“卡脖子”问题的情报学研究模式探索——以芯片光刻领域为例

马兰梦，袁 飞，李 珑

（中国科学院武汉文献情报中心/科技大数据湖北省重点实验室，湖北武汉 430071）

1 研究背景

2018年和2019年，我国的中兴通讯股份有限公司和华为技术有限公司分别被美国政府明令“断供”，即禁止其购买敏感产品或需获得有关许可方能购买与转让，其中涉及最多的是芯片相关技术。“中兴事件”新闻在网上广泛报道热议后，《科技日报》首版头条强势推出新专栏“亟待攻克的核心技术”，开篇以“是什么卡了我们的脖子”为引题，报道了中国在高端芯片制造所需要的顶级光刻机方面的落后状况［1］。芯片产业是现代信息社会的基石，光刻技术是芯片的制造工艺。光刻技术是利用光化学反应原理和化学、物理刻蚀方法，将掩模板上的图案传递到晶圆的工艺技术［2］。美国等西方国家在芯片光刻等领域对我国实施的一系列禁令，使我国国人深刻认识到不掌握核心技术就容易被“卡脖子”，威胁企业存亡，威胁国家经济安全［3］。

针对迫在眉睫的“卡脖子”难题，我国学者开展了一系列针对其发生机制与解决对策的理论研究，如肖广岭［3］从“卡脖子”技术和颠覆性技术结合的角度开展研究，陈劲等［4］从识别框架、战略转向与突破路径的角度开展“卡脖子”技术的破解研究，杨柳春等［5］对高福院士进行采访，、杨玉良［6］则从“卡脖子”与“卡脑子”的关系角度进行了阐述，但基于真实数据挖掘、开展领域规律剖析的相关文献则非常少见，而领域规律的分析有助于更好地理解领域发展特征，助力“卡脖子”问题的“解锁”。领域规律分析方法很多，其中以文献计量与知识图谱为代表的情报学方法以其基于真实数据、剖析中肯深刻的优点而被普遍应用于多个学科领域研究热点及科研产出情况的解读以及趋势预测，如刘龑龙等［7］将文献计量应用于人工智能领域研究现状及热点分析，李燕等［8］将知识图谱分析应用于国际阅读能力研究发展态势等等，但目前国内尚未见采用情报学方法研究“卡脖子”问题的文献。

本研究将藉由文献计量与知识图谱这两大情报学分析手段，进行情报学在“卡脖子”领域研究的探索，并初步建立起“情报学分析→‘卡脖子’领域发展特征→多层面启示”的“卡脖子”问题情报学研究模式（见图1）。在该模式中，通过文献检索来获得某特定“卡脖子”领域的文献样本，借助文献分析工具得到发文量年度趋势、国家（地区）以及机构排名与年代、机构聚类和关键词聚类与密度等文献特征，并将这4类文献特征与科研产出时序进程、科研地位及时间嬗变、机构合作态势和领域技术特征这4类“卡脖子”领域发展特征一一映射关联，通过上述层层递进的检索、挖掘、分析、映射，归纳总结出“卡脖子”领域的总体发展方向、未来趋势走向、竞争合作倾向和技术布局导向等“四向”启示。本研究采用德温特数据分析（Derwent Data Analyzer，DDA）和VOSviewer等分析工具，鉴于芯片制造“卡脖子”问题的严重性和紧迫性，选取光刻领域作为首次模式应用研究的案例。

图1 “卡脖子”问题的情报学研究模式

2 情报学分析方法概述

本研究选取科学引文索引（Science Citation Index Expanded，SCIE）作为文献样本采集的数据库，因其是国际公认的较客观的权威论文索引库，又是针对科学期刊文献的多学科索引数据库，可以很好地覆盖光刻这一涉及多学科的技术领域。Derwent Data Analyzer系 Web of Science 的母公司科睿唯安开发的桌面数据挖掘平台，能进行灵活的数据清洗，具有矩阵分析的独特功能，可以结合不同字段对文献信息进行多角度的分析，如赵宁等［9］针对仿人机器人领域进行了DDA专利分析挖掘。VOSviewer 是近年来知识图谱研究的重要产物，其在图谱展现，特别是共词和聚类分析的可视化显示方面占有独特优势，如王海焦等［10］基于VOSviewer开展了富血小板血浆研究热点主题分析。DDA和VOSviewer两种工具均能较准确挖掘文献深层次规律，从而客观科学地揭示相关领域的发展特征。

