随着现代科技的飞速发展,半导体芯片作为信息时代的核心技术,其制造工艺的精细化程度直接决定了电子设备的性能和可靠性。在半导体芯片制造过程中,化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing,CMP)技术扮演着至关重要的角色。CMP技术通过化学腐蚀和机械研磨的协同作用,实现半导体晶圆表面的高度平整化,是确保芯片制造精度的关键工艺。而CMP抛光垫作为这一工艺中的核心材料,其性能直接影响着抛光效果和芯片的最终质量^[1]。CMP抛光垫的主要作用是贮存抛光液并将其均匀地运送到工件表面,同时去除抛光过程中产生的残留物,传递材料去除所需的机械能量,并维持抛光过程所需的机械和化学环境。在CMP制程中,抛光垫的选择和使用对于保证产品质量和提高生产效率至关重要。随着芯片制程向纳米级别发展,CMP技术面临着精度和均匀性的高要求挑战。在 7 nm及以下制程芯片制造中,需要将晶圆表面平整度控制在亚纳米级,这对CMP设备和材料提出了极高的要求^[2-3]。

CMP抛光垫技术长期以来被国外企业垄断,尤其是在高端市场,国外垄断企业在CMP抛光垫的材料研发、生产工艺、市场及其专利布局方面均具有深厚的技术积累和丰富的经验。这种技术垄断使得我国半导体产业在高端芯片制造领域面临“卡脖子”的问题,严重影响了我国半导体产业的自主发展^[4-6]。日本富士纺集团是CMP抛光垫领域的重要专利申请人之一,其作为全球CMP材料市场的重要参与者,在CMP抛光垫的研发、生产、市场布局以及专利申请量等方面具有显著优势。

因此,本文将重点分析富士纺集团在CMP抛光垫领域的专利技术,通过对富士纺集团的深度研究,揭示其技术优势和专利布局策略,这不仅有助于我国企业突破技术瓶颈,提升自主创新能力,还能为我国企业在CMP抛光垫领域的专利申请和市场布局提供有益的参考,进而更好地推动我国半导体产业向高端化、自主化方向发展。

日本富士纺集团创立于1896年,凭借雄厚的研发实力和制造基础,已从传统纺织企业成功转型为横跨多领域的综合性科技集团。目前,集团业务主要聚焦四大核心板块:精密抛光材料、特种化学品、生活服饰及工业材料,其中以半导体产业链关键材料业务最具技术含量和市场竞争力^[5]。在高端制造领域,富士纺集团开发的POLYPAS系列抛光垫代表了行业领先水平,专为硅片、半导体材料、金属及光学玻璃的超精密抛光而设计。这类高附加值产品对物联网核心器件、LED基板、功率半导体等关键元件的制造至关重要,已成为现代信息技术产业的基础材料。值得注意的是,在全球CMP抛光垫市场中,富士纺与Thomas West公司的联合市场份额已达7%,彰显了其在该领域的重要地位。

基于专业检索与分析,本次研究选取富士纺集团460件高相关度抛光垫专利作为研究样本,检索截止日期为2025年3月20日,检索数据库为 Incopat收录的全球专利数据库。数据显示,富士纺在该领域的专利申请量位居全球第二位,充分体现了其技术创新能力和知识产权布局的全球视野。

首先,通过对富士纺集团抛光垫专利申请趋势进行系统性分析,如图1所示,可以清晰地观察到该技术领域呈现出3个显著的发展阶段。第一阶段:技术萌芽期(2003—2006年),这一阶段的专利申请数量相对有限,年均申请量维持在较低水平。值得注意的是,尽管2007年才达到7件的年申请量峰值,但此期间申请的专利多为具有重要价值的基础性技术,为后续技术发展奠定了关键基础。第二阶段:技术发展期(2007—2015年),在此阶段,专利申请呈现出一定的增长态势,其中2009、2012年分别达到22件和21件,充分反映出抛光垫技术进入稳定发展的阶段。特别值得关注的是2008—2009年以及2011—2012年两个显著的增长周期,这与全球半导体芯片市场需求激增的时期高度吻合。然而,2011年专利申请量骤降至3件,这种异常波动可能与2008年金融危机对半导体行业的冲击有关,或是技术研发遇到阶段性瓶颈所致。第三阶段:技术高速发展期(2016年—至今),该阶段专利申请呈现波浪式迅速上升的趋势,2016年和2019年分别达到46件和44件的申请量峰值。这一增长态势正与全球半导体产业的高速发展周期相呼应。2023年后申请量的下降,很大程度上是由于专利申请的公开延迟所致。

