芯片光刻技術創新動態過程機制研究

張貝貝,李存金,尹西明，3

(1.中國科學院科技戰略咨詢研究院，北京 100190；2.北京理工大學管理與經濟學院，北京 100081；3.北京市哲學社會科學融合發展研究基地，北京 100081)

0 引言

芯片光刻技術創新是加快產業結構升級、實現高水平科技自立自強的重要保障和抓手，也是應用復雜系統管理思想加快構建新發展格局、實現高質量發展的重要突破口。尤其是在美國對華科技封鎖和推進科技脫鉤的大背景下，打造獨立自主的芯片光刻技術創新能力是突破中國關鍵核心共性技術 “卡脖子”瓶頸、保障產業鏈供應鏈安全穩定，實現經濟趕超和保障國家安全的重要舉措。基礎研究是科技創新的源泉，加強基礎研究是下好 “先手棋”和突破百年未有之大變局時代中國 “卡脖子”技術的關鍵變量[1]。相關研究表明，中國芯片技術基礎研究長期處于 “兩頭在外”的困難局面[2]，所以深入解析芯片光刻技術的基本創新原理和方法是立足中國新發展階段和管理實踐情境探索出一條具有中國特色快速追趕超越、科技強國之路的關鍵舉措。

芯片光刻技術不是單一技術，而是由多個技術子模塊組成的重大復雜技術系統，具有遞歸性、網絡性和不可分割性，其創新活動是一項復雜的系統工程。所以，應以整體論方法為指導、以還原認知方法為具體手段、以網絡認知方法為深化方式的多元系統認知方法來認識芯片光刻技術創新過程[3-4]。盛昭瀚等[5]基于錢學森復雜系統思想與范式提出具有中國特色的復雜系統管理理論，其是通過將復雜系統、管理科學和中國管理實踐情景融合而形成的對于復雜性問題的系統性、整體性認識論和管理學新領域，該理論認為復雜系統是具有層次性結構、要素之間存在非線性關系、具有特定功能的有機整體[6]，會出現 “整體上有，局部沒有”的復雜性系統形態[7-9]，以網絡化結構為分析基礎的復雜性系統科學[10]。復雜系統管理理論為剖析芯片光刻等關鍵核心技術創新原理提供理論和實踐方法論基礎。

現有與芯片光刻相關的重大復雜技術創新研究主要圍繞宏觀層面國家創新戰略和中觀層面企業或工程項目創新管理等方面展開，缺乏微觀層面技術創新原理基礎性研究，更鮮有從復雜整體性視角出發探索和歸納芯片光刻技術創新動態過程規律的研究。基于此，本研究基于復雜系統管理理論，從 “元素-關系-結構”復雜系統管理的過程邏輯出發，構建芯片光刻技術創新動態過程機制，以揭示其創新過程中技術元素、元素間的交互關系，以及系統結構再造與躍遷，進而推動芯片光刻技術創新內在規律，并從專利視角實證解析上述機制。

1 相關研究與文獻評述

芯片光刻技術是兼具重大性和復雜性特征的重大復雜技術。從重大復雜技術創新特征來看，重大復雜技術往往不是單項技術，而是由制約國家發展和危害國家安全的多個技術集成的技術系統，其創新成果影響深遠，可能帶來技術經濟范式的變革[11]。重大復雜技術創新活動是多個專業、多個學科、多個階段和多種組織之間相互影響、協作的過程，是一項典型的系統工程[12]，且各子系統會涌現出一系列共性技術問題，所以其創新活動應遵循系統性、動態性和先進性原則[13]。

針對重大復雜技術創新機理研究方面，重大復雜技術的創新管理活動得到學術界的高度重視，現有研究主要圍繞宏觀層面的國家技術追趕戰略和中觀層面的企業或項目團隊的創新管理機制展開討論。宏觀層面，路風等[14]從新興舉國體制與重大科技突破的視角考察美國在第二次世界大戰期間成立的戰時生產局和曼哈頓計劃,以及至今還在活躍的DARPA，指出新型舉國體制是實現重大科技突破、完成重大復雜技術任務的重要制度保障；呂鐵等[15]以高鐵這一復雜技術產品的趕超為例，發現政府在機會條件、創新導向和微觀主體互動方式等方面引致了高強度、高效率和大范圍的技術學習，并從激勵和能力兩個維度揭示中國政府行政干預和集中組織促成中國高鐵復雜技術追趕的經驗和行為特征；廉思秋等[16]基于國家創新意志論，針對重大戰略技術、關鍵核心技術和產業共性技術等高新技術構建政府、國轄組織和企業之間的扇形協同創新模式。尹西明等[17]則從建設高能級創新聯合體的視角探究高水平研究型大學等國家戰略科技力量如何驅動和協同破解關鍵核心技術突破[18]。