采用关键词检索法，对SCIE 中1900—2020年的数据，用语种=English和文献类型=Article 进行精炼，采用检索式：TS=(mask NEAR/0 aligner* OR*lithograph* OR photoetch*)。结合芯片光刻领域文献调研与DDA数据清洗的结果，排除噪声，再对检索出的网页结果进行Web of Science 类别精炼，剔除医学、生物学等与本研究主题无关的类别，排除2021年在线优先出版的29篇，最终得到发表于1961—2020年的46 037篇文献。数据检索及下载时间为2021年1月29日。为了保证数据的完整性，通过全文下载等途径获取了作者地址并拷贝到原始数据文件的C1字段下，从而补齐了部分SCIE文献中缺失的国家（地区）与机构信息。

基于上述46 037篇文献集合（以下简称“样本文献”），利用文献计量学方法对全球光刻技术领域发文量、重点国家、高发文机构进行统计，采用DDA实施数据清理，建立发文量年代列表、“国家（地区）-年代”矩阵、“机构-年代”矩阵，并通过Excel软件实施可视化呈现；编辑光刻领域叙词表（thesaurus），对同义词进行归并梳理，利用共现分析法和聚类分析法对全球光刻技术领域的机构合作、关键词分布进行剖析，采用VOSviewer 软件绘制全球光刻技术领域科学知识图谱，揭示光刻领域的机构聚类与关键词聚类、密度。

3 芯片光刻领域的发展特征

3.1 科研产出时序进程

科研产出时序进程代表科研产出随时间的变化过程，它能概括反映领域的发展历史与现状，让相关研究者“知过去、看今朝、望未来”，从发展规律角度获取“卡脖子”的解决启示。

姜军等［11］在研究中提及光刻工艺肇始于20世纪60年代，晚于本研究的检索起始年（1900年），故本研究范围覆盖了光刻领域发展自始至今的所有时序进程。图2展示了光刻领域相关研究发文量年度趋势，最早的相关文献发表于1961年，与光刻技术的肇始时间基本一致，这证明了本研究检索策略的精准可靠。

图2显示，1961—1990年光刻领域发文量处于起步阶段，总体缓慢上升，1961—1973年每年发表不足10篇，从1974—1990年发文量由16篇增至193篇；1990—1991年，发文量实现了从193篇到482篇的剧增，藉由DDA对1990年与1991年数据的深入挖掘可以发现，关键词数量从1 205个（1990年）增加到3 194个（1991年），所涉及的技术门类呈现爆发增长，此外，投入到电子束光刻、X射线光刻等技术门类的发文量也增加了一倍左右；1992—2001年发文量实现了稳步小幅增长；2002—2011年发文量呈现较快速增长，并于2011年达到峰值（2 427篇）；自此以后，2012—2020年发文量呈缓慢下降趋势。

图2 芯片光刻领域科研产出时序进程

美国学者Foster［12］于1986年提出了S曲线模型，认为S 曲线可以用来表征技术发展阶段，并进一步阐明技术发展的萌芽期、成长期、成熟期以及衰退期。S 曲线模型显示，一项新技术的发展并非随机发生，在新技术产生之初会存在一个缓慢增长的导入阶段即萌芽期；经过这一阶段之后，累计效用增长率开始不断增大，该技术开始迅速发展，进入成长期；之后，累计效用增长率开始不断减小，该技术进入成熟期；当该技术发展接近极限值的时候，其增长又会逐渐缓慢，最终无限接近于其极限，即衰退期［13］。从芯片光刻领域的发文量趋势线来看，除了成熟期的增长率大于成长期这一差异以外，该领域科研产出时序进程与S曲线模型基本吻合，在经历了1961—1990年的萌芽期、1991—2001年的成长期、2002—2011年的成熟期后，2012年进入衰退期。根据S 曲线模型预测，之后光刻领域的科研产出将逐步减少，直至抵达技术极限。

