，專利集中在H01L+G03F+ C07C+C07D (化合物)，涉及EUV光刻膠材料，如光敏放大抗蝕劑材料和光酸產(chǎn)生劑。

由于技術(shù)知識的擴(kuò)散往往伴隨著技術(shù)知識的流動，因此專利的相互引證可以揭示技術(shù)知識在不同國家之間流動的規(guī)律。國家之間技術(shù)知識的流動是相互的，呈現(xiàn)雙向擴(kuò)散態(tài)勢，本國專利的相互引證往往高于引用他國專利，如圖5所示。美國與日本專利相互引證的概率高于其他國家相互引證的概率，比起其他國家和地區(qū)，中國臺灣地區(qū)傾向于引用美國和日本專利，這與Jaffe等[31]關(guān)于知識流動方向的研究結(jié)論一致。

圖5 Key-route主路徑

3.5 不同主路徑分析結(jié)果

局部向前和局部向后主路徑呈現(xiàn)出不同的結(jié)果。當(dāng)設(shè)置一定的容忍度時(shí)，得到更多技術(shù)擴(kuò)散信息。為了凸顯向前局部、向后局部以及關(guān)鍵主路徑的特點(diǎn)，將這些主路徑結(jié)果進(jìn)行比較分析。

從路徑形態(tài)上，向前局部 (圖2)、向后局部 (圖3)、向前局部10% (圖4)和關(guān)鍵路徑 (圖5)所示的技術(shù)擴(kuò)散路徑在一些重要路徑上存在一定程度的重合。路徑中端虛線區(qū)域從專利US2003-0170565A1_2002_US開始到US7998655B2_2008_JP，這一階段的專利出現(xiàn)在所有的主路徑中，說明這一階段的技術(shù)至關(guān)重要，是光刻技術(shù)擴(kuò)散的核心技術(shù)路徑。向前局部和關(guān)鍵路徑主路徑有相同的匯點(diǎn)，該專利是US100251872B_2016_JP，是一種光敏放大型抗蝕劑材料。向后局部和關(guān)鍵路徑主路徑有相同的源點(diǎn)專利US4211834A_1977_US，該專利是一種深紫外曝光掩膜方法，這兩個(gè)專利至關(guān)重要，因?yàn)槌霈F(xiàn)在所有主路徑中。總體而言，向前局部 (圖2)、向后局部 (圖3)所描繪的技術(shù)主路徑有不同的側(cè)重，向前局部主路徑更加側(cè)重技術(shù)發(fā)展的后期，如EUV光刻膠材料的改進(jìn)及工藝，向后局部主路徑更加側(cè)重技術(shù)的初始階段，如x射線的光刻設(shè)備及工藝。

關(guān)鍵路徑 (圖5)上的專利技術(shù)，是由向前局部實(shí)線區(qū)域和向后局部實(shí)線區(qū)域組成，體現(xiàn)出關(guān)鍵路徑在識別技術(shù)擴(kuò)散路徑方面更全面和清晰，相較于其他方法，許多重要技術(shù)均出現(xiàn)在該主路徑中，體現(xiàn)了該方法研究技術(shù)擴(kuò)散路徑的優(yōu)勢。

從技術(shù)內(nèi)容看，所有的主路徑描述從器件制備工藝和光刻材料兩個(gè)層面的發(fā)展歷程，并且是交互進(jìn)行。在技術(shù)發(fā)展前期，主要側(cè)重器件制造和工藝的改進(jìn)，如US5786115A_1997、US6881523B2_2002等專利均是針對光刻掩膜的工藝進(jìn)行改進(jìn)，US20050190455A1_2004、US20050231814A1_2005等專利均是針對投影物鏡進(jìn)行改進(jìn)，而在后期則注重光刻材料的研發(fā)，如US9156785B2_2011是針對光致產(chǎn)酸劑的改進(jìn)，該技術(shù)是EUV光刻膠的重要技術(shù)，US10025187B2_2015是針對光敏放大型光刻膠材料的改進(jìn)。

