基于专利共类的关键核心技术识别模型构建及应用*——以光刻技术为例

毛荐其 杜艳婷 苗成林 郝存浩

(山东工商学院工商管理学院 烟台 264005)

随着中国经济由高速增长转变为高质量发展，大力发展高新技术产业已是大势所趋。中国高技术产业虽已取得了长足的进步，但在高端芯片、操作系统、光刻技术等领域仍然存在许多问题，如自主创新能力缺失、关键技术和核心产品严重依赖进口等。近年来，以美国为首的西方国家针对中国实施了一系列的技术封锁、打压，尤其是在中美贸易摩擦背景下发生的“中兴事件”“华为事件”直击中国核心技术“软肋”，引发了国人的讨论和反思。这些事件也暴露了中国由于关键核心技术短板而受制于人的实际现状和潜在风险，也提醒我们掌握关键核心技术对经济发展和国家安全至关重要。

为了准确识别关键核心技术，厘清关键核心技术的概念是首要任务。现有研究多混淆关键核心技术、核心技术、关键技术等概念，但事实上关键核心技术不等同于核心技术，前者属于后者的充分不必要条件，关键核心技术是核心技术中处于关键地位的技术[1]。基于此，本文将核心技术定义为“在某一领域中居于重要地位，蕴含经济价值并推动其它技术发展的技术”[2]，将关键技术定义为“占据关键位置的技术”[3]，将关键核心技术定义为“核心技术和关键技术的交集”。

核心技术的识别主要依据同族专利数[4]、专利权利要求数[5]、专利引证分析[6]、专利共类[7, 8]等；关键技术识别手段主要有层次聚类分析[9, 10]、模糊层次分析[11]、专利共类[12]、引用关系分析[13]等。这些方法可分为三类，第一类是专家评价法，包括层次聚类分析、模糊层次分析等，这类方法虽然操作灵活、针对性强，但大量的技术难以快速识别，且对专家有较强的依赖性，难以保证其准确性和客观性。第二类是利用专利数量和专利间的引用关系识别关键核心技术，这类方法可以挖掘出专利间的关系，但是存在专利引用时间滞后的问题[14]，且难以分析技术间的相关性和技术特征。第三类是依据专利共类识别关键核心技术，这类方法一般以专利分类号或德温特分类代码为识别依据，具有客观、时效性强等优点[15]。但现有专利共类方法大多把识别出的热点技术领域笼统地看作核心技术，未进一步区分，如杨仲基等(2017)[16]、侯未等(2016)[17]依据共现频次来筛选核心技术。本文将在专利共类的方法上，依据相似度和影响力指标对识别出的热点技术进行筛选分类，使技术识别结果更加合理。

目前关于关键核心技术的识别方法主要依据已有经验及专家判断，例如张治河等(2020)[18]结合技术预见与技术趋势研判等经验提出了关键核心技术甄选机制体系；郑思佳等(2021)[19]从专利技术性、专利经济性和专利法律性三个维度选取指标识别关键核心技术专利等；汤志伟等(2021)[20]向专家学者发放问卷识别关键核心技术。但调查问卷主观性较强、难以重复进行，因此本文提出了利用专利数据操作简便、准确性较高的关键核心技术识别模型。

本文在界定关键核心技术概念的基础上，以专利共类为基础识别关键核心技术。利用技术共现度筛选出热点技术；依据核心技术在领域中的重要地位且对其它技术有重大影响的定义，以技术关联度和技术交叉影响指数构建矩阵，计算技术相似度、技术影响力并结合技术增长潜力率从热点技术中识别核心技术和潜力技术；关键技术是在技术领域中占据关键位置的技术，且关键核心技术是核心技术和关键技术的交集，本文借助社会网络分析法，计算其结构洞并排序，筛选关键节点，从核心技术和潜力技术中遴选关键核心技术。该方法利用专利客观数据，避免在识别关键核心技术中对专家意见的依赖，同时采用专利分类号分析，也避免了专利引用网络的时滞等问题。

