化學機械拋光方法專利技術綜述

劉然 陳亞娟

摘要：本文從全球及中國角度，對化學機械拋光方法專利的申請態勢及國內外重要申請人的關鍵技術構成進行了分析，并針對磨削方法、測量與指示和磨具修整這三大分支和各二級技術分支的布局與發展情況進行了分析。最后結合我國化學機械拋光乃至半導體制造工業的發展現狀給出了總結與建議。

關鍵詞：化學機械拋光;CMP;磨削方法;技術測量;磨具修整

中圖分類號：G306;TN405文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2020）27-0143-04

1 引言

化學機械拋光（Chemical-Mechanical Polishing），又稱化學機械平坦化（Chemical-Mechanical Planarization， CMP），是半導體器件制造工藝中的一種技術，使用化學腐蝕及機械力對加工過程中的硅晶圓或其它襯底材料進行平坦化處理。

20世紀70年代，多層金屬化技術被引入到集成電路制造工藝中，此技術使芯片的垂直空間得到有效的利用，并提高了器件的集成度。但這項技術使得硅片表面不平整度加劇，由此引發的一系列問題（如引起光刻膠厚度不均進而導致光刻受限）嚴重影響了大規模集成電路（LSI）的發展。針對這一問題，業界先后開發了多種平坦化技術，主要有反刻、玻璃回流、旋涂膜層等，但效果并不理想。80年代末，IBM公司將CMP技術進行了改進使之應用于硅片的平坦化，其在表面平坦化上的效果較傳統的平坦化技術有了極大的改善，從而使之成為了大規模集成電路制造中有關鍵地位的平坦化技術。[1]

1.1 技術概述

1.1.1 研磨液。磨料是平坦化工藝中研磨材料和化學添加劑的混合物，研磨材料主要是石英，二氧化鋁和氧化鈰，其中的化學添加劑則要根據實際情況加以選擇，這些化學添加劑和要被除去的材料進行反應，弱化其和硅分子聯結，這樣使得機械拋光更加容易。在應用中的通常有氧化物磨料、金屬鎢磨料、金屬銅磨料以及一些特殊應用磨料。

1.1.2 拋光墊。拋光墊通常使用聚亞胺脂（Polyurethane）材料制造，又稱聚氨酯拋光墊、拋光阻尼布、氧化鈰拋光墊，利用這種多孔性材料類似海綿的機械特性和多孔特性，表面有特殊之溝槽，提高拋光的均勻性，墊上有時開有可視窗，便于線上檢測。通常拋光墊為需要定時整修和更換之耗材，一個拋光墊雖不與晶圓直接接觸，但使用壽命只有約為45至75小時。在全球企業不斷并購下，目前主要生產廠商為陶氏化學集團（DOW CHEMICALS）及中國龍頭合肥宏光研磨科技有限公司。

1.1.3 設備。CMP設備與晶圓生產中的拋光設備有相似之處，但集成電路硅片中很多材料的加入以及金屬層的增加使得CMP設備不能如同拋光設備那樣簡單，而需要加入特別的過程獲得平坦化的效果。這主要體現在對拋光厚度、拋光速率的檢測上，被稱作終點檢測，通常有電機電流終點檢測和光學終點檢測。

1.1.4 清洗。在拋光工藝過程中，磨料和被拋光對象都會造成硅片的沾污，清洗的主要目的就是為了清除這些沾污物質，使硅片的質量不受到影響。所采用到的清洗設備有毛刷洗擦設備、酸性噴淋清洗設備、超聲波清洗設備、旋轉清洗干燥設備等。清洗步驟主要有氧化硅清洗、淺溝槽隔離清洗、多晶硅清洗、鎢清洗、銅清洗等。

1.2 技術發展

近年來，隨著智能手機、移動通信、VR、可穿戴設備、5G等數字通信領域技術的不斷發展，極大刺激了對上游芯片制造的技術發展，化學機械拋光作為半導體加工制造中最基礎的產業之一，也得到了極大的發展，化學機械拋光工藝以及為實現這些工藝所衍生出的硅片狀態檢測計量技術和拋光墊的修整技術等成為主要的技術演進方向。芯片制造屬于高、精、尖技術領域，技術長期由美國、韓國公司把持，但近年隨著國內產業的發展，國家投入的加大，也涌現出一批以中芯國際為代表的高技術公司。