中觀層面，李靖華等[19]分別關注復雜技術創新合作網絡中企業的跨組織知識管理和技術整合能力；何清華等[20]以港珠澳大橋等工程為案例，運用扎根理論揭示重大工程復雜性的內生性、外生性和涌現性特征；程鵬等[21]以中國科學技術大學量子系統的相干控制技術為案例，通過資金要素、機構要素、產業要素和科學家團隊要素的互動交互刻畫從基礎科學到重大技術創新突破的過程；于渤等[22]構建基于構成要素積累的 “監測引進-模仿制造-改進制造-自主創新”技術能力演進機理；余江等[23]從支撐重大技術突破的組織模式、知識突破與商用生態全面聯接、人才培養機制以及新評價激勵機制等制度設計方面提出關鍵核心技術突破的體系構建思路；王毅[24]從系統技術、核心技術和產業鏈3個維度構建復雜技術創新能力模型，并針對性地為我國復雜技術創新能力成長提出可行路徑。

針對芯片技術創新的現有研究則主要從集成創新[25]、探索式創新[26]、干中學[27]等方面展開，且主要依賴案例解析方法。Roehrich等[28]運用半結構化訪談法研究芯片技術系統創新網絡中組織成員向集成團隊轉變的過程。項國鵬[29]從創新生態系統視角探索企業核心技術突破機制，以華為公司為案例構建開放與共享、競合與共生兩種創新機制，為華為基帶芯片從通用非核心組件技術到通用核心組件技術的技術突破提供支撐。周程等[30]以新日鐵和首鋼涉足半導體事業為案例,從技術選擇、技術學習、文化鎖定3個視角探討傳統企業轉換技術軌道的創新管理問題,對鋼鐵企業 “造芯”均遭挫折一事進行解釋。

綜上所述，芯片相關的重大復雜技術創新活動具有高度復雜性和系統性這一特征得到學界一致認同，但現有芯片相關技術創新研究主要圍繞著宏觀層面國家創新戰略和中觀層面企業或項目創新管理等方面展開，缺乏微觀層面創新原理的基礎性研究，更鮮有從復雜系統管理理論視角切入探索和歸納芯片光刻技術創新動態過程規律的研究。因此，本文擬從復雜系統管理理論邏輯出發，基于創新實踐的歸納，構建芯片光刻技術創新動態過程機制，試圖揭示其創新過程中技術元素、元素間交互關系以及系統結構再造與躍遷進而推動芯片光刻技術創新內在規律，以響應加強基礎研究[1-2]和加強國家戰略科技力量理論性研究的理論創新呼吁和現實緊迫性需求[31]。

2 芯片光刻技術創新動態過程機制：一個復雜系統管理框架

芯片光刻技術的遞歸性、網絡性和不可分割性特征[32-34]與復雜系統的層級性、關聯性和整體性特征一一對應，其中，遞歸性是指芯片光刻技術由子模塊構成，子模塊又由次級模塊構成；網絡性是指子系統之間存在交互關系，各層次上的子系統都是一個復雜網絡；不可分割性是指系統功能由各個子模塊共同作用實現，具有整體大于部分之和的特征。

芯片光刻技術創新是一項系統工程，屬于典型的復雜系統管理問題。技術創新不再只是要素投入產出的簡單線性過程，更是要素之間、要素與外界環境之間非線性交互作用的整體性結果[33，35]。基于復雜系統管理理論和對芯片光刻技術創新實踐規律的總結，本研究從 “技術元素—交互關系—系統結構”的復雜系統進階管理過程視角出發，構建得到芯片光刻技術創新的 “元素更新迭代—組合關系優化—系統結構再造”動態過程機制。將芯片光刻技術抽象成一個由3層子模塊構成的系統，左右兩側箭頭表示技術元素更新迭代，實線方框表示新增的元素組合關系，虛線方框代表淘汰的元素組合關系，實線更新符號表示對應元素在系統中的比重增加，虛線更新符號表示元素的比重減少。其中，先進技術是人們在不同時期創造出來的或是引領某一領域發展的原技術系統中未使用的技術元素；創新技術是指先前不存在或顯著不同于傳統技術元素軌道的新創技術元素，如圖1所示。

