半导体CMP核心材料迎来国产化加速期(2)

半导体CMP核心材料迎来国产化加速期(2)

2021-12-15 09:49:50 0

3、CMP抛光垫具有技术、专利、客户体系等较高行业壁垒

CMP抛光垫具有较高技术要求、持续较大资金投入、核心客户认证体系是主要进入壁垒。对于行业现有龙头企业而言,为了打击后发企业的竞争优势,往往会发挥市场垄断支配地位,通过采取差异性定价策略锁定下游晶圆厂的长期合同,从而建立自身的行业护城河。抛光垫具有技术壁垒高、认证时间长的特点,一直以来处于寡头垄断状态。一方面,抛光垫的研发和生产在不断革新,在沟槽设计、使用寿命等方面不断改良,具有较高的技术壁垒;另一方面,对于晶圆厂商来说,稳定生产非常重要,测试新产品的流程复杂,一般需要一年半甚至两年的时间才能完成一种新产品的认证。因此,行业巨头一般具有比较稳定的下游客户,容易形成市场垄断。就技术壁垒而言,抛光垫难点主要在于孔隙率和沟槽设计。同时由于摩尔定律的不断演变,平均每18个月半导体集成电路产品就需要换代一次,因此极大的加速了上游半导体材料的研发速度,加重了后发企业进入的资金投入压力。

抛光垫是CMP工艺中重要耗材。聚胺脂有像海绵一样的机械特性和多孔吸水特性,具有良好的耐磨性、较高的抛光效率, 在集成电路晶圆的CMP 中应用非常广泛。主要型号有IC1000、IC1400、IC2000、SUBAIV等,其中IC1000和SUBAIV是用得最广的。抛光垫表面包括一定密度的微凸峰,也有许多微孔,不仅可以去除硅片表面材料,而且还起到存储和运输抛光液、排除抛光过程产物的作用。垫上有时开有可视窗,便于线上检测。抛光垫是CMP工艺中重要的耗材,同时需要定时整修。

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国产抛光垫最大的痛点之一在于专利技术积累较浅。

日本、美国在抛光垫领域技术积累较厚实,中国排名第5。据《集成电路制造业用高分子聚合物抛光垫专利分析》一文统计,截至2017年,在全球2918个专利中,有效专利约1511个,而其中日本有效专利占比达41%,美国有效专利占比达33%,分别位居第一第二,中国近年来有所提升,有效专利数占比达16%。

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海外抛光垫龙头企业罗门哈斯(被陶氏收购)拥有较多和CMP PAD相关的高质量及基础专利。截止2017年9于月,通过代表专利质量指标的引用次数指标显现,罗门哈斯的专利被引用次数在全球范围内所有申请人中最多,达451次,其总计拥有201个抛光垫的设计和制造方面的专利族,154个抛光垫在抛光方面的应用专利,123个抛光层方面的专利族,8个抛光垫表面的专利族。

陶氏2009年收购罗门哈斯后,进一步巩固了抛光垫市场份额。预估目前陶氏20英寸抛光垫占据国内85%左右的市场份额,30英寸抛光垫的市占率则更高。国内企业在化学机械抛光领域起步较晚,仅有以鼎龙股份为代表的企业少量生产中低端产品。

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国内抛光垫领先企业鼎龙股份,2019年共拥有专利555项,其中抛光垫制造及工艺相关发明及创新有效专利约54项,与海外企业具有一定差距。

以主要应用在300mm晶圆方面的开窗口的抛光垫为例,专利被美国应用材料公司占有,国内仅陶氏获得授权生产及销售。而鼎龙为代表国内厂商从无窗口200mm抛光垫入手,依靠成本优势和优质服务来开拓市场,进而积累技术水平向高端领域进军。

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二、从技术壁垒上看,抛光垫技术难点在需要持续试错,找到合适材料配方、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。

企业研究CMP耗材时间成本较高,可能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结果,形成较深的Knowhow壁垒。

以抛光垫为例,由于抛光垫通常物理指标包含硬度、刚性、韧性、弹性模量、剪切模量、密度、可压缩性等各项机械指标,综合影响抛光效果,而如果结合考虑材料选择、温度选择、固化时长、搅拌时长等工艺步骤控制,按照三元变量简单推算其理论方案可能性至少在数万次至数百万次试验级别,因此对于企业而言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结果。

