CMP的概念、重要性及工作原理

來源：國華投資

前言

化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）是晶圓制造的關(guān)鍵步驟，其作用在于減少晶圓表面的不平整，而拋光液、拋光墊是CMP技術(shù)的關(guān)鍵耗材，價值量較高，分別占CMP耗材49%和33%的價值量，其品質(zhì)直接影響著拋光效果，因而對提高晶圓制造質(zhì)量至關(guān)重要。拋光液/墊技術(shù)壁壘較高，高品質(zhì)的拋光液需要綜合控制磨料硬度、粒徑、形狀、各成分質(zhì)量濃度等要素，而拋光墊則更加看重低缺陷率和長使用壽命。隨著制程不斷迭代，未來拋光材料將往專用化和定制化方向發(fā)展。

隨著全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)規(guī)模的增長，CMP拋光液市場規(guī)模將進(jìn)一步擴(kuò)大，2020年全球拋光液市場規(guī)模達(dá)18.2億美元，預(yù)計2025有望達(dá)到23億美元，CAGR達(dá)4.45%。國產(chǎn)替代大趨勢疊加半導(dǎo)體晶圓廠的擴(kuò)產(chǎn)，國內(nèi)對CMP耗材需求有著巨大的提升，2020年國內(nèi)拋光液市場規(guī)模為20億元，預(yù)計2025年達(dá)到40億元，CAGR高達(dá)15%，遠(yuǎn)超全球拋光液市場增速，但國內(nèi)在拋光液領(lǐng)域布局較晚，國產(chǎn)化率較低，國內(nèi)企業(yè)迎發(fā)展機(jī)遇。

CMP概念

一、定義

CMP 全稱為 Chemical Mechanical Polishing，即化學(xué)機(jī)械拋光，是普通拋光技術(shù)的高端升級版本。其中單晶硅片制造過程和前半制程中需要多次用到化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)。與此前普遍使用的機(jī)械拋光相比，化學(xué)機(jī)械拋光能使硅片表面變得更加平坦，并且還具有加工成本低及加工方法簡單的優(yōu)勢，因而成為目前最為普遍的半導(dǎo)體材料表面平整技術(shù)。

集成電路制造過程好比建房子，每搭建一層樓層都需要讓樓層足夠水平齊整，才能在其上方繼續(xù)搭建另一層樓，否則樓面就會高低不平，影響整體可靠性，而這個使樓層整體平整的技術(shù)在集成電路中制造中用的就是化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)。

二、CMP的重要性

芯片制造過程大致可以分為頂層設(shè)計、晶圓制造、封裝測試三大步驟，其中晶圓制造過程尤為復(fù)雜。晶圓制造過程主要可以分為熱處理、光刻、刻蝕、離子注入、薄膜沉積、化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）、清洗、前道量測等工藝流程。這些工藝并不是按單一順序執(zhí)行，而是根據(jù)要生產(chǎn)的芯片特性選擇性地重復(fù)進(jìn)行。典型的晶圓制造需要花費(fèi)6-8周時間，涵蓋300多道工藝流程，某些工序可能需要執(zhí)行幾百次。例如，根據(jù)不同工藝制程和技術(shù)節(jié)點(diǎn)的要求，每一片晶圓在生產(chǎn)過程中都會經(jīng)歷幾道甚至幾十道的化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）工序。在眾多制造環(huán)節(jié)中，CMP拋光材料總體占到晶圓制造所需各類材料成本的7%，是非常重要的一道工序。

若未經(jīng)平坦化處理，晶片起伏隨著層數(shù)增多變得更為明顯，同層金屬薄膜由于厚度不均導(dǎo)致電阻值不同，引起電子遷移造成電路短路。起伏不平的晶片表面還會使得光刻時無法準(zhǔn)確對焦，導(dǎo)致線寬控制失效，嚴(yán)重限制了布線層數(shù)，降低集成電路的使用性能。

三、CMP工作原理介紹

CMP 是通過納米級粒子的物理研磨作用與拋光液的化學(xué)腐蝕作用的有機(jī)結(jié)合，對集成電路器件表面進(jìn)行平滑處理，并使之高度平整的工藝技術(shù)。當(dāng)前集成電路中主要是通過 CMP 工藝，對晶圓表面進(jìn)行精度打磨，并可到達(dá)全局平整落差 100A°1000A°（相當(dāng)于原子級 10100nm）超高平整度。

