CMP抛光材料深度解析

CMP抛光材料深度解析

2022-06-18 13:20:51 0

来源: 乐晴智库精选

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随着半导体工业飞速发展,电子器件的尺寸越来越小,对半导体原材料晶片表面的平整度要求也越来越高,达到纳米级别。


对晶片表面处理的传统的平坦化技术有热流法、旋转玻璃法、回蚀法、选择淀积等,但这些都只能做到局部的平面化,不能达到全局平面化。
化学机械抛光(CMP)不但能够对硅片表面进行局部处理,同时也可以对整个硅片表面进行平坦化处理,是目前唯一能兼顾表面全局和局部平坦化的技术。

它可以平整晶片表面的不平坦区域,属于化学作用和机械作用相结合的技术,使芯片制造商能够继续缩小电路面积并扩展光刻工具的性能。每个晶圆的生产,都需要对晶片进行多次CMP抛光才得以实现。

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自从1988年IBM公司将化学机械抛光技术(CMP)应用于4MDRAM芯片的制造,集成电路制造工艺就逐渐对CMP技术产生了越来越强烈的依赖,主要是由于器件特征尺寸(CD)微细化,以及技术升级引入的多层布线和一些新型材料的出现。

根据SEMI数据,2014-2020年,全球CMP抛光材料市场规模从15.7亿美元提升至24.8亿美元,年均复合增长率(CAGR)约为8%。其中,2020年国内CMP抛光材料市场规模约为32亿元,近五年复合增速维持在10%左右。
典型化学机械抛光原理图:

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CMP材料产业链

CMP抛光材料位于产业链上游,中游为晶圆加工和芯片制造,下游为计算机、通讯、汽车电子、工控医疗等终端应用。

GRISHCMP工艺过程中所采用的设备及消耗品包括:抛光机、抛光液、抛光垫、后CMP清洗设备、抛光终点检测及工艺控制设备、废物处理和检测设备等。

其中抛光液和抛光垫是CMP工艺的核心材料,价值量占比分别为49%和33%,其耗用量随着晶圆产量和CMP工艺步骤数增加而增加。

随着技术节点的推进,在14nm、10nm、7nm、5nm等更先进的制程节点,CMP工艺将面临更高难度挑战,对抛光材料尤其是抛光液将提出更高的技术要求。

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抛光液:CMP技术决定性因素

抛光液市场占整个半导体材料的3~4%。

抛光液是一种不含任何硫、磷、氯添加剂的水溶性抛光剂,主要起到抛光、润滑、冷却的作用。是CMP技术中的决定性因素之一,其性能直接影响被加工工件表面的质量以及抛光加工的效率。
从抛光液全球市场格局来看,全球主要供应商主要为7-8家。
长期以来,全球化学机械抛光液市场被美日企业所垄断。全球抛光液行业市场TOP3分别是:卡博特市占率为33%、日立市占率为13%、富士美市占率为10%。其中卡博特全球抛光液市场占有率最高,但已从2000年的约80%下降至2019年的约36%,表明全球抛光液市场正朝多元化方向发展,地区本土化自给率提升。
目前国产化比例不到10%,抛光液国产化需求非常大。当前国内有几十家企业立足于抛光液行业,但是大多生产中低端产品,多数企业仍处在4英寸,6英寸抛光液生产阶段。
安集微电子是国内唯一一家能提供12英寸IC抛光液的本土供应商,产品已经接近国际最高水平,率先打破国外的技术壁垒。公司前五名客户中芯国际、台积电、长江存储、华润微电子、华虹宏力均为全球或国内领先的集成电路制造厂商。
中国大陆抛光液企业情况:

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卡博特预测中国抛光液市场销售额将从目前的10亿元人民币,到2025年增加至29亿元,国内抛光液市场规模增长达到16%的CAGR,远高于全球平均值6~7%。

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抛光垫:晶圆制造的重要辅料

抛光垫主要作用是存储、传输抛光液,对硅片提供一定压力并对其表面进行机械摩擦,是决定表面质量的重要辅料。


抛光垫会在抛光的过程中会不断消耗,因而其使用寿命成为衡量抛光垫重要技术指标,越长的寿命越有利于晶圆厂维持稳定生产。
此外,缺陷率对于抛光垫也同样重要,这一指标在纳米制程的晶圆生产中尤为重要。抛光垫的性质直接影响晶片的表面质量,是关系到平坦化效果的直接因素之一。

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抛光垫主要包括聚氨酯抛光垫、无纺布抛光垫、复合型抛光垫等几种类型产品。由于CMP抛光垫在设计和使用寿命方面不断改进,技术壁垒极高;另外,新品测试的流程复杂,认证时间长达1-2年,晶圆厂商为保证有序稳定生产,不轻易更换供应商。
从全球竞争格局来看,海外巨头形成寡头垄断。
美国陶氏化学垄断了全球抛光垫市场79%的市场份额,在细分集成电路芯片和蓝宝石两个高端领域更是占据90%的市场份额。此外,3M、卡博特、日本东丽、中国台湾三方化学等也可生产部分芯片用抛光垫。
我国在抛光垫领域起步较晚,2006年后专利申请数量开始出现显著增长,占全球比重逐年上升,追赶势头迅猛。
鼎龙股份在收购国内CMP抛光垫企业时代立夫后,成为国内研发实力和生产能力排名第一的厂商。2019年,公司产品通过国内12寸晶圆厂产品测试并取得订单。

全球首个抛光垫专利由美国国家半导体公司于1992年在欧洲申请,此后申请数量逐年递增,2004年至2009年的申请数量始终处于高位,2010年后数量有所下降,但总体变化平稳,显示出抛光垫领域仍然是各个公司的必争之地。

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半导体先进制程推动CMP行业发展
CMP主要用于浅槽隔离(STI)抛光、铜的研磨与抛光、高k金属栅的抛光、FinFET晶体管的虚拟栅CMP、GST的CMP、埋入字线DRAM存储器的栅CMP、高迁移率沟道材料未来的CMP等工艺。
随着芯片制程不断精细,抛光材料种类和用量也迅速增长。

比如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;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。而存储芯片由2DNAND向3DNAND技术变革,也会使CMP抛光步骤数近乎翻倍。

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根据卡博特数据,当逻辑芯片制程达到5纳米时,约25%-30%生产步骤都要用到抛光液。存储芯片由2DNAND升级到3DNAND后由于结构更复杂,抛光次数增加,且约50%生产步骤需要用到抛光液。
技术进步叠加芯片制程精细度提高,将为抛光液需求打开广阔空间。
NANDFalsh大厂技术量产制程:

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国际半导体产业协会(SEMI)预估,全球半导体制造设备今年销售总额可望达953亿美元,将创历史新高纪录,2022年有机会进一步突破1000亿美元大关,再创新高。其中,包含晶圆加工、晶圆厂设施和光罩设备等今年销售额将达817亿美元,年增34%,2022年有望实现860亿美元规模。
随着全球半导体产业加速向大陆转移,以及半导体市场不断放量和工艺制程不断进步,均需要大量的半导体新材料支持。未来,伴随着半导体制造工艺日益复杂,CMP的用处更加广泛,全球CMP抛光材料市场将巨量增长。随着国内晶圆厂的快速投产,上游材料消耗量增速未来将领跑全球。

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