衡量抛光垫性能指标有较多,各项物理指标综合影响抛光效果,其中相对关键的指标在于孔隙率、孔隙均匀性等,其对抛光垫的各项物理性能指标及批次一致性影响程度较大。衡量抛光垫的技术指标主要包含硬度、刚性、韧性、弹性模量剪切模量、密度、可压缩性等机械物理性能。而其中由于抛光垫在材料配方一定的情况下,孔隙生成的密度和均匀性包含物理、化学及热处理等将直接影响各项抛光垫的物理指标。

目前孔隙生成方式包括惰性气体成孔、预聚物和糖类物质反应成孔等。但其具体生产工艺控制、化学材料选择、配方配比、图形设计等涉及大量Knowhow。

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由于涉及到设计及工艺需要企业长期的实践和摸索,抛光垫各系列产品参数及稳定性需要长期积累。

举例来,对比IC1000和IC1010,可以看到,不同孔隙率,硬度,粗糙度均对抛光效果产生不同影响,同时配合沟槽调整综合调整抛光效果。

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对比IC1000和IC1010两种规格的抛光垫,两种抛光垫表面的微孔直径都在40um左右,其他物理化学参数大多相似,其中IC1000的孔隙率为48%,IC1010的孔隙率为61.4%。

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比较显现,抛光垫的孔隙率越高和粗糙度越大,其携带抛光液的能力越强。抛光垫越粗糙,则材料去除率增大,这是因为表面粗糙度高的抛光垫与工件表面的接触面积减小, 而且粗糙的抛光垫表面可储存更多的抛光液, 因此作用在单颗磨粒上的力增大, 单颗磨粒的去除材料体积增大。抛光垫使用后会产生变形,表面变得光滑,孔隙减少和被堵塞,使抛光速率下降,必须进行修整来恢复其粗糙度,改善传输抛光液的能力,一般采用钻石修整器修整。

抛光垫的沟槽图形设计,也是影响抛光性能的核心指标。抛光垫沟槽的设计影响着抛光垫储存、运送抛光液的能力和表面局部应力梯度。抛光垫表面结构有平整型和带有不同沟槽型的。

抛光垫表面适度开槽后,储存、运送抛光液的能力显著增强,磨料分布更均匀、工件表面剪切应力高,因此抛光效率和质量都得到提高。抛光垫表面上的槽本身起着类似于均匀分布磨粒的作用,它通过增加剪切应力保证材料去除率。抛光垫表面沟槽形式(平行与垂直交叉型或同心环形)、沟槽形状(V型、U型或楔型)、沟槽方向以及沟槽尺寸(深度、宽度和间距)等对磨料的分布和流动、抛光垫的寿命有着显著的影响。抛光垫沟槽的宽度要适度,太小体现不出开槽效果,太大会使得抛光效率变小,晶片的粗糙度也变差。抛光垫沟槽的深度对于抛光效果则没有明显的影响。

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第三,核心客户认证体系壁垒较高

核心客户认证体系壁垒较高,主要由于抛光垫对芯片良率影响较大,但成本占比较相对较低,在稳定而成熟的FAB厂中,为确保芯片良率,一般很少替换原有稳定的供应商。半导体Fab厂具有资本密集和技术密集的属性,对于上游半导体原材料的稳定性和良品率有极高的要求,因此对于原材料供应商认证门槛极高、认证周期较长。目前在半导体产业链安全可控的大环境下,国内厂商速度加快,验证周期缩短到半年左右。

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海外龙头垄断全球抛光垫市场,国内企业具有广阔替代空间




1、抛光垫行业集中较高,被海外龙头高度垄断

CMP抛光垫行业集中度极高。

目前全球CMP抛光垫市场格局主要被Dow、Cabot、Thomas West等外资厂商垄断,前5大公司垄断约90%市场份额。

国内厂商在CMP抛光垫领域具有较为广阔的替代空间。


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Dow垄断中国近90%的CMP抛光垫市场供给,是国产替代的主要对象。

Dow是一家全球领先的化学公司,其CMP抛光垫业务来源于对Rodel的并购。

Dow侧重 CMP 本身机理研究,改进抛光机制和抛光垫参数,并根据客户的实际需求从应用层面对现有产品进行改良,目前有多种型号 CMP 抛光垫供应亚太、欧洲和北美市场。

