化学机械抛光方法专利技术综述

2020-09-24 03:17刘然陈亚娟
河南科技 2020年27期

刘然 陈亚娟

摘要:本文从全球及中国角度,对化学机械抛光方法专利的申请态势及国内外重要申请人的关键技术构成进行了分析,并针对磨削方法、测量与指示和磨具修整这三大分支和各二级技术分支的布局与发展情况进行了分析。最后结合我国化学机械抛光乃至半导体制造工业的发展现状给出了总结与建议。

关键词:化学机械抛光;CMP;磨削方法;技術测量;磨具修整

中图分类号:G306;TN405文献标识码:A 文章编号:1003-5168(2020)27-0143-04

1 引言

化学机械抛光(Chemical-Mechanical Polishing),又称化学机械平坦化(Chemical-Mechanical Planarization, CMP),是半导体器件制造工艺中的一种技术,使用化学腐蚀及机械力对加工过程中的硅晶圆或其它衬底材料进行平坦化处理。

20世纪70年代,多层金属化技术被引入到集成电路制造工艺中,此技术使芯片的垂直空间得到有效的利用,并提高了器件的集成度。但这项技术使得硅片表面不平整度加剧,由此引发的一系列问题(如引起光刻胶厚度不均进而导致光刻受限)严重影响了大规模集成电路(LSI)的发展。针对这一问题,业界先后开发了多种平坦化技术,主要有反刻、玻璃回流、旋涂膜层等,但效果并不理想。80年代末,IBM公司将CMP技术进行了改进使之应用于硅片的平坦化,其在表面平坦化上的效果较传统的平坦化技术有了极大的改善,从而使之成为了大规模集成电路制造中有关键地位的平坦化技术。[1]

1.1 技术概述

1.1.1 研磨液。磨料是平坦化工艺中研磨材料和化学添加剂的混合物,研磨材料主要是石英,二氧化铝和氧化铈,其中的化学添加剂则要根据实际情况加以选择,这些化学添加剂和要被除去的材料进行反应,弱化其和硅分子联结,这样使得机械抛光更加容易。在应用中的通常有氧化物磨料、金属钨磨料、金属铜磨料以及一些特殊应用磨料。

1.1.2 抛光垫。抛光垫通常使用聚亚胺脂(Polyurethane)材料制造,又称聚氨酯抛光垫、抛光阻尼布、氧化铈抛光垫,利用这种多孔性材料类似海绵的机械特性和多孔特性,表面有特殊之沟槽,提高抛光的均匀性,垫上有时开有可视窗,便于线上检测。通常抛光垫为需要定时整修和更换之耗材,一个抛光垫虽不与晶圆直接接触,但使用寿命只有约为45至75小时。在全球企业不断并购下,目前主要生产厂商为陶氏化学集团(DOW CHEMICALS)及中国龙头合肥宏光研磨科技有限公司。

1.1.3 设备。CMP设备与晶圆生产中的抛光设备有相似之处,但集成电路硅片中很多材料的加入以及金属层的增加使得CMP设备不能如同抛光设备那样简单,而需要加入特别的过程获得平坦化的效果。这主要体现在对抛光厚度、抛光速率的检测上,被称作终点检测,通常有电机电流终点检测和光学终点检测。

1.1.4 清洗。在抛光工艺过程中,磨料和被抛光对象都会造成硅片的沾污,清洗的主要目的就是为了清除这些沾污物质,使硅片的质量不受到影响。所采用到的清洗设备有毛刷洗擦设备、酸性喷淋清洗设备、超声波清洗设备、旋转清洗干燥设备等。清洗步骤主要有氧化硅清洗、浅沟槽隔离清洗、多晶硅清洗、钨清洗、铜清洗等。