3.6 專利權(quán)人與技術(shù)類別分析的比較

將表1中指數(shù)法得到的專利權(quán)人和表2中技術(shù)類別與圖5中主路徑上的專利信息進(jìn)行對比，得到圖6。結(jié)論如下：①指數(shù)排前15位且出現(xiàn)在關(guān)鍵路徑上的專利權(quán)人加粗表示，如IBM、ASML、Hynix、Zeiss、Shin和TSMC，具有較強(qiáng)的技術(shù)擴(kuò)散能力，并在技術(shù)擴(kuò)散路徑中發(fā)揮重要作用；②指數(shù)較高的專利權(quán)人不一定擁有關(guān)鍵路徑上的關(guān)鍵技術(shù) (Inter、GlobalFoundries、Canon和Samsung)；擁有關(guān)鍵技術(shù)的專利權(quán)人g指數(shù)和h指數(shù)不一定高 (MIT、Tokyo Electron和Nikon)。關(guān)鍵技術(shù)路徑方法識別的擴(kuò)散路徑能顯示不同時(shí)期重要專利權(quán)人的變化和整體的擴(kuò)散過程。圖6中很多專利權(quán)人僅有少數(shù)關(guān)鍵技術(shù)，但不能說明其技術(shù)擴(kuò)散力就低，這是由算法決定，技術(shù)擴(kuò)散路徑考慮的是整個(gè)技術(shù)演化的動態(tài)過程，具有時(shí)間積累效應(yīng)，如MIT雖然指數(shù)不高，但在光刻技術(shù)擴(kuò)散與演化中貢獻(xiàn)巨大，多項(xiàng)技術(shù)顛覆了光刻發(fā)展，說明盡管有的專利權(quán)人只擁有幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，但不代表其技術(shù)擴(kuò)散能力低。③g指數(shù)和h指數(shù)高的IPC不一定都出現(xiàn)在關(guān)鍵路徑上，如H01J、G21K、H04N、B41J，但關(guān)鍵路徑上的IPC指數(shù)都比較高，說明出現(xiàn)在關(guān)鍵路徑上的IPC都是技術(shù)發(fā)展的重要領(lǐng)域，具有非常高的重合度。

圖6 關(guān)鍵路徑專利權(quán)人與IPC分類

3.7 中國光刻技術(shù)分析

從表1中15個(gè)專利權(quán)人的指數(shù)排名可以看出，中國的企業(yè)只有1家上海微電子在其中，g指數(shù)和h指數(shù)排15位，專利數(shù)量排11位，申請時(shí)間從2004年開始，說明與其他國家的專利權(quán)人相比，中國企業(yè)進(jìn)入光刻技術(shù)領(lǐng)域較晚，并且技術(shù)擴(kuò)散能力較弱。表3所示為中國光刻中得到廣泛分布的IPC技術(shù)類別，僅有G03F、G02B、H01L和H04N與表2中整體技術(shù)布局相同，不僅專利數(shù)量少，g指數(shù)和h指數(shù)值也較低，說明該技術(shù)分類中專利質(zhì)量也不高，與整體該技術(shù)領(lǐng)域的專利質(zhì)量相差較大，一些較為重要的技術(shù)類別如G21K、C08F和G06F并沒有得到有效的擴(kuò)散與滲透。

表3 中國光刻技術(shù)IPC (小類)指數(shù)分析

從技術(shù)擴(kuò)散路徑角度，中國專利權(quán)人尚未出現(xiàn)在任何主路徑中 (向前局部、向后局部以及關(guān)鍵主路徑)，即使設(shè)置容忍度10%，中國專利權(quán)人依舊未出現(xiàn)在主路徑之中，說明技術(shù)擴(kuò)散路徑中的核心技術(shù)與我國光刻技術(shù)知識的流動與滲透作用不明顯，專利被引用概率低，技術(shù)應(yīng)用范圍小，擴(kuò)散能力不強(qiáng)。

4 結(jié)論與啟示

4.1 結(jié)論

本文揭示了光刻技術(shù)擴(kuò)散路徑和特征，彌補(bǔ)了半導(dǎo)體相關(guān)領(lǐng)域研究的不足，通過3種不同的主路徑方法進(jìn)行比較分析，追溯技術(shù)起源與未來發(fā)展方向，并結(jié)合IPC分析技術(shù)在不同領(lǐng)域、國家及研發(fā)主體間的擴(kuò)散過程，結(jié)論如下。

(1)光刻技術(shù)的發(fā)展過程是動態(tài)的技術(shù)擴(kuò)散過程，伴隨著不同國家、研發(fā)主體、技術(shù)研究領(lǐng)域的擴(kuò)散與更替，美國、日本、德國光刻技術(shù)起步較早，先發(fā)優(yōu)勢明顯，韓國和中國臺灣地區(qū)出現(xiàn)在技術(shù)的新一輪變革中，光刻技術(shù)的擴(kuò)散由臺積電、阿斯麥等大公司主導(dǎo)。從技術(shù)擴(kuò)散方向看，美國傾向于向日本擴(kuò)散，而中國臺灣地區(qū)則是傾向于吸取美國和日本的技術(shù)。值得注意的是，專利權(quán)人指數(shù)最高的是中國臺灣地區(qū)企業(yè)臺積電，其技術(shù)擴(kuò)散能力最強(qiáng)，但其技術(shù)來源國卻是美國，說明美國在光刻技術(shù)擴(kuò)散路徑中始終占據(jù)主導(dǎo)。

(2)從光刻技術(shù)分布看，盡管應(yīng)用范圍廣泛，但技術(shù)擴(kuò)散能力和滲透能力強(qiáng)的領(lǐng)域主要集中在G03F、G02B和H01L。呈現(xiàn) “掩膜—投影物鏡—浸沒式光刻膠—EUV光刻膠”的技術(shù)演化路徑，在技術(shù)發(fā)展前期，主要側(cè)重器件制造和工藝的改進(jìn)，后期則注重光刻材料的研發(fā)，如光刻膠材料、光學(xué)鏡頭材料等。尤其從2015年開始，技術(shù)擴(kuò)散主要集中在EUV光刻膠，說明EUV相關(guān)的材料創(chuàng)新是未來的研發(fā)重點(diǎn)。

