筆記本越來越薄，手機上網越來越快……這些電子產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，而每條導線直徑只有65納米，相當于人頭發(fā)絲的千分之一。如何用這么細的導線將諸多元器件連在一起并穩(wěn)定發(fā)揮作用，是世界公認的技術難題。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)大學劉玉嶺教授率領的科研團隊獨創(chuàng)了以化學作用為主的CMP堿性技術路線，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。該成果一舉打破國外技術壟斷，并在技術上達到了國際領先水平。

　　獨辟蹊徑：“走不通”的路走通了

　　5月15日，筆者走進了凈化級別達到1000級的河北工業(yè)大學微電子研究所超凈實驗室。“這是用CMP堿性技術拋光過的12英寸硅晶圓，表面平整度達到了亞納米級。”研究所所長、博士生導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行超精密加工的技術，為美、日等少數發(fā)達國家所壟斷，他們采用的是化學機械平坦化(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)展的關鍵，因此美、日等發(fā)達國家一直把其作為核心技術進行嚴密封鎖。”

　　隨著極大規(guī)模集成電路進一步發(fā)展，酸性的技術路線開始暴露出粗糙度大、碟形坑大、腐蝕設備等弊端。2009年，承擔國家重大專項的劉玉嶺想換一種思路，研發(fā)CMP堿性技術。“美國、日本等國家的科學家也曾關注過堿性路線，但由于銅在化學活動順序表中是氫后金屬，在堿性條件下的產物氧化銅、氫氧化銅等不溶于水，這條路一度被科學家認為走不通。”

　　劉玉嶺帶領他的團隊迎難而上，經過反復試驗，找到了一條以絡合和胺化等化學作用為主的技術路線，實現了拋光液的堿性化。“與現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、化學性質不同的材料同時拋光時，可以對銅膜引起的碟形坑、蝕坑進行有效修正，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，特征尺寸的進一步降低，使得CMP加工精度和難度也進一步增大。“隨著極大規(guī)模集成電路進入到45納米節(jié)點技術及以下，布線層數達到10層以上，CMP堿性技術將更顯示出它的優(yōu)越特性。”劉玉嶺自信地說。

　　目前，高端設計已進入20納米和14納米，芯片集成度達到1010(10的10次方)數量級以上，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)點技術時，機械強度是個必須要邁過的坎兒。”劉玉嶺表示，根據現在酸性CMP技術工藝的生產線要求，一般使用的機械強度是2psi(磅/平方英寸)以上，很難達到極大規(guī)模集成電路進一步發(fā)展的要求。

　　據介紹，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)點技術時，銅互連結構中包含多孔、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(設備穩(wěn)定極限，0.8psi)時，研磨速率、平整度等各項指標，都能達到工業(yè)化生產對CMP要求的各項指標。”劉玉嶺解釋，這恰恰是由于我們打通了以化學作用為主的CMP堿性技術路線，目前國外公司也開始把目光轉向劉玉嶺團隊研發(fā)的堿性CMP技術。“我們通過技術創(chuàng)新實現了彎道超車，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

　　“這是我們的中試實驗室，可以實現堿性拋光液的小規(guī)模生產。”劉玉嶺介紹，他們已研發(fā)出針對65納米技術節(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，劉玉嶺研發(fā)的堿性拋光液系列產品在中芯國際集成電路制造有限公司的12英寸芯片生產線上進行了大批量試驗，各項指標都符合國外同類產品的技術標準，其中部分指標還達到了國際領先水平。

　　實驗數據顯示，與美國進口酸性拋光液相比，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，美國進口酸性拋光液每公斤達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100億人民幣，而且呈現出每年5%-7%的增長趨勢。“我們目前已經具備了實現拋光液產業(yè)化的條件，將為芯片國產化奠定基礎。”劉玉嶺介紹，正計劃用技術入股的方式成立一家專門生產堿性拋光液系列產品的股份制企業(yè)，以盡快實現堿性拋光液的產業(yè)化應用。“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自給，還應該能打入國際市場，實現其巨大的經濟效益和社會效益。”

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