孫文君 呂璐成 ， 張 凱 劉 婷 韓 濤 趙亞娟

（1. 中國(guó)科學(xué)院文獻(xiàn)情報(bào)中心，北京 100190；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院信息資源管理系，北京 100190）

集成電路技術(shù)是信息領(lǐng)域發(fā)展的基礎(chǔ)，半導(dǎo)體芯片廣泛應(yīng)用于信息領(lǐng)域各類(lèi)應(yīng)用當(dāng)中。近年來(lái)，以人工智能、智能制造、汽車(chē)電子、物聯(lián)網(wǎng)、5G等為代表的新興產(chǎn)業(yè)快速崛起，使我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)得到長(zhǎng)足的發(fā)展，逐步成為了我國(guó)技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)［1］。我國(guó)在部分相關(guān)關(guān)鍵材料上已實(shí)現(xiàn)從無(wú)到有、從低端到中高端的突破，取得了令人矚目的進(jìn)步［2］。

集成電路材料具有細(xì)分領(lǐng)域眾多、技術(shù)跨度大、壁壘高等特點(diǎn)［3］。美、日等發(fā)達(dá)國(guó)家由于起步早，對(duì)于制備的關(guān)鍵技術(shù)始終具有“壟斷”優(yōu)勢(shì)，全球集成電路材料呈現(xiàn)出高度集中化的發(fā)展態(tài)勢(shì)，產(chǎn)業(yè)和貿(mào)易網(wǎng)絡(luò)主要由具備高精尖制造能力的國(guó)家和地區(qū)構(gòu)成［4］。具體而言，截至2020年，以市場(chǎng)規(guī)模占比最高的硅片為例，日本信越、日本盛高兩家日本公司擁有的市場(chǎng)份額合計(jì)達(dá)53%，處于絕對(duì)領(lǐng)先的地位，中國(guó)占4.52%；靶材方面，美國(guó)企業(yè)占市場(chǎng)份額的38.46%，中國(guó)占6.28%［5］。同時(shí)，日本企業(yè)基本壟斷了氟化聚酰亞胺、氟化氫和光刻膠市場(chǎng)，對(duì)14種重要原材料都擁有50%以上的市場(chǎng)份額［6］。當(dāng)前，在中美貿(mào)易摩擦的背景下，集成電路領(lǐng)域一些至關(guān)重要的技術(shù)如光刻等，由于自主化程度較低，面臨“卡脖子”問(wèn)題，對(duì)我國(guó)信息技術(shù)發(fā)展帶來(lái)一定挑戰(zhàn)［7］。因此，選取美、日兩國(guó)與我國(guó)進(jìn)行技術(shù)布局差異的比較，便于準(zhǔn)確把握我國(guó)集成電路材料領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀。

在現(xiàn)有技術(shù)水平下，中國(guó)想要扭轉(zhuǎn)集成電路領(lǐng)域關(guān)鍵核心技術(shù)受制于人的局面、追趕國(guó)際先進(jìn)水平仍面臨著巨大的挑戰(zhàn)［8］。因此，對(duì)我國(guó)集成電路材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行深入分析，揭示我國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)布局差異，為相關(guān)科技決策提供數(shù)據(jù)支撐和研究依據(jù)，對(duì)于我國(guó)集成電路材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。

現(xiàn)有研究已經(jīng)關(guān)注到揭示國(guó)家間技術(shù)差異的重要性并展開(kāi)探索［9-11］，然而，現(xiàn)有研究多側(cè)重圍繞某一技術(shù)點(diǎn)或細(xì)分領(lǐng)域開(kāi)展分析。針對(duì)這一不足，本研究通過(guò)梳理集成電路材料產(chǎn)業(yè)鏈，從整體層面去分析出國(guó)家之間的差異及缺口，立足集成電路材料產(chǎn)業(yè)鏈，利用專利、論文、高價(jià)值專利、高被引論文等多源數(shù)據(jù)，同時(shí)關(guān)聯(lián)機(jī)構(gòu)和企業(yè)等信息，從專利和論文的質(zhì)量上揭示各國(guó)之間的差異，洞察我國(guó)在集成電路材料領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的優(yōu)勢(shì)與不足。揭示預(yù)警我國(guó)集成電路材料產(chǎn)業(yè)與發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)差異，為國(guó)家戰(zhàn)略科技力量提供戰(zhàn)略決策依據(jù)和技術(shù)創(chuàng)新指引，對(duì)于我國(guó)走出發(fā)達(dá)國(guó)家關(guān)鍵核心技術(shù)的包圍圈、保障我國(guó)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈和供應(yīng)鏈安全具有極為重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究綜述

1）集成電路材料領(lǐng)域的研究問(wèn)題。針對(duì)集成電路材料領(lǐng)域，李鐵成［12］、王磊［13］、石瑛［14］、李先軍［15］等眾多學(xué)者對(duì)我國(guó)集成電路材料的發(fā)展歷程和產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀進(jìn)行了梳理，對(duì)我國(guó)的產(chǎn)業(yè)狀況有了清晰的認(rèn)識(shí)。在面向集成電路產(chǎn)業(yè)鏈細(xì)分材料的研究中，部分學(xué)者圍繞某一技術(shù)點(diǎn)或細(xì)分領(lǐng)域展開(kāi)分析，如閆洪波等［16］對(duì)稀土拋光材料進(jìn)行了發(fā)展趨勢(shì)研判，趙飛飛等［17］對(duì)高純?yōu)R射靶材的專利布局進(jìn)行了分析，曹燕等［18］選擇光刻膠領(lǐng)域分析現(xiàn)狀并識(shí)別關(guān)鍵技術(shù)。選擇某一個(gè)領(lǐng)域或者技術(shù)點(diǎn)能更加細(xì)致的識(shí)別技術(shù)，但是無(wú)法在產(chǎn)業(yè)鏈的整體層面去分析出國(guó)家之間的差異及缺口。余麗等［19］依據(jù)《科技日?qǐng)?bào)》推出的“卡脖子”技術(shù)，選擇重點(diǎn)材料進(jìn)行分析，得出我國(guó)存在“原始創(chuàng)新能力不足、核心技術(shù)積累匱乏、市場(chǎng)集中度不高”的結(jié)論。陶金龍［20］對(duì)中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略進(jìn)行探討，提出應(yīng)當(dāng)“通盤(pán)考慮國(guó)家集成電路產(chǎn)業(yè)鏈布局”的策略，通過(guò)合理布局產(chǎn)業(yè)、規(guī)劃各產(chǎn)業(yè)鏈占比和扶持重點(diǎn)企業(yè)，打造國(guó)內(nèi)完整產(chǎn)業(yè)鏈，凸顯了產(chǎn)業(yè)鏈的重要性。