1 关键核心技术识别模型构建

随着专利技术日益增多，专利技术间关系日益复杂。一种技术的变化会影响其它相关联技术，从而影响整个技术领域的发展、演进和更新[21]。关键核心技术在技术中扮演着重要角色，准确识别关键核心技术是推动关键核心技术发展的前提。

识别的基本思路是先识别出光刻技术领域热点技术，再利用技术关联度和交叉影响指标从热点技术中筛选出核心技术和潜力技术，计算结构洞大小，从核心技术和潜力技术中筛选出TOP20作为关键核心技术。

1.1 热点技术识别

热点技术是在某些领域内，受科研人员广泛关注并已产生相应成果的技术，反映了领域内的研究现状和技术结构[22]。技术共现能反映技术同时出现的次数[23]，技术共现强度越大，与其它技术间的关系越紧密，即为该领域内的热点技术。技术共现度[24]计算公式如下：

(1)

其中N代表总专利量，N(i∩j)指同时包含技术i和技术j的专利数量。为探索技术焦点，可以通过构建热点技术图谱清晰直观地展现[25]。

1.2 核心技术识别

核心技术是在技术领域中起到重要作用并对其它技术有重大影响的技术。通过共现分析，可以看出单个技术的重要程度，但无法揭示不同技术间的关系，因此本文基于专利共类，在综合考虑技术间整体相互关系的基础上，提出从技术间的相关性[26]和影响力[27]角度识别核心技术的方法。首先，利用关联规则分析法，提出使用技术关联度[28]和技术交叉影响力[29]指标：

(2)

技术关联度I2表示技术i与技术j的相似度，其中i和j为两个不同技术所对应的向量，两个向量的余弦值越接近于1，其相似度就越高，本文运用这一原理衡量不同IPC间的关联度。

(3)

其中，N(i∩j)指同时包含技术i和技术j的专利量，N(i)和N(j)分别表示只包含技术i和技术j的专利量。技术交叉影响力I3=P(i|j)∈[0,1]，其值越大，技术j对技术i的影响就越大。

依据公式(2)、(3)构造技术相似矩阵和技术交叉影响矩阵。技术交叉影响矩阵每列之和代表该技术对其他技术的影响力之和，值越大说明该技术在这一领域对其它技术的影响程度越大，具有较强的主导性。技术相似矩阵每列之和是该技术对其它技术的相似度之和，其值越高越能反映该技术在某一领域的重要性。

组合分析法早期是利用专利对技术投资分析[30]。本文参考此方法，利用技术影响力和技术相似度对热点技术分析。其中，横轴代表技术相似度，纵轴代表技术影响力，以平均值作为行列划分依据[31]。其中第一象限的技术特点为高技术相似度和高技术影响力，是当前的研究重点和核心技术。第二象限的技术影响力较高但与其它技术的相似度较低，表明该区域的技术是在某一领域内重要程度较低但具有较强的主导性，影响着某一技术领域的发展方向，可能是需要关注的潜力技术。第三象限是具有低技术相似度和低技术影响力的技术，有可能是可以忽略的非核心技术，也有可能是刚刚出现，未来会发展成核心技术的潜力技术，这一区域的技术需要结合技术增长潜力率研究；第四象限是高技术相似度和低技术影响力，表明这些技术在技术领域中重要程度较高，但并非是主导性技术，未来可能会发展为核心技术的潜力技术，因此需要结合技术增长潜力率甄别。

技术增长潜力率很大程度决定技术的未来发展。本文对光刻技术的未来发展潜力进行探究，通过测算某一特定技术的增长潜力率推算该技术未来的发展潜力。技术增长潜力率为在某领域内某一技术前后两个阶段专利申请平均增长率的比值，表明技术发展两个时间范围内技术增长变化强度比值[32]。若增长潜力率大于1则为潜力技术。为了保证计算结果的准确性，在计算技术增长潜力率时选取2011—2020年这十年间的专利数据，每5年划分一个时间窗，即分为2011—2015、2016—2020两阶段。

