君理资本 半导体前道设备研究（七）

CMP材料

Teddy写于2022/11/24

 

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目录

一、CMP简介

二、CMP抛光垫

三、CMP抛光液

四、市场情况

 

一、CMP简介

 

现代集成电路加工过程中，常使用化学机械抛光（Chemical Mechanical Polishing, CMP）方法将晶圆进行平坦化，其原理是将旋转的晶圆压在与之反向旋转的抛光垫上，同时让抛光液在晶圆与抛光垫之间持续流动，不断地用化学和机械的方式带走晶圆表面的加工残留物质，从而得到平整的晶圆表面。

CMP 是目前最佳且唯一能够实现晶圆全局高度（纳米级）平坦化的技术，通常每片芯片制造完成需经过几十道抛光工艺。国际上普遍认为，当元器件最小特征尺寸达到 0.35 微米以下时，必须利用 CMP 技术进行全局平坦化以保障后续工艺流程的精确度。如果无法实现晶圆的全面平坦化，那么起伏不平的晶片表面会使得光刻时无法准确对焦，导致线宽控制失效，严重限制布线层数，从而降低集成电路的使用性能。

CMP 抛光垫和抛光液是抛光过程中用到的两种最主要的半导体材料。抛光液是超细固体研磨材料和化学添加剂的混合物，在化学机械抛光过程中，起到研磨晶圆、腐蚀晶圆表面的残留物的作用，而抛光垫的主要作用则是存储和运输抛光液、维持抛光环境；因此抛光过程中需要不断加注抛光液并更换抛光垫。目前，抛光液和抛光垫是化学机械抛光过程中价值量最大的两种材料，分别占比 49%和 33%。

随着芯片制程不断缩进，现代集成电路芯片中的互联结构越来越复杂，所需抛光次数和抛光材料的种类也越来越多。据 DOW 公司统计，5nm 芯片中抛光次数将达到 25-34 次，而 64 层 3D NAND 芯片中的抛光次数将达到 17-32 次，较前一代制程的抛光次数大幅增加。

 

 

二、CMP抛光垫

 

1、抛光垫构造

按照抛光垫材质结构的不同，可以分为聚合物抛光垫、无纺布抛光垫、带绒毛结构的无纺布抛光垫以及复合型抛光垫。

抛光垫大致可分为硬垫软垫或称白垫黑垫，具体在芯片制造使用过程中，主要是粗抛和精抛的区别。黑垫一般情况是承担抛光最后的一道程序，修复前面抛光过程造成的缺陷或瑕疵。相对应的，白垫主要是粗抛使用，关注的是抛光效率。黑白垫技术重点不同，各有各的技术难度。此外，根据抛光晶圆的直径大小，抛光垫还可分为 12 英寸和 8 英寸；根据抛光晶圆表面材料的不同，可分类为钨 W、铜 Cu、浅沟槽隔离STI 等制程。

抛光垫的技术难点主要包括使用寿命和表面沟槽设计，抛光垫使用寿命与其基体材料有关，沟槽设计则与其表面纹理相关。抛光垫基体通常用聚氨酯做成，因为聚氨酯（聚合物）有像海绵一样的机械特性和多孔吸水特性，多孔的特点能帮助传输磨料和提高抛光均匀性。

2、抛光垫验证过程

CMP 是一个跨学科领域，抛光垫的生产流程，前段是以化学为主，材料阶段需要有机高分子领域知识，后端工艺类似切片、磨床等，需要在精密加工行业经验积累。因此，在客户端，抛光垫的技术要求高，导入壁垒高，验证流程和应用评价周期长，产品验证分为离线测试（offline）和在线测试（inline）两个阶段。离线测试：1）直接使用无图案的空片（blankwafer）测试初始性能，包括关键的研磨去除率、缺陷率等；2）跟基准线（baseline）匹配后，进入离线马拉松测试阶段，主要是评估抛光垫在整个寿命过程中的稳定性。离线阶段验证通过以后，进入在线验证阶段，一般分为三个小的流程：1）PRS 阶段，相当于离线测试的初始性能测试阶段；2）STR 阶段，小批量（25-50 片）地跑一些产品；3）MSTR 阶段，大批量（100-500 片）地跑产品。结束后，客户还会进行一些批次间稳定性测试。整个测试完成之后，Pad 才算测试通过，验证的周期较长。单一型号产品的整个测试周期至少需要半年至一年。

3、抛光垫工艺

CMP 抛光基本原理是在晶圆抛光过程中，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，随后通过清洗清除晶圆表面的颗粒。

与传统平坦化工艺相比，使用 CMP 工艺的硅片能够获得硅片表面的全局平坦化，拥有更好的均匀性和平整度。

CMP 工艺之所以拥有更好的均匀性和平坦度，与抛光材料密切相关。控制 CMP工艺是困难的，因为影响均匀性和平坦度的不同参数之间存在相互影响、相互作用。其中抛光液磨料成分、抛光垫成分及结构设计是影响 CMP 抛光速率、非均匀性、稳定性等平坦化效果的重要考虑部分。

CMP 抛光垫主要有四个作用：1）建立抛光液循环，并使抛光液有效均匀分布至整个加工区域；2）去除晶圆表面 CMP 残留物；3）去除传递材料机械载荷；4）维持抛光过程所需的机械和化学环境。此外，抛光垫必须对抛光液具有良好的保持性，在加工时可以涵养足够的抛光液，使 CMP 中的机械和化学反应充分作用。

 