圖1 復雜系統視角下芯片光刻技術創新動態過程機制

2.1 芯片光刻技術的構成

芯片光刻技術是具有層次性結構、要素之間存在非線性關系、具有特定功能的整體性技術系統[5]。如圖1所示，將光刻技術分解成一個具有三層次級技術子模塊的系統，其中，技術系統由若干個技術子模塊組成，每個技術子模塊又由對應的元技術群體構成。將那些客觀存在的、可以組成任意專業領域技術的基本技術元素稱為元技術，如基本電路技術既是芯片制造技術的元技術，也是飛行器技術的元技術。

以子模塊層面為例，設z代表元技術，為組成光刻技術子模塊的基本單元；r表示子模塊中元技術間的關聯關系；w為某一元技術在子模塊中的比重；F為子模塊的功能函數。其中，zn表示組成技術子模塊t的第n個元技術；wn為第n個元技術在該模塊中所占的比重，0≤wn≤1；r1n表示該模塊中第一個元技術和n個元技術之間的關聯關系,r1n=0代表兩者之間不存在關聯關系，r1n=1代表兩者存在關聯關系。任一子模塊t的功能可表示為z、w和r共同作用的函數，如式 (1)所示。同理，如式 (2)所示，對應光刻技術的功能T是由子模塊功能Z、子模塊比重系數W和子模塊間關聯關系R共同作用組成的函數。

t=F(z,w,r)

(1)

T=F(Z,W,R)

(2)

2.2 元素更新迭代機制

迭代原理借鑒了進化論思想，是指事物根據外界反饋信息做出微調整和持續改進過程，以適應環境的變化[36-37]。基于迭代原理，將光刻技術創新的元素更新迭代機制歸納為：在開放協同的環境下，根據來自需求市場的技術反饋，從外界甄選出適合技術原系統發展的先進技術元素或創新技術元素，集成在原系統上，新舊技術元素間相互作用帶來的創新量變最終推動技術系統的創新質變。基于光刻技術的創新實踐，元素更新迭代方式可歸納為元素疊加和元素替換兩種[33]，分別如圖1中的左右兩側箭頭所示。

(1)元素疊加。元素疊加是指在開放協同的環境下，通過反饋機制從技術市場中重新甄選出利于技術原系統發展的新技術元素，將新技術元素疊加在原系統上，與該系統已有元素進行交互作用，通過拓寬元素間相互作用邊界的方式對模塊功能進行局部完善和補充，以及探索新功能，最終推動技術系統功能創新的過程。新技術元素可能是先進技術，也可能是創新技術。

t′ =F(z′,w′,r′)

(3)

T′ =F(Z′,W′,R′)

(4)

令x為先進元技術或創新元技術，在原技術模塊中加入新的元技術x，引致光刻技術子模塊系統結構的部分調整，w變成w′；且關聯關系矩陣中相應增加了新加入元技術與該模塊原系統元技術之間的關系向量rx1-rxn及r1x-rnx，r變為r′。先進/創新元技術x疊加在光刻技術子模塊原系統上，通過拓寬元技術的交互邊界對原模塊的功能進行補充、完善和擴展，致使原技術模塊的功能由t變成t′，如式 (3)。同理，光刻技術功能由T創新成為T′，如式 (4)。

(2)元素替換。元素替換是指在開放協同的環境下，通過反饋機制快速地從外界選出利于技術原系統發展的新元素，運用更適應發展需要的新元素替換掉原技術系統中與之功能相似但效率低下的舊元素，新舊元素的替換促進模塊功能的改進和升級，子模塊功能的升級和改進量變最終推動整個技術系統功能的創新質變，新技術系統應運而生。

