CMP 拋光材料自主可控不斷提升

• 2023年8月16日 來源：中研網(wǎng) 324 14
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CMP又稱化學(xué)機(jī)械平坦技術(shù)，是使用化學(xué)腐蝕及機(jī)械力對加工過程中的硅晶圓或其它襯底材料進(jìn)行平坦化處理。CMP設(shè)備包括拋光、清洗、傳送三大模塊，其作業(yè)過程中，拋光頭將晶圓待拋光面壓抵在粗糙的拋光墊上，借助拋光液腐蝕、微粒摩擦、拋光墊摩擦等耦合實現(xiàn)全局平坦化。目

CMP又稱化學(xué)機(jī)械平坦技術(shù)，是使用化學(xué)腐蝕及機(jī)械力對加工過程中的硅晶圓或其它襯底材料進(jìn)行平坦化處理。CMP設(shè)備包括拋光、清洗、傳送三大模塊，其作業(yè)過程中，拋光頭將晶圓待拋光面壓抵在粗糙的拋光墊上，借助拋光液腐蝕、微粒摩擦、拋光墊摩擦等耦合實現(xiàn)全局平坦化。目前的集成電路元件普遍采用多層立體布線，因此集成電路制造的前道工藝環(huán)節(jié)要進(jìn)行多次循環(huán)。在此過程中，CMP技術(shù)是集成電路（芯片）制造過程中實現(xiàn)晶圓表面平坦化的關(guān)鍵工藝，是集成電路制造中推進(jìn)制程技術(shù)節(jié)點升級的重要環(huán)節(jié)。

晶圓制造主要包括7大流程，分別是擴(kuò)散、光刻、刻蝕、離子注入、薄膜生長、化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）、金屬化，其中CMP技術(shù)是晶圓制造的必須流程之一，對高精度、高性能晶圓制造至關(guān)重要。集成電路產(chǎn)業(yè)鏈可分為硅片制造、集成電路設(shè)計、集成電路制造、封裝測試等四大領(lǐng)域，除集成電路設(shè)計領(lǐng)域外，其他三大領(lǐng)域均有CMP的應(yīng)用場景。

集成電路作為全球信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)與核心，廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備（如智能手機(jī)、電視機(jī)、計算機(jī)等）、通訊、軍事等領(lǐng)域，對經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會發(fā)展和國家安全具有重要戰(zhàn)略意義和核心關(guān)鍵作用，是衡量一個國家或地區(qū)現(xiàn)代化程度和綜合實力的重要標(biāo)志。

CMP中核心材料為拋光液與拋光墊，上游為研磨顆粒、添加劑、聚氨酯、無紡布等，下游則為晶圓制造廠。隨著新技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，全球集成電路行業(yè)市場規(guī)模增長迅猛，帶動晶圓制造需求提升，拋光墊與拋光液市場空間逐漸打開。

CMP材料根據(jù)功能的不同，主要分為拋光液、拋光墊、拋光后清洗液、調(diào)節(jié)劑等。拋光墊主要作用是儲存和運輸拋光液、去除磨屑和維持穩(wěn)定的拋光環(huán)境等。拋光液在化學(xué)機(jī)械拋光過程中可使晶圓表面產(chǎn)生一層氧化膜，再由拋光液中的磨粒去除，達(dá)到拋光的目的。清洗液主要用于去除殘留在晶圓表面的微塵顆粒、有機(jī)物、無機(jī)物、金屬離子、氧化物等雜質(zhì)。

根據(jù)CMP細(xì)分拋光材料市場份額，拋光液占比達(dá)49，拋光墊占比33，合計超過80。

拋光液是一種由去離子水、磨料、PH值調(diào)節(jié)劑、氧化劑以及分散劑等添加劑組成的水溶性試劑。在拋光的過程中，拋光液中的氧化劑等成分與硅片表面材料產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，在表面產(chǎn)生一層化學(xué)反應(yīng)薄膜，后由拋光液中的磨粒在壓力和摩擦的作用下將其去除，最終實現(xiàn)拋光。

拋光液種類繁多，根據(jù)應(yīng)用的不同工藝環(huán)節(jié)，可以將拋光液分為硅拋光液、銅及銅阻擋層拋光液、鎢拋光液、介質(zhì)層拋光液、淺槽隔離（STI）拋光液以及用于先進(jìn)封裝的硅通孔（TSV）拋光液等。

拋光墊一般是由聚氨酯做成，表面包括一定密度的微凸峰與微孔，不僅可以去除硅片表面材料，而且還起到存儲和運輸拋光液、排除拋光過程產(chǎn)物的作用。

拋光墊具有類似海綿的機(jī)械特性和多孔特性，表面有特殊的溝槽，屬于消耗品，其壽命通常只有45-75小時，需要定時整修和更換。拋光墊按材質(zhì)結(jié)構(gòu)可分為：聚合物拋光墊、無紡布拋光墊、帶絨毛結(jié)構(gòu)的無紡布拋光墊、復(fù)合型拋光墊。

