特征分析视角下半导体制造产业关键技术分布研究

李宏宽，何海燕，单捷飞，姜李丹

(1.北京理工大学管理与经济学院，北京 100081；2.北京理工大学国防科技创新与教育发展战略研究中心，北京 100081)

0 引言

半导体制造产业作为信息技术产业的基础，是国家信息安全保障和经济社会发展的关键所在，经常会成为大国博弈过程中的角力点，当前中美贸易摩擦形势加剧，半导体领域正是此次贸易摩擦及谈判的焦点所在。但由于目前中国半导体制造产业关键技术的缺乏，许多核心领域的产品制造仍然需要依赖国外厂商，且中国的半导体已远超石油成为第一大进口商品，这对国家安全和经济发展构成巨大隐患。2018年4月美国商务部针对中国企业中兴通讯发出包括半导体产品在内的出口禁令，由于中国在半导体领域多项关键技术未能完全掌控，该禁令对中兴通讯的生存甚至中国整个信息技术产业造成了严重威胁。近年来国家对此高度重视，目前已通过 “国家科技重大专项”和设立 “国家集成电路产业投资基金”对半导体制造技术进行持续研发支持，并在 《 “十三五”国家战略性新兴产业发展规划》和 《中国制造2025战略》中对半导体制造产业也提出明确要求和规划，同时出台 《国家集成电路产业发展推进纲要》对半导体制造产业进行了战略性和针对性的全局规划。因此，在当前半导体制造产业由于严重缺乏支撑产业独立自主发展的产业关键技术，使得产业安全、经济安全甚至国家安全屡受外部威胁的情况下，对全球半导体制造领域关键技术的分布及发展趋势进行分析，有助于各级政府和相关企业准确选择半导体制造业的优先发展领域，同时从产业发展的全局视角出发，将有限的创新资源在各技术领域进行合理分配，使得创新资源形成最有效的研发支持，对半导体制造产业的关键技术突破以及提升半导体制造产业的技术安全和产业安全具有重要意义。

目前国内外学者对半导体制造产业的整体发展问题进行了相关研究，Hao等[1]对半导体制造产业发展的周期性进行了研究，证明了产业整体发展的周期性不同于宏观经济和产业技术发展的周期性，且发现半导体制造产业的集聚程度会在产业衰退期达到最高。Wang[2]分析了台湾地区为促进半导体制造产业发展所采取的各项政策措施，并对未来产业发展可能遇到的潜在障碍进行了预测。Hung等[3]利用动态DEA模型对台湾地区半导体制造产业2006—2012年的运营效率进行了评价，并分析了半导体制造企业自身的相关条件对其运营效率的影响，发现企业产品的技术水平和加入企业联盟对半导体制造企业的运营效率存在积极影响。Wu等[4]以金融危机为研究背景，分析了政府支持对亚太地区半导体制造企业财务绩效的影响，研究发现，在全球金融危机期间，政府支持对亚太地区集成电路企业的财务绩效有显著的正向影响。Zhao等[5]基于中国17家典型光伏半导体制造企业2008—2014年的面板数据，对光伏半导体制造产业的驱动因素进行分析，将产业的全要素生产率分解为产业管理绩效和技术发展水平，最终发现，光伏半导体制造产业的产出增长主要依靠技术水平的进步，而产业的资源配置效率和规模经济效益对产出增长的贡献并不大。

此外，相关研究对半导体制造产业的技术创新进行了分析，Tsai等[6]对半导体制造产业以及处于其上下游的半导体设计和半导体封测产业的创新知识溢出效应进行了分析，由于生产流程较高的相似性，半导体制造业和其下游半导体封测业的创新知识溢出效应明显高于上游的半导体设计业。Wang等[7]在此基础上利用研发合作和专利引证对创新合作的强关系和弱关系进行评价，并对半导体制造产业中个体合作关系对创新知识溢出效应的影响进行了分析，研究发现，创新合作中的弱关系比强关系更有利于促进半导体制造产业的创新知识溢出效应，同时强弱关系分别对监测共享技术和特定技术的发展更为有效。刘晓燕等[8]基于企业专利数据，对半导体制造业技术创新合作中创新知识流动的影响因素进行研究，发现合作次数、合作企业数量对知识流动有正向作用，而企业独立研发能力对知识流动存在负向影响。Lou等[9]对美国半导体制造产业的技术创新能力进行了量化评估，并分析技术创新能力对美国半导体产业整体市场价值的影响，研究发现，技术创新能力对整个半导体制造产业的市场价值具有显著正向影响。刘云等[10]采用专利计量方法，对全球半导体制造业主要国家和地区在各技术领域的技术创新能力进行了分析，发现美日是该产业整体技术创新实力最强的国家，而中国需重点在封装技术、退火技术和平坦化工艺领域推动技术创新的发展。Rajah等[11]则对半导体制造产业的技术创新能力与政府支持和出口之间的关系进行了研究，最终发现，政府支持对产业的技术创新能力有显著的正向影响，同时技术创新能力的提升可以有效促进出口的增长。Levitas等[12]基于美国半导体制造企业1975—1994年的专利数据，分析了技术创新的新颖性、技术创新的潜在价值以及产业整体的技术变革对半导体制造企业技术创新失败概率的影响，研究发现，在低技术动荡时期利用新技术创造重大技术进步的企业面临更大的失败概率，而在高技术动荡时期，使用旧技术创造重大技术进步的企业面临较低的失败概率。Tsai等[13]将智力资本和企业治理作为在投入要素，以企业价值作为产出要素，并借助DEA模型对半导体制造产业的技术创新效率进行定量评估。Rahul等[14]对半导体制造产业内的协同技术创新在技术生命周期中的演进进行了分析，研究发现，半导体制造产业中技术创新的协同程度会随着技术生命周期的演进而不断加强，且在技术生命周期内，半导体制造商之间协同技术创新行为的重点逐渐由相互学习转变为资源共享。