进一步分析富士纺集团在中国市场的专利布局特点,从图1可以看出,富士纺早期的专利布局主要集中于海外市场,中国专利申请相对滞后。具体表现为:中国专利申请始于2007年,2014年达到4件的峰值。2019年后在中国市场未提交新的专利申请,这一转变可能源于以下因素:一是中国本土企业在抛光垫领域的技术实力快速提升,国内知识产权保护环境持续优化;二是市场竞争格局的变化影响了富士纺在中国的专利布局策略。这种专利布局的演变,既反映了全球半导体产业链的技术发展轨迹,也体现了中国市场在该领域的重要性变化。

图2清晰展现了富士纺集团抛光垫专利技术的全球布局态势,其技术来源主要集中在日本、中国(含台湾地区)、美国、韩国及欧洲。作为技术核心来源地,日本以63.5%的高占比遥遥领先,这一数据有力佐证了日本在全球半导体芯片技术领域的领导地位及其在抛光垫技术方面的显著优势。中国以13.7%的占比成为第二大技术来源国,韩国(5.0%)、美国(4.9%)和欧洲专利局(2.3%)则分列其后。特别值得注意的是,日本与中国两国的专利贡献率合计高达75%,形成了明显的双核心格局,而其他地区的占比较为有限。这种分布特征主要源于富士纺集团作为日本本土企业的天然属性,使其研发资源和技术产出自然向本国倾斜。值得注意的是,该公司的首件抛光垫专利却选择于1999年在欧洲专利局申请,展现了其早期的国际化视野。近年来,随着中国半导体产业的迅猛发展和市场需求的快速扩张,尽管中国在抛光垫技术领域起步相对滞后,富士纺集团仍以前瞻性的战略眼光加大在中国的专利布局力度,通过提前卡位抢占市场制高点,这一明智举措使其在中国的专利储备快速积累,最终推动中国超越其他国家和地区,跃升为仅次于日本的重要技术来源地,充分体现了跨国企业在全球技术布局中的战略智慧与市场敏锐度。

图3清晰地呈现了富士纺抛光垫专利技术在不同年度的分布趋势。富士纺抛光垫专利技术主要涵盖抛光垫的材料组成、材料结构、制备方法以及其他相关领域(例如装置)这四大分支。从宏观层面来看,专利申请数量在各分支间存在明显差异。其中,涉及材料组成的专利申请量位居首位,高达234件;紧随其后的是材料结构方面的专利申请,数量为149件;而制备方法和其他领域的专利申请量相对较少,分别为33件和19件。

从研究方向的演变历程来分析,富士纺早期的专利申请主要聚焦于抛光垫的组成和结构。2003年起,材料组成和结构两个领域均有专利申请涌现。在2014年之前,材料组成和材料结构方面的专利申请趋势呈现出基本相似的态势,申请量都保持在一个相对较高的水平且较为稳定。自2015年开始,材料结构的专利申请量相较于材料组成有所减少。这一现象可以说明,对于富士纺而言,材料组成始终是其研发工作的重中之重,投入了大量的精力和资源进行深入探索和创新。而材料结构方面的专利申请量减少,可能有多种原因。一方面,材料结构的发展相对较为缓慢,技术突破的难度较大,这在一定程度上限制了专利申请的速度和数量;另一方面,也有可能是因为在材料结构领域,已经被其他申请人提前进行了较为完善的专利布局,从而对富士纺公司的专利申请形成了一定的阻碍和限制。

再看制备方法方面的专利申请,其数量一直不多,呈现出零星分布的状态,没有形成明显的趋势和规模,这也反映出在该领域富士纺的研发重点和投入相对较少,可能是因为制备方法的技术改进空间相对有限,或者现有的制备方法已经能够满足其生产需求,所以在专利申请方面没有过多的布局。

从2017年开始,富士纺的专利申请方向出现了新的拓展,开始涉及到抛光垫产业的其他领域,例如装置等,这标志着富士纺正式开启了抛光垫产业的全面专利布局,不再局限于传统的材料组成和结构等领域,而是将视野拓宽,积极拓展新的技术领域和研发方向,力求在抛光垫产业的各个方面都建立起自己的专利壁垒,增强自身的市场竞争力和行业影响力,为其在抛光垫产业的长期发展奠定坚实的基础,也为后续的技术创新和产业升级提供了有力的保障。

