晶片化學(xué)機(jī)械研磨技術(shù)綜述

張杰

（國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作湖北中心 湖北 武漢430070）

1.前言

化學(xué)機(jī)械研磨（CMP），又稱化學(xué)機(jī)械拋光，是機(jī)械研磨與化學(xué)腐蝕的組合技術(shù)，它借助超微粒子的研磨作用以及拋光漿料的腐蝕作用，在化學(xué)成膜和機(jī)械去膜的交替過程中去除被拋光介質(zhì)表面上極薄的一層材料，實(shí)現(xiàn)超精密平坦表面加工。CMP技術(shù)是超大規(guī)模集成電路制造過程中的晶片平坦化的一種新技術(shù)，對(duì)集成電路、半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展有直接的影響。本文將從專利分析的角度對(duì)晶片CMP技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行梳理，為晶片CMP技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展提供一些建議。

2.晶片化學(xué)機(jī)械研磨技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展概況

2.1 國外發(fā)展歷程

CMP技術(shù)在半導(dǎo)體工業(yè)的首次應(yīng)用始于1988年，由IBM將其應(yīng)用于4MDRAM的制造中，該公司也于1992年申請(qǐng)了晶片CMP技術(shù)的第一份專利。在此之后，經(jīng)過不斷的技術(shù)發(fā)展，CMP技術(shù)在全球范圍內(nèi)有較廣泛的技術(shù)布局，圖1顯示了世界范圍內(nèi)專利申請(qǐng)量。

CMP的研究開發(fā)工作過去主要集中在美國，隨后發(fā)展至法、德等歐洲國家，日本在CMP方面發(fā)展很快，并且還從事硅晶片CMP設(shè)備供應(yīng)，我國臺(tái)灣和韓國也在CMP方面研究較多。從圖1來看，其與CMP技術(shù)的研究現(xiàn)狀也比較相符，CMP技術(shù)仍以美國為主導(dǎo)，日本、歐洲、韓國等國家和地區(qū)的研究能力也在不斷增強(qiáng)。從圖2中可以看出，美國的CMP技術(shù)布局在2000年左右達(dá)到高峰，此后專利保有量逐漸保持穩(wěn)定的狀態(tài)，而日本、韓國及中國（包括臺(tái)灣）則在2006-2008年左右專利申請(qǐng)達(dá)到最高峰，此后有漸漸回落的趨勢。從圖2中還可反映出各國家或組織在近年來專利申請(qǐng)量均呈下降的趨勢，這也反映了經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，CMP技術(shù)研究逐漸趨于飽和，新的技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)可能會(huì)在今后一段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)。

2.2 國內(nèi)發(fā)展歷程

1995年由美國卡伯特公司在中國提出第一件涉及晶片化學(xué)機(jī)械研磨的專利申請(qǐng)，申請(qǐng)?zhí)枮镃N95196473。在此之后，美國申請(qǐng)人針對(duì)CMP技術(shù)的設(shè)備、材料、工藝等不同的技術(shù)角度進(jìn)行了專利布局。除美國外，日本及中國臺(tái)灣在CMP技術(shù)發(fā)展上也較迅速，符合其半導(dǎo)體芯片產(chǎn)業(yè)的發(fā)展規(guī)律。

在技術(shù)布局方面，除了專利數(shù)量外，專利布局的時(shí)間也不相同，早期在華專利以國外申請(qǐng)人為主，如下圖3所示。

從圖3中可看出，國外申請(qǐng)人在中國較早的完成了專利布局，建立了技術(shù)壁壘，在2008年以后，國內(nèi)申請(qǐng)人專利申請(qǐng)數(shù)量則呈增長的趨勢，對(duì)晶片CMP技術(shù)逐漸形成了自己的研究成果。經(jīng)過近幾年的努力，國內(nèi)形成了以清華大學(xué)和中科院為主的教育科研力量，以及以安集微電子、中芯國際等為主的產(chǎn)業(yè)研究力量，CMP技術(shù)在國內(nèi)也逐漸成熟。

3. 晶片化學(xué)機(jī)械研磨關(guān)鍵技術(shù)

