基于表示學習的引證網絡關鍵路徑識別研究

孫曉玲，楊頌頌

（大連理工大學 科學學與科技管理研究所，遼寧 大連 116024）

0 引言

2020年，國務院印發《新時期促進集成電路產業和軟件產業高質量發展的若干政策》（以下簡稱《若干政策》），強調集成電路產業和軟件產業是引領新一輪科技革命和產業變革的關鍵力量。一系列促進集成電路產業和軟件產業高質量發展的相關政策以及全面優化完善高質量發展芯片和集成電路產業的有關環境政策的發布，表明了我國政府高度重視芯片產業、集成電路產業的高質量發展，并在各行各業對該領域發展進行大力扶持。2016年由國際知名專利檢索公司QUESTEL發布的《芯片行業專利分析及專利組合質量評估》中指出，在數量上中國已經成為目前世界上芯片專利申請的第一大國。雖然我國芯片專利申請數量排名連年居高，但《若干政策》中指出，我國目前的芯片產量仍未有效滿足各行各業對芯片的需求，在高端芯片方面嚴重依賴于進口。姜迪等指出中國芯片制造工藝水平低下是芯片產業鏈中最為薄弱的環節，芯片自給率低，芯片制造設備嚴重依賴進口。高端芯片制造的核心設備是極紫外（Extreme Ultraviolet，簡稱為EUV）光刻機，全球能夠生產EUV光刻機的只有荷蘭的阿斯麥以及日本的尼康、佳能。現階段我國只能生產中低端光刻機，難以滿足高端芯片制造的需求。光刻機（也稱光刻系統）是光刻技術的關鍵裝備，光刻技術的發展大大提高了芯片的計算速度及存儲量，可以說光刻技術是促進芯片產業和集成電路及相關產業發展的關鍵核心技術。

技術和知識資產優勢在發達國家與發展中國家博弈中占有壓倒一切的核心地位與關鍵作用。為了維持與發展中國家的技術差距，發達國家將以前的“技術封鎖”戰略轉變為“技術鎖定”戰略，使發展中國家形成了長期的技術依賴。隨著中美貿易摩擦的加劇，美國進一步對我國關鍵產業核心技術進行全方位封鎖，因此，尋求產業核心技術的破解已經成為我國各界亟待解決的戰略性課題。要想破解我國光刻產業技術鎖定難題，應當從光刻技術領域知識發展脈絡入手，研究光刻技術領域發展歷程。隨著科學技術的迅猛發展和經濟社會的持續進步，科技文獻信息正以驚人的速度不斷增長。由于科學技術的更新換代和知識的新陳代謝，大量現有科技文獻信息的利用價值也正以不同的速度逐步減少。如何快速準確地發現領域內具有重要影響的知識演化脈絡，以支撐未來的科技創新與科技決策，成為目前研究者關注的焦點。

我國光刻技術領域正處于被技術封鎖的困局中，識別知識流動脈絡以及探索光刻產業核心技術發展規律是值得深入研究的方向。在識別知識流動脈絡的過程中不僅可以建立起整個領域的發展骨架，觀察到整個領域的發展全貌，而且可以幫助研究者識別出該領域的重要根源文獻，并且得到重要根源文獻在時序上的知識流動關系。本文應用社會網絡分析方法建立起技術引證網絡，在此基礎上，將主路徑方法以及文本挖掘方法應用于關鍵主路徑方法中，通過對核心文獻和非核心文獻相似度的大小歸類文獻，不僅可以避免丟失非核心文獻的知識演化過程，而且可以提高整個引證網絡的鏈接強度，得到更為聚集的文獻群落。在此引證網絡的基礎上可以快速得到各自方向的關鍵主路徑，進而得到每一條知識流動路徑。探索光刻產業核心技術發展規律可以幫助研究者快速掌握光刻產業領域技術演化軌跡，為更早發現創新型技術方向提供可能，為我國實現技術突破提供方法參考。

1 相關研究

最早提出引文網絡主路徑方法的是Hummon和Doreian，他們從引文的關系出發而非節點之間的相似性來挖掘主要事件、主要理論和主要任務，提出了NPPC、SPLC和SPNP三種遍歷算法以生成主路徑。

