CMP全稱(chēng)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(jí)版本。CMP是通過(guò)納米級(jí)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(duì)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(guò)CMP工藝,對(duì)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(jí)10~100nm)超高平整度。而未經(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,引起電致遷移造成電路短路。起伏不平的晶片表面還會(huì)使得光刻時(shí)無(wú)法準(zhǔn)確對(duì)焦,導(dǎo)致線(xiàn)寬控制失效,嚴(yán)重限制了布線(xiàn)層數(shù),降低集成電路的使用性能。
CMP工藝原理圖
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一、CMP行業(yè)市場(chǎng)格局
摩爾定律下,代工制程節(jié)點(diǎn)不斷縮小,布線(xiàn)層數(shù)持續(xù)增加,CMP成為關(guān)鍵制程。1991年IBM公司首次成功地將CMP技術(shù)應(yīng)用到動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器的生產(chǎn)以來(lái),隨著半導(dǎo)體工業(yè)踏著摩爾定律的節(jié)奏快速發(fā)展,芯片的特征尺寸持續(xù)縮小,已發(fā)展至5~7nm。CMP已成功用于集成電路中的半導(dǎo)體晶圓表面的平面化。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(guò)程中都會(huì)經(jīng)歷幾道甚至幾十道的CMP拋光工藝步驟。
隨著特征尺寸的縮小,以及布線(xiàn)層數(shù)增長(zhǎng),對(duì)晶圓平坦化精度要求不斷增高,普通的化學(xué)拋光和機(jī)械拋光難以滿(mǎn)足在當(dāng)前集成電路nm級(jí)的精度要求,特別是目前對(duì)于0.35um制程及以下的器件必須進(jìn)行全局平坦化,CMP技術(shù)能夠全局平坦化、去除表面缺陷、改善金屬臺(tái)階覆蓋及其相關(guān)可靠性,從而成為目前最有效的拋光工藝。
拋光工藝對(duì)比
拋光工藝 | 特點(diǎn) |
化學(xué)拋光 | 表面精度較高,損傷低,完整性好,不容易出現(xiàn)表面/亞表面損傷,但研磨速率較慢,材料去除效率較低,不能修正表面型面精度,研磨一致性比較差 |
機(jī)械拋光 | 研磨一致性好,表面平整度高,研磨效率高容易出現(xiàn)表面層/亞表面層損傷,表面粗糙度值比較低 |
CMP | 吸收了化學(xué)拋光和機(jī)械拋光的優(yōu)點(diǎn),目前CMP工藝能夠在保證材料去除效率,并獲得全局平整落差<100A。(相當(dāng)于10nm原子級(jí)別)超高平整度。 |
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制程提升提高CMP拋光需求(單數(shù):次)
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CMP主要由拋光墊、拋光液、調(diào)節(jié)器等部分組成。化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)是化學(xué)作用和機(jī)械作用相結(jié)合的組合技術(shù),旋轉(zhuǎn)的晶圓以一定的壓力壓在旋轉(zhuǎn)的拋光墊上,拋光液在晶圓與拋光墊之間流動(dòng),并產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。晶圓表面形成的化學(xué)反應(yīng)物由漂浮在拋光液中的磨粒通過(guò)機(jī)械作用將這層氧化薄膜去除,在化學(xué)成膜和機(jī)械去膜的交替過(guò)程中實(shí)現(xiàn)超精密表面加工。
從價(jià)值量占比可以看到,CMP材料是芯片制造的核心耗材,占芯片制造成本約7%,其中拋光墊價(jià)值量占CMP耗材的33%左右。拆解晶圓制造成本進(jìn)行,CMP材料占比較大,約為6.7%。價(jià)值量與光刻膠相近。其中拋光液和拋光墊是最核心的材料,占比分別為49%和33%。
晶圓制造材料細(xì)分占比
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CMP材料細(xì)分占比
