化學(xué)機械拋光方法專利技術(shù)綜述

劉然 陳亞娟

摘要：本文從全球及中國角度，對化學(xué)機械拋光方法專利的申請態(tài)勢及國內(nèi)外重要申請人的關(guān)鍵技術(shù)構(gòu)成進(jìn)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(shù)分支的布局與發(fā)展情況進(jìn)行了分析。最后結(jié)合我國化學(xué)機械拋光乃至半導(dǎo)體制造工業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀給出了總結(jié)與建議。

關(guān)鍵詞：化學(xué)機械拋光;CMP;磨削方法;技術(shù)測量;磨具修整

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

1 引言

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

20世紀(jì)70年代，多層金屬化技術(shù)被引入到集成電路制造工藝中，此技術(shù)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(shù)使得硅片表面不平整度加劇，由此引發(fā)的一系列問題（如引起光刻膠厚度不均進(jìn)而導(dǎo)致光刻受限）嚴(yán)重影響了大規(guī)模集成電路（LSI）的發(fā)展。針對這一問題，業(yè)界先后開發(fā)了多種平坦化技術(shù)，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(shù)進(jìn)行了改進(jìn)使之應(yīng)用于硅片的平坦化，其在表面平坦化上的效果較傳統(tǒng)的平坦化技術(shù)有了極大的改善，從而使之成為了大規(guī)模集成電路制造中有關(guān)鍵地位的平坦化技術(shù)。[1]

1.1 技術(shù)概述

1.1.1 研磨液。磨料是平坦化工藝中研磨材料和化學(xué)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(xué)添加劑則要根據(jù)實際情況加以選擇，這些化學(xué)添加劑和要被除去的材料進(jìn)行反應(yīng)，弱化其和硅分子聯(lián)結(jié)，這樣使得機械拋光更加容易。在應(yīng)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(yīng)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(yè)不斷并購下，目前主要生產(chǎn)廠商為陶氏化學(xué)集團(tuán)（DOW CHEMICALS）及中國龍頭合肥宏光研磨科技有限公司。

1.1.3 設(shè)備。CMP設(shè)備與晶圓生產(chǎn)中的拋光設(shè)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(shè)備不能如同拋光設(shè)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(xiàn)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(xué)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(zhì)，使硅片的質(zhì)量不受到影響。所采用到的清洗設(shè)備有毛刷洗擦設(shè)備、酸性噴淋清洗設(shè)備、超聲波清洗設(shè)備、旋轉(zhuǎn)清洗干燥設(shè)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(shù)發(fā)展

近年來，隨著智能手機、移動通信、VR、可穿戴設(shè)備、5G等數(shù)字通信領(lǐng)域技術(shù)的不斷發(fā)展，極大刺激了對上游芯片制造的技術(shù)發(fā)展，化學(xué)機械拋光作為半導(dǎo)體加工制造中最基礎(chǔ)的產(chǎn)業(yè)之一，也得到了極大的發(fā)展，化學(xué)機械拋光工藝以及為實現(xiàn)這些工藝所衍生出的硅片狀態(tài)檢測計量技術(shù)和拋光墊的修整技術(shù)等成為主要的技術(shù)演進(jìn)方向。芯片制造屬于高、精、尖技術(shù)領(lǐng)域，技術(shù)長期由美國、韓國公司把持，但近年隨著國內(nèi)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，國家投入的加大，也涌現(xiàn)出一批以中芯國際為代表的高技術(shù)公司。

1.3 技術(shù)分支

化學(xué)機械拋光是集磨具磨削、化學(xué)反應(yīng)試劑、機電一體化自動控制、磨具修整、硅片清洗等多學(xué)科、多種技術(shù)為一體的加工，在對重要專利進(jìn)行標(biāo)引之后發(fā)現(xiàn)，其主要可以分為化學(xué)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(xué)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(xué)機械拋光應(yīng)用的硅片制造是大規(guī)模制造，往往數(shù)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(zhǔn)確檢測和指示對提高生產(chǎn)率至關(guān)重要。

1.3.3 磨具的修整。硅片成品的一致性是半導(dǎo)體產(chǎn)品的質(zhì)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(wěn)定，總是保持在最佳的工作狀態(tài)，見表1。

2 專利申請總體情況

現(xiàn)對一定時空范圍內(nèi)與化學(xué)機械拋光技術(shù)領(lǐng)域相關(guān)的專利或非專利文獻(xiàn)進(jìn)行整理、分析、比較、歸納，進(jìn)而對該領(lǐng)域的專利申請總體情況進(jìn)行描述。

2.1 全球?qū)＠暾埩糠治?/p>

采用incopat全球?qū)＠麛?shù)據(jù)庫進(jìn)行分析。該數(shù)據(jù)庫包括了世界五大知識產(chǎn)權(quán)局及主要語種的專利數(shù)據(jù)，并帶有同族數(shù)據(jù)庫、著錄項目的自動翻譯及標(biāo)準(zhǔn)化申請人。支持中文關(guān)鍵詞與英文關(guān)鍵詞混用，同時對所有語種進(jìn)行專利檢索，并進(jìn)行同族專利的合并。

該數(shù)據(jù)庫每周更新，采用專利公開數(shù)據(jù)作為檢索目標(biāo)，同時因為專利文獻(xiàn)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(xué)機械拋光”中英文關(guān)鍵詞進(jìn)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(xué)機械拋光方法專利的全球申請態(tài)勢情況。從上圖中可以看出，自1990年起，化學(xué)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(shè)備還未全面普及，計算機設(shè)備主要用于軍備和商業(yè)，對工藝的要求不高;