2005年Dow开始布局亚太地区,2008年全线投产,是CMP抛光垫领域的绝对龙头。


2、契机已来,国内晶圆制造崛起,将重塑国产半导体产业链

未来3-5国内晶圆制造产能将翻番,国内半导体产业链上下游迎来重要契机。

根据我们对于大陆区域晶圆制造的全面梳理,目前大概有54个运营主体,共计94个晶圆厂或产线项目,目前产能平稳运行的有17个晶圆厂及产线项目,正在产能爬坡的有37个,未来3-6个试生产的11个,正在项目基础建设的9个,另外正在规划的约11个。

截止2019年底,思想研究院统计我国12英寸晶圆制造厂装机产能约90万片/月,较2018年增长50%;8英寸晶圆制造厂装机产能约100万片/月,较2018年增长10%;6英寸晶圆制造厂装机产能约230万片/月,较2018年增长15%。

根据当前94个晶圆厂项目规划及目标总计,预计至2024年,大陆区域12英寸目标产能达273.0万片/月,相比2019年增长超过2倍,8英寸目标产能达187万片/月,相比2019年增长90%。

若这些晶圆厂如期达到产能目标,将大幅拉动对国产半导体设备和材料的需求。



具体项目来看,中芯国际、华虹宏力、粤芯半导体、长江存储、合肥长鑫、武汉新芯、福建晋华等各重点厂商均新建多条产线并大幅新增产能达2倍以上。

晶圆制造厂产品主要包括两大方向,一方面为主攻先进制程代工和特色工艺的晶圆厂,包括中芯国际、华虹、粤芯等;另一方向主要是以存储晶圆制造为主攻方向的晶圆厂,包括长江存储、合肥长鑫、福建晋华、武汉新芯等。

广州粤芯成立于2017年12月,是国内第一座以虚拟IDM (Virtual IDM) 为营运策略的12英寸芯片厂,一期已于19年底投产,并规划二期,目标总产能达4万片/月。

长江存储是国内投资闪存(NAND FLASH)产能的大厂,也是大基金重点投资项目, 2023年底目标产能为30万片/月。目前长江存储产能迅速提升,2019年底产能已达到2万片/月,2020H1向5万片推进,公司已在2020年1月开启招标活动。长江存储在储备64层Xtacking Nand Flash技术布局后,将跳过96层,直接推进128层堆栈。

合肥长鑫主要为DRAM存储器的12寸晶圆厂,预计未来3年总产能目标为12.5万片/月,并分为三个阶段执行。第一阶段目标产能4万片/月(当前2万片),预计到20年Q1达到4万片,为19nm工艺芯片。合肥长鑫的8Gb DDR4已经通过多个国内外大客户验证,预计今年底正式交付。

DRAM大厂福建晋华,原本已达产能6万片,整体目标产能24万/月,近期由于受到美国起诉和禁售,目前整体运营受到一定影响。

武汉新芯目前拥有1.2万片/月的代码型闪存和1.5万片/月的背照式图像传感器的生产能力。未来计划扩产到7万片/月。

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3、替代开启,抛光垫国产化开启主成长周期

贸易争端加剧,国内CMP材料企业抓住国产替代良机。

18年中兴事件、19年华为被禁等,极大地推动半导体产业链国产化进程。

以中芯国际为代表的国内下游晶圆制造厂商为了产业链安全可控,在半导体材料方面给予了国内企业更多的机会。

由于集成电路设备和原材料具有较高的技术要求和较长的认证门槛,CMP抛光垫的国产化进程只能采取循序渐进的过程,从小批量送样开始,逐步过渡到大批量替代,从而完成全部的国产化过程。

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随着晶圆厂产能增长,预计至2023年CMP抛光垫全球市场规模约9.9亿美金,其中中国市场有望达到4.40亿美金,具有较大的发展前景。

根据全球CMP材料领先企业Cabot市场预估,预计未来全球CMP市场复制增长率约6%。

随着未来国内晶圆厂大幅投产,测算预计未来5年中国CMP抛光垫市场规模增速可超10%,至2023年可达约4.40亿美金。

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