拋光液一般包含磨粒、氧化劑、絡(luò)合劑、表面活性劑、磨料、pH調(diào)節(jié)劑、腐蝕抑制劑等成分。

化學(xué)機(jī)械拋光采用將機(jī)械摩擦和化學(xué)腐蝕相結(jié)合的工藝，在CMP工作過程中，CMP用的拋光液中的化學(xué)試劑將使被拋光基底材料氧化，生成一層較軟的氧化膜層，然后再通過機(jī)械摩擦作用去除氧化膜層，這樣通過反復(fù)的氧化成膜-機(jī)械去除過程，從而達(dá)到了有效拋光的目的。

拋光液產(chǎn)業(yè)鏈

就拋光液產(chǎn)業(yè)鏈而言，上游主要是各類原材料廠商，中游是拋光液的生產(chǎn)商，主要以國外廠商為主，國內(nèi)廠商仍處于發(fā)展階段，國內(nèi)市場占比僅為10%左右。下游主要是晶圓的生產(chǎn)商。

一、上游

拋光液組分復(fù)雜，由氧化劑、磨粒、絡(luò)合劑、表面活性劑、緩蝕劑、pH調(diào)節(jié)劑及pH緩沖劑按照一定比例配置而成。每種添加劑都在CMP過程中起到了不可或缺的獨(dú)特功效。其中氧化劑用于形成氧化膜；磨粒用于去除氧化膜；絡(luò)合劑和表面活性劑可以促進(jìn)拋光中化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行；緩蝕劑可以在拋光表面形成一層保護(hù)膜，防止拋光過程中出現(xiàn)過度腐蝕的情況；pH調(diào)節(jié)劑可以調(diào)節(jié)拋光液pH值至理想值，pH緩蝕劑則有利于穩(wěn)定拋光液pH值。高質(zhì)量拋光液既要控制好磨粒的硬度、粒徑、形狀，又要使拋光液中各組分達(dá)到合適濃度。

二、中游

（一）拋光液的類別

根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域，拋光液可分為硅拋光液、銅及銅阻擋層拋光液、鎢拋光液、鈷拋光液、介質(zhì)層（TDL）拋光液、淺槽隔離層（STI）拋光液和3D封裝硅通孔（TSV）拋光液。硅拋光液主要用于對硅晶圓的初步加工；銅及銅阻擋層拋光液主要用于對銅和銅阻擋層進(jìn)行拋光；鎢拋光液主要用于制造存儲芯片，在邏輯芯片中只用于部分工藝段；鈷拋光液主要用于10nm節(jié)點(diǎn)以下芯片。

目前在集成電路制造中 CMP 技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，從加工過程中最初的 STI（淺溝槽隔離層）到 ILD（層間介質(zhì)）再到 Metal 金屬互連層再到后期的 TM（頂層金屬）都需要用到。

（二）拋光液的市場規(guī)模

隨著全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)規(guī)模的增長，CMP拋光液市場規(guī)模將進(jìn)一步擴(kuò)大，2020年全球拋光液市場規(guī)模達(dá)18.2億美元，預(yù)計2025有望達(dá)到23億美元，CAGR達(dá)4.45%。國產(chǎn)替代大趨勢疊加半導(dǎo)體晶圓廠的擴(kuò)產(chǎn)，國內(nèi)對CMP耗材需求有著巨大的提升，2020年國內(nèi)拋光液市場規(guī)模為20億元，預(yù)計2025年達(dá)到40億元，CAGR高達(dá)15%，遠(yuǎn)超全球拋光液市場增速，但國內(nèi)在拋光液領(lǐng)域布局較晚，國產(chǎn)化率較低，國內(nèi)企業(yè)迎發(fā)展機(jī)遇。

三、下游

（一）晶圓制造產(chǎn)能擴(kuò)建帶動CMP材料需求

5G、物聯(lián)網(wǎng)、智能汽車、云服務(wù)等下游旺盛需求的驅(qū)動下，全球晶圓廠積極擴(kuò)產(chǎn)。根據(jù)SEMI數(shù)據(jù)預(yù)測，2024年全球8英寸晶圓月產(chǎn)能預(yù)計將達(dá)到660萬片，相較于2020年的565萬片，增幅17%，2024年全球12英寸晶圓廠數(shù)量相比2020年將至少新增38家，達(dá)到161家，同時12英寸晶圓月產(chǎn)能也將增加約180萬片，達(dá)到700萬片以上。

同時，中國大陸晶圓產(chǎn)能大幅提升，國產(chǎn)化進(jìn)程快速推進(jìn)。根據(jù)SEMI預(yù)測，從2019年到2024年，全球至少新增38座12英寸晶圓廠，其中中國新增19座（中國臺灣11座、大陸8座），占新建總數(shù)的一半，中國12英寸晶圓產(chǎn)能的全球份額，也將從2015年的8%提高到2024年的20%，預(yù)計產(chǎn)能將達(dá)到月產(chǎn)150萬片。無論是成熟制程還是先進(jìn)制程的產(chǎn)能擴(kuò)建，對全球和中國CMP材料市場都具有強(qiáng)力的拉動作用。國內(nèi)廠商在鞏固成熟制程的市場同時，通過自身技術(shù)升級來爭取廣大的先進(jìn)制程市場。