1.3 技術分支

化學機械拋光是集磨具磨削、化學反應試劑、機電一體化自動控制、磨具修整、硅片清洗等多學科、多種技術為一體的加工，在對重要專利進行標引之后發現，其主要可以分為化學機械拋光工藝、拋光過程中的檢測、指示和磨具的修整三個主要方向。

1.3.1 化學機械拋光工藝。針對不同的原料、不同的拋光要求，須要制訂不同的拋光工藝。

1.3.2 拋光過程的檢測、指示。化學機械拋光應用的硅片制造是大規模制造，往往數百萬上千萬硅片同時被打磨拋光，這時拋光程度及原料去除率的準確檢測和指示對提高生產率至關重要。

1.3.3 磨具的修整。硅片成品的一致性是半導體產品的質量保證，而磨具在使用過程中會不斷鈍化，使其每一時刻的打磨能力都不同，修整使磨具的表面均一、穩定，總是保持在最佳的工作狀態，見表1。

2 專利申請總體情況

現對一定時空范圍內與化學機械拋光技術領域相關的專利或非專利文獻進行整理、分析、比較、歸納，進而對該領域的專利申請總體情況進行描述。

2.1 全球專利申請量分析

采用incopat全球專利數據庫進行分析。該數據庫包括了世界五大知識產權局及主要語種的專利數據，并帶有同族數據庫、著錄項目的自動翻譯及標準化申請人。支持中文關鍵詞與英文關鍵詞混用，同時對所有語種進行專利檢索，并進行同族專利的合并。

該數據庫每周更新，采用專利公開數據作為檢索目標，同時因為專利文獻公開的滯后性，2019年—2020年公開的專利趨勢失真，因此將檢索時間定為1990年—2018年，針對擴展后的“化學機械拋光”中英文關鍵詞進行專利檢索，并去除噪聲，得到專利集用于下面的具體分析。[2]

2.1.1 全球歷年專利申請量。圖1顯示出了化學機械拋光方法專利的全球申請態勢情況。從上圖中可以看出，自1990年起，化學機械拋光方法專利的申請可以分為三個階段：

萌芽階段（1990年—1996年）：這一階段處于第一次IT浪潮的尾聲，個人家用電腦設備還未全面普及，計算機設備主要用于軍備和商業，對工藝的要求不高;

快速發展階段（1996年—1999年）：隨著以windows操作系統為代表的個人計算機開始普及，極大地刺激了IT工業的發展，化學機械拋光技術開始進入快速發展期;

急速階段（2000年—2006年）：計算機的革命在深化，還輔以互聯網技術的進一步發展和普及，除去個人電腦，新一代通信技術（3G），無線基站等對硅制芯片的需求也直線上升，化學機械拋光作為信息產業的支柱性技術得到了極大的發展;

技術平穩階段（2007年—至今）：自從芯片產業的“摩爾定律”提出，芯片制造技術一直沿著定律給出的發展速度穩定發展著，但隨著加工精度的成倍提高、制作過程的不斷縮短，芯片制造技術已經接近了物理極限，在沒有重大的技術革新的條件下，這一階段的化學機械拋光專利年申請量在百件左右。

2.2.2 各國家、地區、組織專利公開量

從圖2可以看出，國際專利布局的目的地有強烈的地域特征，即以ICT產業的最大消費國為主要的布局目的國，美國既是最大的技術產生國，也是最大的技術布局目標國，占全部專利的六成以上;中國和日本分列第二、三位，各占15.3%和9.09%。