总体来看,当前对半导体制造产业的已有研究主要是从宏观或微观角度对产业的整体发展和技术创新问题进行分析，且对于半导体制造产业整体发展问题的研究多聚焦于产业的发展规律、运营绩效以及影响因素等领域，而半导体制造产业技术创新领域的相关研究主要围绕创新知识的溢出与流动、技术创新能力及影响因素、协同创新等问题。目前对于半导体制造产业关键技术分布及其发展趋势的研究则相对缺乏，鉴于此，本文在已有文献的研究基础上，从产业关键技术特征分析的视角出发，构建两阶段递进型产业关键技术挖掘模型，并利用德温特创新专利数据库中2002—2016年半导体制造领域相关专利，基于GN社区发现算法和动态专利组合分析模型对半导体制造领域的关键技术的分布及发展趋势进行分析，从而为中国半导体制造业遴选优先发展领域和优化创新资源配置提供参考。

1 理论基础及研究设计

1.1 特征分析视角下两阶段产业关键技术挖掘分析

产业关键技术通常能够在很大程度决定当前和未来产业整体及某些相关产品领域的技术发展方向和产品性能，同时其对产业当前和未来的整体发展状况也会产生不可忽视的影响[15]。产业关键技术通常具备基础性、系统性、活跃性、引领性和持续性五个特征，且对产业关键技术的识别是一项复杂的系统性工程。如图1所示，本文基于当前产业关键技术领域已有的相关研究，构建了特征分析视角下两阶段递进型产业关键技术挖掘模型，其包含基础性技术主题发现分析和关键技术三维度挖掘分析两个阶段，并采用相应的专利指标对上述产业关键技术的特征进行映射反应。

基础性技术主题发现分析阶段主要是针对产业关键技术所具备的基础性和系统性两大特征，通过共被引社区发现算法首先确定出产业的基础性技术主题。其中，产业关键技术的基础性特征主要体现在其不会是某种独立存在的技术，相比于普通技术，通常会有更多的相关技术是基于它而产生和发展的。而在专利层面，这种基础性则更多通过专利之间的相互引用而体现，通常施引专利在技术和原理方面会以被引专利为基础[16]，因此本文采用专利的被引频次来反映技术的基础性特征；而系统性特征则主要体现在，产业关键技术是能够在一定程度上决定产业发展方向的重要技术，其本质是一个由多项相关度较高的专业子技术组成的系统性集合，因此产业关键技术很难通过单一的专利来反映，而是由多个相互之间具有较强相关性的专利构成[17]。本文利用专利共被引频次对专利间的相关性进行衡量，并基于专利间的相关性对专利进行社区发现分析，从而识别出各项技术所对应的专利集合，实现对产业关键技术系统性特征的反映。其中 “共被引”指两项或多项专利共同被某项专利所引用。

图1 特征分析视角下两阶段递进型产业关键技术挖掘模型

关键技术三维度挖掘分析阶段则主要是基于上阶段所得产业基础性技术主题，针对产业关键技术所具备的活跃性、引领性和持续性，通过动态专利组合分析方法最终挖掘出产业关键技术。其中活跃性特征主要体现在产业关键技术作为支撑产业内某些相关技术领域技术发展的基础，其通常会集聚产业内大量的研发资源并形成诸多技术产出[18]。从专利视角来看，产业关键技术的这种活跃性则主要体现在专利的申请数量，通常相关专利申请数量越多，则该技术的活跃性越强。因此，本文采用所识别出的基础性技术主题中专利申请的总数量对活跃性特征进行衡量；而产业关键技术的引领性则更多的是从整体视角出发，主要体现在该技术所对应的整个专利集合对其他相关技术领域的支撑作用，因此本文采用基础性技术主题下所有专利的被引频次总和来反映其引领性特征；此外，产业关键技术的发展不会是昙花一现，而是一个持续渐进的过程，其自身会在一段时期内不断完善和升级，并对产业内某些相关技术领域形成持续的支撑[18,19]。本文通过基础性技术主题中所含专利数量及各专利被引频次总和的变化趋势来对持续性特征进行衡量，当其增长态势越为明显，则该技术的持续性越强。

1.2 研究模型和方法

(1)共被引Girvan-Newman聚类分析。层次聚类作为数据挖掘中的一项重要技术，可用于发现未知标签数据的分布情况，能够有效分析数据并从中发现有用的信息用以识别分类[20,21]。基于边介数的Girvan-Newman (GN)算法是目前使用较为广泛的层次聚类算法[22]，应用于交通、能源、教育及社会等多个领域。Chen等[23]利用GN算法对城市交通网络的区域划分以及交通枢纽节点的设定进行了研究；张维冲等[24]利用GN算法对中国112所“211工程”大学的类型进行划分。苏学能等[25]利用GN算法对电网分区进行研究，并对分区结果的正确性进行了实例验证。Zhang等[26]则将GN算法应用于网络社交媒体的用户行为分析中，其利用GN算法对用户的社交网络进行群体划分，并分析群体数量对用户线上行为的影响。GN算法的具体步骤如图2所示。