（二）半導(dǎo)體先進(jìn)制程推動CMP行業(yè)發(fā)展

隨著摩爾定律的延續(xù)，當(dāng)制造工藝不斷向先進(jìn)制程節(jié)點(diǎn)發(fā)展時對CMP技術(shù)的要求相應(yīng)提高、步驟也會不斷增加。如果晶圓（芯片）制造過程中無法做到納米級全局平坦化，既無法重復(fù)進(jìn)行光刻、刻蝕、薄膜和摻雜等關(guān)鍵工藝，也無法將制程節(jié)點(diǎn)縮小至納米級的先進(jìn)領(lǐng)域，因此隨著超大規(guī)模集成電路制造的線寬不斷細(xì)小化而產(chǎn)生對平坦化的更高要求和需求，CMP在先進(jìn)工藝制程中具有不可替代且越來越重要的作用。

在邏輯芯片中，制程的縮小意味著光刻次數(shù)、刻蝕次數(shù)的大幅增加，同樣也帶動CMP工藝步驟的增加。根據(jù)Cabot官網(wǎng)數(shù)據(jù)顯示，180nm制程所需CMP工藝步驟約為10步，14nm制程需要CMP工藝約為20步， 7nm 制程需要CMP工藝約30步，越向先進(jìn)制程發(fā)展，其對應(yīng)的CMP工藝步驟越高，同時拋光液品種也由原先的5-6種增加到20余種，帶動了耗材需求量的增長。

CMP拋光次數(shù)隨集成電路技術(shù)進(jìn)步而增加

在存儲芯片中，從2D NAND到3D NAND的技術(shù)變革同樣帶來了CMP工藝步驟的提升，在2D NAND中需要7個CMP步驟，而在3D NAND中達(dá)15次。同時，3D NAND技術(shù)中對鎢材料使用也大幅提高，拉動了鎢拋光液的市場需求。

NAND存儲芯片正經(jīng)歷從2D到3D的革新（十億美元）

3D NAND拋光工藝是2D NAND 的兩倍

行業(yè)壁壘

CMP材料所面對的共同壁壘主要有兩個：技術(shù)壁壘和客戶認(rèn)證。

一、技術(shù)壁壘

在種類繁多的半導(dǎo)體材料子行業(yè)中，拋光墊、拋光液是最容易被“卡脖子”的領(lǐng)域之一，究其原因就在于，為了實(shí)現(xiàn)納米級的打磨技術(shù)，對拋光墊和拋光液的要求也極為嚴(yán)苛。而且隨著制程工藝越來越先進(jìn)，對這兩種材料的技術(shù)要求也不斷提高，所以有“一代材料，一代產(chǎn)品”之說。

CMP拋光材料的技術(shù)更新動力源自下游晶圓的技術(shù)更新。晶圓制程不斷提高，從1971年的10微米發(fā)到現(xiàn)在的10納米、7納米甚至5納米。前面提到，境外主流工藝現(xiàn)在在14納米階段，而中國大陸晶圓代工龍頭中芯國際的最先進(jìn)制程也就28納米。三星、臺積電已經(jīng)實(shí)現(xiàn)10納米和7納米制程。為了追趕摩爾定律，制程工藝大約2年就能更新一次，往往是這邊的技術(shù)還沒趕上，那邊的新技術(shù)又出來了。為了滿足更細(xì)致的工藝，CMP材料也有著更高的要求。

當(dāng)前集成電路要求全局平整落差100A°-1000A°（相當(dāng)于原子級10-100nm）的超高平整度。除此之外，試錯成本也成為了CMP材料的技術(shù)壁壘。拋光材料要不斷找到合適配方、穩(wěn)定制作工藝及設(shè)計圖案，從而獲得較好的、穩(wěn)定的拋光速率和拋光效果，所以企業(yè)研究CMP耗材時間成本較高，需要較長時間來試錯摸索工藝指標(biāo)、產(chǎn)品配方等對物理參數(shù)及性能的影響結(jié)果，形成較深的Knowhow壁壘。

二、客戶認(rèn)證

半導(dǎo)體器件要求極高的良品率，一旦形成穩(wěn)定的供應(yīng)鏈體系，替換可能較小。通常進(jìn)入晶圓廠供應(yīng)鏈體系需經(jīng)過審核、送樣、測試等環(huán)節(jié)，驗(yàn)證周期2-3年，但同時也意味著，一旦進(jìn)入供應(yīng)鏈體系，將形成一條寬闊的護(hù)城河。