2）圍繞某一產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域差異研判的方法和數(shù)據(jù)源。目前，圍繞某一產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的趨勢(shì)及差異研判問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用的數(shù)據(jù)類(lèi)型主要有期刊、專利、科技規(guī)劃、基金項(xiàng)目等。用于開(kāi)展技術(shù)布局差異揭示的方法有文獻(xiàn)計(jì)量法、關(guān)鍵詞／主題詞的共詞分析法以及知識(shí)圖譜等。絕大多數(shù)研究?jī)H憑一方數(shù)據(jù)做出分析，沒(méi)有進(jìn)行多源數(shù)據(jù)的融合。如佟賀豐等［21］從專利視角對(duì)中國(guó)、美國(guó)、日本鋰離子電池技術(shù)前沿及差距進(jìn)行分析，陸天馳［22］以美國(guó)商品管制清單入手分析人工智能的領(lǐng)域的差距，季鵬飛等［23］通過(guò)引文情況分析集成電路領(lǐng)域核心專利，諸如此類(lèi)的研究均只應(yīng)用其中一方的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。對(duì)于部分結(jié)合文獻(xiàn)計(jì)量和專利分析的部分研究，如劉宇飛等［24］從專利和論文兩個(gè)角度對(duì)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)進(jìn)行分析，也僅從專利和論文數(shù)量上做出分析。

綜上所述，目前針對(duì)集成電路材料的研究還存在以下不足。

一是圍繞某一技術(shù)點(diǎn)或細(xì)分領(lǐng)域展開(kāi)分析，沒(méi)有立足于產(chǎn)業(yè)鏈對(duì)產(chǎn)業(yè)整體進(jìn)行差異分析，缺乏對(duì)整體的把握，可能造成對(duì)該產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢(shì)和各國(guó)技術(shù)差異的研判過(guò)于片面。只對(duì)整體做檢索，沒(méi)有對(duì)各項(xiàng)材料單獨(dú)構(gòu)建檢索式，檢索出的文獻(xiàn)的準(zhǔn)確性和全面性并不能得到保障。

二是數(shù)據(jù)源單一，大多數(shù)研究只針對(duì)論文或?qū)＠葐我粩?shù)據(jù)源，缺乏多數(shù)據(jù)源的綜合分析。而少數(shù)綜合分析論文和專利的研究存在只看重?cái)?shù)量、忽視質(zhì)量的問(wèn)題，缺乏對(duì)高價(jià)值專利以及高水平論文的重點(diǎn)研判。

2 研究路線

隨著集成電路材料行業(yè)的發(fā)展迭代，學(xué)術(shù)界形成了多種分類(lèi)，分類(lèi)依據(jù)并不統(tǒng)一。余海東等［25］將集成電路制造環(huán)節(jié)主要使用的材料拆解為硅片、靶材、拋光材料、光刻膠、高純化學(xué)試劑、電子特氣和化合物半導(dǎo)體；馮黎等［26］指出集成電路中使用的材料種類(lèi)眾多，主要包括硅片、絕緣體上硅（SOI）、化合物半導(dǎo)體等襯底材料，光刻膠和配套材料、掩模版、濕化學(xué)品、電子氣體和源、拋光材料、靶材及蒸發(fā)材料等工藝材料，以及芯片級(jí)／晶圓級(jí)封裝材料、電磁屏蔽材料等封裝材料；李瀟等［27］按照產(chǎn)業(yè)鏈邏輯，把集成電路材料主要分為襯底材料、工藝材料（包括光刻膠、掩膜版、工藝化學(xué)品、電子氣體、拋光材料、靶材）以及封裝材料三大板塊。

集成電路原材料是集成電路產(chǎn)業(yè)的基石，集成電路生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)均要用到。之前的學(xué)者更多是從整個(gè)集成電路制造的環(huán)節(jié)上對(duì)產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行拆解，而沒(méi)有反映出集成電路材料的市場(chǎng)情況。因此本文從集成電路材料市場(chǎng)的維度出發(fā)，采用集成電路制造過(guò)程中最重要、市場(chǎng)前景最為廣闊的7類(lèi)原材料（硅晶圓、光刻膠、掩模版、電子氣體、濕電子化學(xué)品、濺射靶材、化學(xué)機(jī)械拋光材料（Chemical Mechanical Polishing，CMP）），作為產(chǎn)業(yè)鏈的核心進(jìn)行展開(kāi)，旨在梳理集成電路材料產(chǎn)業(yè)鏈上的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。研究框架如圖1所示。

圖1 研究框架Fig.1 Research Framework

本文對(duì)于集成電路材料產(chǎn)業(yè)鏈上的材料擬定了檢索策略，以此來(lái)檢索并獲取數(shù)據(jù)，然后形成分析用數(shù)據(jù)集，其中的專利數(shù)據(jù)來(lái)源于Incopat專利數(shù)據(jù)庫(kù)，論文數(shù)據(jù)來(lái)源于Web of Science數(shù)據(jù)庫(kù)。經(jīng)過(guò)檢索清洗后，如表1所示，按照產(chǎn)業(yè)鏈上的不同材料、國(guó)家和文獻(xiàn)質(zhì)量三個(gè)維度進(jìn)行了數(shù)據(jù)標(biāo)引，并抽取了機(jī)構(gòu)、企業(yè)情況，構(gòu)建了集成電路材料領(lǐng)域數(shù)據(jù)庫(kù)。