1.3 关键技术识别

关键技术是在一个技术领域中处于重要位置且不可或缺的技术。结构洞理论认为在网络中的两方不存在直接关系，而通过第三方来联系，第三方即处于结构洞位置[33]。技术网络中有很多结构洞，结构洞数量的增加使结构洞占据者能够联系的各方资源增加，可以获取更快、更新的知识和信息，具有更强的竞争力和技术优势，即为领域中的关键技术[34]，对其它技术产生广泛影响。基于此，本文选取结构洞作为识别关键技术的方法，以核心技术和潜力技术为节点，节点间的共现强度为连边依据，构建网络并计算。

焦点技术i的结构洞可以通过以下公式计算得到：

(4)

式中，Ci是节点i的约束值，Pij是技术i与技术j共现的频次占技术i与其他技术领域总共现频次的比率，Piq和Pqj具有类似定义。

2 光刻技术领域关键核心技术识别与分析

2.1 数据来源

光刻技术是芯片制造的核心，是集成电路中的关键工艺，分析光刻技术领域的关键核心技术十分有必要。光刻专利数据来源于德温特(DII)专利数据库。本文采用杨武等(2021)[35]构建的光刻技术检索式，并对其完善，得到光刻技术检索式为TS=(((“lithograph*” OR “microlithograph* OR “photolithograph*” OR stepper OR scanner OR step-and-repeat OR step-and-scan) AND (mask OR photomask OR lens OR resist OR photoresist OR duv OR euv)) OR (“Immersion lithograph*” OR "X-ray lithograph*” OR “Electron beam Lithograph*” OR “Extreme Ultraviolet Lithograph*” OR “Nanoimprint Lithograph*” OR "Surface plasma Lithograph*” OR “Laser holographic lithograph*”))，在德温特数据库检索，检索年限不限，检索时间为2021年7月27日，共检索到61 664条光刻技术专利数据。

2.2 研究结果

自1947年贝尔实验室发明第一只点接触晶体管，当时人们大量使用计算机，芯片需求量大增，于是光刻技术迅速被重视并发展。1959年制造出世界上第一架晶体计算机，提出了光刻工艺。此后几十年间，光刻技术也已基本成熟，到80年代正式进入光刻技术的快速发展阶段，专利申请也迎来了快速增长期。到2004年，由于光刻技术的研发遇到瓶颈，专利申请量开始逐年下降，之后虽有小幅度上升，但整体是呈下降趋势的。由于1981年之前专利申请量较少，本文研究选取1981—2020年40年间的专利分析(见图1)。

图1 全球光刻技术专利产出趋势

组织机构是研发人员开展光刻技术研究的重要依托，组织机构的知识需求促使机构间进行合作[36]，为了解光刻技术领域的核心机构及机构间的合作关系，本文利用Sci2Tool和VOSviewer软件对光刻技术领域的相关机构分析。由于同一组织机构可能存在不同的组织名称，为了数据的精确性，首先利用Sci2Tool软件检测出相似节点，之后对原始数据进行手动去重。依据去重后的结果，选取专利产出TOP100的高产机构，其中前100个高产机构的专利申请量占据总专利申请量的43.5%，利用VOSviewer构建光刻技术领域机构合作网络图，如图2所示。

图2 光刻技术领域机构合作网络

图2节点代表组织机构，节点越大说明该机构的合作者数量越多。节点间的连线代表组织机构间的合作，连线越粗代表机构间的合作强度越大。通过计算可得出机构合作网络结构指标，网络密度为0.047，密度较小，机构间合作较为松散，平均度为3.86，机构间平均合作次数不多。由图3可以明显看出，在光刻技术领域比较突出的机构有美国IBM、韩国Samsung、德国Infineion等，这些机构与其它机构合作较多，其它机构间联系较为不足，值得注意的是中国台湾积体电路制造股份有限公司也在前列。专利产出前100组织机构中大多为企业，只有少数高校参与其中，表示目前在光刻技术领域是以企业导向的创新模式为主。

