基于专利分析的芯片“卡脖子”问题研究

姜 迪 徐 寅 陈长益 芮雯奕

（1.江苏科学技术情报研究所，江苏南京 210042；2.移动集团江苏分公司，江苏南京 210029）

0 引言

早在2016年，国际专利检索公司QUESTEL发布的《芯片行业专利分析及专利组合质量评估》报告指出，中国近10年芯片专利增长惊人，已成为芯片专利申请第一大国[1]。然而，虽然我国芯片专利申请量位居世界前列，但据国务院发布的数据显示，2019年我国芯片自给率却仅为30%左右[2]，高端芯片严重依赖进口。随着中美贸易战的加剧，美国对华为芯片实施制裁和打压，全面封锁华为芯片采购，高端芯片的制造已成为我国当下最关心，也是急需解决的“卡脖子”问题。生产芯片的核心设备是光刻机。全球能够生产高端芯片的极紫外（EUV）光刻机的只有荷兰的阿斯麦以及日本的尼康、佳能。现阶段我国只能生产中低端光刻机，难以满足高端芯片制造的需求。

专利记载了发明创造的内容，是技术信息最有效的载体。分析专利文献可以掌握技术发展趋势，实现其特有的经济价值。为探究高端光刻机制造难的原因，有学者从光源、抗蚀剂、防护膜等方面对EUV光刻技术进行了难点分析[3]，但从专利角度进行分析的却很少。通过文献检索发现，只是对光刻机的曝光系统中物镜抛光技术[4]、光刻胶[5]、无掩盖光刻技术[6]、对准技术[7]进行了专利分析，而针对光刻技术特别是EUV光刻技术的专利分析研究却非常少。在这极少的研究中涉及的数据样本还比较陈旧，不能很好地反映EUV光刻技术发展现状[8]。因此，本文将从专利的角度分析EUV光刻技术领域的发展趋势、技术分布、竞争态势和专利布局，挖掘我国大陆EUV光刻技术与发达国家/地区的技术发展差距，提出摆脱芯片“核芯”技术受制于人困境的对策建议。

1 芯片产业发展现状

1.1 芯片产业链

随着我国集成电路产业的发展，芯片产业已具有一定的规模，从芯片设计到芯片应用形成了产业链。从芯片产业链来看，上游主要包括设计、制造、封测等制造环节；中游主要包括功率半导体芯片、射频芯片、WiFi芯片、蓝牙芯片、存储芯片等产品；下游主要包括消费电子（手机、PC平板、可穿戴设备等）、汽车电子（车载摄像头、雷达、传感器等）、新型创新（物联网、虚拟现实技术VR、增强现实技术AR）等应用领域（图1）。

1.2 我国芯片发展格局

长期以来，我国国内芯片集成电路行业产业链中最具竞争力环节是封测产业，目前已具备了规模和技术基础，发展了凸块技术、晶圆级封装和3D堆叠封装等先进技术，设计业自主发展迅速，群雄并起，华为海思、紫光展锐已进入全球前10 位。

图1 芯片行业产业链示意

然而，目前芯片制造业依旧是我国大陆芯片产业中最为薄弱的领域。在芯片制造工艺方面，我国台湾的台积电、韩国的三星已演化到最新一代5 nm工艺制程，下一代4 nm、3 nm也在稳步推进之中。而中芯国际作为我国大陆最先进的芯片制造企业，仅有14 nm工艺制程，远落后于国际水平。光刻机是芯片制造的核心设备，被誉为芯片之母。目前我国量产的仍然是90 nm以下的中低端光刻机，而全球拥有制造高端芯片的EUV光刻机技术的只有荷兰ASML以及日本尼康和佳能，这些核心装备用钱是买不来的[9]。从产业链发展格局看，EUV光刻机技术是我国芯片的主要“卡脖子”技术问题。

1.3 我国芯片市场发展情况

从产业结构来看，我国芯片产业结构依然不均衡，制造业比重相对过低，2019年我国芯片设计、制造、封测三业销售收入比重分别为40.5%、28.4%、31.1%，而技术发达国家的设计、制造、封测三业占比一般为3:4:3。从市场份额来看，2013—2018年，我国芯片产业销售额由368.9 亿美元增加至约955 亿美元，市场规模复合增长率达14.5%，全球市场占比提升至20%，成为全球芯片消费的主要市场（图2）。从芯片自给率来看，2019年我国芯片的进口金额为3 040 亿美元，芯片自给率仅为30%左右，芯片制造设备自给率不到20%。

通过以上分析可以看出，芯片制造工艺水平低下是芯片产业链中最为薄弱的环节，芯片自给率低，芯片制造设备严重依赖进口。高端芯片制造的核心设备是EUV光刻机。本文将从专利分析角度对全球EUV光刻技术进行发展趋势、技术分布、竞争态势和专利布局分析，从专利视角挖掘我国大陆EUV光刻技术与发达国家/地区的技术发展差距。