3.2 科研地位及时间嬗变

通过科研主体（国家/地区、机构）的排位及各自科研产出的时间变化情况，可以从主体竞争、产出积累及时序等角度发现“卡脖子”问题的解决启示。

3.2.1 国家（地区）排名

对样本文献统计显示，开展光刻技术研究的国家（地区）总数为105个。为避免重复记录，选取DDA中的“国家/地区（第一作者）”字段进行发文量统计。在我国，祖国大陆和台湾的光刻领域研究基本是独立发展的，二者的发展特征存在可以预计的差异性，有鉴于此，对祖国大陆和台湾的有关数据分别进行统计分析（以下中国数据未含台湾省的数据）。论文数量排名前10位的国家（地区）如表1所示，其中美国的发文量为12 025篇，占论文总量的26.13%，在光刻领域论文发表数量上处于绝对优势，独立成为第一集团；第2位日本的发文量为5 365篇，不到美国的一半；中国名列第三，发文量为4 925篇，与日本差距不大、与美国差距较大。日本、中国、韩国、德国发文量均在3 000篇以上，构成光刻领域研究第二集团；中国台湾、英国、法国、意大利的发文量均在1 000篇以上，构成第三集团。统计全球各国情况发现：北美（美国、加拿大）、西欧（以德国、英国、法国为代表）、东亚（以日本、中国、韩国为代表）等地区在光刻领域研究产出较多；在本研究的检索范围内，非洲、南美洲、中亚等地区的部分国家尚未发表相关论文。

表1 1961—2020年芯片光刻领域发文量排名前十国家（地区）

芯片光刻领域发文量排名前10位国家（地区）的年代分析展现了一定规律（见图3）。一方面，各国（地区）开展研究的起始时间各有早晚：美国在1961年发表了第一篇文献；英、法、德在20世纪60年代也发表了相关论文；日本在20世纪70年代开始发文；中国最早的SCIE论文发表于1984年。另一方面，各国（地区）的发文年度趋势也有差异：在经历了前期数十年的增长以后，美、日、韩、德在近15年左右的年度发文量均有不同程度的下降；而中国的发文量几乎一直持续上升，直到2019年下降势头才初露端倪。同时，有一点值得特别注意，中国的总发文量虽少于美国与日本（见表1），但年度发文量分别于2011年和2017年超越了日本与美国，并在超越年份之后持续领先。

图3 芯片光刻领域发文量排名前十国家（地区）年度发文数量趋势

3.2.2 机构排名

在进行DDA机构数据清洗后，发现参与芯片光刻技术SCIE文献发表的机构共8 999家，前10位机构的情况如表2所示。其中，美国占据3席；韩国、日本各占2席；中国占据1席，即中国科学院，其发文量位居全球机构首位。

表2 1961—2020年芯片光刻领域发文量排名前十机构

从前10位机构的年度发文量趋势来看（见图4），除了IBM公司在1964年率先开展研究，其余机构都在20世纪70年代或以后才有SCIE文献记录。作为发文量最多的机构，中国科学院在20世纪80年代出现SCIE论文收录，2008年以来，中国科学院有大量相关文献发表，远高于其他前10位机构，从而奠定了中国科学院发文总量第一的地位。

图4 光刻技术领域相关研究发文量排名前10位的机构发文数量年度趋势

中国在SCIE科研产出上位列全球三甲，这主要得益于近十几年来的大量论文产出。中国在光刻领域的论文发表起步较晚，年度发文量分别于2011年和2017年超越了日本与美国并持续领先；2019年之后，年度发文趋势也开始向S曲线模型的衰退期逼近。从总体的科研积累来看，中国与美国的差距还是非常大，论文总量相差2倍多；中国科学院位列全球机构第一，然而美日韩等国占据了前10位机构的7席，中国仅中国科学院1家上榜。

