光刻機(jī)照明系統(tǒng)專利分析

張海波，林嫵媚，廖志杰，白 瑜，馮建美，邢廷文

(中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所，四川成都610209)

專利是能夠反映科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平最新動(dòng)態(tài)的情報(bào)文獻(xiàn)，分析某領(lǐng)域的專利，對(duì)于科研人員了解國(guó)內(nèi)外技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)、現(xiàn)有技術(shù)水平以及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)有重要的意義。

在微細(xì)加工產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)域里，投影光刻機(jī)是其中的關(guān)鍵設(shè)備之一，而與投影物鏡匹配的照明系統(tǒng)又是投影光刻機(jī)的重要組成部分，只有高質(zhì)量的照明系統(tǒng)，才可充分發(fā)揮曝光系統(tǒng)的性能并滿足曝光系統(tǒng)成像的需要[1-3]。至今，國(guó)內(nèi)外還未見(jiàn)有關(guān)于此領(lǐng)域宏觀的專利分析的文章。本文將通過(guò)對(duì)光刻機(jī)照明系統(tǒng)專利數(shù)據(jù)進(jìn)行專利權(quán)人分布、國(guó)際專利分類、專利申請(qǐng)國(guó)分布、年度發(fā)展趨勢(shì)和技術(shù)生命周期分析，并對(duì)重要專利進(jìn)行挖掘，追蹤技術(shù)發(fā)展方向，旨在為科研人員提供參考，使其了解當(dāng)前照明系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展情況，避免重復(fù)研究，縮短研發(fā)周期。

本文利用Innography 專利檢索分析系統(tǒng)和Excel，統(tǒng)計(jì)分析從1983年到2012年之間公開(kāi)的專利數(shù)據(jù)，Innography 專利檢索系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包括歐洲專利局、美國(guó)專利局、日本專利局、中國(guó)專利局、世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織等國(guó)家和地區(qū)專利局受理和授權(quán)的專利。根據(jù)照明系統(tǒng)的專利分類號(hào)和關(guān)鍵詞編輯檢索式，并對(duì)檢索結(jié)果進(jìn)一步篩選，得到相關(guān)的專利近1 萬(wàn)件。

專利檢索式為：

（1） (lithograph* or microlithograph* or photolithograph* or aligner or step-and-scan or step-and-repeat or IC manufacture or integrated circuits or semiconductor or stepper or scanner or scanner) and (illuminat or illuminant or radiat or (light source) or (optical source) ) and G03F7

（2）EUV or extreme w uv or (extreme w ultraviolet) or(extreme w ultra w violet) or (x w ray?))and G03F7

（3）（polarie* or polaris*）and (lithograph* or microlithograph* or photolithography*) and G03F7

下面對(duì)對(duì)這些專利文件進(jìn)行分析，結(jié)合世界范圍內(nèi)的相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)動(dòng)態(tài)，探索照明系統(tǒng)領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展總體趨勢(shì)。

1 申請(qǐng)趨勢(shì)分析

1.1 全球主要專利權(quán)人統(tǒng)計(jì)

圖1 為照明系統(tǒng)專利技術(shù)的主要專利權(quán)人，該領(lǐng)域全球?qū)＠暾?qǐng)量位居前四的專利權(quán)人為阿斯麥（ASML，1748 件）、蔡司（1380 件）、尼康（1304 件）和佳能（1012 件）。

圖1 權(quán)利人專利申請(qǐng)量分析

由圖1 可以看出，在光刻機(jī)照明系統(tǒng)領(lǐng)域的四大巨頭占有了該技術(shù)領(lǐng)域50%的專利。其中，ASML 是荷蘭的半導(dǎo)體設(shè)備制造商[4]，致力于大規(guī)模集成電路制造設(shè)備的研究和制造，在世界同類產(chǎn)品中有80%的市場(chǎng)占有率。前十名公司中，其他主要是日本公司。以銷(xiāo)售額計(jì)算2007年ASML 的光刻機(jī)占世界同類產(chǎn)品65%，而在1996年日本尼康占50%，佳能占25%，蔡司、尼康和佳能公司在本世紀(jì)一直保持穩(wěn)步發(fā)展。值得注意的是上海微電子和中科院光電所近年開(kāi)始大量申請(qǐng)專利，截至2013年低，上海微電子裝備有限公司已申請(qǐng)光刻領(lǐng)域中國(guó)專利約1 300 項(xiàng)，中國(guó)科學(xué)院光電研究所已申請(qǐng)光刻領(lǐng)域?qū)＠?00 項(xiàng)。