表1列出了富士纺的重要核心专利,这些专利是基于家族被引证次数、同族专利情况、法律状态及有效性等综合考量后确定的。从专利内容来看,富士纺的抛光垫技术主要集中在聚氨酯材料的应用及其改性上,包括发泡结构、微孔设计、弹性层和硬度控制等方面。例如,专利CN101402187A提出了一种具有聚氨酯薄板和发泡结构的研磨布,其创新点在于通过发泡与长发泡形成特殊的表面结构,从而提升研磨性能;而专利US20040247852A1则强调了细颗粒弹性泡沫片的设计,通过分离细颗粒形成细泡沫结构以优化抛光效果。此外,专利JP2010058194A描述了一种通过混合多异氰酸酯化合物、多元醇化合物等制备聚氨酯片的方法,进一步提升了抛光垫的耐用性和稳定性。从时间分布来看,家族被引证次数大于等于15次的专利申请的最早优先权日都在2014年之前,主要集中在2007—2009年这段时间,而富士纺在这段时期的专利申请量也是急速增长的阶段,这表明该阶段的技术积累为其后续发展奠定了基础。同时,被引证次数较高的专利(如CN101402187A被引证66次)显示了其技术的领先性和行业影响力。这些专利不仅体现了富士纺在抛光垫领域的技术深度,也反映了其对中国市场的重视,因为排名前三的高引证专利均进入中国市场。富士纺的核心专利不仅展示了其在抛光垫领域的技术创新能力,还体现了其对市场需求的敏锐洞察力。这些专利为同行提供了重要的技术参考,同时也为富士纺在全球市场中的竞争地位奠定了坚实基础。

在抛光垫领域,富士纺凭借卓越的技术水平和丰富的专利储备,一直处于行业领先地位。其大部分专利申请均以独立申请为主,这充分彰显了其在技术研发方面的深厚底蕴和自主创新能力。然而,公开号为CN102625741A和KR102394677B1的专利申请,均是富士纺控股公司与信越半导体株式会社联合申请的,这一合作模式不仅反映了富士纺对半导体应用领域的高度重视,更彰显了其通过与行业龙头企业开展技术协同来提升核心竞争力的战略布局。该两项专利的家族被引证次数分别高达 56次和24次,这一数据不仅凸显了专利的高价值和行业影响力,也反映出双方合作的丰硕成果。信越半导体作为日本知名的半导体企业,同时也是全球排名前列的硅晶圆制造商,其在全球市场的占有率约为30%。富士纺选择与信越半导体合作,正是基于对其强大技术实力和行业地位的高度认可。通过这种强强联合的方式,富士纺不仅能够弥补自身在特定领域的技术短板,还能借助信越半导体的专业优势,进一步提升专利的稳定性和可靠性。这种合作模式不仅有助于双方在技术层面的深度交流与融合,更能为富士纺在半导体抛光垫领域的应用拓展提供有力支持,从而巩固并强化其在行业内的竞争优势,推动其在技术创新和市场拓展的道路上不断前行。

公开号为US20040247852A1的专利申请在其发展历程中经历了两次转让。该专利的转让人包括富士纺株式会社(FUJI SPINNING CO.,LTD.)以及两位个人申请者——KUME TAKAHIRO和TAKEDA HIDENORI。其中,KUME TAKAHIRO不仅是个人申请者之一,更是该专利的发明人。专利的受让方则为富士纺株式会社和富士纺控股公司(FUJIBO HOLDINGS,INC.)。这一专利转让过程充分体现了富士纺在知识产权管理方面的严谨态度和战略眼光。公司不仅重视自身作为法人主体的专利申请与保护,还积极整合与专利相关的个人申请资源,确保所有与公司核心技术相关的知识产权都能纳入统一的管理体系。通过这种细致入微的专利布局,富士纺能够有效构建和优化自身的专利池,进一步扩大专利保护的范围,从而在激烈的市场竞争中筑牢技术壁垒,为企业的长期发展提供坚实的知识产权保障。

