半導體晶圓制造必備核心材料-拋光液
日期：2023/8/15 12:05:55 瀏覽次數：
化學機械拋光（CMP）是晶圓制造的關鍵步驟，其作用在于減少晶圓表面的不平整，而拋光液、拋光墊是CMP技術的關鍵耗材，價值量較高，分別占CMP耗材49%和33%的價值量，其品質直接影響著拋光效果，因而對提高晶圓制造質量至關重要。拋光液/墊技術壁壘較高，高品質的拋光液需要綜合控制磨料硬度、粒徑、形狀、各成分質量濃度等要素，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展。隨著全球半導體產業規模的增長，CMP拋光液市場規模將進一步擴大，2020年全球拋光液市場規模達18.2億美元，預計2025有望達到23億美元，CAGR達4.45%。國產替代大趨勢疊加半導體晶圓廠的擴產，國內對CMP耗材需求有著巨大的提升，2020年國內拋光液市場規模為20億元，預計2025年達到40億元，CAGR高達15%，遠超全球拋光液市場增速，但國內在拋光液領域布局較晚，國產化率較低，國內企業迎發展機遇。
一、定義CMP 全稱為 Chemical Mechanical Polishing，即化學機械拋光，是普通拋光技術的高端升級版本。其中單晶硅片制造過程和前半制程中需要多次用到化學機械拋光技術。與此前普遍使用的機械拋光相比，化學機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勢，因而成為目前最為普遍的半導體材料表面平整技術。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在集成電路中制造中用的就是化學機械拋光技術。芯片制造過程大致可以分為頂層設計、晶圓制造、封裝測試三大步驟，其中晶圓制造過程尤為復雜。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、化學機械拋光（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行，而是根據要生產的芯片特性選擇性地重復進行。典型的晶圓制造需要花費6-8周時間，涵蓋300多道工藝流程，某些工序可能需要執行幾百次。例如，根據不同工藝制程和技術節點的要求，每一片晶圓在生產過程中都會經歷幾道甚至幾十道的化學機械拋光（CMP）工序。在眾多制造環節中，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。若未經平坦化處理，晶片起伏隨著層數增多變得更為明顯，同層金屬薄膜由于厚度不均導致電阻值不同，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確對焦，導致線寬控制失效，嚴重限制了布線層數，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腐蝕作用的有機結合，對集成電路器件表面進行平滑處理，并使之高度平整的工藝技術。當前集成電路中主要是通過 CMP 工藝，對晶圓表面進行精度打磨，并可到達全局平整落差 100A°~1000A°（相當于原子級 10~100nm）超高平整度。拋光液一般包含磨粒、氧化劑、絡合劑、表面活性劑、磨料、pH調節劑、腐蝕抑制劑等成分。
化學機械拋光采用將機械摩擦和化學腐蝕相結合的工藝，在CMP工作過程中，CMP用的拋光液中的化學試劑將使被拋光基底材料氧化，生成一層較軟的氧化膜層，然后再通過機械摩擦作用去除氧化膜層，這樣通過反復的氧化成膜-機械去除過程，從而達到了有效拋光的目的。
就拋光液產業鏈而言，上游主要是各類原材料廠商，中游是拋光液的生產商，主要以國外廠商為主，國內廠商仍處于發展階段，國內市場占比僅為10%左右。下游主要是晶圓的生產商。
一、上游拋光液組分復雜，由氧化劑、磨粒、絡合劑、表面活性劑、緩蝕劑、pH調節劑及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；絡合劑和表面活性劑可以促進拋光中化學反應進行；緩蝕劑可以在拋光表面形成一層保護膜，防止拋光過程中出現過度腐蝕的情況；pH調節劑可以調節拋光液pH值至理想值，pH緩蝕劑則有利于穩定拋光液pH值。高質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到合適濃度。二、中游根據應用領域，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節點以下芯片。
目前在集成電路制造中 CMP 技術的應用越來越廣泛，從加工過程中最初的 STI（淺溝槽隔離層）到 ILD（層間介質）再到 Metal 金屬互連層再到后期的 TM（頂層金屬）都需要用到。隨著全球半導體產業規模的增長，CMP拋光液市場規模將進一步擴大，2020年全球拋光液市場規模達18.2億美元，預計2025有望達到23億美元，CAGR達4.45%。國產替代大趨勢疊加半導體晶圓廠的擴產，國內對CMP耗材需求有著巨大的提升，2020年國內拋光液市場規模為20億元，預計2025年達到40億元，CAGR高達15%，遠超全球拋光液市場增速，但國內在拋光液領域布局較晚，國產化率較低，國內企業迎發展機遇。5G、物聯網、智能汽車、云服務等下游旺盛需求的驅動下，全球晶圓廠積極擴產。根據SEMI數據預測，2024年全球8英寸晶圓月產能預計將達到660萬片，相較于2020年的565萬片，增幅17%，2024年全球12英寸晶圓廠數量相比2020年將至少新增38家，達到161家，同時12英寸晶圓月產能也將增加約180萬片，達到700萬片以上。同時，中國大陸晶圓產能大幅提升，國產化進程快速推進。根據SEMI預測，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），占新建總數的一半，中國12英寸晶圓產能的全球份額，也將從2015年的8%提高到2024年的20%，預計產能將達到月產150萬片。