嚴(yán)格來說，半導(dǎo)體材料行業(yè)屬于成熟產(chǎn)業(yè)，各領(lǐng)域集中度高，巨頭林立，但在國產(chǎn)替代的大背景下，有技術(shù)實(shí)力的國內(nèi)企業(yè)，如安集科技，已經(jīng)進(jìn)入中芯國際等國內(nèi)大廠的供應(yīng)鏈體系，將成為穩(wěn)定的賺錢機(jī)器。

行業(yè)格局

一、市場份額

拋光液市場占整個半導(dǎo)體材料的3-4%。從市場份額來看，由于拋光液種類繁多，市場競爭格局相對較分散，全球龍頭企業(yè)為Cabot，根據(jù)Semi統(tǒng)計，2018年拋光液市場主要參與廠商為Cabot（33%）、Hitachi（13%）、Fujimi（10%）、Versum（9%）、其他還包括Dow、DuPont、Rodel、Eka，Hinomoto Kenmazai，韓國ACE等公司，海外企業(yè)合計占據(jù)全球90%以上的市場份額，國內(nèi)代表企業(yè)為安集科技，占全球市場份額2.4%，國內(nèi)市場主要為Cabot主導(dǎo)，根據(jù)Cabot數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2018年中國市場Cabot占43%份額，安集科技占13%份額，其余44%為其他海外企業(yè)占據(jù)。2020年Cabot在拋光液領(lǐng)域收入達(dá)4.81億美元，市場份額提升至36%，安集科技收入達(dá)3.75億元，市占率提升至4.2%。

盡管Cabot為行業(yè)龍頭，且大幅領(lǐng)先于行業(yè)第二名企業(yè)，但其市場份額呈逐漸下滑狀態(tài)。我們根據(jù)拋光液行業(yè)規(guī)模及Cabot披露的拋光液收入測算，2011年公司全球市占率約50%，至2020年公司份額已下滑至36%。隨著制程的演進(jìn)，拋光液的種類一直在擴(kuò)展，由原先的4-5種已逐漸發(fā)展到30余種，技術(shù)難度也變得較為復(fù)雜，客戶的需求也逐漸多樣化，龍頭公司很難在所有細(xì)分領(lǐng)域掌握核心技術(shù)形成壟斷，滿足所有客戶需求，因此多數(shù)企業(yè)選擇深耕某一細(xì)分領(lǐng)域，這同時也給了新進(jìn)入者切入市場的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

二、國內(nèi)公司介紹

（一）安集科技

安集科技拳頭產(chǎn)品銅（含阻擋層）已經(jīng)在多方客戶實(shí)現(xiàn)突破，14nm穩(wěn)定量產(chǎn)的同時，10-7nm逐步突破，并且突破邏輯、存儲兩大領(lǐng)域。此外公司鎢研磨液已在長存得到應(yīng)用， 并積極配合客戶實(shí)現(xiàn)二氧化鈰的驗(yàn)證。

在光刻膠去除劑方面，已量產(chǎn)并且持續(xù)擴(kuò)大應(yīng)用；28nm 技術(shù)節(jié)點(diǎn)后段硬掩模工藝光刻膠去除劑的驗(yàn)證工作正在按計劃進(jìn)行，以加快實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化供應(yīng)；14nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)后段蝕刻殘留物去除劑的研究仍在按計劃進(jìn)行。

根據(jù) TECHET 報告測算，公司 CMP 拋光液在全球市場份額達(dá)到5%，在國內(nèi)處于行業(yè)龍頭地位。安集科技的客戶中包括了中芯國際、臺積電、長江存儲、華潤微電子、華虹宏力等國內(nèi)外知名企業(yè)。

（二）鼎龍股份

鼎龍股份作為當(dāng)前國內(nèi)為數(shù)不多的CMP拋光墊廠商，且是國內(nèi)唯一擁有自有產(chǎn)權(quán)并實(shí)現(xiàn)放量的CMP拋光墊廠商，行業(yè)地位顯著提升。其子公司自研氧化層拋光液產(chǎn)品近期收到某國內(nèi)主流晶圓廠商的采購訂單，采購數(shù)量為20噸。此拋光液從原材料到成品全部生產(chǎn)工段均由鼎澤新材料自主完成，有助于徹底解決客戶被國外拋光液廠商“卡脖子”問題。同時，武漢工廠一期全自動化拋光液生產(chǎn)車間已建成，具備年產(chǎn)5000噸拋光液的生產(chǎn)能力，能夠滿足客戶端訂單需求。

審核編輯：湯梓紅