表1 數(shù)據(jù)情況統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistical Tables of Data

國(guó)家間技術(shù)布局差異的分析角度眾多，本文綜合考慮分析目標(biāo)以及數(shù)據(jù)可獲得性，主要從科技成果產(chǎn)出體量、研發(fā)機(jī)構(gòu)數(shù)量、企業(yè)數(shù)量、論文技術(shù)用詞和專利技術(shù)分類(lèi)開(kāi)展研究。主要采用文獻(xiàn)計(jì)量與專利計(jì)量法，結(jié)合多源數(shù)據(jù)，通過(guò)分析專利申請(qǐng)與論文發(fā)表在時(shí)間維度上的數(shù)量分布情況，判斷各類(lèi)材料在中美日三國(guó)的發(fā)展趨勢(shì)；通過(guò)分析機(jī)構(gòu)數(shù)量差異，與論文、專利數(shù)量對(duì)比，體現(xiàn)機(jī)構(gòu)體量水平差異，進(jìn)一步通過(guò)機(jī)構(gòu)和企業(yè)數(shù)量的對(duì)比反映產(chǎn)業(yè)落地情況；通過(guò)論文關(guān)鍵詞和專利的IPC分類(lèi)號(hào)，來(lái)展示中美日三國(guó)在集成電路材料研究的熱點(diǎn)與趨勢(shì)，以及對(duì)不同類(lèi)別材料關(guān)注點(diǎn)的異同。

3 技術(shù)布局差異分析

3.1 中美日專利與論文差異分析

3.1.1 專利申請(qǐng)趨勢(shì)

從專利申請(qǐng)量可以看出，中美日在各項(xiàng)材料上均存在部分差異，日本專利申請(qǐng)量遠(yuǎn)超中國(guó)和美國(guó)。中美日三個(gè)國(guó)家在時(shí)間維度上存在不同的特點(diǎn)，整體趨勢(shì)分別呈現(xiàn)增長(zhǎng)、先增長(zhǎng)后衰減、衰減趨勢(shì)。以光刻膠為例，具體表現(xiàn)為中國(guó)在1986—1990年間僅有6項(xiàng)專利，而在2016—2020年間增長(zhǎng)至3296項(xiàng)專利；日本則恰恰相反，在1986—1990年間申請(qǐng)6591項(xiàng)專利，而在2016—2020年間衰減至1816項(xiàng)專利；美國(guó)的峰值在2001—2005年出現(xiàn)（圖2）。

圖2 專利申請(qǐng)趨勢(shì)對(duì)比Fig.2 Comparison of Patent Application Trends

申請(qǐng)海外同族專利需要付出額外的費(fèi)用，專利權(quán)人往往會(huì)考慮同族專利帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)收益，通常只有效益大于申請(qǐng)成本時(shí)才會(huì)進(jìn)行申請(qǐng)，基于此，同族專利可以側(cè)面反映出專利的技術(shù)價(jià)值，因此本文將有海外同族的專利視為高價(jià)值專利［28-30］。對(duì)集成電路材料的高價(jià)值專利申請(qǐng)趨勢(shì)進(jìn)行分析，從申請(qǐng)數(shù)量可以得出中國(guó)在各項(xiàng)材料上均與美國(guó)和日本差距明顯。日本的高價(jià)值專利數(shù)量最多，對(duì)應(yīng)的專利總量也大。從比重上看，美國(guó)的高價(jià)值專利占比最大，中國(guó)最少。且中國(guó)的高價(jià)值專利比重遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他兩個(gè)國(guó)家。以掩模版為例，中國(guó)的高價(jià)值專利數(shù)量約占其專利總量的20%，而美國(guó)可以達(dá)到60%。中美日三國(guó)的高價(jià)值專利數(shù)量在時(shí)間維度上存在不同的特點(diǎn)，美國(guó)和日本表現(xiàn)出先增長(zhǎng)后衰減趨勢(shì)，日本起步早，但是在1996—2010年間才是高質(zhì)量產(chǎn)出的時(shí)期。中國(guó)呈現(xiàn)高價(jià)值專利申請(qǐng)的增長(zhǎng)趨勢(shì)。

在硅晶圓、光刻膠、濕電子化學(xué)品方面，中國(guó)專利申請(qǐng)勢(shì)頭迅猛，但質(zhì)量有待提升。從專利總量上，中國(guó)雖然起步晚，但發(fā)展勢(shì)頭迅猛。高價(jià)值專利上，三個(gè)國(guó)家差異相對(duì)較小，中國(guó)的高價(jià)值專利的數(shù)量較少，與總量表現(xiàn)并不一致，呈現(xiàn)量多但質(zhì)不優(yōu)的特點(diǎn)，而日本在高價(jià)值專利上有明顯優(yōu)勢(shì)。硅晶圓方面的專利雖然申請(qǐng)總量多，但是高價(jià)值數(shù)量并不突出，反而光刻膠在高價(jià)值專利上表現(xiàn)較好。

在掩模版方面，中國(guó)發(fā)展勢(shì)頭迅猛，專利申請(qǐng)總量和高價(jià)值專利數(shù)量均趕超美國(guó)和日本。日本在掩模版方面的表現(xiàn)與其他六項(xiàng)材料的整體趨勢(shì)不一致，發(fā)展的高峰期在2001—2010年，之后迅速衰落。高價(jià)值專利上，三個(gè)國(guó)家差異相對(duì)較小，與專利總量趨勢(shì)一致，且中國(guó)的高價(jià)值專利高于美國(guó)和日本，是產(chǎn)業(yè)鏈上唯一一個(gè)高價(jià)值專利具有優(yōu)勢(shì)的材料。中國(guó)在掩膜版方面的高價(jià)值專利比重相對(duì)較高（24.5%），但仍與美國(guó)（59.1%）和日本（34.7%）有差距。

