极紫外光刻技术专利分析来了

日期: 2020-12-22
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  数据显示,2019年我国集成电路(IC)进口金额达3055.5亿美元,约占全部进口总额的2.1%,集成电路已连续十年成为我国第一大宗进口商品,其中大部分为高端芯片。而高端光刻机是半导体产业链中技术含量最高、最核心、最关键的设备,是生产高端芯片的“制器之器”,被誉为“半导体工业皇冠上的明珠”。能否在这一领域实现重大突破,关系到我国半导体行业能否从根本上扭转“卡脖子”被动地位,从而将行业未来发展的主动权掌握在自己手中。本文基于专利文献,全面研究了生产高端芯片的极紫外(EUV)光刻技术的整体专利态势,以期对行业技术发展有所参考。



全球申请态势


  EUV光刻技术于上世纪80年代由日本的H.Kinoshita首先提出并完成原理验证,它采用的EUV光波长为13.5nm,经过业界30多年持续的投入和研究,终于在2015年由荷兰的阿斯麦尔(下称ASML)公司量产了世界上第一台成熟的EUV光刻机(NXE:3400B)。由于传统的透射型光学器件对于EUV光存在强烈的吸收效应,为克服该吸收效应,包括照明系统和物镜系统在内的EUV光学系统需采用反射式结构,且需要光学薄膜、光学材料、光刻胶等都发生相应的变革,相当于对整个投影光刻技术的一次重塑。EUV光刻技术在具有极高技术难度的同时,其优势也是显而易见的:其工作波长仅为ArF准分子激光器的1/14,根据瑞丽公式,这将大大增加光刻分辨率,一方面可以允许工艺因子K1适当放宽,不需要采用复杂昂贵的分辨率增强技术或多重曝光技术,另一方面,物镜光学系统NA可适当减小,系统设计过程中像差的矫正、光学元件的加工将变得更加容易。


  笔者经过专利检索发现,2000年1月至2019年6月,EUV光刻技术全球专利申请量共为3677件。其专利申请量自2002年起迅速增加,并在随后若干年中始终保持在高位,这与半导体行业对于高端芯片的旺盛需求,行业内爆发式的研究推进有关。随着2007年EUV光刻技术获得进展(当年EUV光源技术取得突破),EUV光刻技术申请量逐年提升,并于2013年达到顶峰323件(见图1)。此后申请量步入呈现下降趋势,可以认为EUV光刻机中的关键难点技术已经取得突破,其后面临的多是不断完善的过程。

全球范围内,EUV光刻技术专利申请量排名前6位的国家或地区为:德国(1356件)、美国(540件)、荷兰(515件)、日本(509件)、中国(336件)、韩国(106件)。其中德国和荷兰代表着光刻机的生产中心,日本、美国、中国和韩国则代表着光刻机的市场中心,也即半导体产业的制造中心。

  EUV光刻机的专利技术具有高度的技术集中性和垄断性。从申请人角度看,全球排名前6位的专利申请人分别为:蔡司公司(832件)、ASML公司(510件)、尼康公司(483件)、极光先进雷射(下称GIGA)公司(268件)、佳能公司(151件)、台湾积体电路制造股份有限公司(下称台积电)(145件)。其专利申请量之和超过了该领域总申请量的65%(见图2)。


关键技术分支


  笔者根据EUV光刻机的技术特点以及以往的技术储备,将EUV光刻领域的关键技术分支分为光源技术、照明投影系统及光学元件技术、掩模(mask)及其组件技术、环境维护技术及其他。其中,光源、照明投影系统及光学元件、掩模及其组件这三个关键技术分支所占比重较大,分别为29%、28%、23%(见图3)。