1.2 技术发展

近年来,随着智能手机、移动通信、VR、可穿戴设备、5G等数字通信领域技术的不断发展,极大刺激了对上游芯片制造的技术发展,化学机械抛光作为半导体加工制造中最基础的产业之一,也得到了极大的发展,化学机械抛光工艺以及为实现这些工艺所衍生出的硅片状态检测计量技术和抛光垫的修整技术等成为主要的技术演进方向。芯片制造属于高、精、尖技术领域,技术长期由美国、韩国公司把持,但近年随着国内产业的发展,国家投入的加大,也涌现出一批以中芯国际为代表的高技术公司。

1.3 技术分支

化学机械抛光是集磨具磨削、化学反应试剂、机电一体化自动控制、磨具修整、硅片清洗等多学科、多种技术为一体的加工,在对重要专利进行标引之后发现,其主要可以分为化学机械抛光工艺、抛光过程中的检测、指示和磨具的修整三个主要方向。

1.3.1 化学机械抛光工艺。针对不同的原料、不同的抛光要求,须要制订不同的抛光工艺。

1.3.2 抛光过程的检测、指示。化学机械抛光应用的硅片制造是大规模制造,往往数百万上千万硅片同时被打磨抛光,这时抛光程度及原料去除率的准确检测和指示对提高生产率至关重要。

1.3.3 磨具的修整。硅片成品的一致性是半导体产品的质量保证,而磨具在使用过程中会不断钝化,使其每一时刻的打磨能力都不同,修整使磨具的表面均一、稳定,总是保持在最佳的工作状态,见表1。

2 专利申请总体情况

现对一定时空范围内与化学机械抛光技术领域相关的专利或非专利文献进行整理、分析、比较、归纳,进而对该领域的专利申请总体情况进行描述。

2.1 全球专利申请量分析

采用incopat全球专利数据库进行分析。该数据库包括了世界五大知识产权局及主要语种的专利数据,并带有同族数据库、著录项目的自动翻译及标准化申请人。支持中文关键词与英文关键词混用,同时对所有语种进行专利检索,并进行同族专利的合并。

该数据库每周更新,采用专利公开数据作为检索目标,同时因为专利文献公开的滞后性,2019年—2020年公开的专利趋势失真,因此将检索时间定为1990年—2018年,针对扩展后的“化学机械抛光”中英文关键词进行专利检索,并去除噪声,得到专利集用于下面的具体分析。[2]

2.1.1 全球历年专利申请量。图1显示出了化学机械抛光方法专利的全球申请态势情况。从上图中可以看出,自1990年起,化学机械抛光方法专利的申请可以分为三个阶段:

萌芽阶段(1990年—1996年):这一阶段处于第一次IT浪潮的尾声,个人家用电脑设备还未全面普及,计算机设备主要用于军备和商业,对工艺的要求不高;

快速发展阶段(1996年—1999年):随着以windows操作系统为代表的个人计算机开始普及,极大地刺激了IT工业的发展,化學机械抛光技术开始进入快速发展期;

急速阶段(2000年—2006年):计算机的革命在深化,还辅以互联网技术的进一步发展和普及,除去个人电脑,新一代通信技术(3G),无线基站等对硅制芯片的需求也直线上升,化学机械抛光作为信息产业的支柱性技术得到了极大的发展;

技术平稳阶段(2007年—至今):自从芯片产业的“摩尔定律”提出,芯片制造技术一直沿着定律给出的发展速度稳定发展着,但随着加工精度的成倍提高、制作过程的不断缩短,芯片制造技术已经接近了物理极限,在没有重大的技术革新的条件下,这一阶段的化学机械抛光专利年申请量在百件左右。

2.2.2 各国家、地区、组织专利公开量

从图2可以看出,国际专利布局的目的地有强烈的地域特征,即以ICT产业的最大消费国为主要的布局目的国,美国既是最大的技术产生国,也是最大的技术布局目标国,占全部专利的六成以上;中国和日本分列第二、三位,各占15.3%和9.09%。