3.3 机构合作态势

科研主体的分立或集聚反映了相关技术发展时的合作态势：合作疏散，对于“卡脖子”技术而言，可能意味着新的增长点；合作紧密，可能意味着打入科研集聚体的困难程度较大，故而需要内部动力来谋求发展。因此，机构的合作态势将给“卡脖子”问题以启示。

为了解芯片光刻领域主要机构的合作情况，将样本文献数据导入 VOSviewer软件，选择共同作者（co-authorship）分析选项和机构（organization）分析单元，选用适当阈值以使研究对象为发文量前100位的机构，得到了光刻领域发文量排名前100位机构共现知识图谱（见图5）。其中，连线的存在代表相连的机构共同发表过文献；节点与字体的大小取决于该节点的权重。本研究选用引用权重（citation weights），即节点大小与引用次数成正比，以此来反映机构发文的总体影响力。中国科学院发文量（1 453篇）排名第一，但根据图5中的节点大小判断，其论文的引用权重却不及麻省理工学院（829篇）、加州大学伯克利分校（705篇）和西北大学（400篇）等。原因可能有两方面：一是美国机构的相关研究起步较早，在影响力相同的情况下，越早发表的文献引用次数积累越多；二是美国机构的文献影响力较大。

如图5所示，VOSviewer软件通过其算法将前100位机构分为了6个聚类，将每个聚类标记上编号，并用虚线方框进行框定。其中：

图5 1961—2020年芯片光刻领域发文量排名前100位机构共现知识图谱

（1）聚类1#包括了32个节点，全部为美国科研主体。该聚类是以麻省理工学院、西北大学、加州大学伯克利分校、IBM公司等为主的美国“校+企”合作集团，是规模最大、影响力也最大的合作集团。

（2）聚类2#包括了25个节点，包含22家欧洲科研机构以及新加坡国立大学、南洋理工大学以及印度国立理工学院。该聚类是以法国国家科学研究中心、英国剑桥大学、荷兰特文特大学等为主的“校+所”合作集团，新加坡等亚洲国家的机构与欧洲机构合作较为紧密。欧亚合作集团的规模和影响力仅次于美国集团。

（3）聚类3#包括了14个节点，全部为日本科研主体。该聚类是以大阪大学、东京大学和日本产业技术综合研究所等为主的日本“校+所”合作集团。

（4）聚类4#包括了12个节点，全部为中国科研主体。该聚类是以中国科学院、南京大学、中国科学院大学、中国科技大学、吉林大学、华中科技大学、复旦大学和北京大学等为主的中国“校+所”合作集团，中科院一枝独秀，而其“盟友”的论文影响力相对较弱。中国集团不似美国集团的众强纷列态势。

（5）聚类5#包括了11个节点，全部为韩国科研主体，注意到韩国科学技术院是高校性质。该聚类是以韩国科学技术院、首尔大学和延世大学等为主的韩国高校合作集团。

（6）聚类6#包括了5个节点，全部为中国台湾科研主体。该聚类是以台湾大学、台湾交通大学等为主的中国台湾高校合作集团。

值得注意的是，6个聚类所包含的节点中，除了聚类2#覆盖了欧洲和亚洲国家的机构，其余5个聚类均只包含某单一国家或单一地区内的机构。综合来看，各国（区域）内部抱团现象严重，从而形成了国家内（区域内）的聚类机构群体，除欧洲国家与新加坡、印度开展了较频密的洲际合作以外，其他科研主体均倾向于国内合作。因此可以认为，芯片光刻领域的国家（区域）存在较明显的国家间（区域间）技术壁垒。而在我国，祖国大陆的主要机构和台湾机构没有一篇合作发表文献，从一个侧面表明海峡两岸具备较大的合作空间和潜力，只是在机制与体制上需要探索一个恰当的合作模式，促进两地芯片光刻领域发展共赢。

3.4 领域技术特征

关键词是论文研究内容的高度提炼，通过对论文的关键词词频进行统计和共现分析，能有效得出当前该领域的研究热点［14］。利用关键词分析可以较准确掌握研究内容的核心与重点，从而描绘领域技术特征，并进一步从技术分支、技术融合、技术未来趋势等角度给予“卡脖子”问题以启示。

