基于文献计量的全球光刻机领域发展态势研究

文/王杨，阮妹，杨梦雨，王茜

光刻机又名掩模对准曝光机、曝光系统、光刻系统等，是大规模半导体制造的核心设备，它的精度决定了芯片制程的精度，被誉为半导体工业皇冠上的明珠。全球高精度半导体用光刻机主要来自荷兰的ASML以及日本的Nikon和Canon这三家公司，而最顶级的EUV光刻机仅有ASML公司能够生产，最高能支持2nm芯片的制造，而我国光刻机领域最为领先的上海微电子装备公司目前仅能生产90nm工艺制程的光刻机。

我国在光刻机领域与国外存在较大差距，因此，对于光刻机领域的全球发展态势研究是极为重要的，不仅可以及时掌握光刻机技术的最新研究进展，为国内光刻机领域的发展指明方向，还能够为相关科技政策的制定提供参考和借鉴。

国外机构在光刻机领域处于垄断地位，国内光刻技术的研究起步相对较晚，对于光刻机的研究基本上是追随国外机构的研究步伐。目前，国内对光刻机的研究主要集中在深入研究先进光刻机的技术、改进光学元件和精密器件以及对已有光刻技术的创新三个方面。

文献计量法利用数学、统计学等方法，对学术成果进行评价，客观分析某一领域的发展现状、研究热点和趋势等。目前，鲜少有国内学者利用文献计量的方法对全球光刻机领域的发展趋势做系统梳理，但是与光刻机研发密切相关的集成电路、数学和机械工程等领域，仍有不少学者利用文献计量法对该领域的发展趋势展开研究。

一、方法与数据

本文基于文献计量法，从专利和论文的角度出发，通过分析科研成果的年度分布、研究热点变迁、知名机构的区域分布，剖析全球光刻机领域的发展趋势及研究热点，并重点研究国内外光刻机领域的领先机构——ASML公司和上海微电子装备公司，探讨我国与国外光刻机领先机构的技术差距和不足，并提出相应的建议，以期为学者们的科研工作、光刻机领域的学术交流提供有价值的参考，同时为国家科技政策的制定提供借鉴。

本文的数据来源主要有专利与论文数据，其中专利数据来源于上海市研发公共服务平台管理中心的自有专利数据库。

二、全球光刻技术的发展趋势及现状

高新技术产品的发展往往伴随着领先的理论研究与不断更迭的技术创新，本文从专利和论文这两个角度，分析全球光刻技术的理论研究现状和技术发展趋势。

(一）全球技术创新与理论研究现状

1.科研成果年度分布

本文对自1990年至2019年的基础研究与专利申请进行分析，发现光刻机领域申请专利数与论文发表数相当，自2000年以来对该领域的研究一直处于活跃状态，如图1所示。

其中，英文专利的申请在2004年达到峰值后回落，在2017年左右再次出现了一个阶段性的小高峰；中文专利则自2002年后一直稳步上升，于近年达到千量级别。在论文产出方面，2003年至2005年是全球理论研究产出增长最迅速的阶段，并于2008年左右达到顶峰，而后缓慢下降。通过对光刻机领域的研究产出发展态势进行分析，可以发现21世纪初期是光刻机领域理论研究和技术创新的加速发展期。EUV LLC联盟的几百位科学家发表了大量论文，证明EUV光刻机可行性的时间点；2004年，ASML和台积电共同研发出第一台浸润式微影机；同年，尼康宣布了157 nm的干式光刻机和电子束投射产品样机。

2.国内外专利研究热点变迁

对热点的研究方向变迁进行分析可以了解该领域的研究状态及研究趋向。研究发现，英文专利中，光源、光学系统、光学元件的研究热度比较高。随着EUV光刻机的量产，浸没式液体等有关浸没式光刻机的研究热度逐渐降低。

比较来看，近几年中文专利中关于“曝光设备”“PCB板”“曝光光源”的研究比较热门。国内EUV光刻机相关技术的研究热度比较低。由此推知，在国外机构对EUV光刻机技术有了重大突破后，我国依旧对EUV光刻机相关的技术缺乏研究。