2 全球EUV光刻技术专利分析

本文采用Derwent Innovation专利信息检索分析平台作为芯片技术专利数据的信息来源。根据EUV光刻技术的分类和特点，以“LITHOGRAPHY/ Mask ADJ Aligner”“integrated circuit/IC/chip/microcircuit/microchip”“Extreme Ultraviolet/EUV”等为检索关键词构建检索式，以1990年为检索的起点时间，经清洗和人工筛选后，共得到13 530 件专利，其中德温特世界专利索引（Derwent World Patents Index，DWPI）同族数量有4 837 件。由于专利申请存在18 个月不等的公开滞后，2019—2020年并不代表全年完整数据，仅作参考[10]。本文专利检索时间为2020年11月28日。

图2 2013—2018年我国芯片产业销售额及全球占比

2.1 专利申请趋势

以全部专利数据为数据源分析EUV光刻技术专利申请趋势。由图3可知，1997年之前，EUV光刻技术发展较为缓慢，每年专利申请数量仅为个位数。1998年到2004年期间，由于集成电路行业巨头的关注，EUV光刻技术逐步引起越来越多研发机构的重视，EUV光刻技术申请量开始呈现爆发式增长趋势[7]，2004年申请量是1998年的6.7 倍。在2005年到2007年期间，业界对EUV技术的研发远不如预期，相关专利申请量出现了下降趋势。2008年以后，芯片晶体管逐步向22 nm、10 nm、7 nm，甚至更小尺寸发展，传统的浸没式光刻技术无法满足生产要求，且双重光刻等其他光刻技术的成本迅速上升，因此业内人士再次对EUV光刻抱以期望[8]，2013年EUV光刻技术申请量达到884 件，比2008年增长了187件。根据摩尔定律，EUV光刻技术达到更小尺寸工艺时也将遇到更大的发展瓶颈，因此2014年以来，EUV光刻技术专利申请量略有下降，每年都在600 ～800 件。

以家族申请量为数据源，分析EUV光刻技术的技术来源国/地区专利申请趋势。从图4可以看出，日本于1990年开始申请EUV光刻技术专利，是申请最早的技术来源国，美国紧随其后，其次是德国、欧专局。而中国大陆作为技术来源国/地区的专利申请起步较晚，晚于发达国家10年以上，同时申请总量排名第五，仅为技术来源国/地区专利申请量最多的日本的1/10。

2.2 主要技术领域

通过表1可知，全球EUV光刻技术的研究主要集中在G03F（半导体器件的加工工艺、感光材料）、H01L（半导体器件）等大组。进一步细分可以发现，热点技术主要分布于G03F 7/20（曝光及其设备）、H01L 21/027（在半导体之上制作掩膜）、G03F 7/039（可光降解的高分子化合物，如正电子抗蚀剂）、G03F 7/004（感光材料），分别占同族专利总数的47.8%、41.1%、16.3%、16.1%。其次是H05G 2/00（专用于产生X射线的设备或方法）、G03F 1/24（反射掩膜及其制备）、G03F 7/038（不溶或非均匀可湿的光敏材料），占比分别为10.2%、9.6%、6.1%。这表明全球EUV光刻技术的研究主要聚焦于曝光设备、掩膜、感光材料、可光降解的高分子化合物、X射线产生设备、光敏材料、光学镜子等技术领域。

图3 全球EUV光刻技术领域专利申请趋势

图4 EUV光刻技术的技术来源国/地区专利申请趋势

表1 全球EUV光刻领域专利数量前十的热点技术专题

从表2来看，各技术方向国内外申请比例不一，但我国大陆在热点技术方向的申请占比均很少，其中占比最多的是G03F 7/20（曝光及其设备），也仅有4.6%，H05G 2/00、G02B 5/08 次之。由此可以看出，我国大陆在EUV光刻技术领域的技术实力还远远落后于技术发达国家/地区。

2.3 主要申请人分析

由表3分析可知，全球EUV光刻专利申请量最多的是荷兰的阿斯麦公司；其次是日本的富士、尼康和中国台湾的台积电。从所属国家来看，在全球前10 位的申请人中，荷兰有阿斯麦和已经被阿斯麦收购的CYMER，日本占5 席，德国占1 席，美国占1 席。

表2 全球EUV光刻技术专利TOP 10 技术方向中国大陆外申请分布

同时，表3还列出了EUV光刻技术领域主要申请人的重点技术方向。全球申请量前10 位的申请人所研究的技术主要集中在G03F 7/20、H01L 21/027、G03F 7/039、G03F 7/004、H05G 2/00、G03F 1/24 等领域，其中研究最多的就是G03F 7/20（曝光设备）。其中，阿斯麦、台积电、卡尔蔡司在曝光设备方面研发最多，尼康、佳能、IBM重点关注掩膜技术。

图5为申请量前10 位的专利申请人布局图。从图5中可以看出，阿斯麦在本国申请的专利特别少，它侧重于在全球主要申请国进行均匀布局，其中在美国的专利申请量占比达22.9%，而日本的富士和尼康均以本国申请为主，再在其他国家均匀布局。台积电和阿斯麦类似，主要在其他国家/地区进行专利布局，在中国台湾地区申请的专利只有41 件，是布局在美国专利数量的1/4。