令x為先進技術或創新技術，且元技術x與技術z1作用極為相似。當子模塊系統中元技術間關聯關系和相對比重均不發生變化時，先進/創新技術元素x替換掉該模塊原系統中與其功能極為相似且效率低下的z1。這種技術元素替換帶來技術模塊功能升級和改進，促使t變為t″，如式 (5)。同理，光刻技術功能由T創新成為T″，如式 (6)。需要特別說明的是，先進/創新技術元素對原技術系統中元素的替換模式可能是一對一，也可能是一對多或多對一。

t″ =f(z′,w,r)

(5)

T″=f(Z″,W,R)

(6)

2.3 組合關系優化機制

組合原理認為，具有獨立功能的技術巧妙地結合在一起就能夠產生彌補缺陷、增強優勢的效果，組合被認為是分析技術創新非線性過程的本質思維[38-40]。

基于組合原理，將芯片光刻技術創新過程中的技術要素非線性交互動態過程規律歸納為：技術系統內各元素之間有機組合，通過功能互補、優勢疊加的方式實現獨特的系統功能，隨著技術發展要求的提升，系統內生產效率更高的技術元素新組合被發現，不再適應發展要求的舊技術組合被淘汰，這種組合關系的優化過程帶來技術局部功能的持續改進升級，最終推動功能更強大的技術新系統誕生。

t?=F(z,w?,r?)

(7)

T?=F(Z,W,R?)

(8)

在技術和市場需求共演引致的技術變革過程中，當技術元素種類和對應系統結構不變時，子模塊原系統中技術元素間組合關系發生變化，新的技術元素組合被發現，舊的效率低下的技術組合被淘汰，組合關系矩陣由r變成r?，這一組合優化通過優勢互補的方式促進子模塊局部功能的持續升級和改進，以及新功能的補充，導致技術子模塊的功能由式 (1)中的t進化成式 (7)中的t?。同理，光刻技術的功能由T變成式 (8)中的T?。

2.4 系統結構再造機制

結構再造原理來源于盧克萊修[41]的原子論,其認為一切事物均由最基本的原子構成，原子賴以存在的空間被稱為虛空，原子在虛空中按照特定的規則游走,便產生了各具特征的萬物。同理，技術系統之所以能夠成為一個具有一定功能的系統，是由于其內部各要素之間按照獨特的規則形成不同于其他系統的特定結構。

基于此，將芯片光刻技術創新的系統結構再造機制歸納為：在技術創新過程中，技術元素在系統中的相對比重發生變化，對應著技術系統結構的局部調整，使得系統內各組成部分之間的關系更協調、配合更有效，從而提升產品良品率和精度的同時降低單位能耗，推動更適應市場要求的光刻技術新系統誕生的過程。系統結構再造機制是從復雜網絡整體性結構層面出發來揭示光刻技術創新的動態規律，是對中國特色復雜系統理論 “整體上有，局部沒有”的復雜整體性特征的詮釋[5,7-8]。

t″″ =F(z,w″″,r)

(9)

T″″ =F(Z,W″″,R)

(10)

對于技術子模塊而言，當其他因素不變時，改變原子模塊內部技術元素的比重，對應著原技術模塊結構的局部調整，調整后的模塊結構更適應技術發展要求，從而促進該模塊功能創新，原模塊功能t改進和升級至t′，如式 (9)。同理，光刻技術的功能由T變成式 (10)中的T″″。

特別地，元素更新迭代創新機制、組合關系優化創新機制和系統結構再造創新機制可能發生在光刻技術系統的任一層級，無論發生在哪一個層級，創新都會沿著技術體系由下至上傳導，最終推動整個技術系統功能進步。

3 基于專利數據的芯片光刻技術創新動態機制解析

美國國家科學基金會2008年啟動 “超越摩爾定律的科學與工程”的研究項目，至此芯片技術從 “摩爾時代”走向 “后摩爾時代”，也標志著芯片技術創新將迎來超高度的復雜性挑戰。在此背景下，光刻技術從2010—2015年的65nm制程、22nm制程等工藝水平突破性地實現了2016—2020年的7nm制程、5nm制程的創新。因此，本部分以2011—2015年和2016—2020年兩階段專利數據為基礎，實證解析芯片光刻技術創新的 “元素更新迭代—組合關系優化—系統結構再造”動態過程機制。