图2 Girvan-Newman算法流程图

ModularityQ值可有效衡量网络划分的质量，Q值越高则表示划分的子群结构越明显,其具体计算方式如下[27]：

(1)

本文首先基于专利数据构建共被引矩阵Pn：

(2)

其中，pij为专利i和专利j被其他专利共同引用的次数，矩阵的维度n即为参与聚类分析的专利数量，且共被引矩阵为对称矩阵。

随后基于Pn进一步构建Jaccard相关系数矩阵Jn，相比于Pn，Jn可以更为准确地反映专利间的相关性[28]。最后基于Jaccard相关系数矩阵形成专利网络关系图谱，并基于GN算法对其进行聚类分析：

(3)

其中，p(i)和p(j)分别表示专利i和专利j的总被引频次。

(2)动态专利组合分析方法。传统的专利组合分析方法主要分为组织层面、技术层面、专利发明人层面、专利与市场一体化层面4种不同的组合分析模型[29,30]。其中技术层面的传统专利组合分析，模型主要从专利申请活跃度和专利质量两个维度构建专利组合分析矩阵，来衡量技术的发展状况，并分别利用该技术的专利申请总量和所含专利的总被引频次对二者进行衡量。目前国内外学者已对传统的专利组合分析方法进行了相关研究，Huang[31]利用专利组合分析模型对云计算产业的技术发展趋势和竞争态势进行分析；张世玉等[32]则将专利组合分析模型应用于企业技术威胁预警领域，构建基于专利组合分析视角的企业技术威胁预警模型；Jeong等[33]利用专利组合分析模型对产业或企业的技术标准制定策略进行研究，并对电信行业的LTE-A技术进行了实证分析。

传统的专利组合分析方法是对技术创新发展趋势的静态分析，其均是对某一特定时间点上的相关专利指标进行测度，而关键技术的识别则需要考虑到技术的动态变化情况[34]。本文在传统技术层面专利组合分析方法的基础上引入时间维度，构建动态专利组合分析模型，以更为准确地识别产业关键技术。如图3所示，当某一技术领域如技术A、B所示，当前的专利申请总量和专利总被引频次上均处于较高水平，且随年代的变化仍保持增长态势，可见该技术领域在活跃性、引领性和持续性三个方面均有较强表现，从而属于 “产业关键技术”，其在很大程度上决定着当前和未来产业整体及相关产品领域的技术发展方向和产品性能；而当某一技术领域如技术C、D所示，虽然当前专利申请总量和专利总被引频次仍处于较高水平，但其发展态势已经趋缓，该技术领域虽拥有较强的活跃性和引领性，但其持续性特征已较弱，属于 “产业活跃技术”。此类技术仍对当前的产业发展具有很强的支撑作用，对产业内部的研发资源也保持着较强的吸引力，同时也依然是某些产品领域的核心技术，但其在对产品及产业未来技术发展方向的影响方面已较弱；当某一技术领域如技术E、F所示，当前专利申请总量和专利总被引频次已处于相对较低水平，且处于明显的下降态势，但该技术的专利申请总量和专利总被引频次在之前曾处于较高水平，可见其活跃性和引领性经历了从强至弱的发展历程，且当前的持续性特征已明显较弱，属于 “产业成熟技术”。该类技术的发展通常已较为成熟且已达到较高的产业化水平，对产业各类研发资源的占用率较低，正在逐步转化为被众多产业组织所掌握的普遍性技术；当某一技术领域如技术G、H所示，专利申请总量和专利总被引频次始终处于相对较低水平，其活跃性和引领性始终相对较弱，则属于 “产业一般技术”。该类技术可能是产业内某种低端产品的核心技术，因为技术含量相对较低，因此对产业内研发资源的吸引也相对有限。同时也可能是产业内某种关键的辅助支持技术，并不能直接支撑某种产品的生产，但可能是在多种产品生产过程中均有所涉及的某种基础性技术。

图3 基于动态专利组合分析的产业关键技术挖掘模型

1.3 研究框架

本文针对专利文献数据，以产业关键技术的特征分析为基础，利用Girvan-Newman共被引聚类模型和动态专利组合分析方法，系统性构建一套完整的产业关键技术识别研究框架，如图4所示。

图4 产业关键技术挖掘研究框架

首先基于对产业相关文献的参考和对相关企业、科研机构等产业组织的调研，以及对产业技术专家的访谈，确定初步的专利检索策略，随后通过专利数据试下载及关键词训练和测试对专利检索策略进行反馈性调整，最终得到更为完善的检索策略并基于此构建专利数据集。然后，针对所收集的专利数据集进行高被引筛选，剔除引用率较低的专利，以确保所得专利所对应技术的基础性特征，并在此基础上利用GN聚类算法对所筛选高被引专利进行共被引聚类分析，根据聚类结果识别出相关的基础性技术主题。最后，利用动态专利组合分析方法对基础性技术主题从产业关键技术所具备的活跃性、引领性和持续性三方面进行综合性分析，最终完成产业关键技术的识别。

