晶片化學機械研磨技術綜述

張杰

（國家知識產權局專利局專利審查協作湖北中心 湖北 武漢430070）

1.前言

化學機械研磨（CMP），又稱化學機械拋光，是機械研磨與化學腐蝕的組合技術，它借助超微粒子的研磨作用以及拋光漿料的腐蝕作用，在化學成膜和機械去膜的交替過程中去除被拋光介質表面上極薄的一層材料，實現超精密平坦表面加工。CMP技術是超大規模集成電路制造過程中的晶片平坦化的一種新技術，對集成電路、半導體產業發展有直接的影響。本文將從專利分析的角度對晶片CMP技術現狀進行梳理，為晶片CMP技術進一步發展提供一些建議。

2.晶片化學機械研磨技術的國內外發展概況

2.1 國外發展歷程

CMP技術在半導體工業的首次應用始于1988年，由IBM將其應用于4MDRAM的制造中，該公司也于1992年申請了晶片CMP技術的第一份專利。在此之后，經過不斷的技術發展，CMP技術在全球范圍內有較廣泛的技術布局，圖1顯示了世界范圍內專利申請量。

CMP的研究開發工作過去主要集中在美國，隨后發展至法、德等歐洲國家，日本在CMP方面發展很快，并且還從事硅晶片CMP設備供應，我國臺灣和韓國也在CMP方面研究較多。從圖1來看，其與CMP技術的研究現狀也比較相符，CMP技術仍以美國為主導，日本、歐洲、韓國等國家和地區的研究能力也在不斷增強。從圖2中可以看出，美國的CMP技術布局在2000年左右達到高峰，此后專利保有量逐漸保持穩定的狀態，而日本、韓國及中國（包括臺灣）則在2006-2008年左右專利申請達到最高峰，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量均呈下降的趨勢，這也反映了經過近幾十年的發展，CMP技術研究逐漸趨于飽和，新的技術創新點可能會在今后一段時間內出現。

2.2 國內發展歷程

1995年由美國卡伯特公司在中國提出第一件涉及晶片化學機械研磨的專利申請，申請號為CN95196473。在此之后，美國申請人針對CMP技術的設備、材料、工藝等不同的技術角度進行了專利布局。除美國外，日本及中國臺灣在CMP技術發展上也較迅速，符合其半導體芯片產業的發展規律。

在技術布局方面，除了專利數量外，專利布局的時間也不相同，早期在華專利以國外申請人為主，如下圖3所示。

從圖3中可看出，國外申請人在中國較早的完成了專利布局，建立了技術壁壘，在2008年以后，國內申請人專利申請數量則呈增長的趨勢，對晶片CMP技術逐漸形成了自己的研究成果。經過近幾年的努力，國內形成了以清華大學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業研究力量，CMP技術在國內也逐漸成熟。

3. 晶片化學機械研磨關鍵技術

從目前的研究熱點來看，該技術主題可以分為以下幾個重要的分支。

從技術的分類看，對CMP技術的研究，主要從機械研磨和化學腐蝕兩個方面對傳統技術做出改進，在具體的生產實踐中，影響晶片終成品表面質量的因素是多種多樣的，對技術的改進點，也由單個變量的控制，邁向多因素多角度協同控制的技術階段。下圖給出了影響CMP系統工藝性能的一些主要因素。

3.1 化學機械研磨設備

傳統的化學機械研磨設備由旋轉的硅晶片夾持裝置、承載拋光墊的工作臺和拋光液供給系統三大部分組成。

公開號為CN102773787A的專利公開了一種化學機械研磨系統，其包括晶片研磨單元，研磨液處理單元和研磨后清洗單元。該發明的創新之處在于將研磨后清洗單元與研磨單元結合在一起，通過研磨液處理系統萃取研磨液中的堿液，將該堿液用于研磨后清洗單元，有效的節約了堿液成本。

公開號為CN1503332A的專利提供了一種帶式研磨裝置，可以消除半導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。

公開號為CN1816422A的專利，提供了一種具有不同摩擦學區的拋光墊，通過調節墊摩擦學和針對這些被調節的不同的區的選擇，可以獲得晶片局部和整體平坦化。

公開號為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系，當研磨層的彈性率在200MPa-1GPa時，研磨效果最佳，如果彈性率過高，容易在半導體晶片上產生劃痕。

公開號為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氣實現研磨墊的沖洗。

公開號為WO2004/112091A2的專利公開了一種真空輔助墊清理系統，經由研磨清理盤中的多個孔洞，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，還可通過孔洞將中和劑施加到拋光墊的表面部分，實現拋光液化學組分的中和。

3.2 化學機械研磨磨料

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

公開號為WO96/16436A的專利公開了一種基礎性的化學機械研磨漿料，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%。

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

公開號為CN104357012A的專利申請提供了一種新型無機磨料的制備方法，將同素異構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，進而減少晶片表面的機械損傷。

3.3 化學機械研磨工藝

在CMP技術中，對研磨殘留物的處理一直是研究熱點之一。公開號為CN103128649A的專利申請公開了一種能減少殘余漿料的化學機械研磨方法，該方法從晶片中央區域向邊緣區域方向研磨，在研磨的同時不斷使用去離子水不斷沖洗晶片表面。

公開號為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置多個熱電偶，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，將該參數反饋至調整系統，從而實現晶片研磨過程中的調節。

4. 晶片化學機械研磨技術前景預測

4.1 當前存在的技術缺陷和現狀

從當前的CMP技術專利分析來看，國內的技術研究力量還偏薄弱，尤其是針對專利技術質量而言，國內已公開的CMP技術專利也更偏向于CMP技術基礎性和較窄領域內的研究，沒有對CMP技術的各個理論點進行深入的分析，也難以從整個CMP系統方面完整的闡述工藝、設備、材料等各個變量之間的相互協同關系對CMP加工精度的影響。

從技術的發展看，當前關于CMP技術的專利申請呈逐年減少的趨勢，對于CMP新技術的研究處于瓶頸的狀態，對固結磨料研磨技術等新的技術點難于取得突破性的研究。

4.2 晶片化學機械研磨技術未來發展方向

從現有技術的分析來看，固結磨料化學機械研磨（FA-CMP）將成為未來集成電路芯片加工的主要技術，該技術與游離磨料化學機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，便于清洗等優點。在未來的一段時間，固結磨料化學機械研磨技術可能成為新的研究熱點，對固結磨料化學機械拋光機理的研究，微粉磨料的選擇以及其與研磨墊的結合，研磨過程中溫度測量等技術領域有可能成為未來新的發展方向。

總結

本文分析了晶片化學機械研磨技術在國內外的專利布局，跟蹤了重要申請人的專利申請活動，分析了CMP技術各個技術分支在國內外的發展，并對各個技術分支的關鍵專利技術作了簡單的分析。

目前我國的晶片化學機械研磨技術與國外還存在較大差距，近幾年，我國的晶片化學機械研磨技術快速發展，也取得了一些成果。但是，對晶片化學機械研磨的研究還沒有實質性突破的發明專利。為了更好的發展晶片化學機械研磨技術，政府應從政策層面制定相關規章制度，鼓勵芯片行業發展，加大對電子信息產業的投入和要求；企業可以與高校多展開合作，充分利用高校的研究資源，高校也可以學習企業的實踐經驗；企業也可從自身發展考慮，合理進行專利布局，并對相關競爭對手進行研究，做好專利防御工作。