2.2.1光刻技术领域热点技术分析

国际专利分类号是目前较为完备的专利技术分类体系。为了获得光刻技术领域的核心技术，本文提取专利IPC号的前四位，并进行去重处理，光刻技术共涉及不同类别的IPC号共541个。依据公式(1)构建共现矩阵，设置最小共现度为0.01的标准进行筛选[24]，筛选出69项技术，将其共现矩阵导入VOSviewer，分布如图3所示。光刻技术热点技术可分为5类。首先是光刻材料类，如C08F(光刻胶)、C09D(涂料组合物)等，光刻技术是精度较高的加工技术，技术的每次更新都需要有配套的光刻材料作为支撑条件，光刻材料也易制约光刻技术的进步。其次是应用类，如H01L(半导体器件)、H05K(印刷电路)等，光刻技术最早应用于制造印刷电路板，后又被半导体行业采用制造集成电路。第三类是数字光处理类，如G02B(光学元件)、G06F(电数字数据处理)等，数字光处理技术以数字光投影的方式进行曝光，相比于其它技术，成型速度更快、精度更高。第四类是曝光光源类，如G21K(γ射线)、H05H(等离子体技术)等，曝光光源波长的降低是促进光刻技术发展的重要手段。最后一类是照明装置，如F21V(照明装置)、G02F(用于控制光的器件或装置)等，照明装置的优化可以获得更好的光刻工艺和更低的掩膜误差增强因子。

图3 光刻技术热点技术分布

2.2.2光刻技术领域核心技术识别

以光刻技术领域69项热点技术为研究对象，依据技术相似矩阵和技术交叉影响矩阵计算各技术的技术相似度和技术影响力。本文以技术相似度和技术影响力的均值为标准对光刻专利技术进行组合分析，初步识别出核心技术和潜力技术。结果如图4所示，其中位于第一象限的包括C08F(高分子化合物)、G21K(照射装置)、C09D(涂料组合物)等，这些技术具有高技术相似度和高技术影响力，在光刻技术中处于核心地位。第二象限和第四象限中C12M(酶学或微生物学装置)、H05H(等离子体技术)、C06F(电数字数据处理)等，此区域技术具有高技术影响力或高技术相似度，有可能成为光刻技术的核心技术，需要结合技术增长潜力率识别。位于第三象限中的HO1L(半导体器件)、H04N(图像通信)，既无高技术相似度又无高技术影响力，结合技术增长潜力值判断是否为潜力技术。

图4 技术相似度与技术影响力组合指标分析

为了更加准确地识别光刻技术中的核心技术，本文在技术相似度和技术影响力的基础上增加了技术增长潜力率，依据技术增长潜力率大小最终识别光刻技术领域的核心技术和潜力技术。光刻技术领域核心技术识别结果如表1所示，可以发现核心技术主要包括C08F、G21K、B32B和C23F等，这些技术与其他技术相似度较高，影响力较大，既是光刻技术领域的重要技术又影响着其他技术发展方向。其中CO8F增长潜力率最高，表明近几年光刻胶研究相较于其它研究发展更为迅速，是最近研究的热点。

表1下半部分是具有发展潜力的技术，来自于第二、四象限。第二象限包括B81B、C12Q、C12M等，这类技术有着较高的影响力但其技术相似度较低，在一定程度上带动了其它技术的发展。第四象限的技术包括G03B、G06F、G11B等，这些技术相似度较高，但对其他技术的影响力不够。值得注意的是，相较于核心技术，潜力技术多了包含酶、核酸或微生物的测定技术、电数字数据处理技术等，说明光刻技术突破的实现，不仅依靠领域内技术的整合，还要结合其它领域的技术，例如与生物医药领域的技术有机结合形成基因芯片；与电数字数据处理技术重组形成数字光刻技术，与传统光刻技术相比，数字光刻技术成本更低、更具灵活性，因此要把握在技术融合基础上涌现的科技突破机会。潜力技术是光刻技术领域的非核心技术，但这些技术的技术增长潜力率高于1，说明近几年快速发展，未来很有可能成为核心技术。