2 数据来源与处理

半导体制造产业作为信息技术产业的基础，其整体的技术迭代速度较快，且技术创新的价值更多直接通过产业化而体现，这使得专利成为该产业内相关技术的直接体现[35]。同时，当前半导体制造领域的制程技术的发展正逐渐逼近物理极限，技术复杂程度正在成指数级增长，且其中包括多种细分的制造工艺与技术[4]，很难通过单个IPC (国际专利分类号)分类或IPC组合对其进行界定。因此，本文通过对半导体产业相关文献的参考和对相关半导体企业、科研机构等组织的调研，以及与产业技术专家的交流访谈，利用关键词+IPC分类号的方式最终确定的专利检索策略，如表1所示。其包含了7个半导体制造技术相关的IPC分类，同时将半导体制造技术分为清洗工艺、刻蚀工艺、光刻工艺、薄膜工艺、退火工艺、掺杂工艺、平坦化工艺7个类别，并据此提取了12个检索关键词。依据上述专利检索策略对国际权威的德温特创新索引数据库(Derwent Innovations Index)进行专利检索，该数据库专利信息实时更新，收录全球超过40个专利机构的相关专利，并涵盖中国、美国、日本以及欧洲等半导体产业领先国家和地区的专利申请、授权以及索引等完整专利信息。最终经过失效专利过滤和信息缺失专利剔除等数据清洗后，共收集相关专利368477项。

制程线宽是衡量半导体制造产业技术水平的基础性指标，其决定着芯片的单位面积上所能聚集晶体管的数量，对半导体产品性能的提升有直接影响，同时制程线宽的不断缩小也是半导体制造产业各细分领域技术进步的基础和关键。本文基于半导体制造产业整体制程技术发展阶段，对收集专利进行时段划分。全球半导体制造产业的制程技术水平分别于2002年、2007年、2012年和2017年全面进入0.13μm、45nm、28nm和14nm时代，以上制程节点均出现较大的技术性变革，并对后续一段时间的制程技术进步起到一定引领性作用。在0.13μm首次引入光学近接修正技术(OPC)；45nm则开启高K-金属栅极技术(HKMG)的应用；而28nm节点则达到了单次曝光技术生产的物理极限，并凭借出色的成效比，在14nm出现之前长期保持主流制程地位；从14nm开始，半导体制造业开始进入鳍式场效应晶体管技术 (FinFET)时代。因此根据专利申请时间将所收集368477条专利分为2002—2006年、2007—2011年和2012—2016年3个时段，且分别包含专利155782项、127063项和85632项专利数据。

表1 半导体制造技术领域的专利检索策略

3 实证分析与结果

基于以上数据和方法，本文运用Ucinet和Matlab软件进行实证挖掘与分析。

3.1 基础性技术主题聚类分析

为了确保技术的基础性特征，首先需对专利分时段进行高被引筛选。由于一项专利从公开到引起同行的关注并对其引用需要一段时间，公开时间较长的专利比公开时间较短的专利通常有机会得到更多的引用频次，因此使用同一标准对不同时段内专利被引用频次进行筛选会产生偏差，应根据各时段的不同情况选用适当的被引频次筛选标准更为合理。同时具有较高价值的高被引专利通常仅是一个时段专利集群中较为精英的小部分，而大部分是引用率相对较低的低价值专利[16]。本文根据不同时段的专利被引频次分布情况，分别以被引频次 “≥70” “≥29”和 “≥6”为标准对2002—2006年、2007—2011年和2012—2016年3个时段所存在的大量低被引专利进行剔除，当大于该标准后，专利分布数量已降低到较低水平，且随被引频次增长而呈现的下降趋势进入相对平稳的状态，从而筛选出基础性特征较为突出的部分高被引专利。最终各时段分别筛选出1952项、2345项和2006项高被引专利数据，可见由于公开时间较长，越早时段的被引频次筛选标准相对越高，但各时段最终筛选出的高被引专利数量则相对较为平衡，均保持在2000项左右。

此外，各时段高被引专利中均存在大量 “独立专利”，其与时间段内所有其他专利均不存在共被引关系。为了提高聚类效果的准确性和模型运算效率，基于以上高被引专利数据，在剔除 “独立专利”后构建共被引矩阵，并基于此形成Jaccard相关系数矩阵。最终结果显示2002—2006年、2007—2011年和2012—2016年3个时段的Jaccard相关系数矩阵分别由155项、523项和834项专利构成。通过对各时段内半导体制造领域专利申请总量、具有引用关系的专利数量以及Jaccard相关系数矩阵所含专利数量进行对比分析可发现(见图5)，专利申请总量和具有引用关系的专利数量均呈现下降态势，但Jaccard相关系数矩阵所含专利数量则明显上升。这在一定程度上反映出，虽然半导体制造领域技术创新行为整体的活跃性有所降低，但技术之间的相互关联程度不断增高，这与因技术制程不断缩小而造成整个半导体制造领域技术复杂度的不断上升具有一定相关性。2002—2016年，半导体制造领域的技术制程从0.13μm缩小至10nm，使得技术复杂程度快速增长，也因此造成一项技术的创新需要更多种原有技术作为支撑。

基于Jaccard相关系数矩阵，利用Ucinet科学结构演化软件对各时段的半导体制造专利进行Girvan-Newman共被引聚类分析以识别各时段的基础性技术主题，分析结果如表2所示。