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拋光墊決定了CMP工藝的基礎(chǔ)拋光效果,并結(jié)合設(shè)備操作過(guò)程、硅片、拋光液等因素,共同影響CMP拋光結(jié)果和效率。一般從平均磨除率、平整度和均勻性、選擇比和表面缺陷四個(gè)維度來(lái)評(píng)判拋光效果。其中,拋光墊的物理化學(xué)等性能在CMP工藝中發(fā)揮了重要的作用。
CMP拋光效果評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)顯現(xiàn)拋光墊決定基礎(chǔ)拋光性能
標(biāo)準(zhǔn) | 解釋說(shuō)明 |
平均磨除率 | 在設(shè)定時(shí)間內(nèi)磨除材料的厚度 |
平整度和均勻性 | 平整度是硅片某處CMP前后臺(tái)階高度之差占CMP之前臺(tái)階高度的百分比 |
選擇比 | 對(duì)不同材料的拋光速率是影響硅片平整性和均勻性的重要因素 |
表面缺陷 | CMP工藝造成的硅片表面缺陷包括擦傷或溝、凹陷、侵蝕、殘留物和顆粒污染 |
設(shè)備過(guò)程變量 | 作用壓力P、硅片和拋光墊之間的相對(duì)速度、拋光時(shí)間、拋光區(qū)域溫度及分布 |
硅片 | 表面應(yīng)力分布、圖案密度、形狀 |
拋光液 | 化學(xué)性質(zhì)、成分、ph值;粘度、溫度、供給速度;磨粒尺寸、分布、硬度、形狀 |
拋光墊 | 材料、密度、物理化學(xué)性質(zhì);硬度、厚度、粗糙度;結(jié)構(gòu)、表面形態(tài)、穩(wěn)定性 |
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未來(lái)3-5國(guó)內(nèi)晶圓制造產(chǎn)能將翻番,國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈上下游迎來(lái)重要契機(jī)。大陸區(qū)域晶圓制造目前大概有54個(gè)運(yùn)營(yíng)主體,共計(jì)94個(gè)晶圓廠或產(chǎn)線(xiàn)項(xiàng)目,目前產(chǎn)能平穩(wěn)運(yùn)行的有17個(gè)晶圓廠及產(chǎn)線(xiàn)項(xiàng)目,正在產(chǎn)能爬坡的有37個(gè),未來(lái)3-6個(gè)試生產(chǎn)的11個(gè),正在項(xiàng)目基礎(chǔ)建設(shè)的9個(gè),另外正在規(guī)劃的約11個(gè)。
智研咨詢(xún)發(fā)布的《2020-2026年中國(guó)CMP拋光材料行業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)狀況及投資機(jī)會(huì)分析報(bào)告》數(shù)據(jù)顯示:截止2019年底,我國(guó)12英寸晶圓制造廠裝機(jī)產(chǎn)能約90萬(wàn)片/月,較2018年增長(zhǎng)50%;8英寸晶圓制造廠裝機(jī)產(chǎn)能約100萬(wàn)片/月,較2018年增長(zhǎng)10%;6英寸晶圓制造廠裝機(jī)產(chǎn)能約230萬(wàn)片/月,較2018年增長(zhǎng)15%。
預(yù)計(jì)至2024年,大陸區(qū)域12英寸目標(biāo)產(chǎn)能達(dá)273.0萬(wàn)片/月,相比2019年增長(zhǎng)超過(guò)2倍,8英寸目標(biāo)產(chǎn)能達(dá)187萬(wàn)片/月,相比2019年增長(zhǎng)90%。若這些晶圓廠如期達(dá)到產(chǎn)能目標(biāo),將大幅拉動(dòng)對(duì)國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體設(shè)備和材料的需求。
大陸區(qū)域晶圓廠運(yùn)營(yíng)主體的目標(biāo)產(chǎn)能(萬(wàn)片/月)
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大陸區(qū)域晶圓廠項(xiàng)目建設(shè)梳理一覽
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隨著晶圓廠產(chǎn)能增長(zhǎng),預(yù)計(jì)至2023年CMP拋光墊全球市場(chǎng)規(guī)模約9.9億美金,其中中國(guó)市場(chǎng)有望達(dá)到4.40億美金,具有較大的發(fā)展前景。預(yù)計(jì)未來(lái)全球CMP市場(chǎng)復(fù)制增長(zhǎng)率約6%。隨著未來(lái)國(guó)內(nèi)晶圓廠大幅投產(chǎn),測(cè)算預(yù)計(jì)未來(lái)5年中國(guó)CMP拋光墊市場(chǎng)規(guī)模增速可超10%,至2023年可達(dá)約4.40億美金。
全球及國(guó)內(nèi)CMP市場(chǎng)規(guī)模