1.1 基于遍歷權重算法的主路徑分析

在NPPC、SPLC和SPNP算法以及社會網絡分析理論基礎上，V.Batagelj進一步深化了主路徑分析方法，并提出了此后在多數領域應用中最為主流且與NPPC、SPLC和SPNP等價的SPC算法。SPC算法通過遍歷某條邊所有從源節點到尾結點的次數計算出這條邊的權重值。相比于NPPC、SPLC和SPNP，SPC可以更快地計算出每條邊的權重，提高了運算效率。Wang等使用SPC算法從知識來源多樣性和技術領域多樣性角度出發進一步研究了知識演變，取得了很好的效果。

除了早期的NPPC、SPLC和SPNP算法外，后續出現了基于SPNP和SPLC的最優主路徑演化網絡的NETP算法，該算法是一種局部最優主路徑算法，局部最優有可能出現遺漏掉全局最優解的情況。在最新的研究中，王婷等將社區發現算法與SPNP算法結合起來，對中藥產業領域進行衍生路徑識別。Li等則在引文網絡的基礎上結合引文分析與文本挖掘方法來監控納米發電機技術領域的發展路徑并預測其發展趨勢。馬瑞敏等從有機電激光顯示技術入手證實了從節點重要性出發來探索一個領域的主路徑是很有必要且可行的。這些方法被學者們陸續應用到概念系譜、學科劃分等研究領域以及燃料電池、電線交換等技術領域。

總體來說，已有研究都只是基于引證網絡做出網絡中路徑的相關搜索算法，需要在后續的研究中對算法進行優化。早期文獻計量學工作者大多基于學術文獻間的相似性聚類結果探究引文網絡中的知識演化結構，從而缺少了從引文內容角度探究知識的生產、傳播、吸收和創新等方面的相關研究。而以主路徑分析為基礎的引文網絡知識流動研究，恰好利用了引文網絡的拓撲結構、學術文獻間的應用關系、處于引文網絡核心地位且對知識流通具有樞紐作用的學術文獻，展現了引文網絡中的知識繼承與改寫關系。

1.2 基于引文內容權重的主路徑分析

在SPC算法的基礎上，隨著自然語言處理技術的發展，后續學者們陸續考慮科學文獻中的其它要素，主要是以引文內容為主。學者們嘗試著將自然語言處理技術用于這些文章內容中，試圖挖掘文本中潛在的語義信息聯系，計算出更為真實可靠的主路徑。學者們對于引文內容的研究關注于節點所包含的信息，主要使用方法包括主題模型、神經網絡語言模型等。

程潔瓊等受PageRank算法思想的啟發，在路徑搜索中，通過PageRank算法計算節點的影響力，之后基于邊鏈接影響力流進行主路徑的搜索，利用海水淡化領域內專利數據進行相關的實驗。Liu等提出了關鍵路徑搜索得到的主路徑既有全局最優主路徑還有局部最優主路徑。Liu等在后續的研究中利用網絡節點間的引證關系對原始的連邊遍歷數進行加權調節，然后根據加權后的連邊遍歷數來確定主路徑。

已有的主路徑分析算法利用路徑權重指標所得到的高權重路徑、局部最優主路徑等一方面可能因為路徑上節點數量較多以及局部最優所產生的累加效應導致該高權重路徑會遺漏掉全局最優主路徑，未能反映出路徑的重要性，另一方面現有的主路徑分析方法所得出的結論大多數將所有的引文關系一視同仁，但是在真實的引用關系中，僅有研究主題較為相似的引文對該關鍵路徑中的主題演化起到關鍵作用。因此本文在引文網絡中充分考慮了引文內容在整體引文網絡中所起的作用，本文將深度學習中的表示學習方法應用到主路徑分析方法中，挖掘網絡中的關鍵路徑。

2 研究方法

本文從科技文獻引證以及文本挖掘的角度研究知識流動與技術軌跡，從而破解我國光刻產業核心技術被發達國家鎖定的困局。首先闡述我國光刻產業核心技術被鎖定的現狀，其次從引文網絡以及引證網絡的角度出發，建立起光刻產業核心技術軌跡骨架，最后通過將機器學習方法中的Doc2Vec應用到該技術軌跡骨架中，進一步聚合文獻群落，對骨架中的知識流動進行分析，從而獲取其核心技術發展規律。運用實證分析，對我國光刻技術產業發展現狀與國際發展現狀進行研究。在此基礎上，從不同的角度對我國破解光刻產業技術鎖定困局提出科學的策略，為我國光刻技術產業蓬勃發展提供科學的理論依據。

本文具體的研究技術路線圖，如圖1所示：

圖1 技術路線

2.1 SPC引文分析方法

利用SPC方法在網絡中提取主路徑，網絡是指專利的引證關系網絡以及科技文獻的引文網絡，這里以科技文獻的引文網絡為例進行介紹。Batagelj提出的SPC算法中，通過遍歷得到整個網絡圖中從源點到匯點的所有路徑，所有路徑經過某條邊的計數次是該邊的權重值。