表1 核心技术和潜力技术识别

为了对光刻技术有全面了解，除了对一、二、四象限的技术研究，本文还筛选出第三象限中技术增长潜力率高于1的技术，通过表2可以看出，第三象限中具有高增长潜力率的技术有3个，分别是H01L(半导体器件)、G02B(光学元件)和H04N(图像通信)，这些技术也有可能在未来成为核心技术。

表2 第三象限高增长潜力率技术

2.2.3 光刻技术领域关键核心技术识别

为了识别光刻技术领域的关键技术，本文依据公式(4)，采用PAJEK计算结构洞。依据结构洞的大小排序，识别出核心技术和潜力技术中的关键技术，结合实际情况选取TOP20作为关键核心技术。关键核心技术与技术主题如表3所示。

表3 TOP20光刻技术领域的关键核心技术

由表3可知，微生物或酶、光学元件、对表面涂布流体的一般工艺等技术为光刻技术领域的关键核心技术，对其它技术起到引领性作用。究其原因，可以从三方面解释，首先是材料，如层状产品、微生物或酶等材料，材料的完备是完成光刻技术的前提，也是光刻技术突破的重要条件。其次是装置，光学元件、微观结构的装置、酶学或微生物学装置，这类装置支撑光刻技术的完成。最后一类是工艺，包括对表面涂布流体的一般工艺、包含酶、核酸或微生物的测定或检验方法等技术，光刻的工艺流程包括：底膜的形成、涂胶、软烘、曝光、显影、坚模、检测、刻蚀和去胶，光刻工艺是半导体制造中至关重要的工艺步骤，而工艺步骤成功的前提是具有高分辨率的光刻工具和高质量的材料。现有研究进展也表明，光刻技术领域中材料、装置和工艺都有着至关重要的作用，每一项技术的突破都能影响其它技术的发展方向。

3 结 论

本文提出了一种识别关键核心技术的方法，运用关联规则挖掘光刻技术中的热点技术，从专利技术的技术相似度、技术影响力和技术增长潜力率三方面对光刻技术的核心技术和潜力技术识别和分析，通过结构洞理论从光刻技术的核心技术及潜力技术中识别关键核心技术，选取前20项技术作为关键核心技术。最终得出以下结论：a.光刻技术领域TOP100的组织机构中，韩国、日本、美国等占据主要位置，而中国在光刻技术领域的创新有待进一步提升。除此之外，从组织机构的类型来看，TOP100的机构只有加利福尼亚大学、中国科学院和麻省理工学院三所高校，且较为靠后，表明光刻技术领域呈现企业主导的创新模式。b.本文运用技术增长潜力率识别热点技术中的潜力技术。结果发现，与核心技术相比，潜力技术主要集中在与其它领域技术相结合的新兴技术，这些技术也是未来的重点研究方向。c.从识别出的关键核心技术可以发现，光刻技术领域的关键核心技术主要分布在微生物或酶、光学元件、对表面涂布流体的一般工艺等技术，光刻技术不是一种技术，而是包含光刻材料、装置、工艺等的一系列技术，光刻技术的发展需要这些技术的共同进步。

本文的主要贡献是：依据关键核心技术的定义，将关键核心技术分解为核心技术和关键技术，进而逐步识别出关键核心技术，能够更准确识别技术领域内的关键核心技术，丰富了关键核心技术的识别方法；用技术相似度、技术影响力和技术增长潜力率识别核心技术和潜力技术，能够更加清晰的认识和把握技术发展趋势，帮助中国更加科学的实施战略布局，推动光刻技术的高质量发展；将模型应用于光刻技术领域，验证了关键核心技术识别模型的有效性，对其他领域的关键核心技术识别有借鉴意义。

本文为关键核心技术的识别奠定了一定的基础，但同样存在不足。本文选取IPC号前四位作为识别依据，分类精度受限，若要进行深入研究，IPC分类号细分程度不足以支撑关键核心技术的识别。另外，本文未考虑时间维度的IPC共现网络演化轨迹来展示技术的发展历程，可以进一步的深入研究，为技术预测提供帮助。