1.2 國(guó)際專利分類分析

IPC（國(guó)際專利分類號(hào)）作為使專利文獻(xiàn)獲得統(tǒng)一國(guó)際分類的一種工具，首要目的是為各知識(shí)產(chǎn)權(quán)局和其他使用者建立一套用于專利文獻(xiàn)的高效檢索工具；可作為進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)，可以對(duì)各個(gè)領(lǐng)域的現(xiàn)有技術(shù)作出評(píng)價(jià)。對(duì)于照明系統(tǒng)專利IPC 分布如圖2 所示，從圖2 中可見(jiàn)，前三位技術(shù)領(lǐng)域的專利總和占總量的85%，排名前三位的技術(shù)領(lǐng)域分別為H01L/21/02（半導(dǎo)體器件或其部件的制造處理）、H01L/20/27（為進(jìn)一步的光刻工藝在半導(dǎo)體之上制作掩模）和G03F/07/20（半導(dǎo)體器件的加工工藝、材料曝光及其設(shè)備）。這三個(gè)領(lǐng)域均屬于半導(dǎo)體器件制造和加工工藝領(lǐng)域。

圖2 專利申請(qǐng)量技術(shù)領(lǐng)域分析

1.3 專利申請(qǐng)國(guó)家和地區(qū)分析

根據(jù)專利申請(qǐng)國(guó)家統(tǒng)計(jì)分析可以判斷該技術(shù)的主要申請(qǐng)國(guó)家和地區(qū)。由圖3 可見(jiàn)，專利申請(qǐng)國(guó)家側(cè)重日本和美國(guó)。在專利數(shù)量上，中國(guó)、中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)、韓國(guó)等國(guó)家和地區(qū)均位于前十名以內(nèi)，亞太地區(qū)逐漸成為重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域。

圖3 專利申請(qǐng)量國(guó)家和地區(qū)分布圖

上述這些國(guó)家和地區(qū)是世界上主要的光刻機(jī)廠商所在地或者是主要的半導(dǎo)體生產(chǎn)基地。ASML、尼康、佳能和蔡司公司為代表的光刻機(jī)生產(chǎn)企業(yè)主要以美國(guó)和日本作為主要的專利布局國(guó)家，這和美日在半導(dǎo)體技術(shù)的領(lǐng)先地位以及美日作為全球主要的半導(dǎo)體生產(chǎn)基地有關(guān)。其中ASML公司在新加坡有相當(dāng)顯著的專利分布（39 篇），經(jīng)查可能是因?yàn)锳SML 在新加坡成立了一家針對(duì)亞太地區(qū)的貿(mào)易公司ASML SINGAPORE PTE LTD公司；蔡司公司在澳大利亞的專利分布也較多（19篇），可能是蔡司公司在澳大利亞有分公司Carl Zeiss Vision Australia Pty Ltd。與尼康公司對(duì)比，佳能公司W(wǎng)IPO 的專利申請(qǐng)量比較少，而美國(guó)申請(qǐng)量較多，佳能公司可能傾向于直接向國(guó)外專利局申請(qǐng)專利而很少通過(guò)PCT 途徑。值得注意的是中國(guó)已經(jīng)成為第三位專利分布國(guó)，說(shuō)明各個(gè)主要公司在中國(guó)申請(qǐng)量有所增加，開(kāi)始在中國(guó)進(jìn)行專利布局。