(3)中國光刻技術(shù)擴(kuò)散能力較弱，指數(shù)排前15位專利權(quán)人中，只有上海微電子公司一家，進(jìn)入光刻領(lǐng)域較晚且尚未出現(xiàn)在技術(shù)擴(kuò)散路徑中，一些較為重要的技術(shù)類別如G21K、C08F和G06F并沒有得到有效的擴(kuò)散與滲透，該技術(shù)分類正是電子束曝光、EUV光刻以及光刻膠等重要技術(shù)的主要分布領(lǐng)域。作為后發(fā)者，應(yīng)以電子束曝光、EUV光刻以及光刻膠等技術(shù)的主要分布領(lǐng)域 (G21K、C08F和G06F)為突破口，通過技術(shù)子領(lǐng)域內(nèi)的研發(fā)更好地帶動自身發(fā)展，提升對該技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)擴(kuò)散與滲透能力，積極促進(jìn)對光刻技術(shù)元器件和光刻材料的創(chuàng)新升級。

4.2 理論貢獻(xiàn)

本文較為清晰地識別技術(shù)主路徑的擴(kuò)散方向和路徑，揭示技術(shù)擴(kuò)散的規(guī)律與動態(tài)演化過程，豐富了技術(shù)擴(kuò)散測度研究的內(nèi)容及方法，并通過 “卡脖子”技術(shù)——光刻進(jìn)行實(shí)證研究，驗(yàn)證了其方法的可行性。以往對半導(dǎo)體核心技術(shù)的研究多是以制造工藝[32]或者產(chǎn)業(yè)鏈的上中下游[11]為研究視角，范圍較為寬泛。與以往不同，本研究深入光刻技術(shù)揭示其技術(shù)擴(kuò)散與技術(shù)動態(tài)演化規(guī)律。部分解決了有學(xué)者認(rèn)為現(xiàn)有 “卡脖子”技術(shù)的研究主要集中在宏觀層面[2]、缺少立足于具體情況的分析以及操作性強(qiáng)的分析過程[1]的問題。此外，本文基于光刻所揭示的技術(shù)擴(kuò)散規(guī)律，對于認(rèn)識其他 “卡脖子”技術(shù)發(fā)展的過程與機(jī)制以及實(shí)現(xiàn)后發(fā)國家技術(shù)追趕提供參考，實(shí)踐啟示如下。

(1)從國家層面，光刻屬于技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)，其關(guān)鍵 “卡脖子”技術(shù)的突破依賴于持續(xù)的政策與資本支持。在技術(shù)擴(kuò)散過程中，除了企業(yè)，可以看到美國MIT和貝爾電話實(shí)驗(yàn)室在發(fā)展初期貢獻(xiàn)較大，是技術(shù)創(chuàng)新的主要來源。因此，我國應(yīng)重點(diǎn)對光刻關(guān)鍵技術(shù)的前期實(shí)驗(yàn)室開發(fā)階段進(jìn)行資金與政策支持。對政府而言，應(yīng)主動營造有利于核心技術(shù)突破的制度環(huán)境，制定有利于領(lǐng)軍企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的政策，為企業(yè)實(shí)現(xiàn)技術(shù)知識交流與擴(kuò)散搭建橋梁。其次，建立動態(tài)化 “卡脖子”技術(shù)監(jiān)測系統(tǒng)與應(yīng)急反應(yīng)機(jī)制，防止國外相關(guān)技術(shù)鎖定。

(2)從企業(yè)層面，可將指數(shù)法和關(guān)鍵路徑法結(jié)合起來應(yīng)用于競爭對手的識別，得到從技術(shù)源頭到技術(shù)發(fā)展方向的信息，全面掌握競爭對手動態(tài)，為制定企業(yè)研發(fā)戰(zhàn)略和打造競爭性產(chǎn)品提供有效的幫助。技術(shù)的動態(tài)發(fā)展要求技術(shù)戰(zhàn)略與技術(shù)擴(kuò)散路徑相適應(yīng)，企業(yè)應(yīng)更加關(guān)注近期的研發(fā)趨勢，由于中國并沒有出現(xiàn)在技術(shù)擴(kuò)散的主路徑中，作為技術(shù)后發(fā)者應(yīng)加大光刻材料以及與EUV相關(guān)的光刻膠材料的研發(fā)投入，避免陷入技術(shù)依賴。

本研究還存在一些不足，本文探索光刻技術(shù)擴(kuò)散的過程與規(guī)律，但由于篇幅限制未對其擴(kuò)散的速度和時(shí)間進(jìn)行深入研究。在未來研究中，將嘗試引入技術(shù)擴(kuò)散速度和擴(kuò)散時(shí)間指標(biāo)，因此深入探索技術(shù)的發(fā)展模式和擴(kuò)散規(guī)律對 “卡脖子”技術(shù)突破也具有現(xiàn)實(shí)意義。