2.2 全球主要申请人分析

从表2的国际前十申请人可以看出,排名第一的是应用材料公司,其专利数量遥遥领先,超过了第二、三名的总和,第二、三名分别是镁光科技和泛林半导体公司,这前三强显示了美国在化学机械抛光领域的绝对领先优势,从4-10名的申请人也可以看出一些其他地区的挑战者,包括来自韩国的三星电子公司、中国的中芯国际集成电路制造(上海)有限公司等。

3 国外重要申请人关键技术分析

在分析重要申请人的关键技术之前,先梳理主要的专利分类位置及注释如表3(为简便起见,仅注释到大组):

3.1 应用材料

应用材料公司(Applied Materials, Inc)简称应材,是全球最大的半导体设备和服务供应商。应用材料公司创建于1967年,公司总部位于美国加利福尼亚州圣克拉拉。

应用材料公司的主要产品为芯片制造相关产品,例如原子层沉积、物理气相沉积、化学气相沉积、电镀、侵蚀、离子注入、快速热处理、化学机械抛光、测量学和硅片检测等。应用材料公司每年的研究经费达到约10亿美元。

结合技术分类注释表,从图3可以看出,除去一般会归入的磨削设备大类(B24B37),应用材料公司于第一技术分支的专利布局主要在磨削方法(占16.76%)和测量、指示(11.55%),而在二级技术分支上的专利布局主要在采用光学手段进行测量、指示上。

3.2 镁光科技

镁光科技有限公司(Micron Technology),简称镁光科技:位于美国爱德荷州首府波伊西市,于1978年由Ward Parkinson、Joe Parkinson、Dennis Wilson和Doug Pitman创立,1981年成立自有晶圆制造厂。镁光科技是全球最大的半导体储存及影像产品制造商之一。

从图4可以看出,镁光科技的专利布局对于一级技术分支而言是以磨削方法(41.24%)为主,测量、指示的总合也占到了28%的比例,磨具修整方面合计占比约30%,从二级技术分支来看,砂轮表面清除设备及设备的夹持占比接近。

4 结论与建议

4.1 结论

通过对化学机械抛光专利三大主要技术分支的梳理,笔者对于当前CMP技术有了宏观的了解和认识,并对其技术现状进行了归纳整理。

第一,化学机械抛光技术现在处于技术稳定期。从申请量趋势来看,化学机械抛光专利的年均申请量比较平稳,已经进入了技术成熟期,重要技术问题未被解决或一时无法解决,行业期待下一次突破。

第二,绕开国际巨头专利布局难度大。世界化学机械抛光专利申请量剧增的浪潮早于我国,已经形成了比较完备的专利壁垒,我国应采用务实的发展路线,与国际技术竞争中合作,在技术追随当中注重基础性、前瞻性的研发,力争跟上下一次重大技术革新。

第三,美国企业占据产业链最高位置。从技术角度分析,化学技术抛光技术分布于美国和东亚各国,但从商业角度分析,东亚各国的大型企业往往有美资的大量参股占股,并一定程度上受大股东控制,实为一体,并统一步调防止成熟技术扩散。[3]

4.2 建议

第一,坚持独立自主的路线不动摇。我国IC制造工业起步晚,底子薄,更不能有依赖外国技术转移的期望,要发扬艰苦奋斗的优良作风,坚持独立自主、自主研发,瞄准其他企业布局较薄弱的技术领域,进行非对称专利布局,并逐渐发展出自身的优势。

第二,研发方向朝磨具修整倾斜。从上面的分析也可以看出,三大技术路线当中,外国企业在磨削方法上的布局比较严密,而测量、指示的技术路线已经统一,磨具修整属于创新的热点,巨头布局不多,并且我国企业已经在这一领域占据了一定的优势,应进一步加大力度发展。

参考文献:

[1] 马天旗.专利分析方法、图表解读与情报挖掘[M].北京:知识产权出版社,2015.

[2] 杨铁军.专利分析实务手册[M].北京:知识产权出版社,2015.

[3] 贺化.专利导航产业和区域经济发展实务[M].北京:知识产权出版社,2013.