图5 半导体制造领域专利数据变化趋势

表2 半导体制造领域基础性技术主题专利分布

(1)2002—2006年基础性技术主题分布。2002—2006年共拥有15个基础性技术主题，其中 “薄膜剥离与生成技术” “半导体发光器件制造技术” “半导体传感器设制造技术”是这一时期最主要的三个基础性技术主题，如表2所示，其分别包含33项、27项和26项专利，占比达到21.3%、17.4%和16.8%。其中，在 “半导体传感器制造”方面主要包括 “MEMS封装技术”和 “热电转换元件制造”两个方向，且 “MEMS封装技术”占据更为重要的地位，主要聚焦于MEMS密封封装、晶元级封装和3D封装等领域； “薄膜剥离与生成技术”涉及半导体制造过程中的多个环节，且大部分半导体产品的制造均需要该技术的支持，其应用范围非常广泛，在该时段内其主要聚焦在化学气相沉积和外延生长两种工艺。

“SIP封装技术”和 “薄膜晶体管制造技术”属于该时期次重要基础性技术主题，分别包含专利12项和14项，占比7.7%和9.0%。 “SIP封装技术”是一种将多种功能芯片集成在一个封装内，从而实现一套完整功能的技术，也是半导体制造领域除了不断缩小支撑技术外，实现集成化和小型化的重要技术，该时段内 “SIP封装技术”还主要是对多种芯片进行2D平面并排式的集成封装；而 “薄膜晶体管制造技术”是TFT-LCD液晶显示屏制造过程中的核心技术之一，TFT-LCD液晶显示屏正是自该时间段开始逐步在市场中普及。其余10项技术主题的重要性则相对较低，仅属于该时段内一般的基础性技术主题。

(2)2007—2011年基础性技术主题分布。2007—2011年的GN聚类结果共识别出14个基础性技术主题，其中 “存储器制造技术” “薄膜晶体管制造技术” “光伏器件制造技术”和 “半导体传感器制造技术”是这一时期最主要的四个基础性技术主题，如表2所示，在参与聚类的523项专利中，四个最主要的基础性技术主题分别包含87项、123项、142项和68项专利，占比达到16.6%、23.5%、27.2%和13.0%。其中 “半导体传感器制造技术”延续了上一时段良好的发展态势，依然属于该时段最主要的基础性技术主题，但其具体的技术发展重点出现一定变化，由上一时段的 “MEMS封装技术”转变为 “图像传感器制造”，同时具体的技术发展方向相比于上一时期也更为多样化，在 “热电转换元件制造” “压电传感器制造”和 “MEMS制造和封装”三个领域也均有较快发展。而 “薄膜晶体管制造技术”和 “光伏器件制造技术”在上一时段虽属于半导体制造领域的基础性技术主题，但其在专利体量和重要性方面表现并不突出，而在该时段二者得到快速发展并成为最主要的四项基础性技术主题之一，尤其是 “光伏器件制造技术”，其专利数量占比由2002—2006年的3.2%快速提升至2007—2011年的27.2%。而与其他三项技术主题情况不同， “存储器制造技术”在2002—2006年并不属于半导体制造领域的基础性技术主题，但其在该时段则一跃成为本时期最主要的四个基础性技术主题之一，可见该技术在本时段得到突破式发展。在具体的技术发展方向上，其主要集中在 “闪存制造技术”和 “MTJ磁隧道技术”两方面，且 “闪存制造技术”占据更为重要的地位，二者所含专利分别占整个 “存储器制造技术”专利总数的85.1%和14.9%。

除此之外， “半导体发光器件制造技术” “MOSFET制造技术”和 “晶元划片技术”属于这一时期次重要基础性技术主题，分别包含专利28项、22项和13项，占比5.4%、4.2%和2.5%。其中 “半导体发光器件制造技术”在上一时段还属于最主要的三个基础性技术主题之一，可见其重要性在该时段已经出现明显下降；而 “晶元划片技术”的重要程度在本时段出现小幅上升，其在上一时段仅属于一般的基础性技术主题，同时其在本时段的具体技术发展方向从 “激光划片”领域转变为 “激光划片”和 “等离子划片”两条技术路线共同发展。其余七项技术主题则属于重要性相对较低的一般基础性技术主题，其中 “薄膜剥离与生成技术”和 “SIP封装技术”的专利数量和占比在本时段均出现显著下降，二者在上一时段分别属于最主要基础性技术主题和次重要基础性技术主题。在 “薄膜剥离与生成技术”方面，剥离技术已不再属于基础性技术主题，而生成技术虽然仍属于基础性技术主题，但其具体技术发展方向发生一定变化，主要是化学气相沉积和热氧化两种工艺；同时 “SIP封装技术”的关注点也由上一时段对多种芯片进行2D平面并排式集成封装转向3D立体式的集成封装。

整体来看，2007—2011年的基础性技术主题分布情况较2002—2006年有较大幅度变动，最主要基础性技术主题、次重要基础性技术主题和一般基础性技术主题的内容存在明显差异，且相比于2002—2006年，有三项基础性技术主题的重要程度出现较大幅度的跨级别涨跌，甚至存在二项技术首次出现并进入最主要和次重要基础性技术主题行列。可见，整个半导体制造领域在2007—2011年处于技术变革期，原有产业技术结构出现较大变动，新兴技术逐渐吸引产业更多关注并占据主导地位。