1.4 專利年度申請(qǐng)趨勢(shì)和生命周期分析

將照明系統(tǒng)領(lǐng)域的專利申請(qǐng)量按照申請(qǐng)年份進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以發(fā)現(xiàn)光刻機(jī)照明領(lǐng)域?qū)＠麖?0 世紀(jì)80年代開(kāi)始申請(qǐng)呈現(xiàn)年度緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)，2000年以后申請(qǐng)量開(kāi)始快速增漲，2004年左右出現(xiàn)最高峰，之后申請(qǐng)量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但是申請(qǐng)量仍然保持一個(gè)較高的水平。需要說(shuō)明的是2012年的數(shù)據(jù)受到部分申請(qǐng)未公開(kāi)的影響，下降幅度比較明顯，但是不能反映該年度實(shí)際的專利申請(qǐng)量。1983年以前專利量特別少，而2013年由于大部分專利都未公開(kāi)，數(shù)據(jù)量也很少，所以未在圖4 中作出反映。

2004年以后申請(qǐng)量下降，原因可能是該項(xiàng)技術(shù)在2004年前后已經(jīng)成熟，基本完成了一個(gè)技術(shù)周期。據(jù)筆者了解的現(xiàn)在照明系統(tǒng)的技術(shù)基本已經(jīng)處于成熟階段，但隨著光刻技術(shù)出現(xiàn)新的技術(shù)方向，技術(shù)會(huì)有新的突破。根據(jù)圖4 推斷，大致可以將光刻照明系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展分為4 個(gè)階段，即：技術(shù)萌芽期（1994年以前）， 技術(shù)發(fā)展期（1994-2000年），技術(shù)成熟期（2001-2005年），技術(shù)衰退期（2005年以后）。再通過(guò)技術(shù)生命周期曲線圖對(duì)此作進(jìn)一步的驗(yàn)證。

圖4 專利年度申請(qǐng)趨勢(shì)圖

技術(shù)生命周期[5]是指某項(xiàng)特定技術(shù)從開(kāi)發(fā)研制出來(lái)投入使用，到該技術(shù)逐漸為社會(huì)生產(chǎn)部門(mén)所淘汰為止所經(jīng)歷的時(shí)間過(guò)程，常用折線圖表示，橫軸表示專利數(shù)量/時(shí)間段，縱軸表示發(fā)明人/時(shí)間段，圖5 為技術(shù)生命周期通用曲線圖。通過(guò)某一特定領(lǐng)域的技術(shù)生命周期圖與通用曲線圖的比較，可發(fā)現(xiàn)該產(chǎn)業(yè)所處的技術(shù)生命周期狀況，如技術(shù)萌芽期、發(fā)展期、衰退期、復(fù)蘇期。以此作為研發(fā)投入的重要參考，企業(yè)通常會(huì)加大處于發(fā)展期技術(shù)的研發(fā)投入。

根據(jù)技術(shù)生命周期分析的理論，我們對(duì)收集的照明系統(tǒng)專利進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)，得出了1983年至2012年的專利申請(qǐng)和申請(qǐng)人數(shù)量，并繪制出照明系統(tǒng)專利雙年技術(shù)曲線周期圖，如圖6。結(jié)合圖4 我們可推斷照明系統(tǒng)技術(shù)在1994年之前處于萌芽期，1994年之后進(jìn)入技術(shù)發(fā)展期，1998年以后專利數(shù)量和發(fā)明人數(shù)量開(kāi)始大幅度增長(zhǎng)，2004年之后專利量和發(fā)明人數(shù)量勻出現(xiàn)回落，出現(xiàn)技術(shù)衰退，這和根據(jù)專利申請(qǐng)年統(tǒng)計(jì)結(jié)果的推斷十分一致。