在電子氣體、濺射靶材方面，中國(guó)起步晚，專利申請(qǐng)總量與美日兩國(guó)存在巨大差距，日本在這些材料上具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。中國(guó)濺射靶材專利申請(qǐng)數(shù)量較少，僅有783件，與數(shù)量最多的硅晶圓（28053件）相比兩者相差三十余倍。但是，中國(guó)近十年的發(fā)展較快，專利總量上有超越美日的趨勢(shì)。

在CMP拋光材料方面，中國(guó)高價(jià)值專利比重相對(duì)較高（16.4%），但仍與美（56.0%）日（28.8%）有差距。該類(lèi)材料的專利申請(qǐng)總數(shù)較少，僅有2048件，但在高價(jià)值專利上表現(xiàn)突出。

通過(guò)對(duì)各項(xiàng)材料的專利申請(qǐng)趨勢(shì)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)中國(guó)在掩模版、硅晶圓上相對(duì)美日差距較小，濺射靶材、電子氣體、CMP拋光材料方面仍存在較大的不足，還需要做進(jìn)一步專利布局，同時(shí)提升專利質(zhì)量。

3.1.2 論文發(fā)表趨勢(shì)

在論文總量上，相較于專利方面的差異而言，中美日相差并不大。這三個(gè)國(guó)家在時(shí)間維度上存在不同的特點(diǎn)，中國(guó)呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，美國(guó)和日本呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后衰減趨勢(shì)，發(fā)展較為均衡（圖3）。

根據(jù)長(zhǎng)尾分布效應(yīng)，本文設(shè)置被引頻次大于25（即前20%）的論文作為高被引論文。對(duì)集成電路材料相關(guān)高被引論文發(fā)表趨勢(shì)進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，中國(guó)的高被引論文數(shù)量與總發(fā)文量不成正比，總發(fā)文量多于美日，但高被引論文數(shù)量尚未呈現(xiàn)明顯優(yōu)勢(shì)；美國(guó)在論文與專利方面表現(xiàn)相同，更注重質(zhì)量；而日本的論文數(shù)量過(guò)低，與專利表現(xiàn)情況不一致，主要因?yàn)槿毡镜募呻娐废嚓P(guān)企業(yè)多，落地應(yīng)用成熟，更偏向于專利申請(qǐng)。這三個(gè)國(guó)家的高質(zhì)量論文數(shù)量在時(shí)間維度上均呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后衰減趨勢(shì)，其中主要原因除論文本身可能創(chuàng)新性不夠外，也可能是原來(lái)被引用最多的論文已經(jīng)廣為人知，比那些被引較少的論文更容易被看到和擴(kuò)散。總體上，2000—2010年作為集成電路材料領(lǐng)域發(fā)展的高峰期，高被引數(shù)量較多，論文質(zhì)量較高。同時(shí)，隨著所發(fā)表的論文數(shù)量增加，學(xué)者越來(lái)越傾向引用已經(jīng)被充分引用的論文，造成這一時(shí)間段內(nèi)的高被引論文數(shù)量相對(duì)較多。

在硅晶圓、光刻膠方面，中國(guó)論文總量增長(zhǎng)迅速，近年來(lái)逐步趕超美日，但是高被引論文比例仍處于較低水平；在掩模版方面，三個(gè)國(guó)家論文總量和高被引論文數(shù)量上均基本持平，差異并不明顯；在電子氣體、濕電子化學(xué)品方面，中國(guó)在論文總量和高被引論文數(shù)量上均發(fā)展迅猛，實(shí)現(xiàn)了較大程度的超越；在濺射靶材方面，中國(guó)和日本的高被引論文數(shù)量極少，無(wú)論是論文總量還是高被引論文數(shù)量在三個(gè)國(guó)家的表現(xiàn)均差于其他材料；在CMP拋光材料方面，三個(gè)國(guó)家的論文總量都較少，中國(guó)的論文總量和高被引論文數(shù)量均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于美國(guó)和日本，而高被引論文比重相對(duì)較高，但仍與美日兩國(guó)有差異。

總體而言，中國(guó)在論文總量上均存在優(yōu)勢(shì)，且在電子氣體、濕電子化學(xué)品、CMP拋光材料等材料上的高被引論文比重相對(duì)較高，呈現(xiàn)出趕超趨勢(shì)，在其他材料上仍與美日有差異。跟美日相比，中國(guó)在論文方面的表現(xiàn)情況比專利好，在硅晶圓、光刻膠等領(lǐng)域更注重專利申請(qǐng)，在電子氣體、濕電子化學(xué)品等領(lǐng)域更注重論文發(fā)表，而掩模版、濺射靶材、CMP拋光材料兩方面數(shù)量都較少。

3.2 中美日研發(fā)機(jī)構(gòu)數(shù)量差異分析

3.2.1 專利申請(qǐng)機(jī)構(gòu)

中美日三個(gè)國(guó)家專利申請(qǐng)機(jī)構(gòu)數(shù)量，與專利數(shù)量趨勢(shì)基本一致。中國(guó)在機(jī)構(gòu)總量上略有優(yōu)勢(shì)，但申請(qǐng)高價(jià)值專利的機(jī)構(gòu)不足。對(duì)應(yīng)到專利數(shù)量上，中國(guó)機(jī)構(gòu)的平均專利申請(qǐng)量低，機(jī)構(gòu)數(shù)量多但是實(shí)力弱（圖4）。

圖4 專利申請(qǐng)機(jī)構(gòu)數(shù)量對(duì)比Fig.4 Comparison of the Number of Patent Application Organizations