  从技术构成上看,在光源技术分支上,ASML公司的专利申请量占总申请量的30%,其另外一个光源供应商,日本的GIGA公司的专利申请量占据了24%,两者相加达到了54%。这两家公司实质上已经完全垄断了当前EUV光刻机的光源系统。在照明投影系统及光学元件技术分支上,蔡司公司一家的申请量就占据了57%,再加上与其深度合作的ASML公司的10%,该分支的垄断程度甚至超过了光源技术分支。在掩模及其组件技术分支上,申请人则表现出一定的分散性,台积电、蔡司、ASML、韩国的三星以及日本的多家公司均为数量较多的申请人,这对于我国想通过技术借鉴来实现快速突破提供可能。在环境维护技术分支上,ASML和蔡司公司的申请量之和达到了56%,基本上也实现了对该技术分支的垄断,但是由于该技术分支总体申请量不高,技术复杂性和难度相对于其它技术分支也略低,对于我国企业而言,属于更容易实现突破和进步的一个分支。

 纵观EUV光刻技术的四大关键技术分支,ASML公司在光源和环境维护上实现了绝对的技术占位和垄断,而照明投影系统被其持股24.9%的蔡司公司所垄断,在掩模及其组件分支上ASML公司也保持了较高的占比。总体来看,ASML公司在EUV光刻机方面处于绝对的垄断地位,通过在各个关键技术分支上的专利布局实现了全覆盖性的技术壁垒和障碍。中国台湾台积电在光源、环境维护方面的研究均位于前列,在掩模及其组件方面申请量位列全球第一,可以看出,作为下游IC制造企业,其更关心实际生产中使用量较大且往往需要厂商自行设计的掩模部件。反观中国大陆企业,在任何一个关键技术分支上的申请量均未进入前十位的主要申请人行列,并且就近几年的数据来看,也没有看到中国大陆企业存在奋起直追的趋势,可以预见,在未来很长一段时间内,中国大陆企业大幅落后ASML公司的状态不会得到缓解。


国内申请态势


  在2065件相关中国专利申请中,国外来华申请量在2003年前后达到顶峰,随着EUV光源技术的突破,在2009年前后申请量出现第二个高峰,与全球EUV光刻技术专利申请量年变化趋势保持一致。国内申请人的申请量在2011年前都是个位数,自2011年起逐步走高并接近国外来华申请量,这反映出近十年来我国对于高端光刻机的重视程度和研发程度一直在不断增强,处于快速追赶过程(见图4)。


  在EUV光刻技术领域中,发明专利、PCT专利、实用新型专利申请的占比分别为44%、52%、2%。这反映出该领域技术含量高的实际情况。


  在华申请排名前6位的申请人依次为ASML公司(25%)、蔡司公司(17%)、台积电(7%)、尼康公司(6%)、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所(下称长春光机所3%)、三星电子株式会社(2%)。其中,ASML公司的申请量最大,与其他申请人相比在申请量上占据着绝对优势,这与其一直专注于高端光刻机技术的研发,并十分重视在中国的专利布局不无关系。蔡司公司作为老牌光学厂商一直为高端光刻设备提供光学镜片及系统,并与ASML公司具有广泛合作,其申请量处于第2位。而尼康公司历来重视对技术的专利化和专利布局,加之其在高端光刻机领域的传统优势,也使其在华专利申请量达到了较高的水平。作为下游企业的台积电、三星电子株式会社占比分别达到7%、2%,说明芯片制造主要厂商实际上也对光刻机投入了大量精力用于研发。


  根据2000年后EUV光刻机领域主要申请人在华的历年申请量变化中可以看出,ASML、蔡司以及台积电公司在最近几年一直呈现较高申请量态势,表明这三家公司在EUV光刻技术上一直保持着高投入并不断地推动着该项技术的进步。而日本的尼康公司自2014年之后申请量萎缩严重,基本退出了EUV光刻机的竞争。国内的长春光机所(占比3%)、上海微电子(占比2%)、哈尔滨工业大学(占比2%)近年在逐步加强EUV光刻机的研发和投入,虽然其申请量总占比较少,但是基本保持了一个逐步增长的态势。但同时也可以看出,国内申请人以高校和科研院所为主,未出现一定规模的企业申请人,其研究方向偏基础研究和/或实验研究,与产业结合不够紧密,尚不能进入高端EUV光刻机的产业链。