3.国内外知名机构区域分布

机构尤其是企业，是技术领域创新的主体。EUV光刻机的诞生即是由企业联合科研院所完成理论可行性的论证后，再由企业完成产品化到量产的过程。从地域分布来看，全球光刻机领域的巨头ASML公司（荷兰）和CARL ZEISS SMT GMBH（德国）均位于欧洲。日本公司曾是光刻机领域的巨头，自2002年ASML公司生产出浸入式光刻机XT：1700i之后，日本公司逐渐失去了在光刻机领域的优势地位，目前只在中低端领域占据较多的市场份额。

国内知名机构台湾积体电路制造股份有限公司（简称：台积电）是全球三大半导体公司之一，本身也具有较强的科研实力，并已与ASML公司展开深度合作。其余研究机构主要集中在北京、上海，以高校和科研院所为主。而实验室生产的光刻机样品与实际生产活动中使用的光刻机仍存在一定的差距，高校和科研机构需要与半导体制造商进一步加强合作，了解光刻机的生产需求。

（二）国内外重点技术创新主体对比研究

本文以全球光刻机领域的巨头——ASML和国内光刻机领域的领导者——上海微电子装备（集团）股份有限公司（以下简称“上海微电子”）为例，从企业技术创新成果对国内外光刻机技术创新主体的研究特点和研究方向变迁进行比较。

ASML成立于1984年，是飞利浦旗下的一家合资小公司，公司自1997年起持续有光刻机专利产出。上海微电子成立于2002年，在2004年 开 始 在 光刻机专利方面有了突破，此时ASML已在专利申请上十分活跃。单从发展起步时间的角度来看，国内机构就与国外机构存在一定差距。如图2所示，上海微电子的发展过程较为平稳，在2010年达到顶峰后，逐步维持在五十个以上的专利申请。而ASML虽然较2004年的巅峰时期回落，但每年申请的专利仍在上海微电子之上。

ASML公司在EUV辐射上的研究热度在2012—2014年达到最高值，期间ASML收购了美国顶级光源企业Cymer，现今ASML为全球唯一一家能生产EUV光刻机的厂商。此外，基材台和图案辐射束是近几年的研究热点，而浸没式液体以及浸没式光刻设备热度波动比较大，自2004年开始有一定量的技术成果，到2010年开始明显降温。

相比之下，上海微电子的研究主要集中在投影物镜、测量系统等光学元件以及精密机械部件上，在EUV光刻机领域并未有太大的突破，这与我国光刻机领域的整体情况相一致。在研究进度方面，上海微电子要落后于ASML公司。

三、结论与建议

目前，ASML是光刻机行业的巨头，在45nm以下高端光刻机设备市场占据份额高达80%以上。ASML公司在光刻机领域的垄断地位与其在技术上的研发创新密不可分。因此，为进一步推动我国光刻机技术的发展，扩大我国在全球光刻机领域的影响力，本文从政产学研用多主体出发提出如下建议。

（1）在国家方面，政府加大扶持光刻机产业的发展，设立专项基金，为光刻机企业提供部分研发资金。政府牵头建立由政府、科研院所、光刻机制造商等协同参与的技术创新服务平台，促进科研成果的共享和技术转移。同时，政府积极制定光刻机领域的人才引进计划，吸纳国外的优秀专家和学者。

（2）在企业方面，光刻机制造商可借鉴ASML公司的发展策略，建立优势技术互补和利益共享机制，形成从基础研发、零部件研发制造到核心部件研发制造的技术链，建立自己的工艺研发生产线，共同推动光刻机领域的创新和发展。

（3）在科研机构和高校方面，科研院所和高校积极对接光刻机制造商和半导体制造商，掌握半导体制造商对光刻机的要求以及光刻机制造的技术难关，以企业需求为导向，积极开展科研攻关。高校与科研机构也可以与光刻机制造商联合举办学术交流活动，为科研机构和企业建立一个稳定的沟通交流平台，促进科研成果的生产运用。