2.4 区域分布

由EUV光刻技术的全部专利数分析可以得到，排名靠前的申请国家/地区以及组织机构为日本、美国、韩国、中国大陆、中国台湾、世界知识产权组织、欧洲专利局、德国、荷兰。统计分析可以看出（图6），日本申请量最多，主要来自本国申请，其他主要来自美国、欧洲专利局、德国；美国申请量排名第二，同样也是本国申请量最多，其他主要来自日本、欧洲专利局、德国。美国、日本、德国是申请世界知识产权组织（PCT）专利的主要国家，说明这3 个国家比较重视EUV光刻专利的全球布局。中国大陆申请量排名第四，只有18.7%的专利来自本国申请，申请中国大陆优先权的专利有275 件，进入其他国家/地区的只有16 件。可以看出，中国大陆的本国申请数量比其他国家 / 地区在中国大陆布局的专利数量少，同时中国大陆在其他国家/地区布局的专利也微乎其微，说明中国大陆在EUV光刻领域有一些专利申请，但与该领域技术强国的差距很大。这里值得关注的是荷兰。荷兰申请量仅有137 件，且主要来自美国、欧洲专利局，荷兰优先权数量也仅有34 件，而荷兰拥有世界最先进光刻技术的阿斯麦公司，申请专利高达3 127件，远远超过了荷兰申请量和荷兰优先权数量，说明荷兰主要在国外布局大量专利和申请国外的优先权。

表3 全球EUV光刻专利申请人前十

图5 EUV光刻技术主要申请人的申请国/地区分布

2.5 分析小结

通过专利分析可知，EUV光刻技术正处于平稳发展期。中国大陆作为技术来源国/地区进行专利申请起步较晚，且专利申请量仅有日本的1/10；中国大陆在全球EUV光刻热点技术方向的申请均很少，其中申请最多的是曝光设备方向，全球占比仅有4.6%；在全球专利申请量排名前10 的主要申请人中，申请量最多的是荷兰阿斯麦，日本占据5 席；在全球EUV光刻技术申请量排名中，中国大陆申请量排名第四，但只有18.7%的专利来自本国申请，其余申请主要来自美国和日本等国的在华申请；在全球EUV光刻技术的专利布局中，荷兰在国外布局大量专利和申请国外优先权，而中国大陆在其他国家/地区布局的专利微乎其微。

3 结论与建议

本文从芯片的产业现状和发展格局入手，梳理出我国芯片产业链上的“卡脖子”环节是“高端芯片制造的EUV光刻技术”，然后从专利角度分析我国大陆EUV光刻技术与发达国家/地区的申请趋势、技术分布、竞争态势和专利布局的差距，得到以下分析结论，并提出相应的对策建议。

图6 EUV光刻技术主要申请国/地区的技术来源国/地区分布

（1）通过芯片产业分析得知，我国大陆芯片制造业是芯片产业中最为薄弱的环节，芯片工艺制程远远落后于国外发达国家/地区水平，生产高端芯片的核心设备光刻机严重依赖进口。通过对EUV光刻技术进行专利分析可知，荷兰、美国、日本等发达国家EUV光刻技术专利申请方面起步较早，在海外布局的专利很多，已经形成了很强的专利壁垒，而我国大陆在EUV光刻各热点技术领域的专利申请量均很少，在海外布局的专利更少，因此我国大陆的芯片制造严重受制于人。

（2）基于以上芯片“卡脖子”问题分析研究，从以下3 个方面提出建议：一是积极攻克芯片制造的技术短板问题。建议国家进一步集中科研力量，联合上海微电子等光刻机研发厂家，聚焦EUV光刻技术，推动光刻领域的曝光、光源、镜头、光刻机、掩膜等核心技术的持续创新，尽快突破一系列光刻核心技术难题，逐步实现具有先进工艺制程的光刻机国产化替代。二是深化转型，提升产业协同与集中度。打通芯片生产全产业链，建立设计、制造、封测企业之间良好的沟通渠道，缩短研发周期，提高生产效率，打造可以独立完成设计、制造和封测所有环节的企业；在区位布局上，应推动三业形成产业集聚，积极引导集成电路企业与整机厂商对接，促进协同发展；积极融入全球化进程，在全球范围内加强合作和对外交流，共同打造芯片产业链，使它更加健康可持续发展[11-12]。三是换道超车，突破专利壁垒。加强在芯片制造、计算、应用发展的领域布局，从5G+工业互联网、人工智能等新一代技术等角度寻求新兴领域的突破，避开国外发达国家在芯片传统领域的专利壁垒，实现“换道超车”。

（3）本文仅围绕芯片的其中一个重要“卡脖子”环节即EUV光刻技术进行专利分析。由于篇幅有限，专利分析未能向法律状态信息、引文信息、核心专利等方面深入开展，且仅从专利挖掘信息，研究存在一定的局限性。未来可以进一步从政策、产业、市场、人才、技术等多方面视角进行剖析，也可以从芯片的其他“卡脖子”问题入手，挖掘出更多有价值的情报。