(3)2012—2016年基础性技术主题分布。2012—2016年的GN聚类结果如图6所示，虽然参与聚类分析的专利数量大幅增长，但最终聚类所得基础性技术主题数量相比于前两期有所减少，降低至10个。其中 “光伏半导体制造技术” “存储器制造技术”和 “薄膜晶体管制造技术”是该时段三个最主要的基础性技术主题，如表2所示，其分别包含了333项、165项和99项专利，占比达到39.9%、19.8%和11.9%，且三者在上一时段也均属于最主要基础性技术主题，强势表现得到进一步延续。其中 “光伏半导体制造技术”相比于上一阶段，具体的技术发展方向不仅集中在 “光伏器件制造技术”方面，同时 “硅晶片制绒工艺”也得到较快发展， “硅晶片制绒工艺”是光伏半导体制造过程中的重要工序，直接决定着光伏半导体的光吸收率，从而影响光电转化效率；而 “存储器制造技术”主题的具体技术发展方向仍然分布在 “闪存制造技术”和 “MTJ磁隧道技术”两方面，但与上一时段不同， “MTJ磁隧道技术”占据了更为主要的地位，其在整个 “存储器制造技术”领域的专利占比达到58.2%。目前基于 “MTJ磁隧道技术”的半导体存储产品还未实现大面积的产业化，但从其专利布局的发展趋势分析，未来其很可能凭借在处理速度、能耗及非易失性等方面相比于闪存等电信号存储技术的优势，成为下一代半导体存储产品的主流技术之一。

图6 2012—2016时段半导体制造领域基础性技术主题分布

除此之外， “半导体打印制造工艺” “SIP封装技术”和 “半导体传感器制造技术”属于这一时期次重要的基础性技术主题，其分别包含专利65项、56项和34项，占比7.8%、6.7%和4.1%。其中 “半导体打印制造工艺”在2002—2006年和2007—2011年均属于一般的基础性技术主题，在该时段开始获得一定程度的发展，能够以更具成本效益的方式进行可拉伸半导体元件的制造，未来随着对半导体产品可机械变形的需求逐渐增长， “半导体打印制造工艺”将在产业创新资源配置和专利布局方面获得更多关注。 “SIP封装技术”的发展在2007—2011年经历了低谷期后，本时段又重新回到次重要基础性技术主题之列，具体技术发展方向分布在 “3D封装”和 “封装表面的引线键合技术”。 “半导体传感器制造技术”的热度在本时段开始出现减弱，不再属于最主要的基础性技术主题，且在发展方向的多样化程度上也明显降低，由上一时段的四个领域聚焦为 “图像传感器制造”和 “热电转换元件制造”两个领域。其余四项技术主题属于重要性相对较低的一般基础性技术主题，其中 “半导体发光器件制造技术”的重要程度在本时段进一步降低，由次重要基础性技术主题跌至一般基础性技术主题；同时 “晶元划片技术”的地位在上一时段出现小幅提升后，本期也重新降至一般基础性技术主题行列,但其技术发展方向仍然延续了上一时段的 “激光划片”和 “等离子划片”两条路线； “薄膜剥离与生成技术”具体技术发展方向更为聚焦，专注于化学气相沉积一种工艺，而化学气相沉积也恰是当前半导体制造过程中使用最为普遍的薄膜生成技术。

整体来看，2012—2016年的基础性技术主题分布情况较2007—2011年并无较大的结构性变动，最主要基础性技术主题均是由上一时段延续而来，且并无基础性技术主题的重要程度出现较大幅度的跨级别涨跌。可见，半导体制造领域在2012—2016年整体上处于技术深化期，产业技术结构得到进一步稳固，各项主要技术基本得到进一步发展。此外，由以上对各时段的分析可发现，2002—2006、2007—2011和2012—2016年三个时段分别包含15个、14个、10个基础性技术主题，半导体制造领域的基础性技术主题数量在逐渐降低，这在一定程度上反映出半导体制造产业的技术发展方向不断聚焦，同时整个产业的发展方向更为清晰。

3.2 关键技术三维度挖掘分析

对2002—2006、2007—2011、2012—2016年三个时段共识别出20个基础性技术主题，其中有11个基础性技术主题仅在一个时段出现过，其持续性特征相对较弱，并不符合产业关键技术的特征要求。因此，本文在产业关键技术挖掘分析的过程中首先将其剔除，随后利用Matlab软件从技术的活跃性、引领性和持续性三个方面对其余九项基础性技术主题进行动态专利组合分析，以识别出当前半导体产业的关键技术。

专利被引用次数会受专利公开时间的影响，一项专利在公开初期的被引频次通常会处于较低水平且增长缓慢，随后进入被引高峰期，其被引频次会获得较快增长，最后进入一个相对稳定期，被引频次的增长放缓并稳定在某一水平[17]。为了保证数据对时段整体情况的准确反映，在剔除各时段较为突出的个别超高被引频次专利后，由图7可以发现，2002—2006年和2007—2011年的专利由于公开时间较长，被引频次已处于相对较为稳定的水平且分布形势也较为趋近，但2012—2016年的专利由于公开时间较短，被引潜力还未得到完全释放，被引频次仍有很大上升空间，而根据技术发展规律，其被引频次的分布将随时间推移逐渐达到前两时段的稳定水平[17]，仍有近五倍于现被引频次的增长空间。因此在对上述九项基础性技术主题进行动态专利组合分析时，对于2012—2016年的专利总被引量采用五倍次数据作为分析基础，以在一定程度上剔除专利公开时间对被引频次的影响。