拋光墊主要使拋光液有效均勻分布至整個加工區(qū)域，并可提供新補(bǔ)充的拋光液進(jìn)行一個拋光液循環(huán)。拋光墊必須對拋光液具有良好的保持性，在加工時可以涵養(yǎng)足夠的拋光液，使CMP中的機(jī)械和化學(xué)反應(yīng)充分作用。為了保持拋光過程的穩(wěn)定性、均勻性和可重復(fù)性，拋光墊材料的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)以及表面形貌等特性，都需要保持穩(wěn)定。

晶圓代工行業(yè)源于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的專業(yè)化分工，主要負(fù)責(zé)晶圓制造，屬于技術(shù)、資本與人才密集型行業(yè)，需要大量的資本支出和人才投入，具有較高的進(jìn)入壁壘。根據(jù)ICInsights的統(tǒng)計，2016-2021年全球晶圓制造市場規(guī)模由652億美元提升至1101億美元，CAGR為11.05，同期中國晶圓制造市場規(guī)模約由49.05億美元提升至115.65億美元，行業(yè)增速高于全球，達(dá)到15.36。

據(jù)IDC及芯思想研究院統(tǒng)計，截至2021年，我國6英寸及以下晶圓制造線裝機(jī)產(chǎn)能約420萬片等效6英寸晶圓產(chǎn)能，8英寸、12英寸晶圓制造廠裝機(jī)產(chǎn)能分別為125萬片/月、131萬片/月，預(yù)計到2024年8英寸、12英寸將達(dá)到187與273萬片/月，年均復(fù)合增速分別為14.37、27.73。

從半導(dǎo)體材料市場構(gòu)成來看，2022年CMP拋光材料占比達(dá)到7.2。受益于5G、人工智能、消費電子、汽車電子等領(lǐng)域的需求拉動，全球半導(dǎo)體材料市場規(guī)模呈現(xiàn)波動向上的態(tài)勢。2016-2022年半導(dǎo)體材料的市場規(guī)模由428.2億美元提升至698億美元，CAGR為8.48，根據(jù)SEMI預(yù)測，2023年全球半導(dǎo)體材料市場規(guī)模預(yù)計突破700億美元，同比提升0.29。

伴隨著國內(nèi)半導(dǎo)體材料廠商技術(shù)水平和研發(fā)能力的提升，中國半導(dǎo)體材料市場規(guī)模提升速度高于全球。2017-2022年國內(nèi)半導(dǎo)體材料市場規(guī)模由524.5億元提升至914.4億元，CAGR達(dá)到11.76，根據(jù)SEMI預(yù)測，2023年市場規(guī)模預(yù)計為1024.3億元，同比提升12.02。

人工智能高速發(fā)展對算力提出高要求，以ChatGPT為例，模型參數(shù)量從一代的1.17億個躍升至三代的1750億個，增長約1496倍，對算力需求幾何式增長。當(dāng)前云端是AI算力的中心，AI芯片需求爆發(fā)式增長。未來隨著技術(shù)成熟，AI芯片的應(yīng)用場景除了在云端及大數(shù)據(jù)中心，也會隨著算力逐漸向邊緣端移動，帶動AI芯片需求持續(xù)增長。Al芯片主要分為GPU、FPGA、ASIC三大類，其中GPU占據(jù)主導(dǎo)地位。

中國AI芯片廠商正在奮起直追，尤其是在ASIC（專用集成電路）路線上加大投入。目前，國內(nèi)已經(jīng)涌現(xiàn)出寒武紀(jì)、華為昇騰、海光信息、燧原科技等優(yōu)秀AI芯片廠商，AI算力性能顯著提升，未來有望實現(xiàn)超預(yù)期發(fā)展。新興AI帶動高性能芯片需求，將進(jìn)一步促進(jìn)半導(dǎo)體材料增長。

CMP技術(shù)是目前唯一能兼顧表面全局和局部平坦化的拋光技術(shù)，伴隨著集成電路線寬變小、層數(shù)增多以及摩爾定律的延續(xù)，對CMP的技術(shù)提出了更高的要求，同時CMP設(shè)備的使用頻率也逐漸提高。

制程節(jié)點發(fā)展至7nm以下時，芯片制造過程中CMP的應(yīng)用在最初的氧化硅CMP和鎢CMP基礎(chǔ)上新增了包含氮化硅CMP、鰭式多晶硅CMP、鎢金屬柵極CMP等先進(jìn)CMP技術(shù)，所需的拋光步驟也增加至30余步，大幅刺激了集成電路制造商對CMP設(shè)備的采購和升級需求。存儲芯片由2DNAND向3DNAND技術(shù)變革，也帶動了CMP拋光步驟翻倍式的提升。

全球拋光液市場規(guī)模由2016年的11億美元提升至2021年的14.3億美元，2021年同比提升6.72，CARG為5.39，同期中國拋光液市場規(guī)模大幅增長，2016-2021年市場規(guī)模由12.3億元提升至22億元，CAGR達(dá)到12.28，復(fù)合增速明顯快于全球。

伴隨未來集成電路應(yīng)用場景不斷豐富，技術(shù)助力中國大陸晶圓代工行業(yè)市場保持高速增長，中國CMP拋光材料需求未來可期。

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