在硅晶圓、掩模版、濕電子化學(xué)品方面，中國(guó)的機(jī)構(gòu)數(shù)量較多，緊隨日本之后，強(qiáng)于美國(guó)，但是高價(jià)值專利申請(qǐng)機(jī)構(gòu)數(shù)量相對(duì)較少，體現(xiàn)出機(jī)構(gòu)水平差異較大，其中在掩模版上，中國(guó)的專利數(shù)量沒(méi)有明顯優(yōu)勢(shì)，但是申請(qǐng)機(jī)構(gòu)較多，且高價(jià)值專利申請(qǐng)機(jī)構(gòu)占比高；在電子氣體方面，中國(guó)的機(jī)構(gòu)數(shù)量和高價(jià)值機(jī)構(gòu)數(shù)量極少，且沒(méi)有明顯的龍頭機(jī)構(gòu)，日本申請(qǐng)專利的機(jī)構(gòu)達(dá)到中國(guó)的數(shù)十倍，擁有電氣株式會(huì)社、富士通株式會(huì)社、松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社等多家龍頭企業(yè)；在光刻膠、濺射靶材、CMP拋光材料方面，中國(guó)的機(jī)構(gòu)數(shù)量和高價(jià)值機(jī)構(gòu)數(shù)量均略低于美國(guó)和日本。

3.2.2 論文發(fā)表機(jī)構(gòu)

從論文發(fā)表機(jī)構(gòu)上看，各個(gè)國(guó)家在產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)環(huán)節(jié)都相差不大，美國(guó)略多；高被引論文上，美國(guó)優(yōu)勢(shì)更加明顯，這與論文發(fā)表總量上呈現(xiàn)的趨勢(shì)一致（圖5）。

圖5 論文發(fā)表機(jī)構(gòu)數(shù)量對(duì)比Fig.5 Comparison of the Number of Paper Publication Organizations

專利在不同材料上機(jī)構(gòu)情況并不一致，而論文發(fā)表的機(jī)構(gòu)情況相差并不大。中國(guó)論文總量較多，但是機(jī)構(gòu)數(shù)量上反而低于美國(guó)和日本，呈現(xiàn)出論文數(shù)量多、機(jī)構(gòu)少的趨勢(shì)，而日本恰恰相反。

3.3 中美日企業(yè)數(shù)量差異分析

企業(yè)的發(fā)展是產(chǎn)業(yè)落地情況的具體表現(xiàn)，可以通過(guò)產(chǎn)業(yè)鏈上申請(qǐng)專利的企業(yè)數(shù)量分析技術(shù)的落地情況（圖6）。本文中的企業(yè)來(lái)自于專利數(shù)據(jù)，由專利申請(qǐng)機(jī)構(gòu)標(biāo)引得到。

圖6 專利申請(qǐng)企業(yè)數(shù)量對(duì)比Fig.6 Comparison of the Number of Patent Application Enterprises

專利申請(qǐng)的機(jī)構(gòu)中，企業(yè)占比較多，高價(jià)值專利更多由企業(yè)申請(qǐng)，企業(yè)數(shù)量與專利申請(qǐng)機(jī)構(gòu)情況表現(xiàn)基本一致。日本的企業(yè)占申請(qǐng)機(jī)構(gòu)的比例極高，企業(yè)往往更重視專利申請(qǐng)，也印證了日本專利量多而質(zhì)優(yōu)，論文卻相對(duì)較少的原因。中國(guó)的占比略低于日本，美國(guó)的更少（表2）。

表2 專利申請(qǐng)企業(yè)占專利申請(qǐng)機(jī)構(gòu)比例Tab.2 Proportion of Patent Applicant Enterprises to Patent Applicant Organizations

以光刻膠為例，美國(guó)企業(yè)占專利申請(qǐng)機(jī)構(gòu)比例只有60%，這表明與中國(guó)和日本相比，美國(guó)的科研機(jī)構(gòu)相對(duì)擅長(zhǎng)于申請(qǐng)專利。而日本企業(yè)更擅長(zhǎng)于申請(qǐng)專利，印證了日本在光刻膠領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)上比較發(fā)達(dá)。截至2020年，全球半導(dǎo)體光刻膠領(lǐng)域主要被日本合成橡膠株式會(huì)社（JSR）、日本東京應(yīng)化工業(yè)株式會(huì)社（東京應(yīng)化TOK）、日本信越化學(xué)工業(yè)株式會(huì)社（信越化學(xué)）、富士膠片集團(tuán)等頭部廠商壟斷［31］。

3.4 中美日技術(shù)差異分析

3.4.1 IPC差異

選取每個(gè)材料Top20的IPC分類(lèi)號(hào)對(duì)三個(gè)國(guó)家數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以得知，中美日各國(guó)在不同材料上的關(guān)注點(diǎn)并不一致（表3）。

表3 中美日優(yōu)勢(shì)IPC 1）Tab.3 Advantageous IPC in China，USA and Japan 1）

以硅晶圓為例，中國(guó)的專利保護(hù)主要集中在生產(chǎn)過(guò)程中的設(shè)備，重點(diǎn)關(guān)注H01L31／18（專門(mén)適用于制造或處理器件或其部件的方法或設(shè)備）和H01L21／67（專門(mén)適用于在制造或處理過(guò)程中處理半導(dǎo)體或電固體器件的裝置；專門(mén)適合于在半導(dǎo)體或電固體器件或部件的制造或處理過(guò)程中處理晶片的裝置）。美國(guó)的專利保護(hù)主要集中在半導(dǎo)體電池，重點(diǎn)關(guān)注H01L21／44（在半導(dǎo)體材料上制造電極）和H01L21／48（在半導(dǎo)體器件組裝之前制造或處理部件，例如容器）。日本的專利保護(hù)主要集中制造過(guò)程中的制備方法和技術(shù)，重點(diǎn)關(guān)注H01L21／205（應(yīng)用氣態(tài)化合物的還原或分解產(chǎn)生固態(tài)凝結(jié)物的，即化學(xué)沉積）和H01L21／301（半導(dǎo)體再細(xì)分成分離部分，例如分隔）。

除此之外，美國(guó)和日本還有一些區(qū)別于中國(guó)的共同關(guān)注點(diǎn)，如電子氣體和濕電子化學(xué)品在集成電路生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用，代表性IPC為H01L21／302（更多集中于改變半導(dǎo)體材料的表面物理特性或形狀的，例如腐蝕、拋光、切割，以及機(jī)械處理，例如研磨、拋光、切割），而中國(guó)相關(guān)的專利較少。