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CMP拋光墊行業(yè)集中度極高。目前全球CMP拋光墊市場(chǎng)格局主要被Dow、Cabot、ThomasWest等外資廠商壟斷,前5大公司壟斷約90%市場(chǎng)份額。國(guó)內(nèi)廠商在CMP拋光墊領(lǐng)域具有較為廣闊的替代空間。
CMP競(jìng)爭(zhēng)格局
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二、行業(yè)壁壘
CMP拋光墊具有較高技術(shù)要求、持續(xù)較大資金投入、核心客戶(hù)認(rèn)證體系是主要進(jìn)入壁壘。對(duì)于行業(yè)現(xiàn)有龍頭企業(yè)而言,為了打擊后發(fā)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),往往會(huì)發(fā)揮市場(chǎng)壟斷支配地位,通過(guò)采取差異性定價(jià)策略鎖定下游晶圓廠的長(zhǎng)期合同,從而建立自身的行業(yè)護(hù)城河。
1.專(zhuān)利技術(shù)積累較淺。
拋光墊是CMP工藝中重要耗材。聚胺脂有像海綿一樣的機(jī)械特性和多孔吸水特性,具有良好的耐磨性、較高的拋光效率,在集成電路晶圓的CMP中應(yīng)用非常廣泛。主要型號(hào)有IC1000、IC1400、IC2000、SUBAIV等,其中IC1000和SUBAIV是用得最廣的。拋光墊表面包括一定密度的微凸峰,也有許多微孔,不僅可以去除硅片表面材料,而且還起到存儲(chǔ)和運(yùn)輸拋光液、排除拋光過(guò)程產(chǎn)物的作用。墊上有時(shí)開(kāi)有可視窗,便于線(xiàn)上檢測(cè)。拋光墊是CMP工藝中重要的耗材,同時(shí)需要定時(shí)整修。2018年國(guó)際拋光墊專(zhuān)利申請(qǐng)量為76個(gè),中國(guó)拋光墊專(zhuān)利申請(qǐng)量為48個(gè),2019年相較于2018年專(zhuān)利申請(qǐng)量有所下降,數(shù)量為21個(gè)。
中國(guó)及國(guó)際近年來(lái)拋光墊專(zhuān)利申請(qǐng)量對(duì)比
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2.從技術(shù)壁壘上看,拋光墊技術(shù)難點(diǎn)在需要持續(xù)試錯(cuò),找到合適材料配方、穩(wěn)定制作工藝及設(shè)計(jì)圖案,從而獲得較好的、穩(wěn)定的拋光速率和拋光效果。
企業(yè)研究CMP耗材時(shí)間成本較高,可能需要較長(zhǎng)時(shí)間來(lái)試錯(cuò)摸索工藝指標(biāo)、產(chǎn)品配方等對(duì)物理參數(shù)及性能的影響結(jié)果,形成較深的Knowhow壁壘。以?huà)伖鈮|為例,由于拋光墊通常物理指標(biāo)包含硬度、剛性、韌性、彈性模量、剪切模量、密度、可壓縮性等各項(xiàng)機(jī)械指標(biāo),綜合影響拋光效果,而如果結(jié)合考慮材料選擇、溫度選擇、固化時(shí)長(zhǎng)、攪拌時(shí)長(zhǎng)等工藝步驟控制,按照三元變量簡(jiǎn)單推算其理論方案可能性至少在數(shù)萬(wàn)次至數(shù)百萬(wàn)次試驗(yàn)級(jí)別,因此對(duì)于企業(yè)而言需要較長(zhǎng)時(shí)間來(lái)試錯(cuò)摸索工藝指標(biāo)、產(chǎn)品配方等對(duì)物理參數(shù)及性能的影響結(jié)果。
3.核心客戶(hù)認(rèn)證體系壁壘較高
核心客戶(hù)認(rèn)證體系壁壘較高,主要由于拋光墊對(duì)芯片良率影響較大,但成本占比較相對(duì)較低,在穩(wěn)定而成熟的FAB廠中,為確保芯片良率,一般很少替換原有穩(wěn)定的供應(yīng)商。半導(dǎo)體Fab廠具有資本密集和技術(shù)密集的屬性,對(duì)于上游半導(dǎo)體原材料的穩(wěn)定性和良品率有極高的要求,因此對(duì)于原材料供應(yīng)商認(rèn)證門(mén)檻極高、認(rèn)證周期較長(zhǎng)。目前在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈安全可控的大環(huán)境下,國(guó)內(nèi)廠商速度加快,驗(yàn)證周期縮短到半年左右。


2025-2031年中國(guó)CMP拋光行業(yè)發(fā)展動(dòng)態(tài)及投資前景分析報(bào)告
《2025-2031年中國(guó)CMP拋光行業(yè)發(fā)展動(dòng)態(tài)及投資前景分析報(bào)告》共十四章,包含2025-2031年CMP拋光行業(yè)投資機(jī)會(huì)與風(fēng)險(xiǎn),CMP拋光行業(yè)投資戰(zhàn)略研究,研究結(jié)論及投資建議等內(nèi)容。