圖5 通用技術(shù)生命周期曲線圖

圖6 照明系統(tǒng)技術(shù)生命周期曲線圖

回顧光刻機(jī)市場(chǎng)，可以發(fā)現(xiàn)光刻機(jī)自誕生來(lái)，曝光光源從先后經(jīng)歷了g 線、i 線、248 nm 和193 nm等幾個(gè)技術(shù)階段[6-7]。20 世紀(jì)80年代初期，g 線機(jī)型占統(tǒng)治地位，20 世紀(jì)80年代后期到90年代中期，i線機(jī)型占主導(dǎo)地位，此時(shí)光刻機(jī)廠商僅有美國(guó)的GCA 等幾家公司，此時(shí)正是技術(shù)萌芽期；90年代以后，全球先后有30 余家企業(yè)躋身光刻領(lǐng)域，光刻技術(shù)進(jìn)入發(fā)展期，照明系統(tǒng)專利申請(qǐng)量開(kāi)始增加，此時(shí)遠(yuǎn)紫外機(jī)型便取代i 線機(jī)成為主流機(jī)型；到2001年，ASML 率先推出的Twin Scan AT1100B 型ArF準(zhǔn)分子激光步進(jìn)掃描光刻機(jī)，其后日本的尼康和佳能先后也推出193 nm 的光刻機(jī)，2003年193 nm的ArF 光刻機(jī)走向成熟，成為主流設(shè)備，由于采用了浸沒(méi)技術(shù)，目前193 nm 光刻技術(shù)延伸到65 nm、45 nm 甚至32 nm 節(jié)點(diǎn)。通過(guò)分析光刻機(jī)的發(fā)展歷程，印證了光刻機(jī)照明系統(tǒng)的一個(gè)整體技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的正確性。現(xiàn)在照明系統(tǒng)似乎已經(jīng)進(jìn)入了衰退期，但是隨著光刻機(jī)新技術(shù)的不斷推進(jìn)，照明系統(tǒng)技術(shù)可能會(huì)出現(xiàn)一個(gè)復(fù)蘇期。

2 專利文件深度分析

2.1 核心專利分析

“專利強(qiáng)度”是Innography 的核心功能之一，它是專利價(jià)值判斷的綜合指標(biāo)。專利強(qiáng)度受權(quán)利要求數(shù)量、引用與被引用次數(shù)、是否涉案、專利時(shí)間跨度、同族專利數(shù)量等因素影響，其強(qiáng)度的高低可以綜合地反映出該專利的文獻(xiàn)價(jià)值大小。

通過(guò)Innography 的專利強(qiáng)度分析功能，我們可以快速?gòu)拇罅繉＠泻Y選出核心專利，將專利強(qiáng)度高于90%的專利視為核心專利，其中前十位的專利如表1 所示。

表1 核心專利列表

表2 所示為專利的主要技術(shù)點(diǎn)，其中，上述10 件專利涉及到光調(diào)制有4 件，偏振照明2 件，浸沒(méi)式2 件，照明模式1 件，計(jì)算機(jī)模擬照明場(chǎng)分布1 件。核心技術(shù)分布在不同的技術(shù)方向。其中，US5631721（1995年申請(qǐng)）在2001年發(fā)生法律訴訟，Ultratech Stepper 訴SVG 侵權(quán)（US5631721 原權(quán)利人為SVG Lithography System 公司，后SVG被ASML 收購(gòu)），涉案專利共42 件；該專利文件被引用數(shù)量也高達(dá)132 次，說(shuō)明該專利文件的重要性，摘要附圖如圖8 所示。該專利文件采用在照明場(chǎng)放置多圖像光學(xué)元件14（multi-image optical element 14），用于形成二次光源，會(huì)聚透鏡16 會(huì)聚二次光源光，衍射光學(xué)元件18 放置于會(huì)聚透鏡16 的焦面處，利用多圖像光學(xué)元件14（multi-image optical element14）和衍射光學(xué)元件18 的配合，可產(chǎn)生一個(gè)小數(shù)值孔徑值，并且產(chǎn)生不依賴于光源特性的角分布[8]。沿著該專利文件的技術(shù)軌跡挖掘，1997年，專利US5896188（如圖9）將此技術(shù)進(jìn)行了更進(jìn)一步的研究[9]，由于采用multi-image optical element14 導(dǎo)致產(chǎn)生圖像噪音，通過(guò)頻率調(diào)制器36 調(diào)制光源脈沖，可以降低噪聲干擾，并可以改變線寬和邊緣粗糙度；2002年，US6784976 的專利文件又對(duì)如何改變線寬進(jìn)行了深入研究[10]。通過(guò)上述一系列的專利文件，可以發(fā)現(xiàn)ASML 公司一直對(duì)核心技術(shù)進(jìn)行不斷深入的技術(shù)攻關(guān)和專利布局。

