化學機械研磨拋光墊專利技術發展狀況研究

唐路璐

（國家知識產權局專利局專利審查協作湖北中心，湖北 武漢 43007030070）

隨著科學技術的迅猛發展，半導體產業的戰略地位越來越重要，它已成為與國民經濟、國防建設、人民生活和信息安全息息相關的基礎性和戰略性產業。化學機械拋光作為半導體零件的重要加工方式，其拋光效果的好壞，直接影響半導體零件的工作性能及使用壽命，因此，化學機械拋光技術的發展狀況對半導體產業的影響力不言而喻。在CMP中拋光墊具有貯存拋光液并把它運送到工件的整個加工區域、維持拋光所需的機械和化學環境、傳遞材料去除所需的機械載荷等作用。拋光墊的力學性能如硬度、彈性模量等對拋光墊的變形產生重要影響[1-2]。拋光墊的表面組織特征如微孔形狀、孔隙率、溝槽形狀及分布等因素對拋光液在加工區域的流動及其分布等產生重要影響，從而影響拋光的質量和效率。

1 化學機械研磨拋光墊關鍵技術解析

拋光墊根據其軟硬程度和表面絨毛結構可分為含絨毛少的硬質拋光墊和含毛絨較多的軟質拋光墊。一般粗拋過程為提高拋光效率用硬質的拋光墊；精拋過程由于要求的材料去除量少，表面質量要求高，多用軟質拋光墊[3]。拋光金屬時采用多孔滲水性的拋光墊；拋光氧化物時采用較硬的拋光墊。

化學機械拋光的拋光墊根據材料表面微觀結構可大致分為四類：①由聚酯纖維制成，例如專利（CN104625945A）中涉及的一種采用聚酯纖維制成的拋光墊；②由多孔性合成革組成，例如清華大學申請的專利（CN102601727A）中涉及一種以人造革為基墊材料的化學機械拋光墊；③由多孔聚氨酯組成，例如美國羅門哈斯電子材料CMP控股股份有限公司申請的專利（US20080253385A）介紹了一種以多孔聚氨酯為材料的多層化學機械拋光墊；④由無孔聚氨酯組成，如日本株式會社SKC申請的專利（JP2009501648A）涉及一種具有互穿網狀結構、無孔無氣泡的聚氨酯拋光墊。

拋光墊的物理機械性能很大程度上決定了其拋光質量和效率。對于不同硬度的拋光墊，硬度越高，拋光效果越好，能夠達到要求的平整度，但拋光過程中可能引起晶片表面劃傷，特別是當拋光壓力較大時，易造成嚴重的表面損傷。彈性模量和剪切模量對拋光墊的工作性能也會產生重要影響。彈性模量高則拋光墊對所加載荷的承受能力強，剪切模量高則有利于拋光墊抵抗旋轉力。

2 拋光墊技術發展趨勢分析

化學機械拋光技術的提出始于1965年，隨著該技術在工業上的應用范圍不斷擴大，以及對工件表面光潔度要求不斷提高，拋光墊作為化學機械拋光技術的關鍵部件，也已受到業內人士的普遍關注，圖1為拋光墊相關專利在世界范圍的申請量分布情況。

圖1 拋光墊技術各國專利申請量分布

根據圖1的統計結果分析可知，對于拋光墊的技術改進主要集中在美國、中國和日本，德國、韓國等國家的研發能力也在逐漸增強。

各國每年申請量變化趨勢如圖2。

圖2 各國專利申請量隨時間變化趨勢

由圖2可知，美國的拋光墊相關專利申請量在2006年達到頂峰，日本、德國、韓國均在2003-2006年左右專利申請達到最高峰，此后有漸漸回落的趨勢，中國的申請量自2003年開始呈穩步增長態勢，表明我國在化學機械拋光技術領域的研發力度逐漸增強。雖然中日韓在專利總量上與美國存在較大的差距，但近年來各國在該技術領域的差距正在不斷縮小。從圖中還反映出各國在近年來專利申請量均呈下降的趨勢，這也反映出經過數十年的發展，化學機械拋光技術領域的相關研究日趨成熟，該領域的技術研究將會向新的方向推進。

2.1 化學機械拋光墊的多層化

隨著半導體技術領域的逐漸發展，半導體器件正變得越來越復雜，具有較精細的特征以及較多的金屬化層。這種趨勢需要拋光耗材改善性能，以保持平整度并限制拋光缺陷，因此需要具有能與低缺陷制劑相關的物理性質很好地相關聯的多層化學機械拋光墊層疊體，以增強其可修整性[4]。

基于此類技術需求，美國羅門哈斯電子材料CMP控股股份有限公司申請的專利（US2014357163A1）提供了一種具有柔軟且可修整的拋光層的多層化學機械拋光墊層疊體，能夠提供低缺陷拋光性能，并利于使用金剛石修整盤形成微織構，對半導體晶片進行拋光，并且不會對晶片表面造成破壞[5]。

2.2 化學機械拋光墊的窗口化

半導體器件的特征尺寸已逐漸向小型化方向發展，如果晶片表面出現過大的起伏，那么后續一系列的工藝對線寬的控制將會變得越來越困難。因此，在半導體工藝流程中，需要對化學機械平坦化過程進行監控。

為了實現化學機械拋光過程中的實時監測，上海中芯國際集成電路制造（上海）有限公司申請了一項發明（CN103978421A）涉及化學機械拋光終點偵測裝置及方法，該裝置可通過在拋光平臺中安裝一紅外探測器，通過具有窗口的拋光墊來探測拋光時晶圓表面的溫度變化。

3 結語

目前，CMP拋光墊的研究方向有很多，在對于拋光墊材料、物理機械性能、外形結構的技術改進日趨成熟的基礎上，該領域的技術改進正朝著多功能、集成化方向發展。

[1]許雪峰，馬冰迅，黃亦申.彭偉利用復合磨粒拋光液的硅片化學機械拋光[J].光學精密工程，2009，17（7）：1587-1593.

[2]熊偉.化學機械拋光中拋光墊的作用研究[D].廣州：廣東工業大學，2006.

[3]余劍峰.新型化學機械拋光墊和拋光液的研究[D].廣州：華南理工大學，2010.

[4]T.Du,V.Desai.Chemical mechanical planarization of copper∶pH effect[J].Journal of Materials Science Letters,2003（22）∶24-26.

[5]L.Borucki.Mathematical modeling of polish-rate decay in chemical-mechanical polishing[J].Journal of Engineering Mathematics,2002（2）∶41-46.