如圖2所示，該網絡一共有6條路徑，經過（A，B）的有3條，故（A，B）的權重值就是3，同理求出所有直接邊的權重值，進行累計求和，得出總值為12的路徑A→B→D→E→G、A→B→D→E→F、A→C→D→E→G、A→C→D→E→F是全局主路徑。

圖2 SPC遍歷算法

2.2 單路徑SPC權重值

根據Batagelj提出的SPC算法，路徑起點是網絡中的源點之一，路徑終點是網絡中的匯點之一。定義邊（A，B）為由節點A指向節點B的邊，也稱為單路徑。該單路徑的權重值SPC ：

其中，C（）為遍歷網絡中所有的全局路徑，其中對包含（，）邊的全局路徑進行計數，計數值為（，）的權重值。

對于SPC算法來講，某一條全局路徑的值計算如下：

其中這條全局路徑包含個節點，表示為（，，…，A ）。將每一個子路徑權重值累計求和即為該全局路徑SPC值。

2.3 單路徑SIM權重值

本研究所使用的文本向量模型為Gensim庫的Doc2Vec模型。本研究使用的是PV－DM實現方式。使用Doc2Vec模型訓練之后，就可以將每條專利數據表示成向量。使用文本相似度方法計算每篇專利之間的相似度以衡量每條引證關系的重要性。比較常用的向量相似度計算方法是余弦相似度。定義節點與節點之間的相似度S im ：

2.4 關鍵路徑權重值

對于某一條全局主路徑，這條路徑包含個節點，表示為（，，…，A）。傳統的SPC算法將所有的引證關系視為一致，未充分考慮引用的具體含義、研究主題是否相似等一致性問題，因此本研究從文本內容入手，充分考慮節點之間的主題與文本相似問題，對此算法提出改進。最終的路徑值為結合權重值和引文內容相似度權重值的乘積：

3 結果與分析

3.1 數據獲取與預處理

本文研究專利數據來自于Derwent Innovations Index。構建專利檢索式為：（（（（（（（（lithograph OR lithography）OR microlithography）OR photolithograph） OR photolithography） OR stepper） OR scanner）OR step－and－repeat）OR step－and－scan），選擇數據庫中的主題詞檢索方式，檢索日期均為2021年11月29日，檢索日期范圍不做限制，研究范圍為該數據庫的全部光刻產業專利數據。對獲取到的數據進行過濾清洗等操作之后，最終得到相關有效專利256 762條。

3.2 光刻產業專利演化脈絡研究

在引證網絡的基礎之上得到了五條專利關鍵路徑。根據各個專利的研究內容，將主路徑上的專利進行排序分組，這五條專利關鍵路徑研究主題分別為：光刻掩膜制備技術演化（PKP－a）、相移掩膜胚料研究演化（PKP－b）、光刻曝光方法研究演化（PKP－c）、光刻成像方法研究演化（PKP－d）、可編程光刻技術演化（PKP－e）。

3.2.1 光刻掩膜制備技術演化（PKP－a）

從專利研究內容角度出發，在專利關鍵路徑PKP－a中，光刻掩膜制備技術的起源節點專利主要是對掩膜技術的研究，在后續的發展中，從該專利研究內容中知識演化大致可以分為三個方向：光刻工藝防護膜（PKP－a1、PKP－a2、PKP－a3、PKPa4）、光刻系統元件制造（PKP－a5）、反射式光刻系統研究（PKP－a6）。如圖3所示：

圖3 專利關鍵路徑PKP－a

在光刻掩膜、半導體器件制造、集成電路制造演化分支中，核心專利均來自于美國、日本、韓國等，美日韓在一定程度上掌握著該行業核心技術，技術貢獻也較為突出。而我國在半導體行業突出的則是臺積電公司，其核心技術分布于芯片制造、半導體器件制造等行業。值得一提的是，自我國開始進入半導體行業起，日本尼康公司的芯片光刻機就開始走下坡路。目前半導體制造業龍頭因特爾、三星、臺積電等都是從荷蘭阿斯麥（ASML）公司進口光刻機，可見阿斯麥公司處于全球光刻機尤其是EUV光刻機的絕對霸主地位。而我國光刻產業的發展受限絕大多數原因是由于西方《瓦森納條約》中ASML的EUV和NX 1980D的對華禁售令，我國的芯片制造業目前仍未實現國產化，極大限制了半導體產業及高端裝備制造業的產業發展。

