中國(guó)CMP拋光行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模

中國(guó)CMP拋光行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模

CMP全稱為ChemicalMechanicalPolishing,即化學(xué)機(jī)械拋光,是普通拋光技術(shù)的高端升級(jí)版本.CMP是通過納米級(jí)粒子的物理研磨作用與拋光液的化學(xué)腐蝕作用的有機(jī)結(jié)合,對(duì)集成電路器件表面進(jìn)行平滑處理,并使之高度平整的工藝技術(shù).當(dāng)前集成電路中主要是通過CMP工藝,對(duì)晶圓表面進(jìn)行精度打磨,并可到達(dá)全局平整落差100A.~1000A.（相當(dāng)于原子級(jí)10~100nm）超高平整度.而未經(jīng)平坦化處理,晶片起伏隨著層數(shù)增多變得更為明顯,同層金屬薄膜由于厚度不均導(dǎo)致電阻值不同,引起電致遷移造成電路短路.起伏不平的晶片表面還會(huì)使得光刻時(shí)無法準(zhǔn)確對(duì)焦,導(dǎo)致線寬控制失效,嚴(yán)重限制了布線層數(shù),降低集成電路的使用性能.CMP工藝原理圖

一、CMP行業(yè)市場(chǎng)格局

摩爾定律下,代工制程節(jié)點(diǎn)不斷縮小,布線層數(shù)持續(xù)增加,CMP成為關(guān)鍵制程.1991年IBM公司首次成功地將CMP技術(shù)應(yīng)用到動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器的生產(chǎn)以來,隨著半導(dǎo)體工業(yè)踏著摩爾定律的節(jié)奏快速發(fā)展,芯片的特征尺寸持續(xù)縮小,已發(fā)展至5~7nm.CMP已成功用于集成電路中的半導(dǎo)體晶圓表面的平面化.根據(jù)不同工藝制程和技術(shù)節(jié)點(diǎn)的要求,每一片晶圓在生產(chǎn)過程中都會(huì)經(jīng)歷幾道甚至幾十道的CMP拋光工藝步驟.

隨著特征尺寸的縮小,以及布線層數(shù)增長(zhǎng),對(duì)晶圓平坦化精度要求不斷增高,普通的化學(xué)拋光和機(jī)械拋光難以滿足在當(dāng)前集成電路nm級(jí)的精度要求,特別是目前對(duì)于0.35um制程及以下的器件必須進(jìn)行全局平坦化,CMP技術(shù)能夠全局平坦化、去除表面缺陷、改善金屬臺(tái)階覆蓋及其相關(guān)可靠性,從而成為目前最有效的拋光工藝.拋光工藝對(duì)比拋光工藝特點(diǎn)化學(xué)拋光表面精度較高，損傷低，完整性好，不容易出現(xiàn)表面/亞表面損傷，但研磨速率較慢，材料去除效率較低，不能修正表面型面精度，研磨一致性比較差機(jī)械拋光研磨一致性好，表面平整度高，研磨效率高容易出現(xiàn)表面層/亞表面層損傷，表面粗糙度值比較低CMP吸收了化學(xué)拋光和機(jī)械拋光的優(yōu)點(diǎn)，目前CMP工藝能夠在保證材料去除效率，并獲得全局平整落差<100A。（相當(dāng)于10nm原子級(jí)別）超高平整度。制程提升提高CMP拋光需求（單數(shù)：次）

CMP主要由拋光墊、拋光液、調(diào)節(jié)器等部分組成.化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)是化學(xué)作用和機(jī)械作用相結(jié)合的組合技術(shù),旋轉(zhuǎn)的晶圓以一定的壓力壓在旋轉(zhuǎn)的拋光墊上,拋光液在晶圓與拋光墊之間流動(dòng),并產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng).晶圓表面形成的化學(xué)反應(yīng)物由漂浮在拋光液中的磨粒通過機(jī)械作用將這層氧化薄膜去除,在化學(xué)成膜和機(jī)械去膜的交替過程中實(shí)現(xiàn)超精密表面加工.

從價(jià)值量占比可以看到,CMP材料是芯片制造的核心耗材,占芯片制造成本約7%,其中拋光墊價(jià)值量占CMP耗材的33%左右.拆解晶圓制造成本進(jìn)行,CMP材料占比較大,約為6.7%.價(jià)值量與光刻膠相近.其中拋光液和拋光墊是最核心的材料,占比分別為49%和33%.晶圓制造材料細(xì)分占比

