光刻技术及其专利分析

孙禹

国家知识产权局专利局专利审查协作天津中心

引言

光刻机是人类最精密复杂的机器，用于在芯片上刻出晶体管器件的结构和晶体管之间的连接通路。集成电路在制造过程中经历材料制备、掩膜、光刻、清洗、刻蚀、渗杂、化学机械抛光等多个工序，其中光刻工艺最为关键，它决定整个产业制造工艺的先进程度。光刻机是集成电路装备中技术难度最高、价格最昂贵的关键设备。研究光刻机领军企业成功因素，对我国提升创新能力，发展尖端制造业，培育世界一流的高技术企业，有着重要的借鉴意义。

在摩尔定律的驱动下，光学光刻技术经历了接触/接近(MaskAligner)、扫描等倍投影、步进投影、缩小步进投影(Stepper)、步进扫描投影(Scanner)曝光方式的变革，现如今极紫外（EUV）波段是光刻机的主要发展方向。目前EUV光刻技术在掩模技术、光刻胶等多个领域还有一些尚需解决的问题。在这样的背景下，全球相关专利技术布局如何，我国处于何种发展水平，如何加入到技术竞争都是需要解决的问题。

一、光刻技术背景

集成电路产业发展主力虽集中在美国、日韩、中国台湾等国家和地区，但全球最大的光刻机设备及服务提供商却是来自荷兰的阿斯麦（ASML）公司。阿斯麦仅用30年时间就在本领域建立起极高的技术壁垒，在45nm以下高端光刻机设备市场占据份额高达80%以上，尤其在在极紫外光（EUV）领域，目前拥有全球垄断地位。

EUV光刻技术可以帮助人们追求更小线宽、更高集成度的器件。EUV技术也能通过液相折射来降低波长，因为所有折射都可以降低波长，也就是说EUV技术可以有效拓展工艺深度。但是随着浸入式光刻、双重图形等技术的不断涌现，以及自身存在的光源不足、光刻胶和掩模版等相关技术不到位等原因，其商用化的日期不断地被推迟，发展也始终落后于业界的预期。

在光刻机发展的历程中，有很多企业带动了该产业的发展，但是 2005 年之后，光刻机市场主要由尼康、佳能和阿斯麦 3 家企业占据，其中尤其以阿斯麦为典型代表。

目前全球的EUV机台供应商仅为荷兰的ASML，该公司的EUV光刻设备已取得一定进展。2014年，IBM与ASML创造了24小时处理637片晶圆的记录，2015年ASML携手台积电实现了每天处理大于1000片晶圆的目标，并计划在2016年达到每天曝光1500片晶圆的处理能力，如果能够达到相应的曝光数量就意味着已经能够满足量产的成本需求，那么EUV光刻技术将从幕后走向台前。

二、光刻技术专利分析

由于光刻技术所涉及十分庞杂，其历史渊源以及所涉及的上下游工业，几乎完全覆盖了现有高技术产业，因此，本部分重点对EUV光刻技术进行专利数据分析。

如前文所述，EUV光刻技术因为其优势，已成为了光刻技术发展的主要方向，光刻领域的龙头企业也纷纷在该领域展开了布局抢占市场。如下图1所示，自1995年以来，EUV光刻技术的专利申请量，呈稳步提升，可见在21世纪，该领域已经成为了专利申请的热点。（以下统计数据均截止于2018年）

图1 全球EUV光刻技术专利申请量

参见附图2，通过对专利申请人的数据分析可知，传统光学工业巨头卡尔蔡司（CARL ZEISS）公司以及前文所述的阿斯麦（ASML）公司，依然具备遥遥领先的市场优势。其在技术发展前期，就通过专利布局，维持了自己的技术垄断地位。同时，台积电、旭硝子（ASAHI）、尼康、三星、现代等一众公司，紧随其后，也进行了大量的专利布局。

图2 全球EUV光刻技术专利申请人排名

通过图3分析，其为专利公开国数据统计，可见，专利市场布局最为火爆的依次为美国、韩国、日本、中国等。再通过图4分析，其数据为近10年来，各国申请人的申请数量，可见，高端制造业大国德国、美国、日本、荷兰，是EUV光刻领域的龙头国家，其申请人专利申请量遥遥领先于其他国家。

图3 EUV光刻技术专利公开国数据排名

图4 全球范围内各国申请人申请量点状图

我国作为全球最大单一市场，各国申请人在我国的专利申请数量确实极多的。由附图5可见，国外龙头企业申请总量较多。但参见图6，其与图1相比，中国申请人近十年该领域的专利申请量，无论总量还是增量，我国都属于较落后的地位。一方面，源于我国技术积累不够，科研以及加工水平不够，另一方面，发达国家的技术垄断，也是我国难以在该领域突破的主要原因。

图5 中国市场范围内各国申请量

图6中国市场范围内中国申请量

由上述分析可见，在光刻领域的朝阳技术EUV光刻中，我国已经处在了落后位置。

紫外光刻技术虽然在前期经历种种跌宕，其专利申请态势也是在弯曲变化，但目前已被IC行业较为看好，在未来几年应该仍会有大量相关专利涌现。德国、美国、荷兰等国家紧握极紫外光刻设备、控制平台等方面的核心技术，日本在光刻胶方面独占鳌头。我国从2003年开始有极紫外光刻的相关专利产生，在光源、光刻胶、多层膜、反射镜等多个方面开始进行研发，但至今无论从数量上还是从实力上都还是有明显差距。值得注意的是，光源方面，虽然我国高校和科研院所今年持续研究，但在EUV光刻应用上，美国和欧洲企业的相关专利已经全面封锁；光刻胶方面，日本申请人在华严防死守；我国申请人在EUV光源应用和光刻胶方面的机会较小，如果政府想要进行产业布局，可以考虑与外资企业寻求合作。而在掩模方面，国外申请人的国外专利较多，但在华布局不多，特别是掩膜缺陷检测等重点技术方面，中国申请人可以继续下功夫开展深入研究；对于聚焦系统的研究，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所等科研机构的相关研究突破较多，并且国外申请人在乎布局相对较少，值得继续支持。

三、总结与展望

光刻机照明系统技术发展经历了萌芽、发展、成熟和衰退 4 个阶段，目前，专利申请量已经出现下降的态势，但是随着光刻技术新技术的出现，其必然会出现复苏期欧美等国处于国际领先地位，且一直保持专利数量和质量方面的优势。

而对于我国的企业，由于近年来加大了研发力度，专利数量和质量都有了大幅提高，上海微电子装备有限公司、中国科学院光电研究所、和中国科学院长春光机所等一批中国机构在该领域申请了大量的专利文件，但是与行业巨头相比，技术积累还比较薄弱，技术构成也不全面，核心技术仍然掌握在行业巨头手中。我国的企业不仅要研发出产品，还要规避专利风险，加强照明系统外围技术的研究工作和专利布局。

中国要提高集成电路产业核心竞争力，打破欧美等国的技术垄断 ，一定要坚持开放式创新，通过提升系统总体设计能力、关键集成与示范能力，强化知识产权创造、保护和运用，集中力量在光刻机国际前沿技术上有所突破，创造更多的自主知识产权。