從表1 中可以看出，核心專利均為國(guó)外專利，且根據(jù)分析結(jié)果專利強(qiáng)度高于80%的專利文件基本都是國(guó)外專利，很少有中國(guó)申請(qǐng)人的專利文件以及國(guó)外企業(yè)在中國(guó)申請(qǐng)的專利文件。說(shuō)明我國(guó)的申請(qǐng)人的專利文件基本無(wú)核心技術(shù)，且國(guó)外的核心技術(shù)專利也并未在中國(guó)進(jìn)行申請(qǐng)。可能是由于早期國(guó)外企業(yè)對(duì)中國(guó)的重視程度不夠，認(rèn)為中國(guó)在光刻領(lǐng)域的技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國(guó)家，不會(huì)對(duì)其造成威脅，所以未在中國(guó)進(jìn)行周密的專利布局。這些未在中國(guó)申請(qǐng)的核心技術(shù)就可以進(jìn)行借鑒和在國(guó)內(nèi)無(wú)償使用。

2.2 技術(shù)功效矩陣分析

“專利強(qiáng)度”是Innography 的核心功能之一，它是專利價(jià)值判斷的綜合指標(biāo)。專利強(qiáng)度受權(quán)利要求數(shù)量、引用與被引用次數(shù)、是否涉案、專利時(shí)間跨度、同族專利數(shù)量等因素影響，其強(qiáng)度的高低可以綜合的反映出該專利的文獻(xiàn)價(jià)值大小。照明領(lǐng)域產(chǎn)生了離軸照明及偏振照明等主要代表性照明技術(shù)，利用該分析系統(tǒng)，首先將偏振照明領(lǐng)域的專利擴(kuò)增同族后的所有檢出的專利按照專利強(qiáng)度進(jìn)行分段統(tǒng)計(jì)，選取專利強(qiáng)度大于30%的專利作為技術(shù)功效矩陣分析的對(duì)象。圖9 對(duì)偏振照明領(lǐng)域的專利進(jìn)行技術(shù)功效矩陣分析，其中縱坐標(biāo)為技術(shù)點(diǎn)，橫坐標(biāo)為其實(shí)現(xiàn)的功能或達(dá)到的效果，氣泡大小代表專利數(shù)量的多少，沒(méi)有氣泡即專利量為零，數(shù)據(jù)來(lái)源為利用偏振照明系統(tǒng)關(guān)鍵詞和橫縱坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵詞進(jìn)行布爾運(yùn)算編輯檢索式的命中目標(biāo)數(shù)。

表2 核心專利技術(shù)特征

圖7 專利US5631721附圖

圖8 專利US5896188 附圖

通過(guò)圖9 可以發(fā)現(xiàn)該領(lǐng)域的熱門(mén)和冷門(mén)的技術(shù)研發(fā)方向，其中專利技術(shù)比較集中于通過(guò)偏振片和晶體獲得旋轉(zhuǎn)角度、通過(guò)偏振片調(diào)節(jié)偏振方向、和通過(guò)偏振片和晶體獲得不同狀態(tài)的偏振片。同時(shí)也可以發(fā)現(xiàn)復(fù)眼透鏡和斬光器與橫向功效點(diǎn)基本沒(méi)有專利產(chǎn)生，一方面可能是由于這樣的技術(shù)點(diǎn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)，另一方面也可能是這方面投入的科研精力較少，所以還沒(méi)有專利文件產(chǎn)生，我國(guó)的科研人員可以嘗試從這些技術(shù)薄弱點(diǎn)進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，同時(shí)也可以考率是否可以對(duì)技術(shù)熱點(diǎn)的專利進(jìn)行借鑒并進(jìn)行外圍專利布局。