图7 半导体制造产业各时段专利被引频次分布

由动态专利组合分析结果可发现，当前半导体制造产业的关键技术主要聚焦在 “光伏半导体制造技术” “存储器制造技术” “半导体打印制造工艺”和 “SIP封装技术”，其在技术的活跃性、引领性和持续性三个特征方面均有较强的表现。首先，四项基础性技术主题目前在专利申请总量和所含专利的总被引频次方面均处于较高水平，尤其在 “光伏半导体制造技术”和 “存储器制造技术”领域，二者在2012—2016年的专利申请总量和所含专利的总被引频次远高于其他七项基础性技术主题，如表3所示，分别达到333项/10180次和164项/13060次。此外，该四项基础性技术主题除了 “SIP封装技术”外，其专利申请总量和所含专利的总被引频次在三个时段均保持着明显的增长趋势，而 “SIP封装技术”在2007—2011年出现一定下降，这主要归因于其在2007—2011年正处于技术换挡期，研发重点正逐渐由2D平面并排式的集成封装向3D立体式的集成封装所转变。在此时期，2D平面式集成封装技术的发展已相对较为成熟，创新成果的产出明显减少，与此同时，3D立体式集成封装虽然得到产业内大部分研发资源的倾斜，但作为技术含量更高的新一代技术，其创新成果还未能实现大量产出，因此造成在2007—2011年整个 “SIP封装技术”主题的专利申请总量和所含专利的总被引频次出现一定下降。同时，半导体制造业虽然技术迭代速度较快，但由于技术复杂度较高，其技术的研发周期相对较长的特点也在一定程度上加剧了这一现象[11]。在之后的2012—2016年，随着研发投入的积累和技术难点的不断突破，3D立体式集成封装技术开始出现创新成果的规模化产出，从而使 “SIP封装技术”主题的申请总量和所含专利的总被引频次又出现大幅度的增长，由2007—2011年的2项/160次增长至2012—2016年的56项/4440次。

如表3所示， “薄膜晶体管制造技术”的专利申请总量和所含专利的总被引频次在2007—2011年大幅增长，由14项/3792次增长至123项/39386次，但在进入2012—2016年后则开始出现明显下滑，降至99项/4445次，不过仍处于较高水平。可见 “薄膜晶体管制造技术”虽然在持续性特征方面已处于相对较低水平，但仍然拥有较强的活跃性和引领性，因此 “薄膜晶体管制造技术”属于当前半导体制造产业活跃技术。该技术虽然无法代表半导体制造业未来的技术发展方向和侧重，但依然是当前半导体制造业中一项至关重要的技术，且保持着对产业内研发资源较强的吸引力，仍需要给予一定的关注。

表3 半导体制造领域基础性技术主题专利申请总量及总被引频次

“半导体传感器制造技术”在专利申请总量和所含专利的总被引频次方面的变化趋势与 “薄膜晶体管制造技术”类似，在经历一定的增长并达到相对较高水平后，当前处于明显的下降趋势。由表3可见，其在2007—2011年由26项/2785次增长至68项/5344次后，在2012—2016时段则出现大幅下降。但与 “薄膜晶体管制造技术”不同的是，其在2012—2016年降至一个相对较低水平，专利申请总量和所含专利的总被引频次仅维持在34项/935次。可见其活跃性和引领性经历了从强至弱的发展历程，且当前的持续性特征已明显较弱，因此 “半导体传感器制造技术”属于当前半导体制造产业成熟技术。而在当前半导体制造产业发展中， “半导体传感器制造技术”也已属于相对较为成熟的技术，其产业化水平已相对较高，在全球半导体制造业中从事传感器设计与制造的资源分布于全球各种规模的企业当中，同时在该领域的竞争已由技术的尖端化逐渐聚焦于产品的多样化和对下游市场需求的准确对接。

“薄膜剥离与生成技术” “半导体发光器件制造技术”与 “晶元划片技术”的专利申请总量和所含专利的总被引频次在三个时段均处于相对较低的水平，活跃性和引领性始终较弱，属于当前半导体制造产业一般技术。其中 “晶元划片技术”和 “薄膜剥离与生成技术”是半导体制造过程中两项使用范围较为广泛的细分技术，包括集成电路、MEMS、光伏半导体以及半导体发光器件等在内的几乎所有类别的半导体产品，其制造过程中均需涉及该两项技术，但 “晶元划片技术”和 “薄膜剥离与生成技术”并不属于半导体制造过程中的绝对核心技术，且两个领域的技术壁垒相对较低；而半导体发光器件则属于半导体产品中相对较为低端的产品，其对产业研发资源的吸引相对有限。

4 结论及建议

(1)2002—2016年半导体制造领域的专利申请总量和具有引用关系的专利数量均呈现下降态势，但Jaccard相关系数矩阵所含专利数量则明显上升。可见半导体制造领域技术创新行为整体的活跃性有所降低，但由于半导体制造领域技术复杂度不断上升，在一定程度上造成产业技术创新需要更多原有技术作为支撑，从而使得半导体制造领域内技术之间的相互关联程度不断增高。

(2)根据对样本期内2002—2006、2007—2011和2012—2016年三个不同时段所含基础性技术主题的分析发现，不同时段的基础性技术主题存在一定差异，且基础性技术主题的数量在逐渐降低，半导体制造产业的技术发展方向在不断聚焦。