無論是成熟制程還是先進制程的產能擴建，對全球和中國CMP材料市場都具有強力的拉動作用。國內廠商在鞏固成熟制程的市場同時，通過自身技術升級來爭取廣大的先進制程市場。隨著摩爾定律的延續，當制造工藝不斷向先進制程節點發展時對CMP技術的要求相應提高、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，既無法重復進行光刻、刻蝕、薄膜和摻雜等關鍵工藝，也無法將制程節點縮小至納米級的先進領域，因此隨著超大規模集成電路制造的線寬不斷細小化而產生對平坦化的更高要求和需求，CMP在先進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、刻蝕次數的大幅增加，同樣也帶動CMP工藝步驟的增加。根據Cabot官網數據顯示，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，越向先進制程發展，其對應的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。
在存儲芯片中，從2D NAND到3D NAND的技術變革同樣帶來了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15次。同時，3D NAND技術中對鎢材料使用也大幅提高，拉動了鎢拋光液的市場需求。
CMP材料所面對的共同壁壘主要有兩個：技術壁壘和客戶認證。在種類繁多的半導體材料子行業中，拋光墊、拋光液是最容易被“卡脖子”的領域之一，究其原因就在于，為了實現納米級的打磨技術，對拋光墊和拋光液的要求也極為嚴苛。而且隨著制程工藝越來越先進，對這兩種材料的技術要求也不斷提高，所以有“一代材料，一代產品”之說。CMP拋光材料的技術更新動力源自下游晶圓的技術更新。晶圓制程不斷提高，從1971年的10微米發到現在的10納米、7納米甚至5納米。前面提到，境外主流工藝現在在14納米階段，而中國大陸晶圓代工龍頭中芯國際的最先進制程也就28納米。三星、臺積電已經實現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，往往是這邊的技術還沒趕上，那邊的新技術又出來了。為了滿足更細致的工藝，CMP材料也有著更高的要求。當前集成電路要求全局平整落差100A°-1000A°（相當于原子級10-100nm）的超高平整度。除此之外，試錯成本也成為了CMP材料的技術壁壘。拋光材料要不斷找到合適配方、穩定制作工藝及設計圖案，從而獲得較好的、穩定的拋光速率和拋光效果，所以企業研究CMP耗材時間成本較高，需要較長時間來試錯摸索工藝指標、產品配方等對物理參數及性能的影響結果，形成較深的Knowhow壁壘。半導體器件要求極高的良品率，一旦形成穩定的供應鏈體系，替換可能較小。通常進入晶圓廠供應鏈體系需經過審核、送樣、測試等環節，驗證周期2-3年，但同時也意味著，一旦進入供應鏈體系，將形成一條寬闊的護城河。嚴格來說，半導體材料行業屬于成熟產業，各領域集中度高，巨頭林立，但在國產替代的大背景下，有技術實力的國內企業，如安集科技，已經進入中芯國際等國內大廠的供應鏈體系，將成為穩定的賺錢機器。
一、市場份額拋光液市場占整個半導體材料的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，全球龍頭企業為Cabot，根據Semi統計，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，海外企業合計占據全球90%以上的市場份額，國內代表企業為安集科技，占全球市場份額2.4%，國內市場主要為Cabot主導，根據Cabot數據統計，2018年中國市場Cabot占43%份額，安集科技占13%份額，其余44%為其他海外企業占據。2020年Cabot在拋光液領域收入達4.81億美元，市場份額提升至36%，安集科技收入達3.75億元，市占率提升至4.2%。
盡管Cabot為行業龍頭，且大幅領先于行業第二名企業，但其市場份額呈逐漸下滑狀態。我們根據拋光液行業規模及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，拋光液的種類一直在擴展，由原先的4-5種已逐漸發展到30余種，技術難度也變得較為復雜，客戶的需求也逐漸多樣化，龍頭公司很難在所有細分領域掌握核心技術形成壟斷，滿足所有客戶需求，因此多數企業選擇深耕某一細分領域，這同時也給了新進入者切入市場的機遇與挑戰。安集科技拳頭產品銅（含阻擋層）已經在多方客戶實現突破，14nm穩定量產的同時，10-7nm逐步突破，并且突破邏輯、存儲兩大領域。此外公司鎢研磨液已在長存得到應用， 并積極配合客戶實現二氧化鈰的驗證。在光刻膠去除劑方面，已量產并且持續擴大應用；28nm 技術節點后段硬掩模工藝光刻膠去除劑的驗證工作正在按計劃進行，以加快實現國產化供應；14nm技術節點后段蝕刻殘留物去除劑的研究仍在按計劃進行。根據 TECHET 報告測算，公司 CMP 拋光液在全球市場份額達到5%，在國內處于行業龍頭地位。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、華虹宏力等國內外知名企業。鼎龍股份作為當前國內為數不多的CMP拋光墊廠商，且是國內唯一擁有自有產權并實現放量的CMP拋光墊廠商，行業地位顯著提升。其子公司自研氧化層拋光液產品近期收到某國內主流晶圓廠商的采購訂單，采購數量為20噸。此拋光液從原材料到成品全部生產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車間已建成，具備年產5000噸拋光液的生產能力，能夠滿足客戶端訂單需求。
