半导体材料(4)-CMP材料-韭研公社

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半导体材料(4)-CMP材料

踏浪修行王地瓜

中线波段的老韭菜

2023-03-24 18:38:54

CMP全称为Chemical Mechanical Polishing，化学机械抛光，是半导体晶片表面加工的关键技术之一，作用是实现晶圆全局均匀平坦化。CMP在前道制程中应用最为广泛，在各种薄膜沉积工艺之后、光刻工艺之前被多次重复使用。此外，CMP在硅片制造的抛光环节、后段封装中的先进封装中也有所应用。

CMP原理

与传统的纯机械或纯化学的抛光方法不同，CMP工艺是通过表面化学作用和机械研磨的技术结合起来，实现晶圆表面微米/纳米级不同材料的去除，从而达到晶圆表面纳米级平坦化，使下一步的光刻工艺得以进行。

CMP过程：抛光头将晶圆待抛光面压抵在粗糙的抛光垫上，借助抛光液腐蚀、微粒摩擦、抛光垫摩擦等耦合实现全局平坦化。抛光盘带动抛光垫旋转，通过先进的终点检测系统对不同材质和厚度的磨蹭实现3~10nm分辨率的实时厚度测量防止过抛，更为关键的技术在于可全局分区施压的抛光头，其在限定的空间内对晶圆全局的多个环状区域实现超精密可控单向加压，从而可以响应抛光盘测量的膜厚数据调节压力控制晶圆抛光形貌，使晶圆抛光后表面达到超高平整度和超低表面粗糙度。

图1. CMP原理

资料来源：Applied Materials，广发证券

CMP 系统主要材料包括抛光液和抛光垫，分别占据抛光材料成本的 49% 和 33%。其他抛光材料还包括抛光头、研磨盘、检测设备、清洗设备等。

图2. CMP材料细分占比

资料来源：SEMI，华创证券

CMP采用将机械摩擦和化学腐蚀相结合的工艺。首先抛光液起到化学腐蚀的作用：介于工件表面和抛光垫之间的抛光液中的氧化剂、催化剂等于工件表面材料进行化学反应，在工件表面产生一层化学反应薄膜。然后抛光垫起到机械摩擦的作用：由抛光液中的磨粒和由高分子材料制成的抛光垫通过机械作用将这一层化学反应薄膜去除，使工件表面重新裸露出来，然后再进行化学反应。

种类及应用

抛光液是一种由去离子水、磨料、PH 值调节剂、氧化剂以及分散剂等添加剂组成的水溶性试剂。在抛光的过程中，抛光液中的氧化剂等成分与硅片表面材料产生化学反应，在表面产生一层化学反应薄膜，后由抛光液中的磨粒在压力和摩擦的作用下将其去除，最终实现抛光。抛光液可根据应用工艺环节、配方中磨粒、PH 值的不同进行分类。

根据应用工艺环节的不同，可分为硅抛光液、铜抛光液、阻挡层抛光液、钨抛光液、钴抛光液、介质层（TDL）抛光液、浅槽隔离（STI）抛光液和硅通孔（TSV）抛光液。其中，硅抛光液多用于硅片的初步加工和打磨，铜抛光液和阻挡层抛光液用于对铜及其阻挡层的抛光，钨抛光液用于通孔及接触孔工艺，在存储芯片制造中广泛应用，钴抛光液多用于 10 nm 以下制程的芯片制造，硅通孔抛光液主要用于3D封装工艺。

表1. CMP抛光液产品及应用

资料来源：安集科技，华创证券

根据抛光液配方中磨粒的不同，可分为二氧化硅、氧化铈、氧化铝磨粒等三大类。二氧化硅磨粒活性强、易于清洗且分散性及选择性好，多用于硅、SiO2层间介电层的抛光。缺点是硬度大，容易对硅片表面造成损伤，且抛光效率较低。氧化铝磨粒抛光效率高，但硬度强、选择性低且团聚严重，因此抛光液中常需加入各类稳定剂和分散剂，导致成本相对较高。氧化铈磨粒硬度低，抛光效率高，平坦度高，清洁无污染，但团聚严重，也需加入各类稳定剂和分散剂，且铈属于稀有金属，成本较高。

根据 PH 值的不同，可分为酸性抛光液和碱性抛光液。酸性抛光液具有抛光效率高、可溶性强等优点，多用于对铜、钨、铝、钛等金属材料进行抛光。其缺点是腐蚀性较大，对抛光设备要求高，所以常选择向抛光液中添加抗蚀剂（BTA）提高选择性，但 BTA的添加容易降低抛光液的稳定性。不同于酸性抛光液，碱性抛光液具有腐蚀性小、选择性高等优点，多数用于抛光硅、氧化物及光阻材料等非金属材料。碱性抛光液的缺点也较为明显，因为不容易找到在弱碱性中氧化势高的氧化剂，所以抛光效率较低。