快速發(fā)展階段（1996年—1999年）：隨著以windows操作系統(tǒng)為代表的個人計算機開始普及，極大地刺激了IT工業(yè)的發(fā)展，化學(xué)機械拋光技術(shù)開始進(jìn)入快速發(fā)展期;

急速階段（2000年—2006年）：計算機的革命在深化，還輔以互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和普及，除去個人電腦，新一代通信技術(shù)（3G），無線基站等對硅制芯片的需求也直線上升，化學(xué)機械拋光作為信息產(chǎn)業(yè)的支柱性技術(shù)得到了極大的發(fā)展;

技術(shù)平穩(wěn)階段（2007年—至今）：自從芯片產(chǎn)業(yè)的“摩爾定律”提出，芯片制造技術(shù)一直沿著定律給出的發(fā)展速度穩(wěn)定發(fā)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(shù)已經(jīng)接近了物理極限，在沒有重大的技術(shù)革新的條件下，這一階段的化學(xué)機械拋光專利年申請量在百件左右。

2.2.2 各國家、地區(qū)、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(chǎn)業(yè)的最大消費國為主要的布局目的國，美國既是最大的技術(shù)產(chǎn)生國，也是最大的技術(shù)布局目標(biāo)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(yīng)用材料公司，其專利數(shù)量遙遙領(lǐng)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(dǎo)體公司，這前三強顯示了美國在化學(xué)機械拋光領(lǐng)域的絕對領(lǐng)先優(yōu)勢，從4-10名的申請人也可以看出一些其他地區(qū)的挑戰(zhàn)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(guān)鍵技術(shù)分析

在分析重要申請人的關(guān)鍵技術(shù)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(yīng)用材料

應(yīng)用材料公司（Applied Materials， Inc）簡稱應(yīng)材，是全球最大的半導(dǎo)體設(shè)備和服務(wù)供應(yīng)商。應(yīng)用材料公司創(chuàng)建于1967年，公司總部位于美國加利福尼亞州圣克拉拉。

應(yīng)用材料公司的主要產(chǎn)品為芯片制造相關(guān)產(chǎn)品，例如原子層沉積、物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、電鍍、侵蝕、離子注入、快速熱處理、化學(xué)機械拋光、測量學(xué)和硅片檢測等。應(yīng)用材料公司每年的研究經(jīng)費達(dá)到約10億美元。

結(jié)合技術(shù)分類注釋表，從圖3可以看出，除去一般會歸入的磨削設(shè)備大類（B24B37），應(yīng)用材料公司于第一技術(shù)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(shù)分支上的專利布局主要在采用光學(xué)手段進(jìn)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(chuàng)立，1981年成立自有晶圓制造廠。鎂光科技是全球最大的半導(dǎo)體儲存及影像產(chǎn)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(shù)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(shù)分支來看，砂輪表面清除設(shè)備及設(shè)備的夾持占比接近。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

通過對化學(xué)機械拋光專利三大主要技術(shù)分支的梳理，筆者對于當(dāng)前CMP技術(shù)有了宏觀的了解和認(rèn)識，并對其技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行了歸納整理。

第一，化學(xué)機械拋光技術(shù)現(xiàn)在處于技術(shù)穩(wěn)定期。從申請量趨勢來看，化學(xué)機械拋光專利的年均申請量比較平穩(wěn)，已經(jīng)進(jìn)入了技術(shù)成熟期，重要技術(shù)問題未被解決或一時無法解決，行業(yè)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(xué)機械拋光專利申請量劇增的浪潮早于我國，已經(jīng)形成了比較完備的專利壁壘，我國應(yīng)采用務(wù)實的發(fā)展路線，與國際技術(shù)競爭中合作，在技術(shù)追隨當(dāng)中注重基礎(chǔ)性、前瞻性的研發(fā)，力爭跟上下一次重大技術(shù)革新。

第三，美國企業(yè)占據(jù)產(chǎn)業(yè)鏈最高位置。從技術(shù)角度分析，化學(xué)技術(shù)拋光技術(shù)分布于美國和東亞各國，但從商業(yè)角度分析，東亞各國的大型企業(yè)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(tǒng)一步調(diào)防止成熟技術(shù)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(yè)起步晚，底子薄，更不能有依賴外國技術(shù)轉(zhuǎn)移的期望，要發(fā)揚艱苦奮斗的優(yōu)良作風(fēng)，堅持獨立自主、自主研發(fā)，瞄準(zhǔn)其他企業(yè)布局較薄弱的技術(shù)領(lǐng)域，進(jìn)行非對稱專利布局，并逐漸發(fā)展出自身的優(yōu)勢。

第二，研發(fā)方向朝磨具修整傾斜。從上面的分析也可以看出，三大技術(shù)路線當(dāng)中，外國企業(yè)在磨削方法上的布局比較嚴(yán)密，而測量、指示的技術(shù)路線已經(jīng)統(tǒng)一，磨具修整屬于創(chuàng)新的熱點，巨頭布局不多，并且我國企業(yè)已經(jīng)在這一領(lǐng)域占據(jù)了一定的優(yōu)勢，應(yīng)進(jìn)一步加大力度發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[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(chǎn)權(quán)出版社，2015.

[2] 楊鐵軍.專利分析實務(wù)手冊[M].北京：知識產(chǎn)權(quán)出版社，2015.

[3] 賀化.專利導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)和區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展實務(wù)[M].北京：知識產(chǎn)權(quán)出版社，2013.