 重点申请人分析


  从技术构成上看,ASML公司在EUV技术各关键技术分支上均有研发,专利申请覆盖了各技术分支,占比分别为光源57%、照明投影系统及光学元件20%、掩模及其组件10%、环境维护10%、其他3%。可见,ASML公司的研发重点是光源技术,而光源技术正是EUV光刻技术的两大难点之一。


  对于照明投影系统、掩模及其组件这两大关键技术分支,ASML公司虽然具有固定的照明投影系统供应商—蔡司公司,但其本身仍对该技术分支进行了大量的研发投入,表明其作为整机厂商,其对整个光刻机系统其他技术分支都保证了足够的研发关注度。


在环境维护技术分支上,ASML公司的专利申请量占比为10%。结合该技术分支总体申请量也不高的现实来分析,这一分支需要攻克的技术难点似乎并不多。


  从ASML公司涉及EUV光刻技术专利申请的目标国家分布情况可以看出,其对中国市场的重视度最高(占比21.49%),说明其判断未来半导体芯片加工和/或光刻设备制造的重心在中国。


产业发展建议


  上述专利分析,希望能够给政府和行业在制定光刻机发展政策上提供参考和依据,能够帮助国内相关企业利用专利信息提高研究起点,规避潜在的知识产权风险。笔者对此提出以下建议。


明确技术发展路线,少走弯路。虽然同为制程可达到7nm的光刻机,浸没式光刻机已经日趋萎缩,EUV光刻技术已经日渐成熟,并且在高端光刻机领域一统天下,尤其是2015年ASML公司推出商用型号,并面向客户接受订单之后,应当在EUV光刻技术这种已经被实践所证明的路径上加紧攻关,少走弯路,缩短与西方的代差。另外,EUV光刻机虽然已经商用,但是其完善的进程在各个关键技术分支上都在同步推进,目前并没有任何一个技术分支达到完美无缺的程度。光源技术在所有EUV光刻技术专利申请中占比最大,如果国内相关研究机构想在EUV光刻机上实现较大突破,那么在光源上的突破是必须的。


  在各技术分支上深挖潜力。就关键技术分支而言,在ASML和蔡司公司的申请为主的光源、环境维护、照明投影系统三大技术分支上,我国均具有一定的研究基础,而在我国尚处于空白的掩模及其组件技术分支上,由于国外申请人存在分散难以形成绝对垄断的特点,对于我们来说,无论是通过技术合作还是通过购买来获得相关技术或产品都提供了更多的可能性。此外,从全球专利申请分布来看,高端光刻机制造公司对于我国市场的重视程度高于韩国,但是并没有把所有相关的技术全部在我国进行布局,相当数量的专利申请并未在我国提交,无论其出于什么动机放弃了这些专利技术在我国的布局和占位,带来的是这些未在我国提交申请的专利技术都可以直接拿来借鉴和使用的效果,国内的研究机构和企业应该充分挖掘,寻求在这些领域的突破和商用。


  加强政策导向,寻求在新的光刻技术方面的深度研究。2017年之后,因特尔、三星电子株式会社、台积电等厂商陆续抛售了ASML公司的股票,后者原先构建的“客户联盟”发生了变化,这也在一定程度上反应半导体厂商并没有把未来全部压在EUV光刻上面,因此,我们在把握当前EUV光刻技术这一主攻方向的同时,也应加强纳米压印、原子光刻、X光光刻、电子束和离子束光刻等技术路径的研究,以更广的视野和更大的纵深把握光刻机这一关系大国博弈的重要领域的发展。值得一提的是,虽然国外已经开始研发并在中国开展了相关专利布局,但这些技术现在还远未成熟,将来一旦成熟可能对传统光学光刻有着颠覆性的影响。当前,这些技术路线仍处于研究的初始阶段,我国同国外的差距并不大,技术壁垒尚未高筑,各方对此也仍较多地持有学术交流的开放心态而非抱有事关商业机密的戒心,我国应在这些方面加大研究力度,形成与国外先进厂商的并跑态势。(国家知识产权局专利局光电技术发明审查部 黄非 孙曙旭 王艺潼 潘柯丞)


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