筆記本越來越薄，手機上網(wǎng)越來越快……這些電子產(chǎn)品之所以能夠越來越小，運行能夠越來越快，是因為其核心部件———集成電路芯片在不斷“瘦身”。

　　一個5毫米×5毫米的主流芯片里面有上億個元器件，而每條導(dǎo)線直徑只有65納米，相當(dāng)于人頭發(fā)絲的千分之一。如何用這么細(xì)的導(dǎo)線將諸多元器件連在一起并穩(wěn)定發(fā)揮作用，是世界公認(rèn)的技術(shù)難題。日前，在國家重大專項“極大規(guī)模集成電路制造裝備及成套工藝”研究中，河北工業(yè)大學(xué)劉玉嶺教授率領(lǐng)的科研團(tuán)隊獨創(chuàng)了以化學(xué)作用為主的CMP堿性技術(shù)路線，成功完成對極大規(guī)模集成電路平坦化工藝與材料的攻關(guān)。該成果一舉打破國外技術(shù)壟斷，并在技術(shù)上達(dá)到了國際領(lǐng)先水平。

　　獨辟蹊徑：“走不通”的路走通了

　　5月15日，筆者走進(jìn)了凈化級別達(dá)到1000級的河北工業(yè)大學(xué)微電子研究所超凈實驗室。“這是用CMP堿性技術(shù)拋光過的12英寸硅晶圓，表面平整度達(dá)到了亞納米級。”研究所所長、博士生導(dǎo)師劉玉嶺教授拿起操作臺上一個約有2毫米厚的大圓盤，在光滑的表層下面布滿了電子元器件。

　　芯片精度越高、體積越小，就可以實現(xiàn)速度更快、耗電更小，成本也相對更低。“然而，隨著芯片集成度的不斷提高，電路復(fù)雜性也隨之提高。”劉玉嶺介紹，為提高芯片的集成度，極大規(guī)模集成電路都采用多層布線的方法，層與層之間由絕緣介質(zhì)隔開，再用銅把每層的元器件互連起來。

　　劉玉嶺說，對極大規(guī)模集成電路多層銅布線進(jìn)行超精密加工的技術(shù)，為美、日等少數(shù)發(fā)達(dá)國家所壟斷，他們采用的是化學(xué)機械平坦化(CMP)方法。“一般情況，銅互連使用電鍍工藝很容易形成銅表面凹凸不平，盡管這種凹凸差只是微米級的，肉眼根本看不出來，但卻成為制約極大規(guī)模集成電路發(fā)展的關(guān)鍵，因此美、日等發(fā)達(dá)國家一直把其作為核心技術(shù)進(jìn)行嚴(yán)密封鎖。”

　　隨著極大規(guī)模集成電路進(jìn)一步發(fā)展，酸性的技術(shù)路線開始暴露出粗糙度大、碟形坑大、腐蝕設(shè)備等弊端。2009年，承擔(dān)國家重大專項的劉玉嶺想換一種思路，研發(fā)CMP堿性技術(shù)。“美國、日本等國家的科學(xué)家也曾關(guān)注過堿性路線，但由于銅在化學(xué)活動順序表中是氫后金屬，在堿性條件下的產(chǎn)物氧化銅、氫氧化銅等不溶于水，這條路一度被科學(xué)家認(rèn)為走不通。”

　　劉玉嶺帶領(lǐng)他的團(tuán)隊迎難而上，經(jīng)過反復(fù)試驗，找到了一條以絡(luò)合和胺化等化學(xué)作用為主的技術(shù)路線，實現(xiàn)了拋光液的堿性化。“與現(xiàn)在通用的酸性拋光液相比，我們研發(fā)的堿性拋光液成分由13種減少到3種。”劉玉嶺介紹，這樣既簡化了工藝，又提高了控制精度，并且在對多種物理、化學(xué)性質(zhì)不同的材料同時拋光時，可以對銅膜引起的碟形坑、蝕坑進(jìn)行有效修正，提高材料表面的平整度。