3.4.2 關(guān)鍵技術(shù)差異

關(guān)鍵技術(shù)是指在一個(gè)系統(tǒng)或一項(xiàng)技術(shù)領(lǐng)域中起到重要作用且不可或缺的環(huán)節(jié)或技術(shù)，可以是當(dāng)下的技術(shù)熱點(diǎn)、難點(diǎn)或未來(lái)的技術(shù)突破點(diǎn)，也可以是對(duì)某個(gè)領(lǐng)域起到至關(guān)重要作用的知識(shí)［32］。關(guān)鍵詞作為論文的核心要素，是對(duì)論文所涉及領(lǐng)域和所用技術(shù)的要點(diǎn)提煉，對(duì)于揭示論文所研究的技術(shù)路線、工藝等具有重要的指導(dǎo)作用。

本文利用關(guān)鍵詞作為識(shí)別關(guān)鍵技術(shù)的依據(jù)，統(tǒng)計(jì)中美日在各個(gè)集成電路材料領(lǐng)域論文關(guān)鍵詞的出現(xiàn)次數(shù)，選取每個(gè)材料Top50的關(guān)鍵詞，針對(duì)其中各國(guó)的主要關(guān)鍵詞作為核心關(guān)鍵詞（表4）。然后對(duì)照敘詞表進(jìn)行篩選，再對(duì)相關(guān)關(guān)鍵詞在Web of Science 核心合集中進(jìn)行檢索，得到相關(guān)領(lǐng)域的研究者、研究機(jī)構(gòu)、研究進(jìn)展等信息，進(jìn)一步確定各國(guó)的優(yōu)勢(shì)技術(shù)。

表4 中美日論文主要關(guān)鍵詞Tab.4 Main Keywords for Papers in China，USA and Japan

研究發(fā)現(xiàn)，中國(guó)的主要優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域有異質(zhì)晶圓鍵合技術(shù)、薄膜轉(zhuǎn)移技術(shù)等，該領(lǐng)域的主要研究者有中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所的Lin等；日本的主要優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域有化學(xué)放大型抗蝕劑、極紫外光刻、硅烷、光催化光刻等，主要研究者有大阪大學(xué)的Kozawa、Takahiro、Tagawa、Seiichi，兵庫(kù)縣立大學(xué)的Watanabe T，日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究所的Matsuda A，東京大學(xué)的Tatsuma T、Kubo W；美國(guó)的主要優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域有濕法刻蝕、化學(xué)物質(zhì)平整，主要研究者有美國(guó)佛羅里達(dá)州立大學(xué)Pearton S J、Araca 公司的Philipossian Ara。

通過(guò)對(duì)論文關(guān)鍵詞的分析可以發(fā)現(xiàn)，目前日本在全球集成電路材料領(lǐng)域仍然處于領(lǐng)先地位，有大量處于優(yōu)勢(shì)的前沿領(lǐng)域和知名學(xué)者，從學(xué)術(shù)界到業(yè)界的成果轉(zhuǎn)化也非常成熟。中國(guó)目前從學(xué)術(shù)論文的總量上來(lái)看已經(jīng)領(lǐng)先美日，但在極紫外光刻、化學(xué)放大型抗蝕劑、濕法刻蝕等技術(shù)上還未形成優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論與展望

4.1 研究結(jié)論

本文構(gòu)建了集成電路材料的產(chǎn)業(yè)鏈，并立足于產(chǎn)業(yè)鏈，圍繞申請(qǐng)與發(fā)表趨勢(shì)、機(jī)構(gòu)、企業(yè)和技術(shù)四個(gè)維度，利用豐富的數(shù)據(jù)源——專利、論文、高價(jià)值專利、高被引論文分析了中美日在集成電路材料領(lǐng)域的技術(shù)布局差異。通過(guò)對(duì)以上四方面進(jìn)行分析，我們得到相關(guān)結(jié)論如下。

1）專利數(shù)據(jù)顯示，總體上中國(guó)與美日在集成電路材料領(lǐng)域的差距正在縮小，但在某些特定材料上仍有較大差距。中國(guó)在掩模版、硅晶圓上相對(duì)美日差距較小，濺射靶材、電子氣體、CMP拋光材料上仍存在較大的不足。論文數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)在總量上均存在優(yōu)勢(shì)，在電子氣體、濕電子化學(xué)品、CMP拋光材料等材料上高被引比重相對(duì)較高，呈現(xiàn)出趕超趨勢(shì)，但在其他材料上仍與其他國(guó)家有差距?？偟膩?lái)說(shuō)，中國(guó)在論文方面的表現(xiàn)情況比專利好，在硅晶圓、光刻膠方面更注重專利申請(qǐng)，而在電子氣體、濕電子化學(xué)品方面更注重論文的發(fā)表，剩下的幾項(xiàng)材料兩方面成果都較少。

2）從專利申請(qǐng)機(jī)構(gòu)上看，中國(guó)在機(jī)構(gòu)總量上略有優(yōu)勢(shì)，但申請(qǐng)高價(jià)值專利的機(jī)構(gòu)不足，呈現(xiàn)出論文數(shù)量多，機(jī)構(gòu)少的態(tài)勢(shì)，說(shuō)明某幾家機(jī)構(gòu)發(fā)表論文多。而日本恰恰相反，專利申請(qǐng)的機(jī)構(gòu)中，企業(yè)占比較多，且高價(jià)值專利主要集中在企業(yè)。日本的企業(yè)占機(jī)構(gòu)的比例極高，美國(guó)的占比少于中日。

3）在專利IPC方面，日本更關(guān)注制備方法和技術(shù)，中國(guó)更加關(guān)注生產(chǎn)過(guò)程中的設(shè)備，美國(guó)則關(guān)注半導(dǎo)體電池。美國(guó)和日本還有很多區(qū)別于中國(guó)的共同關(guān)注點(diǎn)，如關(guān)注電子氣體和濕電子化學(xué)品在集成電路生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用。

