半导体设备之CMP

2021-12-09 11:14:16 0

来源:每日财报

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晶圆制造过程主要包括7个相互独立的工艺流程:光刻、刻蚀、薄膜生长、扩散、离子注入、化学机械抛光、金属化。作为晶圆制造的关键制程工艺之一,化学机械抛光(CMP)指的是通过化学腐蚀与机械研磨的协同配合作用,实现晶圆表面多余材料的高效去除与全局纳米级平坦化。


2018年,全球CMP设备的市场规模18.42亿美元,约占晶圆制造设备4%的市场份额,其中中国大陆CMP设备市场规模4.59亿美元。

晶圆平坦化的必选项


CMP全称为Chemical Mechanical Polishing,化学机械抛光,是半导体晶片表面加工的关键技术之一。单晶硅片制造过程和前半制程中需要多次用到化学机械抛光技术。与此前普遍使用的机械抛光相比,化学机械抛光能使硅片表面变得更加平坦,并且还具有加工成本低及加工方法简单的优势,因而成为目前最为普遍的半导体材料表面平整技术。


由于目前集成电路元件普遍采用多层立体布线,集成电路制造的前道工艺环节需要进行多层循环。在此过程中,需要通过CMP工艺实现晶圆表面的平坦化。集成电路制造是CMP设备应用的最主要的场景,重复使用在薄膜沉积后、光刻环节之前。


CMP设备是晶圆平坦化的必经之路,其工作过程是:抛光头将晶圆待抛光面压抵在粗糙的抛光垫上,借助抛光液腐蚀、微粒摩擦、抛光垫摩擦等耦合实现全局平坦化。抛光盘带动抛光垫旋转,通过先进的终点检测系统对不同材质和厚度的磨蹭实现3—10nm分辨率的实时厚度测量防止过抛。

更为关键的技术在于可全局分区施压的抛光头,其在限定的空间内对晶圆全局的多个环状区域实现超精密可控单向加压,从而可以响应抛光盘测量的膜厚数据调节压力控制晶圆抛光形貌,使晶圆抛光后表面达到超高平整度,且表面粗糙度小于0.5nm,这一数据相当于头发丝的十万分之一。


与光刻机、刻蚀机等半导体设备不同,CMP设备受到摩尔定律的影响较小,在较长时间内不存在技术迭代周期,应用于28nm和14nm的CMP设备没有显著的差异,仅是特定模块技术的优化。但CMP工艺由14nm持续向7nm、5nm、3nm先进制程推进过程中,CMP技术将不断趋于抛光头分区精细化、工艺控制智能化、清洗单元多能量组合化方向发展。


专利是先行者的福音,也是后来人的“诅咒”。2013年之后,CMP专利申请量缓慢增长,而CMP后清洗专利申请量却处于下滑状态。全球CMP专利申请量总体保持平稳,反映了当前全球CMP技术未存在重大技术革新,后来者要想追赶必须直面强大的专利壁垒。


巨头夹缝中的中国企业


2017年,全球CMP设备市场规模17.5亿美元,其中应用材料(AMAT)12.4 亿美元,日本荏原(EBARA)4.7亿美元,由此计算应用材料的份额为71.3%、日本荏原的份额为26.7%,两者合计占有全球CMP市场的90%以上市场份额。


应用材料(AMAT)是全球最大的半导体设备供应商之一,业务涵盖半导体设备、太阳能、显示器、自动化软件、卷对卷真空镀膜等多个领域。在半导体设备业务版块,公司制定了PPACt战略旨在通过并行而非串行的创新来推动芯片的能效、性能、面积、成本和上市时间革新。


公司产品覆盖沉积、刻蚀、掺杂、CMP 多工艺环节。2020年,应用材料在刻蚀、沉积、CMP、离子注入、工艺控制领域的全球市场份额分别达到了17%、43%、64%、55%和12%。


Ebara成立于1912年,在CMP领域,Ebara是干进/干出(dry-in/dry-out)专利的开拓者,独立研发的200 mm和300mm CMP抛光设备均具有高可靠性和高生产率。F-REX系列CMP系统可实现10-20nm节点的表面平整度控制,用于IC制造的氧化物、ILD、STI、钨和铜 表面处理。它们具有出色的可靠性,性能超过250小时MTBF,F-REX200工具代表了适用于200mm晶圆的最新CMP技术(也可用150 mm)。


国内CMP市场的高端部分仍然主要依赖于进口,在14nm以下最先进制程工艺的大生产线上所应用CMP设备仅由美国应用材料和日本荏原两家国际巨头提供。应用材料与日本荏原分别已实现5nm制程和部分材质5nm制程的工艺应用;但是在成熟制程领域,以华海清科为代表的国内企业已经打破了国外巨头常年垄断的局面,并且已经在国内CMP市场占据了重要份额。


华海清科成立于2013年,是天津市政府与清华 大学践行“京津冀一体化”国家战略,为推动我国化学机械抛光(CMP)技术和设备产业化成立的高科技企业。2018年1月,华海清科的Cu&Si CMP设备进入上海华力,标志着国产首台12英寸铜制程工艺CMP设备正式进入集成电路大产线。2018-2020年,华海清科在国内CMP市场的占有率分别为 1.05%、6.15%、12.64%。


CMP包括三道抛光工序,主要运用到的材料包括抛光垫、抛光液、蜡、陶瓷片等。不同工序根据目的的不同,分别需要不同的抛光压力、抛光液组分、pH 值、抛光垫材质、结构及硬度等。CMP抛光液和CMP抛光垫是CMP工艺的核心要素,二者的性质影响着表面抛光质量。


目前市场上抛光垫目前主要被陶氏化学公司所垄断,市场份额达到 90%左右,其他供应商还包括日本东丽、3M、台湾三方化学、卡博特等公司,合计份额在 10%左右。


主要的抛光液供应商包括日本 Fujimi、日本 HinomotoKenmazai,美国卡博特、杜邦、Rodel、Eka、韩国 ACE 等公司,占据全球 90%以上的市场份额,国内这一市场主要依赖进口,国内仅有部分企业可以生产,但也体现了国内逐步的技术突破,以及进口替代市场的巨大。



作为半导体制造过程中关键工艺制程设备之一,CMP设备将持续受益下游扩产以及国产替代进程,但也必须要看到其中的困难,不过有一点是可以肯定的,只要企业能够打破国外垄断,那么订单和业绩是有保障的。

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