抛光垫是负责输送和容纳抛光液的关键部件。在抛光的过程中，抛光垫具有把抛光液有效均匀地输送到抛光垫的不同区域、清除抛光后的反应物、碎屑等、维持抛光垫表面的抛光液薄膜，以便化学反应充分进行、保持抛光过程的平稳、和晶圆片表面不变形等功能。

抛光垫可以根据是否含有磨料、材质和表面结构的不同进行分类。根据抛光垫是否含有磨料，抛光垫可分为有磨料抛光垫和无磨料抛光垫；根据材质的不同，也可分为聚氨酯抛光垫、无纺布抛光垫和复合型抛光垫；根据表面结构的不同，又可分为平面型抛光垫、网格型抛光垫。

市场规模及结构

半导体行业高景气带动CMP市场稳定增长。伴随半导体材料行业景气度向上，CMP材料市场有望受下游市场驱动，保持稳健增速。2020年全球抛光液和抛光垫全球市场规模分别为13.4亿美元和8.2亿美元。中国CMP市场涨幅趋势与国际一致，2021年抛光液和抛光垫市场规模分别为22亿元和13亿元。中国正全面发展半导体材料产业，CMP产业未来增长空间广阔。

图3. 全球 CMP 材料市场规模（亿美元）及增速

资料来源：Mordor Intelligence , Cabot，华创证券

图4. 中国半导体 CMP 材料市场规模（亿元）

资料来源：头豹研究院，华创证券

随着制程不断微型化，IC芯片互联结构变得更加复杂，所需抛光次数和抛光材料的种类也逐渐变多。在芯片制造过程中，需要将电路以堆叠的方式组合起来，制程越精细，所堆叠的层数就越多。在堆叠的过程中，需要使用到氧化层、介质层、阻挡层、互连层等多个薄膜层交错排列，且每个薄膜层所用到的抛光材料也不相同。此外，随着 NAND 存储芯片结构逐渐由 2D 转向 3D，CMP抛光层数和所用到的抛光材料种类也在不断增加。根据美国陶氏杜邦公司公开数据，5nm制程中抛光次数将达 25-34次，64层3D NAND芯片中的抛光次数将达到17-32 次，抛光次数均较前一代制程大幅增加。伴随制程工艺的发展，CMP材料市场有望不断扩容，成长空间较大。

图5. 不同芯片制程对应CMP抛光次数

资料来源：Cabot 公告

图6. 不同NAND存储芯片对应CMP抛光次数

资料来源：Cabot 公告

市场竞争

CMP 抛光液市场，美国 Cabot是国际龙头，安集科技(688019.SH)为国内龙头。目前全球抛光液市场主要由美日厂商垄断，美国Cabot、美国Versum、日本日立、日本 Fujimi 和美国陶氏杜邦五家美日厂商占据全球抛光液近八成的市场份额，安集科技仅占约3%。国内市场中，美国 Cabot占约 64%，安集科技市占率为 22%。2021年，安集科技CMP抛光液产品销售规模达到5.9亿元。

图7. 全球(左)及我国(右)抛光液市场份额

资料来源：华经产业研究院，华创证券

当前全球抛光垫市场主要由美国的陶氏杜邦垄断，市占率近80%，其他公司如美国 Cabot、日本 Fujimi、日本 Hitachi 等市占率在 5%以内。内资企业中，鼎龙股份、江丰电子和万华化学具备相应的生产力。其中，鼎龙股份为国内抛光垫龙头企业，生产的抛光垫意在对标美国陶氏杜邦。随着国内晶圆厂扩张，需求提升，为确保供应链的稳定，内资企业迎来发展潮。

图8. 全球抛光垫市场份额情况

资料来源：前瞻产业研究院，华创证券

行业壁垒

抛光液配方的调配为一大技术难点。由于CMP抛光液应用众多，不同的客户有不同的需求，专用性较强，且需要加入氧化剂、络合剂、表面活性剂、缓蚀剂等多种添加试剂，如何调配出合适的抛光液配方需要企业长时间的技术积累和不断的研发尝试。目前许多配方受到专利保护，行业研发壁垒高。

抛光垫中聚氨酯孔洞结构规整程度至关重要。聚氨酯由多异氰酸酯、多元醇和催化剂等原料构成，在制造过程中通过化学反应会形成泡孔结构。由于日本发展该技术时间较早，技术成熟，聚氨酯所产生的孔洞结构均衡、孔径大小统一，因此日本企业所生产的抛光垫质量相对更高。目前我国仍在进行相关技术的研发，但受制于起步较晚，技术尚不成熟。

半导体材料试错成本高、认证时间长。企业需要不断找到合适配方、稳定制作工艺及设计图案，从而获得较好的、稳定的抛光速率和抛光效果，因此 CMP 材料的研究消耗时间成本较高，需要较长时间来试错摸索工艺指标、产品配方等对物理参数及性能的影响，形成较高的行业 know-how 壁垒。

参考资料：

1. 华创证券-半导体材料景气持续，国产替代正当时

2. 国海证券-国内CMP抛光液龙头,深度受益国产替代-安集科技（688019）深度报告

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