2007—2011年整个半导体制造产业处于技术变革期，原有产业技术结构出现较大变动，新兴技术逐渐占据主导地位。由基础性技术主题分布情况来看，2007—2011年较2002—2006年呈现较大幅度的变动，最主要基础性技术主题仅一项得到延续，由 “薄膜剥离与生成技术” “半导体发光器件制造技术”和 “半导体传感器制造技术”转变为 “存储器制造技术” “薄膜晶体管制造技术” “光伏器件制造技术”和 “半导体传感器制造技术”，且 “薄膜剥离与生成技术” “存储器制造技术”和 “光伏器件制造技术”三项基础性技术主题的重要程度出现较大幅度的跨级别涨跌。

2012—2016年半导体制造业在整体上处于技术深化期，产业技术结构得到进一步稳固。从基础性技术主题分布情况来看，2012—2016年较2007—2011年并无较大的结构性变动，所含3项最主要基础性技术主题 “光伏半导体制造技术” “存储器制造技术”和 “薄膜晶体管制造技术”均由上一时段延续而来，且并无基础性技术主题的重要程度出现较大幅度的跨级别涨跌。

(3)根据对基础性技术主题的动态专利组合分析发现，当前半导体制造产业的关键技术主要聚焦在 “光伏半导体制造技术” “存储器制造技术” “半导体打印制造工艺”和 “SIP封装技术”，其在技术的活跃性、引领性和持续性三个特征方面均有较强的表现。 “薄膜晶体管制造技术”属于当前半导体制造产业活跃技术，虽然不是产业未来的技术发展侧重点，但依然是当前半导体制造业中一项至关重要的技术，需给予一定的关注。而 “半导体传感器制造技术”为当前半导体制造产业成熟技术，在该领域的竞争已由技术的尖端化逐渐聚焦于产品的多样化和对下游市场需求的准确对接。此外， “薄膜剥离与生成技术” “半导体发光器件制造技术”与 “晶元划片技术”属于当前半导体制造产业一般技术，其对产业研发资源的吸引相对有限且技术壁垒相对较低。

根据以上分析结果并结合产业实际发展情况，本文提出以下措施建议：

(1)从国家层面来看，半导体制造产业属于典型的技术密集型和资本密集型产业，其关键技术的突破更是需要资本和政策的持续支持。首先，当前应以国家科技重大专项02专项和国家集成电路产业投资基金为支点，对产业关键技术的突破和创新进行持续支持，02专项由于并无明确的资本盈利压力，其重点对产业关键技术的前期实验室开发阶段进行资金支持，而产业基金则更多聚焦于关键技术的产业化，从而形成科技重大专项与产业投资基金在产业关键技术创新领域的协同效应。其次，国家应建立动态化的半导体制造产业技术安全风险评估机制，并形成完善的技术安全预警及应急防控体系。通过集合产业、高校及政府三方力量，系统性评估产业链各环节、各技术领域以及各产品类别方面的相关技术封锁风险，并对其可能产生损害进行预先分析，形成完善的产业技术安全风险评估机制，伴随产业的快速发展进行持续性、系统性的动态化评估。同时基于技术安全风险评估机制及其所得评估结果，构建中国半导体制造产业技术安全风险预警及应急机制，针对单一供应商、欧美供应商、耗材和非耗材等不同技术环节，从国家层面建立针对不同技术封锁形式所产生的不同效果及不同程度影响的应急反应机制。

(2)从产业层面来看，半导体制造领域技术复杂度在不断上升，技术之间的相互关联程度不断增高，关键技术的突破与创新越来越需要更多原有技术作为支撑。首先，产业协会作为产业相关资源和信息的中枢平台，应联合高校、科研院所和领域龙头企业建立动态化的半导体制造产业关键技术识别及预测机制，以充分掌握对产业关键技术的发展态势和趋势，为政产学研金各部门的技术创新决策提供科学支撑；其次政府、产业基金及重大专项应借助精准政策支持、税收优惠以及研发补贴等方式，鼓励针对中国半导体产业关键技术突破的产业链上下游联合创新模式，以增强技术支撑的多元化；此外，在关键技术创新的产业化应用阶段，应鼓励以核心技术突破为目标，聚合政产学研金等创新要素的产业关键技术创新模式，同时以保险机构为依托，由政府、产业基金和金融机构四方联合出资，推行中国半导体制造产业关键技术首次应用保险补偿机制，运用经济和金融方式鼓励完成实验室内技术可行性验证的产业关键技术应用，防范和降低其市场化所面临的相关风险。

(3)从技术层面来看，首先，在推动半导体制造产业技术创新投入增长的同时，应抓住产业技术创新的重点方向，准确选择优先发展领域，集中有限资源对 “光伏半导体制造技术” “存储器制造技术” “半导体打印制造工艺”和 “SIP封装技术”四项半导体制造领域的关键技术给予持续的重点研发支持，从而占据半导体制造产业技术制高点。其次，在 “半导体传感器制造技术”领域的竞争目前已由技术的尖端化逐渐聚焦于产品的多样化和对下游市场需求的准确对接，由于该技术领域对于技术复杂度较高、技术突破较难的高阶制程技术需求较低，政府及半导体制造企业应积极利用其传感器产品巨大的下游市场需求，以构建差异化竞争优势为决策方向对该技术领域进行研发投入的布局。此外， “薄膜剥离与生成技术” “半导体发光器件制造技术”与 “晶元划片技术”对产业研发资源的吸引已相对有限且技术壁垒相对较低，可作为当前推动半导体制造产业技术结构升级过程中率先突破的技术领域。