4）在關(guān)鍵技術(shù)方面，通過(guò)對(duì)論文關(guān)鍵詞的分析可以發(fā)現(xiàn)，日本在全球集成電路材料領(lǐng)域仍然處于領(lǐng)先地位，有大量處于優(yōu)勢(shì)的前沿領(lǐng)域和知名學(xué)者，從學(xué)術(shù)界到業(yè)界的成果轉(zhuǎn)化也非常成熟。中國(guó)目前從學(xué)術(shù)論文的總量上來(lái)看已經(jīng)領(lǐng)先美日，但在某些關(guān)鍵技術(shù)上還未形成優(yōu)勢(shì)。

4.2 研究展望

本文立足于產(chǎn)業(yè)鏈提出的技術(shù)布局差異分析框架具有一定的科學(xué)性和實(shí)用性，可以作為產(chǎn)業(yè)情報(bào)分析的輔助工具，可揭示我國(guó)集成電路材料產(chǎn)業(yè)與發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)差異，為國(guó)家戰(zhàn)略科技力量提供戰(zhàn)略決策依據(jù)和技術(shù)創(chuàng)新指引。但還存在一些問(wèn)題，未來(lái)可從以下三個(gè)方面深入探討。

1）專利和論文的價(jià)值評(píng)判維度過(guò)于單一。本文利用是否有海外同族和論文的引用數(shù)量作為判斷質(zhì)量高低的依據(jù)具有片面性。事實(shí)上，目前針對(duì)高價(jià)值專利已經(jīng)產(chǎn)生了包括技術(shù)、市場(chǎng)、法律、經(jīng)濟(jì)甚至戰(zhàn)略層面等多維度、深層次的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，僅考慮論文的被引頻次評(píng)估價(jià)值，也存在隨著時(shí)間推移，論文數(shù)量增加時(shí)，已高度被引用的被引用量會(huì)更加鞏固，形成高被引論文僵化的問(wèn)題。因此，可以進(jìn)一步將多維評(píng)價(jià)指標(biāo)引入，對(duì)專利和論文價(jià)值差距的評(píng)價(jià)將更為客觀、真實(shí)。

2）國(guó)家間技術(shù)差距揭示框架有待進(jìn)一步探索。在目前研究中，僅僅進(jìn)行了中美日三國(guó)的差異分析，尚未達(dá)到揭示確切差距的目的?？梢赃M(jìn)一步研究評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)量化揭示各國(guó)之間的技術(shù)差距，構(gòu)建可解釋、可循證的產(chǎn)業(yè)技術(shù)差距揭示情報(bào)模型。

3）國(guó)家間技術(shù)關(guān)注點(diǎn)的差異原因有待細(xì)化解讀。例如，通過(guò)IPC分類(lèi)號(hào)，可以發(fā)現(xiàn)各國(guó)的技術(shù)關(guān)注點(diǎn)并不一致。美國(guó)和日本還有很多區(qū)別于中國(guó)的共同關(guān)注點(diǎn)，原因可能是美日兩國(guó)合作交流密切，存在共同申請(qǐng)專利；也可能是兩國(guó)在沒(méi)有交流合作的情況下，對(duì)集成電路生產(chǎn)過(guò)程中不可忽視的關(guān)鍵技術(shù)恰好達(dá)成一致的共同關(guān)注點(diǎn)。其中原因應(yīng)當(dāng)引起重視，有待進(jìn)一步細(xì)化解讀。

致謝感謝中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所葉繼春研究員和付耀耀助理研究員對(duì)于集成電路材料產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)崂矸矫嫣峁┑膶I(yè)建議。

作者貢獻(xiàn)說(shuō)明

孫文君：論文撰寫(xiě)，數(shù)據(jù)采集與加工，專利數(shù)據(jù)分析；

呂璐成：論文框架設(shè)計(jì)，論文修改；

張 凱：數(shù)據(jù)采集與加工，基于論文數(shù)據(jù)的技術(shù)分析；

劉 婷：數(shù)據(jù)采集與加工，檢索策略制定；

韓 濤：分析思路整理，分析框架優(yōu)化；

趙亞娟：論文選題，提出修改意見(jiàn)。

附錄1論文數(shù)據(jù)情況

數(shù)據(jù)來(lái)源：WOS數(shù)據(jù)庫(kù)

檢索時(shí)間：2022年4月19日

檢索式：

（（TS=resist*） and （（TS=resin*） or（TS=photoinitiator*） or （TS=’Photoacid generator*’） or （TS=photosensi*） or （TS=EUV）or （TS=ArF） or （TS=KrF） or （TS=’g line’） or（TS=’I line’） or （TS=’Chemical* Amplif*’） or（TS=436nm） or （TS=365nm） or （TS=248nm）or （TS=193nm） or （TS=13.5nm） or （TS=’deep ultraviolet’） or （TS=’extreme ultraviolet’）））

or （（TS=Silicon） and （TS=wafer*））

or （（TS=gas*） and （（TS=” Electronic special*”） or （TS=etch*） or （TS=”Chemical vapor deposit*”） or （TS=epitaxial） or （TS=”ion implant*” or CVD）））

or （（TS=sputter*） and （TS=target*））

or （（TS=polish*） and （（TS=solution） or（TS=liquid） or （TS=fluid） or （TS=pad*） or（TS=powder） or （TS=slurry） or （TS=composition）or （TS=material*） or （TS=”chemical mechanical”）or （TS=CMP）））

or （（TS=photoresist*） or （TS=”photoresist*”） or （TS=”Silicon wafer*”） or （TS=”Silicon substrate”） or （TS=”polished wafer*”） or（TS=”epitaxial wafer*”） or （TS=Photomask*） or（TS=”Lithography mask*”） or （TS=”Electronic gas*”） or （TS=”doping gas*”） or （TS=”dopant gas*”） or （TS=”dilution gas*”） or （TS=”diluent gas*”） or （TS=”high purity reagent*”） or（TS=”high purity solvent*”） or （TS=”wet electronic chemical*”） or （TS=”wet chemical*”）or （TS=”P(pán)rocess Chemical*”） or （TS=etchant*）or （TS=”Develop* solution”） or （TS=”strip*solution”） or （TS=”peel* solution”） or （TS=”etch*solution”） or （TS=”corrosion solution”） or（TS=”clean* solution”） or （TS=”rins* solution”）or （TS=”Develop* liquid”） or （TS=”strip* liquid”）or （TS=”peel* liquid”） or （TS=”etch* liquid”） or（TS=”corrosion liquid”） or （TS=”clean* liquid”）or （TS=”rins* liquid”））

or （（（TS=”integrat* circuit*”） or（TS=Semiconductor*） or （TS=Chip*）） and（（TS=packag*） or （TS=test） or （TS=Probe）） and TS=（material*））

or （（（TS=”integrat* circuit*”） or（TS=Semiconductor*） or （TS=Chip*）） and（（TS=leadframe*） or （TS=”lead frame*”） or（TS=”lead wire*”） or （TS=”P(pán)robe card”） or（TS=”P(pán)ackag* Substrate”）））