3 國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)的發(fā)展

有關(guān)光刻照明系統(tǒng)的中國(guó)申請(qǐng)專利中，國(guó)外申請(qǐng)占了73%，而國(guó)內(nèi)申請(qǐng)僅占27%。下面僅以離軸照明技術(shù)為例，分析國(guó)內(nèi)外專利申請(qǐng)的差距。世界范圍有關(guān)離軸照明共有1044 件專利技術(shù)，中國(guó)專利申請(qǐng)的離軸照明專利有45 件，其中國(guó)外申請(qǐng)為35 件，國(guó)內(nèi)申請(qǐng)為10 件，表面此領(lǐng)域大部分的專利沒(méi)有進(jìn)入中國(guó)，可以認(rèn)為離軸照明領(lǐng)域國(guó)外公司在我國(guó)的專利布局尚未完成。其中ASML公司申請(qǐng)量最多占17 件，其專利基本上都是保護(hù)離軸照明系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案，從離軸照明系統(tǒng)原理上和結(jié)構(gòu)上保護(hù)其知識(shí)產(chǎn)權(quán)，同時(shí)還側(cè)重保護(hù)照明光源和照明元件等局部細(xì)節(jié)。佳能公司只有兩件。國(guó)內(nèi)方面，中科院光電所有2 件實(shí)用新型的申請(qǐng)，上海微電子有5 件發(fā)明專利申請(qǐng)，涉及生成離軸照明元件的改進(jìn)和離軸照明系統(tǒng)的改進(jìn)，與國(guó)外技術(shù)相比，我國(guó)的專利基本上都是在國(guó)外技術(shù)基礎(chǔ)上的局部改進(jìn)，沒(méi)有擁有核心專利。而國(guó)外的公司采用的是立體的保護(hù)策略，其專利涵蓋離軸照明的所有技術(shù)方面，即包括器件也有系統(tǒng)，我國(guó)在研究?jī)?nèi)容上不夠完整，深度上不夠具體。這體現(xiàn)了我國(guó)專利申請(qǐng)的一個(gè)整體狀況。

圖9 專利技術(shù)－功效矩陣分析

圖10 國(guó)內(nèi)外專利申請(qǐng)對(duì)比

4 結(jié)論和建議

光刻機(jī)照明系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了萌芽、發(fā)展、成熟和衰退4 個(gè)階段，目前，專利申請(qǐng)量已經(jīng)出現(xiàn)下降的態(tài)勢(shì)，但是隨著光刻技術(shù)新技術(shù)的出現(xiàn)，其必然會(huì)出現(xiàn)復(fù)蘇期；該領(lǐng)域的專利主要能集中于ASML、尼康、佳能和蔡司4 家行業(yè)巨頭的手中，他們的研發(fā)水平處于國(guó)際領(lǐng)先地位，且一直保持專利數(shù)量和質(zhì)量方面的優(yōu)勢(shì)；美國(guó)、日本和中國(guó)成為三大專利申請(qǐng)國(guó)，技術(shù)領(lǐng)域集中于半導(dǎo)體器件制造和加工工藝領(lǐng)域，雖然這些企業(yè)在中國(guó)境內(nèi)也進(jìn)行了專利部署，但大部分核心專利未進(jìn)入中國(guó)，意味著可以在中國(guó)境內(nèi)無(wú)償使用這些專利。

而對(duì)于我國(guó)的企業(yè)，由于近年來(lái)國(guó)家重視，加大了研發(fā)力度，專利數(shù)量和質(zhì)量都有了大幅提高，上海微電子裝備有限公司、中國(guó)科學(xué)院光電研究所、和中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光機(jī)所等一批中國(guó)機(jī)構(gòu)在該領(lǐng)域申請(qǐng)了大量的專利文件，但是與行業(yè)巨頭相比，技術(shù)積累還比較薄弱，技術(shù)構(gòu)成也不全面，核心技術(shù)仍然掌握在行業(yè)巨頭手中。我國(guó)的企業(yè)不僅要研發(fā)出產(chǎn)品，還要規(guī)避專利風(fēng)險(xiǎn)，加強(qiáng)照明系統(tǒng)外圍技術(shù)的研究工作和專利布局。

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