3.2.2 相移掩膜胚料研究演化（PKP－b）

從專利研究內容角度出發，在專利關鍵路徑PKP－b中，相移掩膜胚料研究的起源節點專利主要是對相移掩膜技術的研究，在該關鍵路徑的知識演化過程中，可以分為三個階段，如圖4所示。

在相移掩膜、掩膜胚料、極紫外光刻掩膜胚料分支下，核心專利均來自于日本、美國、歐洲。主要的企業為日本三菱集團的旭硝子公司與東芝公司、美國格羅方德半導體股份有限公司、德國蔡司公司等。公司主營業務涉及半導體制造技術、光學消費品、晶圓代工生產等領域，在這些技術領域中，僅有晶圓代工技術是我國臺灣的臺積電公司的主營業務，但在關鍵路徑中臺積電公司的專利權重也暫未體現在高權重路徑中，足以證明在相移掩膜、掩膜胚料及其制造方法與應用等技術領域一直被美日等發達國家壟斷鎖定。

圖4 專利關鍵路徑PKP－b

3.2.3 光刻曝光方法研究演化（PKP－c）

此關鍵路徑也包含著SPC算法的主路徑。從專利研究內容角度出發，在專利關鍵路徑PKP－c中，光刻曝光方法研究的起源節點專利主要是對半導體器件光刻曝光方法的研究。在后續的技術軌跡中知識演化主要分為兩個方面：光刻圖案方法研究（PKP－c1）、光刻圖案技術應用研究（PKP－c2）。此關鍵路徑在基礎的SPC算法中為權重最高的主路徑，如圖5所示。

圖5 專利關鍵路徑PKP－c

在兩個演化分支下，核心專利都為美國的專利，這也證實了在光刻曝光方法研究及應用領域中，技術仍舊是處于美國的封鎖中。在光刻圖案方法研究分支中不得不提的是專利US8671368－B1的標準化當前權利人——鏗騰電子（Cadence），該公司是美國三大電子設計自動化公司之一，其他兩家公司分別為新思科技（Synopsys）和明導國際（Mentor Graphics）。半導體的軟件產品電子設計自動化由這三家美國公司所壟斷，合計市場份額達到70%以上。我國的電子設計自動化企業仍然處于起步階段，值得一提的企業有北京華大九天科技股份有限公司和杭州廣立微電子股份有限公司，前者成立于2009年，一直致力于電子設計自動化工具的開發、銷售以及相關業務；后者是領先的集成電路EDA軟件與晶圓級電性測試設備供應商，潛力無限。荷蘭阿斯麥EUV光刻機在華禁售禁令之后，如若軟件方面被限制，勢必會導致我國光刻技術產業乃至芯片制造業面臨硬件與軟件雙方面的封鎖，從而大大地延緩我國在光刻技術產業、芯片制造業以及集成電路制造業的發展。挑戰重重，但是往往機遇伴隨著挑戰一起存在。隨著我國相關政策的出臺，國內企業越發注重自身知識產權，越發重視自主科技研發，我國的半導體行業正慢慢崛起，打破發達國家對我國光刻技術封鎖的時刻就在不久的將來。

3.2.4 光刻成像方法研究演化（PKP－d）

從專利研究內容角度出發，在專利關鍵路徑PKP－d中，早期研究集中在光刻成像系統方法及其優化方面，在后續的技術軌跡中知識演化主要分為兩個方面：光刻投影成像工藝方法及其優化（PKP－d1）和數字光刻系統方法分支（PKP－d2），如圖6所示。

在光刻投影成像工藝方法及其優化（PKP－d1）演化分支中，分為兩個階段。第一個階段為光刻設備的照明方法及其優化研究，第二階段為光學建模、光刻工藝模型及其優化方法研究。在2010年以前，對于光刻成像方法的研究核心專利都為美國新思科技（Synopsys）所有，新思科技是全球集成電路設計提供電子設計自動化軟件工具的龍頭企業，該領域早期核心專利幾乎都來自于新思科技，這也說明了此領域的技術封鎖存在已久。一直到2012年我國的上海華力微電子有限公司才開始在光刻工藝技術方面有所起步，之后，廣東工業大學在半隱式光源掩膜協同優化方法的研究取得進一步進展，并將其應用于光刻系統成像，得到了很好的效果，這也說明雖然我國在光刻成像工藝技術方面面臨著早期的技術封鎖，但相關研究布局已經有所起色，不過想要完全突破封鎖，使我國光刻相關企業成為全球首屈一指的研發企業仍需努力。