3.1 數據收集

本文所用專利數據 (2011—2020)來自德溫特創新索引數據庫 (DII)。鑒于芯片光刻技術的復雜性，根據具體某幾類IPC國際專利分類號檢索難免會出現紕漏，本文在參閱芯片光刻技術相關資料[42-43]的基礎上，結合行業技術和管理專家訪談，建立芯片光刻技術的關鍵詞檢索式，并通過對試下載樣本的關鍵詞訓練進一步完善檢索式，同時將IPC國際專利分類號檢索作為技術關鍵詞的補充，見表1。根據上述檢索式下載芯片光刻領域的專利數據，對數據進行清洗、字段分割和去重，最后得到處理過后的光刻技術專利數據27118條，用于本研究的社會網絡和聚類分析等實證分析。

表1 芯片光刻技術專利檢索式

3.2 研究設計

首先通過社會網絡和聚類分析方法繪制出光刻技術2011—2015和2016—2020兩個階段的復雜網絡，對比兩個階段的技術網絡，通過測度原技術系統中淘汰技術元素和新系統中新增技術元素之間網絡位置的相似性來識別元素更新迭代方式；然后通過對比兩階段技術網絡中元素關系的變化標記組合優化過程。

(1)技術網絡系統構建。根據K-Means算法[44]將光刻技術領域的專利數據根據標題和摘要聚類，得到具有不同研究主題的技術子模塊，并將歸屬于不同子模塊的專利數據做相應標記，以待使用；然后截取IPC分類號的前3位[45]，與專利國際技術分類體系中的技術領域映射出元技術，與大多數研究的做法一致[46]，將專利數據中IPC分類號所對應的元技術的共現網絡可視化，即可得到芯片光刻技術的元技術網絡系統。

(2)元素更新迭代識別。第一，以專利數據的技術領域字段為目標字段，構建不同時間段、不同子模塊的技術元素關系網絡。對比不同時間段的關系網絡，識別網絡中新加入技術元素群體X、減少的技術元素群體Y和不變技術元素群體Z。第二，計算不同時間段子模塊中新加入技術元素與減少技術元素的結構相似度。若兩個技術元素的結構相似度高于80%，則認為新加入技術元素x替換了技術元素y；否則，認為新加入技術元素x是在已有技術系統上的疊加。

具體地，借鑒Leydesdorff等[47]構建引用矩陣測度學科相似度的做法來計算新加入技術元素在不變技術元素網絡中的結構與減少技術元素在不變技術元素網絡系統中結構的相似性，進而判斷這兩個技術元素是否存在替換關系。在光刻技術網絡系統中，將新加入的某一技術元素抽象為x,減少的某一技術元素抽象為y，已有技術元素用z表示，運用 “圖”結構將新加入技術的網絡表示為Graph1。

Graph1= (V1,{E1})

(11)

V1={x,z1,z2,z3,……,zi}, (i=1,2,3,…,n)

(12)

E1={ (x,z1), (x,z2), (x,z3),……, (x,zi), (z1,z2), (z1,z3), (z1,zi),……, (zn-1,zn)}

(13)

式中，V表示網絡圖中的節點，E表示節點之間的無向邊。同理，減少技術元素的網絡結構為Graph2。

Graph2= (V2,{E2})

(14)

V1={y,z1,z2,z3,……,zi}, (i=1,2,3,…,n)

(15)

E1={ (y,z1), (y,z2), (y,z3),……, (y,zi), (z1,z2), (z1,z3), (z1,zi),……, (zn-1,zn)}

(16)

接下來運用鄰接矩陣方法將Graph1和Graph2量化。

(17)

最后運用余弦距離求兩矩陣的相似度，即：

sim (Graph1,Graph2)=

(18)

(3)組合關系優化統計。組合關系優化統計是基于兩階段的光刻技術網絡，統計出新舊網絡系統更替中技術元素的淘汰組合和新增組合的過程。為了排除新技術加入帶來的干擾，我們選取兩階段不變的技術網絡作為研究對象，然后識別兩階段技術網絡中組合關系值由 “非零”變為 “零”、 “零”變成 “非零”的技術元素組合，即分別對應著技術元素組合關系的新增和淘汰。