附錄2專利數(shù)據(jù)情況

數(shù)據(jù)來(lái)源：Incopat數(shù)據(jù)庫(kù)

檢索時(shí)間：2022年4月19日

檢索式：

（（ TIAB= （ 晶圓 OR 硅片 OR 硅襯底 OR 硅晶圓 OR 硅晶片 OR 拋光片 OR 外延片 OR 單晶硅 OR 光刻膠 OR 光致抗蝕劑 OR 掩膜板 OR 光掩模 OR 光罩 OR 光刻掩膜版 OR 電子氣體 OR 大宗氣體 OR 惰性氣體 OR 特種氣體 OR 特殊氣體OR 刻蝕氣體 OR CVD氣體 OR 稀釋氣體 OR 摻雜氣體 OR 外延氣體 OR 離子注入氣體 OR 沉積氣體 OR 蝕刻氣體 OR 顯影液 OR 去膠液 OR 剝離液 OR 刻蝕液 OR 蝕刻液 OR 腐蝕液 OR 清洗液 OR 漂洗液 OR 濕電子化學(xué)品 OR 濕化學(xué)品 OR工藝化學(xué)品 OR 濺射靶 OR 靶材 OR 濺射鍍膜裝置 OR 拋光液 OR 拋光墊 OR 拋光粉 OR 拋光組合物 OR 拋光漿料 OR 拋光材料 OR 化學(xué)機(jī)械拋光 ） OR （ TIAB= （ 半導(dǎo)體 OR 集成電路 OR 芯片 OR 晶圓 ） AND TIAB= （ 封裝 OR 測(cè)試 ）））AND IPC= （ H01L21* OR G03F7* OR H01L23* OR H01L51* OR H01L29* OR H01L27* OR C23C16*OR C09K3* OR H01L31* OR C09K11* ）） OR（（TIAB= （ RESIST OR RESISTS） AND TIAB= （RESIN* OR PHOTOINITIATOR* OR “PHOTOACID GENERATOR*” OR PHOTOSENSI* OR EUV OR ARF OR KRF OR “G LINE” OR “I LINE” OR“CHEMICAL* AMPLIF*” OR 436NM OR 365NM OR 248NM OR 193NM OR 13.5NM OR “DEEP ULTRAVIOLET” OR “EXTREME ULTRAVIOLET”）） OR （ TIAB= （ SILICON AND WAFER* ）） OR（ TIAB= （ GAS* ） AND TIAB= （ “ ELECTRONIC SPECIAL*” OR ETCH* OR “CHEMICAL VAPOR DEPOSIT*” OR EPITAXIAL OR “ION IMPLANT*”O(jiān)R CVD ）） OR （ TIAB= （ SPUTTER* AND TARGET* ）） OR （ TIAB= （ POLISH* ） AND TIAB= （ SOLUTION OR LIQUID OR FLUID OR PAD OR POWDER OR SLURRY OR COMPOSITION OR MATERIAL OR “CHEMICAL MECHANICAL”O(jiān)R CMP ）） OR （ TIAB= （ PHOTORESIST* OR“PHOTO-RESIST*” OR “PHOTOSENSITIVE RESIST* “ OR “PHOTO-SENSITIVE RESIST*” OR“SILICON WAFER*” OR “SILICON SUBSTRATE”O(jiān)R “POLISHED WAFER*” OR “EPITAXIAL WAFER*” OR PHOTOMASK* OR “LITHOGRAPHY MASK*” OR “ELECTRONIC GAS*” OR “DOPING GAS*” OR “DOPANT GAS*” OR “DILUTION GAS*”O(jiān)R “DILUENT GAS*” OR “HIGH PURITY REAGENT*” OR “HIGH PURITY SOLVENT*”O(jiān)R “WET ELECTRONIC CHEMICAL*” OR “WET CHEMICAL*” OR “PROCESS CHEMICAL*” OR ETCHANT OR “DEVELOP* SOLUTION” OR“STRIP* SOLUTION” OR “PEEL* SOLUTION”O(jiān)R “ETCH* SOLUTION “ OR “CORROSION SOLUTION “ OR “CLEAN* SOLUTION” OR “RINS*SOLUTION”O(jiān)R “DEVELOP* LIQUID” OR “STRIP*LIQUID” OR “PEEL* LIQUID” OR “ETCH*LIQUID” OR “CORROSION LIQUID” OR “CLEAN*LIQUID” OR “RINS* LIQUID” ）） OR （（ TIAB= （“INTEGRAT* CIRCUIT*” OR SEMICONDUCTOR*OR CHIP* ） AND TIAB= （ PACKAG* OR TEST OR PROBE ） AND TIAB= （ MATERIAL* ））OR （ TIAB= （ “INTEGRAT* CIRCUIT*” OR SEMICONDUCTOR* OR CHIP* ） AND TIAB=（ LEADFRAME OR “LEAD FRAME” OR “LEAD WIRE” OR “PROBE CARD” OR “PACKAG*SUBSTRATE” ）））） AND IPC= （ H01L21* OR G03F7* OR H01L23* OR H01L51* OR H01L29* OR H01L27* OR C23C16* OR C09K3* OR H01L31* OR C09K11* ））