三、CMP抛光液

1、抛光液简介

CMP 抛光液是包含研磨材料和化学添加剂的混合物的液体配方工艺材料，与抛光垫搭配使用，与抛光垫共同提供化学作用力与机械作用力，在 CMP 过程中可使晶圆表面产生一层氧化膜，再由抛光液中的磨粒去除，达到抛光的目的。

根据应用的不同工艺环节，可以将抛光液分为硅/多晶硅抛光液、浅槽隔离（STI）抛光液、金属栅极抛光液、介电材料（二氧化硅、氮化硅）抛光液、钨抛光液、铜及铜阻挡层抛光液，以及用于三维集成的硅通孔（TSV）和混合键合抛光液等。抛光液特点为种类繁多，即使是同一技术节点根据不同客户的工艺技术要求也有不同配方，其主要原料包括纳米研磨颗粒、各种添加剂和溶剂等。其中，纳米研磨颗粒是决定抛光液性能的关键原料，约占抛光液价值的三分之一。

铜抛光液广泛应用于 130nm 及以下技术节点逻辑芯片的制造工艺，在存储芯片制造过程中也有一定的使用；钨抛光液大量应用于存储芯片制造工艺，在逻辑芯片中仅用于部分工艺段；硅粗抛光液主要应用于硅晶圆的初步加工过程中，硅晶圆是集成电路的基底材料。在先进制程中，抛光液的市场空间将大于抛光垫。在 10nm 及以下技术节点中，为了进一步提升芯片性能，钴将部分代替铜作为导线，要求全新的钴抛光液对其进行抛光。随着逻辑市场正从 FinFET转向 GAA，CMP 步骤的数量增加，并引入了用于 metal gate 的新材料，有钴、钌、钼、镍和各种合金。

 

2、抛光液工艺

根据 Cabot 微电子数据，14 纳米以下逻辑芯片工艺要求的关键 CMP 工艺将达到 20 步以上，使用的抛光液将从 90 纳米的五六种抛光液增加到二十种以上，种类和用量迅速增长；7 纳米及以下逻辑芯片工艺中 CMP 抛光步骤甚至可能达到 30 步，使用的抛光液种类接近三十种。

 

四、市场状况

1、市场概览

根据 SEMI 的数据，2021 年全球半导体材料市场规模达 643 亿美元，同比增长 15.9%。其中晶圆制造材料与封装材料市场规模分别为 404 亿美元和 239 亿美元，分别同比增长 15.5%和 16.5%。

全球抛光液与抛光垫市场格局

长期以来，全球化学机械抛光液市场主要被美国和日本企业所垄断，其中 Cabot Microelectronics 是全球第一的化学机械抛光液供应商和第二大化学机械抛光垫供应商，其余包括 Versum 和日本的 Fujimi 等。抛光液与抛光垫不同，市场中国内外参与者众多，竞争格局相对分散，这与抛光液产品细分种类繁多有关。其中，市占率最高的 Cabot 已经从 2000 年约 80%下降至 2019 年约 33%，表明全球抛光液市场集中度下降，朝向多元化发展，地区本土化自给率提升。

当前，全球抛光垫市场主要由美国的陶氏化学寡头垄断。陶氏化学很早就从事抛光垫产品的生产，多年来产品系列型号完备、质量优异、性能领先行业，2019 年市场份额约为 79%，其他家 Cabot、Thomas West、FOJIBO、JSR 分别占 5%，4%，2%，1%，CR5 高达 91%。

2、国内情况

1）鼎龙股份

鼎龙股份成立于 2000 年 7 月，总部设于湖北武汉，并于 2010 年 2 月在创业板上市。在打印复印耗材主业业绩良好的支撑下，公司从 2012 年就开始考虑选择门槛高、技术难度大，需要国产替代的新材料进行研发，前瞻性布局了 CMP（化学机械抛光）抛光垫，切入了半导体材料领域。

公司为国内唯一抛光垫供应商

公司半导体制程工艺材料产品的下游客户为国内主流晶圆厂，半导体显示材料产品的下游客户为国内主流显示面板厂，封装材料下游客户为半导体封装厂，相关产品的销售采取直销模式。下游典型客户包括长江存储、合肥长鑫、中芯国际、武汉新芯等，在存储和先进逻辑领域持续突破。

2022H1，光电半导体材料实现营业收入 2.54 亿元，同比增长 145.61%，营收占比从 2018 年的 0.24%显著提升至 2022 年上半年的 19.32%；打印复印通用耗材仍是公司第一大业务板块，2022H1 实现营业收入 10.39 亿元，同比增长 6.18%，营收占比从 2018 年的 98.62%进一步降至 2022 年上半年的 79.17%。从毛利结构来看，半导体材料在实现规模化销售叠加毛利率显著提升后，对利润的贡献也越来越大，2022H1 在毛利中的占比已超过了 34%。

 

2）安集科技

安集科技成立于2006年，2019年登彔科创板，主营CMP抛光液和功能性湿电子化学品。目前产品已成功应用于IC制造和先进封装领域，涵盖逻辑芯片、存储芯片、模拟芯片、功率器件、传感器、第三代半导体及其他，技术水平一流，其中CMP抛光液位居国内龙头，国产替代持续推进。客户涵盖中芯国际、长江存储、长鑫存储、台积电、华虹集团、华润微等。

CMP抛光液已在130-14nm技术节点实现规模化销售，主要应用于国内8英寸和12英寸主流晶圆产线；10-7nm技术节点产品正在研发中。根据抛光对象不同，公司化学机械抛光液包括铜及铜阻挡层系列、钨抛光液、硅抛光液、介质层抛光液、浅槽隔离抛光液、用于3D封装TSV抛光液、HKMG巟艺铝抛光液、基二氧化铈磨料的抛光液、衬底抛光液等产品。

 

 

 

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