将样本文献数据再次导入 VOSviewer软件，选择关键词分析选项中的共现分析选项，为呈现更具可观性的图谱，仅选择共现频次达100 次及以上的关键词节点（以下简称“高频关键词”），符合条件的关键词共410个。将单复数的关键词进行合并，如“thin film”与“thin films”合并等，将表达同一意思的单词或词组合并，如“Si”与“Silicon”、“nanoimprint”与“nanoimprint lithography”等，之后进行数据清理，得到高频关键词267个（见表3），高频关键词共现聚类和关键词密度分别如图6、图7所示。

通过表3看到，“光刻（lithography）”出现了9 605次，“制造（fabrication）”出现了6 794次，均远高于其他关键词，从一个侧面可以反映出芯片光刻领域是以“光刻制造”作为主线来展开研究的。

表3 1961—2020年芯片光刻领域文献高频关键词

表3 （续）

从图6看到，VOSviewer 把高频关键词聚类后形成 6 类：

图6 1961—2020年芯片光刻领域高频关键词共现知识图谱

（1）聚类1#包括了93个节点，以光刻胶薄膜研究领域为主，又与纳米光刻、表面聚合物、光刻阵列、自组装领域少量交叉。突出的关键词包括“薄膜”“膜””“生长、沉积等。该领域类别界限较模糊。

（2）聚类2#包括了55个节点，以纳米光刻研究领域为主，又与光刻胶薄膜领域少量交叉。突出的关键词包括“纳米光刻”“纳米粒子”“纳米球”“金”等。该领域类别界限较清晰。

（3）聚类3#包括了48个节点，以表面聚合物研究领域为主，又与光刻胶薄膜、电子束光刻、光刻阵列、自组装少量交叉。突出的关键词包括“表面”“制造”“聚合物”等。该领域类别界限较模糊。

（4）聚类4#包括了46个节点，以电子束光刻研究领域为主，又与表面聚合物领域少量交叉。突出的关键词包括“光刻”“电子束光刻”等。该领域类别界限较清晰。

（5）聚类5#包括了14个节点，以光刻阵列、自组装研究领域为主，又与光刻胶薄膜、表面聚合物、原子力显微镜少量交叉。突出的关键词包括“阵列”“纳米结构”“自组装”等。该领域类别界限较模糊。

（6）聚类6#包括了11个节点，以原子力显微镜在光刻方向的应用研究领域为主，又与光刻阵列、自组装少量交叉。突出的关键词包括“原子力显微镜”“纳米制造”等。该领域类别界限较模糊。

通过高频关键词出现频次、聚类并结合其密度（见图7）分析，可以发现芯片光刻领域研究热点集中于辐照（irradiation）、光刻胶薄膜（thin films）、硅（Si）、阵列（array）、纳米（nanostructure，nanolithography，nanoparticles）、自组装（selfassembly）、光刻聚合物（polymer）等方面，“光刻制造”这一主题主导着整个领域的发展方向；各聚类重叠明显，体现出分支领域交叉重叠广泛，光刻技术领域呈现多头并进、融合发展的态势。

图7 1961—2020年芯片光刻领域文献高频关键词密度

4 结论与展望

本研究通过情报学分析方法进行科研产出数据挖掘，建立文献特征与“卡脖子”领域发展特征之间的映射，以芯片光刻领域为例，获得了光刻领域总体发展方向、未来趋势走向、竞争合作倾向和技术布局导向的启示如下：

（1）总体发展方向与未来趋势走向。光刻领域发文量趋势线与Foster［12］定义的技术发展S曲线基本吻合，在经历了1961—1990年的萌芽期、1991—2001年的成长期、2002—2011年的成熟期后，2012年进入衰退期。光刻技术发展六十余年，通过不断创新，引领芯片行业进步，使得摩尔定律得以保持。然而任何技术都有其发展极限，光刻也不例外，光刻领域的科研产出目前处在了衰退阶段，新兴的芯片制造技术或将喷薄涌现，这意味着我国的芯片事业将遭逢一次“弯道超车”的良机。在传统光刻技术一时无法突破西方封锁的情势下，我国应因时而动，敏锐发现芯片制造的新兴颠覆性技术，曲线式实现“卡脖子”问题的解锁。