從目前的研究熱點(diǎn)來看，該技術(shù)主題可以分為以下幾個(gè)重要的分支。

從技術(shù)的分類看，對(duì)CMP技術(shù)的研究，主要從機(jī)械研磨和化學(xué)腐蝕兩個(gè)方面對(duì)傳統(tǒng)技術(shù)做出改進(jìn)，在具體的生產(chǎn)實(shí)踐中，影響晶片終成品表面質(zhì)量的因素是多種多樣的，對(duì)技術(shù)的改進(jìn)點(diǎn)，也由單個(gè)變量的控制，邁向多因素多角度協(xié)同控制的技術(shù)階段。下圖給出了影響CMP系統(tǒng)工藝性能的一些主要因素。

3.1 化學(xué)機(jī)械研磨設(shè)備

傳統(tǒng)的化學(xué)機(jī)械研磨設(shè)備由旋轉(zhuǎn)的硅晶片夾持裝置、承載拋光墊的工作臺(tái)和拋光液供給系統(tǒng)三大部分組成。

公開號(hào)為CN102773787A的專利公開了一種化學(xué)機(jī)械研磨系統(tǒng)，其包括晶片研磨單元，研磨液處理單元和研磨后清洗單元。該發(fā)明的創(chuàng)新之處在于將研磨后清洗單元與研磨單元結(jié)合在一起，通過研磨液處理系統(tǒng)萃取研磨液中的堿液，將該堿液用于研磨后清洗單元，有效的節(jié)約了堿液成本。

公開號(hào)為CN1503332A的專利提供了一種帶式研磨裝置，可以消除半導(dǎo)體晶片被研磨面上存在的同心圓的膜厚大于其周邊膜厚的問題，獲得期望的晶片平坦性。

公開號(hào)為CN1816422A的專利，提供了一種具有不同摩擦學(xué)區(qū)的拋光墊，通過調(diào)節(jié)墊摩擦學(xué)和針對(duì)這些被調(diào)節(jié)的不同的區(qū)的選擇，可以獲得晶片局部和整體平坦化。

公開號(hào)為CN1651192A的專利研究了研磨墊的研磨層彈性率與研磨性能之間的關(guān)系，當(dāng)研磨層的彈性率在200MPa-1GPa時(shí)，研磨效果最佳，如果彈性率過高，容易在半導(dǎo)體晶片上產(chǎn)生劃痕。

公開號(hào)為CN103252721A的專利提供了一種研磨墊的清潔裝置，其在研磨墊上方布置多圈扇形的噴嘴，采用兆頻超聲波以及高壓的去離子水和氮?dú)鈱?shí)現(xiàn)研磨墊的沖洗。

公開號(hào)為WO2004/112091A2的專利公開了一種真空輔助墊清理系統(tǒng)，經(jīng)由研磨清理盤中的多個(gè)孔洞，將清洗劑施加到拋光墊表面部分，施加真空，抽出藥劑、研磨殘留物和拋光液；同時(shí)，還可通過孔洞將中和劑施加到拋光墊的表面部分，實(shí)現(xiàn)拋光液化學(xué)組分的中和。

3.2 化學(xué)機(jī)械研磨磨料

研磨磨料是CMP技術(shù)中的重要分支，對(duì)磨料的選擇和改進(jìn)，對(duì)CMP技術(shù)的精度有非常大的影響。通常，對(duì)磨料的改進(jìn)選擇從磨料材料、粒子粒度、制造工藝等方面著手。

公開號(hào)為WO96/16436A的專利公開了一種基礎(chǔ)性的化學(xué)機(jī)械研磨漿料，該漿料包括磨料顆粒，高鐵鹽氧化物以及懸浮劑。其中磨料顆粒平均直徑小于0.4μm，偏差小于25%。

公開號(hào)為CN1739915A的專利公開了一種新型拋光墊，首次采用環(huán)氧樹脂固化物作為固結(jié)磨料的基體材料，利用環(huán)氧樹脂的耐磨性，化學(xué)穩(wěn)定性及使用不同的固化劑可以得到性能各異材料的特點(diǎn)，使固結(jié)磨料具備優(yōu)良的耐磨性和柔韌性，提高了耐磨效率。

公開號(hào)為CN104357012A的專利申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N新型無機(jī)磨料的制備方法，將同素異構(gòu)的球形氧化硅微球作為磨料，降低磨粒在晶片表面的壓痕深度，進(jìn)而減少晶片表面的機(jī)械損傷。