表2详细列出了富士纺在华的有效专利情况。这些专利主要集中在2007—2012年期间,技术内容聚焦于材料组成方面。具体而言,专利涉及的技术细节包括以聚氨酯作为研磨层、在聚氨酯薄板上形成发泡与长发泡、研磨层中包含大致球状气泡的聚胺基甲酸酯聚脲树脂成形体,以及具备分散均等发泡的胺基甲酸乙酯薄片等。这些专利的集中分布和技术内容表明,富士纺在材料组成领域的技术研究已经相对成熟,并且专利布局较为全面,能够为其在抛光垫领域的核心竞争力提供有力支撑。此外,富士纺在华的有效专利涵盖了多项关键材料技术。这些专利的授权状态进一步证明了其技术的先进性和市场价值。然而,与材料组成领域的技术成熟度相比,富士纺在抛光垫结构方面的研究起步较晚。这一特点也反映在其专利申请的分布上——目前在华的有效专利中尚未涉及抛光垫结构相关的专利申请。这与富士纺在材料组成方面的专利布局形成鲜明对比,进一步凸显了其在不同技术领域的研发重点和发展阶段。未来,随着富士纺在抛光垫结构领域的研究不断深入,其专利布局有望进一步完善,从而为其在全球抛光垫市场中的持续发展提供更全面的知识产权保障。

在文献人工标引的基础上,对不同技术分支中的重点专利文献(主要是材料组成和材料结构)进行梳理,总结归纳得到如下的技术脉络。

图4展示了富士纺抛光垫材料组成的技术发展路线图。由图4可以看出,富士纺在其抛光垫材料技术发展过程中,通过不断优化聚氨酯发泡材料的组成和结构,显著提升了抛光垫的性能。早在1999年,富士纺首次申请了关于聚氨酯模制品中形成不同尺寸泡孔的专利(EP1057841A2),通过引入膨胀微球和水膨胀技术,实现了泡孔结构的多样化。随后,为提高平坦化效果和抛光效率,富士纺在美国提交了专利申请(US20040247852A1),通过添加发泡添加剂和细泡沫结构,进一步优化了抛光垫的表面特性。2005年,富士纺通过引入聚酯纤维,使研磨布形成纤维集合体,并在纤维间形成孔隙,从而提高了抛光效率和寿命。2007年,中国专利(CN101402187A)展示了通过在聚氨酯薄板上形成发泡与长发泡的组合设计,进一步改善了抛光垫的稳定性。2008年,通过在研磨层中添加酰化多糖类成分(如乙酰纤维素),富士纺成功提高了抛光垫的平坦化性能并减少了划痕。2009年,富士纺在中国提交的专利(CN102625741A)中展示了胺基甲酸乙酯薄片的应用,通过均匀分散的发泡结构提升了抛光效率和稳定性。同年,日本专利(JP2010184327A)则通过引入炭黑凝聚体和分散剂,优化了抛光垫的平坦化和抗划痕性能。此外,富士纺还探索了湿膜形成法和特定固化剂的应用,以调节粘性和改善抛光性能。2015年以后,富士纺继续在材料组成上进行创新。例如,JP2015193059A通过引入中空球体结构,实现了大、小球体的协同作用;JP2016196065A则通过固化含有特定四聚体的组合物,优化了固化后的抛光层性能。2018年,富士纺进一步调整了聚氨酯树脂片材的配方,通过非离子表面活性剂的引入,减少了表面缺陷。2019年,富士纺在原料改进方面取得突破,JP2021053748A通过引入磺酸基团或羧酸基团的水溶性有机化合物,实现了对氧化物层和氮化物层的不同摩擦系数调节。同年,JP2021053760A通过控制原料物性参数(如硬度和tan值),显著提高了抛光垫的寿命和修整性。

富士纺通过多年的技术积累和创新,不仅优化了聚氨酯发泡材料的微观结构和化学组成,还结合不同工艺手段(如湿膜形成法、固化剂选择等),显著提升了抛光垫的性能。这些技术进步为半导体、玻璃等高精度加工领域提供了更高效、稳定的抛光解决方案。