上述技術元素字段映射、結構相似度計算、專利文本聚類以及矩陣結構對比的過程均由Java和Python語言編程實現，代碼見https://github.com/weimingdiit/coding。

3.3 實證結果解析

芯片光刻技術由96種存在非線性交互關系的元技術構成，經聚類得到3個技術子模塊，分別為曝光顯影模塊、刻蝕模塊和光刻膠模塊。基于專利數據，本部分以芯片光刻技術曝光顯影子模塊為例解析復雜技術的元素更新迭代創新機制和組合關系優化機制。圖2所示為芯片光刻技術曝光顯影子模塊在2011—2015和2016—2020兩個時間段的技術系統，實線方框分別為曝光顯影子模塊的原技術系統和新技術系統，虛線方框分別表示被淘汰的元技術和新增加的元技術。其中，淘汰了效率低下的15種元技術，新加入14種效率較高的先進元技術。

由技術元素間網絡結構的相似度測算結果可知，新加入元技術 “燃燒設備方法” “氣體液體的貯存分配技術” “附加制造技術”和 “液體變容式機械技術”分別與被淘汰元技術 “裝飾技術” “液力風力彈力或中立發動機” “鉆進技術”和 “武器技術”之間的相似性系數均超過80%，存在顯著的替換關系。新加入 “燃燒設備方法”等元技術替換掉曝光顯影子模塊原系統中已不再適應生產要求的元技術，為該技術模塊功能的改進和升級提供持續推動力。

圖2 曝光顯影子模塊網絡系統的元素更新迭代過程

新加入元技術 “紙類加工技術” “造紙或纖維素生產技術” “燃燒生成物發動機裝置” “固體物料分離技術” “道路鐵路或橋梁技術” “刷類技術” “手攜物品” “鞋類技術” “無軌陸用車輛技術”和 “石油煤油及煉焦技術”是對曝光顯影子模塊原技術系統的疊加。新加入元技術 “紙類加工技術”等疊加在曝光顯影模塊原系統上，通過拓寬技術元素種類和元素之間交互作用的邊界的方式，持續不斷地改善和補充子模塊功能，并為新功能的探索奠定基礎。

綜上，芯片曝光顯影技術原系統創新至技術新系統的動力來自于元素替換和元素疊加兩個方面：一方面， “燃燒設備方法” “氣體液體的貯存分配技術”等先進技術元素替換掉原系統中不再滿足生產要求的技術元素，推動技術模塊功能的持續升級；另一方面， “紙類加工技術” “造紙或纖維素生產技術”等先進技術元素疊加到曝光顯影技術原系統上，持續地改進和完善原系統功能的缺陷，并進行新功能的探索。

芯片光刻技術創新的組合關系優化機制解析。以曝光顯影子模塊為例，2011—2015階段的曝光顯影子模塊向2016—2020階段的子模塊演變過程中元素組合關系的變化情況如圖3所示。實線線條表示技術元素間的新增組合關系，虛線線條表示技術元素間淘汰的組合關系。在技術系統創新過程中，曝光顯影子模塊網絡中被淘汰的元技術組合共179組，新增的元技術組合共158組。

圖3 曝光顯影子模塊的技術元素組合優化過程

元技術組合變化頻數統計結果顯示，曝光顯影子模塊中組合變化總頻率較高的有 “其他電技術” “電通信技術”以及 “照明技術”等。其中，被淘汰技術組合中出現頻率較高的元技術有 “層狀產品技術” “點記錄術”及 “其他電技術”等；新增技術組合中出現頻率較高的有 “衛生學技術” “一般物理化學方法或裝置”和 “照明技術”等。

以組合變化頻率最高的 “其他電技術”為例，在曝光顯影子模塊的創新過程中，新組合 “其他電技術—噴射或霧化技術”等淘汰了對應領域不再滿足生產需要的舊組合 “其他電技術—信號裝置”等， “其他電技術”的新組合關系能夠更好地進行相關功能的交互補充，促進更加符合技術市場要求的新功能產生，從而持續地推動曝光顯影模塊功能的升級和改進。