（2）竞争合作倾向。从国家（地区）发文量来看，美国排名第一，占论文总量的26.13%，处于绝对优势地位；日本、中国分列二、三。虽然近年来中国的论文产出已陆续超越日、美，但与美国等西方国家的知识技术积累仍不可同日而语。从机构发文量来看，中国科学院虽排名全球第一，但其论文影响力却不及麻省理工学院等美国机构；且美、欧、日集团总体影响力高于中国集团，排名前10位的机构中，美、日、韩、欧占据绝大多数席位。在大国竞争激烈的芯片光刻领域，我国近年科研产出的赶超并未完全改变科技研发的劣势地位。

同时，聚类分析显示西方各个合作集团均具有国内（区域内）抱团倾向，国际合作远少于国内共同研究，技术壁垒依国界而划分，由此可见，国内合作与机构自身科研厚度的提升才是关键制胜之道。宏观方面，我国应制定出台促进科研机构合作的政策，激发创新体系活力与提供助力；中观方面，我国几大光刻科研产出机构应以中国科学院为龙头，加强南京大学、吉林大学等核心机构紧密联动，同时联合更多企业和科研院所长期开展产学研合作，做强国内集团；微观方面，各相关机构需加大光刻领域人才引进力度，并给予人才以最优待遇，为领域发展奠定人才基础。另外，我国应学习和借鉴美国在光刻领域中的研究方法和科研成果，并充分了解日本、德国、韩国等国的研究经验。此外，我国的台湾省以一省之力位居全球第六，中国台湾的科研机构合作集团是全球第六大集团，如果在海峡两岸合作的机制体制上下足功夫，形成合力，我国的芯片光刻领域发展将大大获益。

（3）技术布局导向。光刻研究体系庞大，分支领域纷繁复杂，这需要我国在多个基础与应用学科领域着力投入，方能在高端光刻技术上有所突破。从光刻领域关键词分析不难看出，光刻研究热点包括辐照、光刻胶薄膜、硅、阵列、纳米、自组装以及光刻聚合物等方面，分支领域较多，且彼此之间界限大多较为模糊。与大多数“卡脖子”领域类似，光刻领域也是技术分支丛生并大面积重叠，技术发展仰赖于诸如数学、物理、化学等基础学科，又依靠光源制备、光刻胶合成、光学透镜制造等众多应用技术。今天，我们很多所谓的‘卡脖子’技术其实也是‘卡脑子’，根子是基础理论研究跟不上，源头和底层的东西没有搞清楚；我国基础研究虽然取得显著进步，但同国际先进水平的差距还是明显的，对解决关键核心技术问题的支撑力度还存在不足［15］。针对芯片光刻领域的分支特点，我国应避免“短视”和“冒进”，在应用技术攻坚的同时，大力夯实基础研究，解开“卡脑子”，才能解锁“卡脖子”。

综上所述，本研究从芯片光刻领域的情报学分析中获得了我国芯片光刻事业发展的一些启示：第一，重视科学的底层问题，基础研究与应用开发两手抓；第二，宏观、中观、微观结合，在国内形成政产学研合力。我国传统光刻技术发展，依赖上述两条将得以进一步提升水平。同时，我国也要瞄准技术转型机遇期，在革新到来前侦测技术迭代的可能性，提前占领高地，建设成为芯片研究与制造的强国。

本研究以芯片光刻领域作为案例，探索了情报学研究模式在“卡脖子”领域的应用，通过领域特征挖掘获得相关领域发展启示，为我国解决“卡脖子”难题开辟新的路径提供参考。由于是首次探索，研究模式尚存在不少改良补充的空间，未来或可将引文分析、内容分析等更多情报学方法纳入研究模式，并针对更广泛的情报学研究对象，例如专利文献等，开展分析工作，随着情报学研究方法的发展来进行模式的更新迭代，准确贴合学科领域实际，实现模式的完整动态进化。