图5是富士纺抛光垫材料结构的技术发展路线图。由图5可以看出,富士纺自2005年起,通过不断改进抛光垫的结构设计,显著提升了其性能。其研究重点集中在开孔形状、层结构及沟槽设计的优化上。2005年,富士纺首次提出通过表层微孔化来改善抛光垫的平坦化性能(专利JP2006297515A)。该抛光垫采用聚氨酯片材,表层具有微孔结构,绒毛层则提供缓冲作用,同时通过泡沫和细泡沫的组合设计,实现均匀的孔径分布(≤25 μm),从而提高抛光效率并抑制堵塞。2007年,富士纺进一步通过发泡体切片技术形成不同大小的开孔,以优化研磨垫的表面特性(专利JP2009125894A)。这种方法不仅提高了抛光效率,还有效防止了堵塞问题。2009年,富士纺开始研究凹槽设计,通过在抛光表面形成从中心到边缘的凹槽结构(专利JP2011036979A),改善了浆料排出性能,并提升了平坦化效果。同年,通过自组织技术在抛光表面形成蜂窝状凹凸结构(专利JP2011104749A),进一步优化了研磨液的分散状态和缓冲性能,从而减少研磨缺陷。2010年,富士纺对绒毛层进行了深入研究,通过纵向长单元和细孔的网状连接设计(专利JP2012110970A),提高了抛光效率并防止了表面活性剂的洗脱。同年另一项专利(JP2012130992A)则通过突出部分和凹入部分的设计,确保了研磨速率的同时减少了划痕风险。2012年,富士纺开始从凹槽形状入手,设计了多种不同形状的凹槽组合(专利JP2013248693A),以提高浆料扩散性和保持性能。随后,通过螺旋形浆料扩散结构(专利JP2014008577A)和椭圆形环形槽(专利JP2014195840A),进一步优化了研磨表面的平坦性和流动性。2016年,为解决局部过度研磨或不足的问题,富士纺开发了一种具有亲水性区域图案的研磨垫(专利JP2016068194A),有效控制了悬浮液的保持性和排出性。此外,通过设置深度均匀的槽(专利JP2018039080A),进一步抑制了研磨不均现象。2017年,为提升半导体晶片的平坦性,富士纺推出了一种同心区域设计的抛光垫(专利JP2020015142A),通过抑制中央研磨不均,实现了优异的平坦性。2019年,富士纺开始研究终点检测窗口技术,通过设置通孔中的检测窗和凸凹接合结构(专利JP2021053765A),提高了检测效率并防止了划痕和碎屑积聚。综上,富士纺通过多年的技术积累和创新,在抛光垫的开孔形状、层结构及沟槽设计方面取得了显著进展,不仅提升了抛光效率和平坦化效果,还有效解决了堵塞、研磨不均等问题,满足了日益严格的半导体制造需求。

富士纺作为CMP用抛光垫技术领域的重要参与者之一,在专利申请数量和研发起步时间上均处于相对领先的位置。其专利申请主要集中在材料的组成和结构方面,尤其是在材料组成领域,富士纺的专利申请数量较多,且布局较为成熟,充分体现了其在该领域的深厚技术积累和前瞻性布局。尽管富士纺在涉及材料结构的专利申请方面也不乏成果,但与其他重要申请人相比,其起步相对较晚,因此在该领域的核心专利和有效专利数量相对较少。除了在沟槽结构方面的研究外,近期富士纺也开始涉足抛光垫检测窗口的研究,显示出其在技术拓展方面的积极态度。

富士纺应继续在聚氨酯抛光垫的材料组成基础上进行深入改进,例如优化原料配比、引入新的添加剂等。通过这些措施,进一步提升抛光垫的性能,满足日益增长的高端市场需求。鉴于富士纺在沟槽结构方面的研究起步较晚,建议其深入分析其他重要申请人的已授权专利,挖掘潜在的技术空白点。在此基础上,避开现有专利的限制,进行有针对性的专利布局,从而在该领域实现技术突破和专利积累。检测窗口的结构设计是抛光垫技术的一个重要发展方向,具有广阔的研发潜力。富士纺可以结合自身的技术实力和市场动态,制定合适的专利保护策略,努力将自身从“技术跟随者”转变为“技术创新者”,在这一新兴领域占据一席之地。

富士纺的成功不仅在于技术的先进性,还在于其专利保护策略与市场战略的紧密结合。我国创新主体应将专利保护贯穿于技术研发、生产制造和市场推广的全过程,通过合理的专利布局,构建技术壁垒,提升市场竞争力。同时,要密切关注市场动态,根据市场需求调整专利布局,确保专利技术能够有效转化为市场优势。总之,富士纺的发展经验为我国创新主体提供了宝贵的借鉴。我国创新主体应立足自身优势,加强技术研发与专利布局,注重持续创新与技术超越,推动知识产权与市场战略的深度融合,从而在全球竞争中不断提升自身的核心竞争力,实现高质量发展。