2.2 全球主要申請人分析

從表2的國際前十申請人可以看出，排名第一的是應用材料公司，其專利數量遙遙領先，超過了第二、三名的總和，第二、三名分別是鎂光科技和泛林半導體公司，這前三強顯示了美國在化學機械拋光領域的絕對領先優勢，從4-10名的申請人也可以看出一些其他地區的挑戰者，包括來自韓國的三星電子公司、中國的中芯國際集成電路制造（上海）有限公司等。

3 國外重要申請人關鍵技術分析

在分析重要申請人的關鍵技術之前，先梳理主要的專利分類位置及注釋如表3（為簡便起見，僅注釋到大組）：

3.1 應用材料

應用材料公司（Applied Materials， Inc）簡稱應材，是全球最大的半導體設備和服務供應商。應用材料公司創建于1967年，公司總部位于美國加利福尼亞州圣克拉拉。

應用材料公司的主要產品為芯片制造相關產品，例如原子層沉積、物理氣相沉積、化學氣相沉積、電鍍、侵蝕、離子注入、快速熱處理、化學機械拋光、測量學和硅片檢測等。應用材料公司每年的研究經費達到約10億美元。

結合技術分類注釋表，從圖3可以看出，除去一般會歸入的磨削設備大類（B24B37），應用材料公司于第一技術分支的專利布局主要在磨削方法（占16.76%）和測量、指示（11.55%），而在二級技術分支上的專利布局主要在采用光學手段進行測量、指示上。

3.2 鎂光科技

鎂光科技有限公司（Micron Technology），簡稱鎂光科技：位于美國愛德荷州首府波伊西市，于1978年由Ward Parkinson、Joe Parkinson、Dennis Wilson和Doug Pitman創立，1981年成立自有晶圓制造廠。鎂光科技是全球最大的半導體儲存及影像產品制造商之一。

從圖4可以看出，鎂光科技的專利布局對于一級技術分支而言是以磨削方法（41.24%）為主，測量、指示的總合也占到了28%的比例，磨具修整方面合計占比約30%，從二級技術分支來看，砂輪表面清除設備及設備的夾持占比接近。

4 結論與建議

4.1 結論

通過對化學機械拋光專利三大主要技術分支的梳理，筆者對于當前CMP技術有了宏觀的了解和認識，并對其技術現狀進行了歸納整理。

第一，化學機械拋光技術現在處于技術穩定期。從申請量趨勢來看，化學機械拋光專利的年均申請量比較平穩，已經進入了技術成熟期，重要技術問題未被解決或一時無法解決，行業期待下一次突破。

第二，繞開國際巨頭專利布局難度大。世界化學機械拋光專利申請量劇增的浪潮早于我國，已經形成了比較完備的專利壁壘，我國應采用務實的發展路線，與國際技術競爭中合作，在技術追隨當中注重基礎性、前瞻性的研發，力爭跟上下一次重大技術革新。

第三，美國企業占據產業鏈最高位置。從技術角度分析，化學技術拋光技術分布于美國和東亞各國，但從商業角度分析，東亞各國的大型企業往往有美資的大量參股占股，并一定程度上受大股東控制，實為一體，并統一步調防止成熟技術擴散。[3]

4.2 建議

第一，堅持獨立自主的路線不動搖。我國IC制造工業起步晚，底子薄，更不能有依賴外國技術轉移的期望，要發揚艱苦奮斗的優良作風，堅持獨立自主、自主研發，瞄準其他企業布局較薄弱的技術領域，進行非對稱專利布局，并逐漸發展出自身的優勢。

第二，研發方向朝磨具修整傾斜。從上面的分析也可以看出，三大技術路線當中，外國企業在磨削方法上的布局比較嚴密，而測量、指示的技術路線已經統一，磨具修整屬于創新的熱點，巨頭布局不多，并且我國企業已經在這一領域占據了一定的優勢，應進一步加大力度發展。

參考文獻：

[1] 馬天旗.專利分析方法、圖表解讀與情報挖掘[M].北京：知識產權出版社，2015.

[2] 楊鐵軍.專利分析實務手冊[M].北京：知識產權出版社，2015.

[3] 賀化.專利導航產業和區域經濟發展實務[M].北京：知識產權出版社，2013.