　　彎道超車：追趕者成為被追趕者

　　集成度的不斷增大，特征尺寸的進(jìn)一步降低，使得CMP加工精度和難度也進(jìn)一步增大。“隨著極大規(guī)模集成電路進(jìn)入到45納米節(jié)點技術(shù)及以下，布線層數(shù)達(dá)到10層以上，CMP堿性技術(shù)將更顯示出它的優(yōu)越特性。”劉玉嶺自信地說。

　　目前，高端設(shè)計已進(jìn)入20納米和14納米，芯片集成度達(dá)到1010(10的10次方)數(shù)量級以上，晶圓尺寸將增大至450毫米(18英寸)。“極大規(guī)模集成電路到了45—22納米節(jié)點技術(shù)時，機械強度是個必須要邁過的坎兒。”劉玉嶺表示，根據(jù)現(xiàn)在酸性CMP技術(shù)工藝的生產(chǎn)線要求，一般使用的機械強度是2psi(磅/平方英寸)以上，很難達(dá)到極大規(guī)模集成電路進(jìn)一步發(fā)展的要求。

　　據(jù)介紹，CMP過程中必須要有一定的機械強度，是為了解決銅膜凹凸問題。但到了45—22納米節(jié)點技術(shù)時，銅互連結(jié)構(gòu)中包含多孔、易碎的材料，在高機械壓力下很容易劃傷層膜甚至材料發(fā)生崩塌，所以要保證這些介質(zhì)材料的完整性，拋光壓力必須小于等于1psi。“實驗顯示，我們研發(fā)的低壓低磨料拋光液，在低壓下(設(shè)備穩(wěn)定極限，0.8psi)時，研磨速率、平整度等各項指標(biāo)，都能達(dá)到工業(yè)化生產(chǎn)對CMP要求的各項指標(biāo)。”劉玉嶺解釋，這恰恰是由于我們打通了以化學(xué)作用為主的CMP堿性技術(shù)路線，目前國外公司也開始把目光轉(zhuǎn)向劉玉嶺團(tuán)隊研發(fā)的堿性CMP技術(shù)。“我們通過技術(shù)創(chuàng)新實現(xiàn)了彎道超車，由原來的追趕者變成了被追趕者。”

　　成本降3/4：為“中國芯”奠定基礎(chǔ)

　　“這是我們的中試實驗室，可以實現(xiàn)堿性拋光液的小規(guī)模生產(chǎn)。”劉玉嶺介紹，他們已研發(fā)出針對65納米技術(shù)節(jié)點及以下用的堿性CMP拋光液以及系列清洗劑。

　　2012年12月，沒有修改任何參數(shù)，劉玉嶺研發(fā)的堿性拋光液系列產(chǎn)品在中芯國際集成電路制造有限公司的12英寸芯片生產(chǎn)線上進(jìn)行了大批量試驗，各項指標(biāo)都符合國外同類產(chǎn)品的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其中部分指標(biāo)還達(dá)到了國際領(lǐng)先水平。

　　實驗數(shù)據(jù)顯示，與美國進(jìn)口酸性拋光液相比，劉玉嶺主持研發(fā)的堿性拋光液在多個指標(biāo)上都有明顯提高：拋光速率由200-300納米/分鐘提高到200-900納米/分鐘，凹凸選擇性由40∶1提高到60∶1，實現(xiàn)了高速率高平整度。“但由于拋光液成分減至3種，成本也大大降低。”劉玉嶺說，美國進(jìn)口酸性拋光液每公斤達(dá)200元以上，而他們研發(fā)的堿性拋光液每公斤不足55元。

　　拋光液是極大規(guī)模集成電路制造中的必備耗材，目前國際市場上每年銷售額達(dá)100億人民幣，而且呈現(xiàn)出每年5%-7%的增長趨勢。“我們目前已經(jīng)具備了實現(xiàn)拋光液產(chǎn)業(yè)化的條件，將為芯片國產(chǎn)化奠定基礎(chǔ)。”劉玉嶺介紹，正計劃用技術(shù)入股的方式成立一家專門生產(chǎn)堿性拋光液系列產(chǎn)品的股份制企業(yè)，以盡快實現(xiàn)堿性拋光液的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。“由于具有較大的成本優(yōu)勢，我們的堿性拋光液不僅可以實現(xiàn)自給，還應(yīng)該能打入國際市場，實現(xiàn)其巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。”

關(guān)鍵詞：芯片,河北