芯片光刻技術創新的 “系統結構再造”機制解析。芯片光刻技術系統由曝光顯影子模塊、光刻膠子模塊和刻蝕子模塊組成。子模塊中元技術比重的變化對應子模塊系統結構的局部調整，使子模塊中元技術之間的關系更協調、配合更有效，從而改進子模塊功能；進一步，各子模塊比重的變化對應芯片光刻技術系統結構的再造，各模塊系統功能的累計改進最終推動更適應市場要求的芯片光刻新系統誕生。

4 結論與啟示

4.1 基本結論

(1)元素更新迭代是實現芯片光刻技術創新的基本途徑，其中元素更新迭代推動技術創新的方式被歸納為疊加和替換兩種。元素更新迭代創新是指在開放協同的環境下，根據來自外界或上一層級模塊的技術反饋，從外界甄選出適合技術原系統發展的先進技術元素或創新技術元素，疊加或者替換在原系統上，新舊技術元素間相互作用的創新量變推動技術系統創新質變，從而促進效率更高的新技術系統誕生的過程。

(2)技術元素間的組合關系優化是實現芯片光刻技術創新的有效進階途徑。組合優化集成創新是指技術系統內各元素之間有機組合，通過功能互補、優勢疊加的方式實現獨特的系統功能，隨著技術發展要求的提升，系統內生產效率更高的技術元素新組合被發現，不再適應發展要求的舊技術組合被淘汰，技術組合的變化導致技術系統結構的調整，這種組合優化帶來了技術局部功能的持續改進升級和新功能疊加，量變引起質變，最終導致功能更強大的技術新系統誕生。

(3)系統結構再造是實現芯片光刻技術創新的高維和關鍵途徑。結構再造創新是指在芯片光刻原系統的基礎上，技術元素在系統中的相對比重發生變化，對應著技術系統結構的局部調整，使得系統內各組成部分之間的關系更協調、配合更有效，從而提升芯片制造良品率和精度的同時降低單位能耗，推動更適應市場要求的光刻技術新系統誕生的過程。

4.2 政策啟示

(1)國家層面，政府應進一步完善面向高端芯片、高端裝備、核心元器件和高端軟件等核心共性技術突破的新型舉國體制和激勵政策體系設計。尤其是在遵循 “元素組合優化和系統結構再造、性能躍遷”的基本規律基礎上，健全關鍵核心技術攻關的新型舉國體制，建制性和有組織地強化國家戰略科技力量，強化企業創新主體地位和科技領軍企業創新主導地位，支持科技領軍企業牽頭打造面向科技自立自強的高能級創新聯合體[48]，加快構建和完善復雜技術創新領域的基礎研究和原始性創新體系。同時要持續完善相關的產權分配和激勵相容制度，聯合科技領軍企業打造復雜技術創新的重大場景[49]，激發創新主體活力，為跨組織、跨部門和跨領域的重大復雜技術聯合攻關與突破性創新提供良好的制度保障、創新生態和應用場景支持，進一步把政府、市場、社會有機結合起來，激勵形成全社會支持、參與芯片光刻等關鍵核心技術創新實踐的社會氛圍和文化環境。

(2)企業層面，要充分認識芯片光刻技術 “卡脖子”問題背后所嵌入的技術創新基本原理，堅定自主創新的定力和提升內生動力，深入把握復雜整體性基礎上的重大復雜技術創新的 “元素更新迭代——組合關系優化——系統結構再造”微觀動態過程機制，從而在制定創新戰略、分配創新資源和開展產學研協同、大中小融通創新過程中充分利用復雜系統管理框架。同時應注重發揮戰略科學家和復合型戰略科技人才的作用，提倡開放、融合和包容、韌性的企業文化，吸取、整合外部資源，為芯片光刻等核心技術的突破提供新知識、新元素、新思路和新場景，全面提升企業創新能力和自主創新成效。

(3)微觀個體層面，研發技術人員應在深入理解芯片光刻技術創新原理的基礎上積極培養自身的復雜系統創新思維，突破原子化思維，積極運用元素更新迭代、組合優化和結構再造原理，為芯片光刻相關技術和產品功能的改進、升級和突破性創新探索更多可能性，強化解決復雜工程問題的能力；敢于和善于運用自身所處的科學網絡知識、協作網絡的技術新元素和產業應用新場景，加快芯片技術創新，全面提升關鍵核心技術攻關成效，為技術-經濟范式躍遷創造新機遇。