3.2.5 可編程光刻技術演化（PKP－e）

從專利研究內容角度出發，在專利關鍵路徑PKP－e中，早期研究集中在可編程光刻技術，在后續的技術軌跡中知識演化主要分為兩個方面：應用于成像系統及成像設備制備（PKP－e1）和光刻照明裝置制備研究（PKP－e2），如圖7所示。

圖6 專利關鍵路徑PKP－d

圖7 專利關鍵路徑PKP－e

在可編程光刻技術的演化分支中，雖說在成像系統及成像設備制備方面的核心技術被美日所壟斷，但在另外的演化分支——光刻照明裝置制備研究中，我國中科院上海光機所、北京國望光學科技有限公司、中國科學院光電技術研究所等都在曝光光學系統、光刻投影裝置制備等核心技術研發方面進展順利。在可以預見的未來，我國的光刻機核心技術研發水平擁有從基礎研究到關鍵技術創新到應用示范的創新價值鏈的無限潛力，有朝一日定能成為世界級光刻技術科技研究中心。

3.3 對比分析

結合前沿研究內容，對基于專利內容的分析、主路徑分析算法、局部最優主路徑算法、基于引證網絡的重要節點算法等方法進行了在同一數據上的實驗。當前對光刻領域的技術軌跡發展研究得出的結論著重在于光刻膠技術、光刻圖案研究、曝光技術、掩膜技術等，對于光刻機的研究顯示出我國的優勢在于設備的整合、組裝，短板在于光刻機組件、系統和整機設計等方面。當涉及到一些激光光刻技術研究以及激光光刻設備技術研究時，我國的研究相對較少，這些核心設備也仍依賴于進口。本研究獲取到的光刻產業的技術發展脈絡中的關鍵路徑在于關注光刻膠、光刻材料的基礎之上，發掘出一些更為關鍵的技術，比如光刻成像方法、可編程光刻技術下的光刻成像設備制造以及應用于影像學等關鍵核心技術領域。當前國內外主要研究方法所得出的領域分布情況見表1。

新的技術創新會帶來很好的發展前景，影像學研究的一大應用場景就是高端醫療器械制造。在高端醫療器械千億級別的市場下，發達國家早已布局，而當前我國在醫療器械制造核心技術方面的科學布局與技術布局尚不活躍，這也是我國值得關注的研究方向之一。這在《中國制造2025》中提出的“重點發展影像設備等高性能診療設備”也有所體現。

4 結論與展望

本文通過對技術演化脈絡進行深入研究，基于專利文本內容的語義信息，探索技術演化關聯規律。以光刻技術產業為例，通過實驗對每條演化脈絡進行溯源，得到如下結論：

（1）光刻產業技術演化脈絡未來的主要研究方向為：光刻掩膜及其制備方法研究、相移掩膜胚料研究、光刻曝光方法研究、光刻成像方法研究與可編程光刻技術研究。

（2）從光刻產業的技術研究演化脈絡入手，可以幫助科研人員識別光刻產業領域中知識流動與技術演化的方向以及發掘出眾多技術研究中的核心關鍵技術。依據光刻產業領域下技術研究演化脈絡的關鍵信息，我國在技術應用相關研究層面較為活躍，而在高端裝備器械及其零部件的制造方面涉及到的核心關鍵技術層面研究相對較少，說明我國需要提高創新意識，強化自主知識產權意識，鼓勵企業加大研發投入占比。與此同時，還需要在光刻產業領域中加強核心技術瓶頸攻關，尤其是光刻成像方法等核心關鍵技術。

表1 當前前沿研究內容領域分布

（3）近年來在政策加持下，國內很多企業已經有所突破，在整個核心零部件產業鏈中我國的弱勢在于原料生產、核心零部件生產等，要實現整個領域的國產化仍有一定距離，可以通過在設備的組裝、整合方面的優勢面向產業鏈下游中的裝備出口提高我國在整個領域中的認可度，從而促進基礎研究的進一步發展。尤其是在數字時代的今天，AI醫療的發展熱度不斷提升，不僅僅是高端醫療器械領域，我國光刻產業研發機構、科研院所與企業如若能把握住光刻產業未來幾年的核心發展方向，定能實現高端光刻機制造國產化，從而突破我國芯片產業被發達國家所封鎖的現狀，促進我國芯片產業及高端裝備制造業的蓬勃發展，這也是我國邁向科技強國的潛在機遇。