3.3 化學(xué)機(jī)械研磨工藝

在CMP技術(shù)中，對(duì)研磨殘留物的處理一直是研究熱點(diǎn)之一。公開號(hào)為CN103128649A的專利申請(qǐng)公開了一種能減少殘余漿料的化學(xué)機(jī)械研磨方法，該方法從晶片中央?yún)^(qū)域向邊緣區(qū)域方向研磨，在研磨的同時(shí)不斷使用去離子水不斷沖洗晶片表面。

公開號(hào)為JP特開2004-363252A的專利公開了一種檢測晶片研磨表面溫度的方法，在晶片上方沿研磨盤徑向方向設(shè)置多個(gè)熱電偶，通過測量晶圓不同半徑尺寸的研磨溫度，判斷該半徑尺寸處的研磨率，將該參數(shù)反饋至調(diào)整系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)晶片研磨過程中的調(diào)節(jié)。

4. 晶片化學(xué)機(jī)械研磨技術(shù)前景預(yù)測

4.1 當(dāng)前存在的技術(shù)缺陷和現(xiàn)狀

從當(dāng)前的CMP技術(shù)專利分析來看，國內(nèi)的技術(shù)研究力量還偏薄弱，尤其是針對(duì)專利技術(shù)質(zhì)量而言，國內(nèi)已公開的CMP技術(shù)專利也更偏向于CMP技術(shù)基礎(chǔ)性和較窄領(lǐng)域內(nèi)的研究，沒有對(duì)CMP技術(shù)的各個(gè)理論點(diǎn)進(jìn)行深入的分析，也難以從整個(gè)CMP系統(tǒng)方面完整的闡述工藝、設(shè)備、材料等各個(gè)變量之間的相互協(xié)同關(guān)系對(duì)CMP加工精度的影響。

從技術(shù)的發(fā)展看，當(dāng)前關(guān)于CMP技術(shù)的專利申請(qǐng)呈逐年減少的趨勢，對(duì)于CMP新技術(shù)的研究處于瓶頸的狀態(tài)，對(duì)固結(jié)磨料研磨技術(shù)等新的技術(shù)點(diǎn)難于取得突破性的研究。

4.2 晶片化學(xué)機(jī)械研磨技術(shù)未來發(fā)展方向

從現(xiàn)有技術(shù)的分析來看，固結(jié)磨料化學(xué)機(jī)械研磨（FA-CMP）將成為未來集成電路芯片加工的主要技術(shù)，該技術(shù)與游離磨料化學(xué)機(jī)械研磨相比具有研磨效率高，研磨墊變形小，研磨具有選擇性、減少磨料用量，便于清洗等優(yōu)點(diǎn)。在未來的一段時(shí)間，固結(jié)磨料化學(xué)機(jī)械研磨技術(shù)可能成為新的研究熱點(diǎn)，對(duì)固結(jié)磨料化學(xué)機(jī)械拋光機(jī)理的研究，微粉磨料的選擇以及其與研磨墊的結(jié)合，研磨過程中溫度測量等技術(shù)領(lǐng)域有可能成為未來新的發(fā)展方向。

總結(jié)

本文分析了晶片化學(xué)機(jī)械研磨技術(shù)在國內(nèi)外的專利布局，跟蹤了重要申請(qǐng)人的專利申請(qǐng)活動(dòng)，分析了CMP技術(shù)各個(gè)技術(shù)分支在國內(nèi)外的發(fā)展，并對(duì)各個(gè)技術(shù)分支的關(guān)鍵專利技術(shù)作了簡單的分析。

目前我國的晶片化學(xué)機(jī)械研磨技術(shù)與國外還存在較大差距，近幾年，我國的晶片化學(xué)機(jī)械研磨技術(shù)快速發(fā)展，也取得了一些成果。但是，對(duì)晶片化學(xué)機(jī)械研磨的研究還沒有實(shí)質(zhì)性突破的發(fā)明專利。為了更好的發(fā)展晶片化學(xué)機(jī)械研磨技術(shù)，政府應(yīng)從政策層面制定相關(guān)規(guī)章制度，鼓勵(lì)芯片行業(yè)發(fā)展，加大對(duì)電子信息產(chǎn)業(yè)的投入和要求；企業(yè)可以與高校多展開合作，充分利用高校的研究資源，高校也可以學(xué)習(xí)企業(yè)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)；企業(yè)也可從自身發(fā)展考慮，合理進(jìn)行專利布局，并對(duì)相關(guān)競爭對(duì)手進(jìn)行研究，做好專利防御工作。