CMP材料細(xì)分占比

拋光墊決定了CMP工藝的基礎(chǔ)拋光效果,并結(jié)合設(shè)備操作過程、硅片、拋光液等因素,共同影響CMP拋光結(jié)果和效率.一般從平均磨除率、平整度和均勻性、選擇比和表面缺陷四個(gè)維度來評(píng)判拋光效果.其中,拋光墊的物理化學(xué)等性能在CMP工藝中發(fā)揮了重要的作用.CMP拋光效果評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)顯現(xiàn)拋光墊決定基礎(chǔ)拋光性能標(biāo)準(zhǔn)解釋說明平均磨除率在設(shè)定時(shí)間內(nèi)磨除材料的厚度平整度和均勻性平整度是硅片某處CMP前后臺(tái)階高度之差占CMP之前臺(tái)階高度的百分比選擇比對(duì)不同材料的拋光速率是影響硅片平整性和均勻性的重要因素表面缺陷CMP工藝造成的硅片表面缺陷包括擦傷或溝、凹陷、侵蝕、殘留物和顆粒污染設(shè)備過程變量作用壓力P、硅片和拋光墊之間的相對(duì)速度、拋光時(shí)間、拋光區(qū)域溫度及分布硅片表面應(yīng)力分布、圖案密度、形狀拋光液化學(xué)性質(zhì)、成分、ph值；粘度、溫度、供給速度；磨粒尺寸、分布、硬度、形狀拋光墊材料、密度、物理化學(xué)性質(zhì)；硬度、厚度、粗糙度；結(jié)構(gòu)、表面形態(tài)、穩(wěn)定性

未來3-5國(guó)內(nèi)晶圓制造產(chǎn)能將翻番,國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈上下游迎來重要契機(jī).大陸區(qū)域晶圓制造目前大概有54個(gè)運(yùn)營(yíng)主體,共計(jì)94個(gè)晶圓廠或產(chǎn)線項(xiàng)目,目前產(chǎn)能平穩(wěn)運(yùn)行的有17個(gè)晶圓廠及產(chǎn)線項(xiàng)目,正在產(chǎn)能爬坡的有37個(gè),未來3-6個(gè)試生產(chǎn)的11個(gè),正在項(xiàng)目基礎(chǔ)建設(shè)的9個(gè),另外正在規(guī)劃的約11個(gè).

截止2019年底,中國(guó)12英寸晶圓制造廠裝機(jī)產(chǎn)能約90萬片/月,較2018年增長(zhǎng)50%；8英寸晶圓制造廠裝機(jī)產(chǎn)能約100萬片/月,較2018年增長(zhǎng)10%；6英寸晶圓制造廠裝機(jī)產(chǎn)能約230萬片/月,較2018年增長(zhǎng)15%.

預(yù)計(jì)至2024年,大陸區(qū)域12英寸目標(biāo)產(chǎn)能達(dá)273.0萬片/月,相比2019年增長(zhǎng)超過2倍,8英寸目標(biāo)產(chǎn)能達(dá)187萬片/月,相比2019年增長(zhǎng)90%.若這些晶圓廠如期達(dá)到產(chǎn)能目標(biāo),將大幅拉動(dòng)對(duì)國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體設(shè)備和材料的需求.大陸區(qū)域晶圓廠運(yùn)營(yíng)主體的目標(biāo)產(chǎn)能(萬片/月)

大陸區(qū)域晶圓廠項(xiàng)目建設(shè)梳理一覽

隨著晶圓廠產(chǎn)能增長(zhǎng),預(yù)計(jì)至2023年CMP拋光墊全球市場(chǎng)規(guī)模約9.9億美金,其中中國(guó)市場(chǎng)有望達(dá)到4.40億美金,具有較大的發(fā)展前景.預(yù)計(jì)未來全球CMP市場(chǎng)復(fù)制增長(zhǎng)率約6%.隨著未來國(guó)內(nèi)晶圓廠大幅投產(chǎn),測(cè)算預(yù)計(jì)未來5年中國(guó)CMP拋光墊市場(chǎng)規(guī)模增速可超10%,至2023年可達(dá)約4.40億美金.全球及國(guó)內(nèi)CMP市場(chǎng)規(guī)模

CMP拋光墊行業(yè)集中度極高.目前全球CMP拋光墊市場(chǎng)格局主要被Dow、Cabot、ThomasWest等外資廠商壟斷,前5大公司壟斷約90%市場(chǎng)份額.國(guó)內(nèi)廠商在CMP拋光墊領(lǐng)域具有較為廣闊的替代空間.CMP競(jìng)爭(zhēng)格局

二、行業(yè)壁壘

CMP拋光墊具有較高技術(shù)要求、持續(xù)較大資金投入、核心客戶認(rèn)證體系是主要進(jìn)入壁壘.對(duì)于行業(yè)現(xiàn)有龍頭企業(yè)而言,為了打擊后發(fā)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),往往會(huì)發(fā)揮市場(chǎng)壟斷支配地位,通過采取區(qū)別性定價(jià)策略鎖定下游晶圓廠的長(zhǎng)期合同,從而建立自身的行業(yè)護(hù)城河.

1.專利技術(shù)積累較淺.

拋光墊是CMP工藝中重要耗材.聚胺脂有像海綿一樣的機(jī)械特性和多孔吸水特性,具有良好的耐磨性、較高的拋光效率,在集成電路晶圓的CMP中應(yīng)用非常廣泛.主要型號(hào)有IC1000、IC1400、IC2000、SUBAIV等,其中IC1000和SUBAIV是用得最廣的.拋光墊表面包括一定密度的微凸峰,也有許多微孔,不僅可以去除硅片表面材料,而且還起到存儲(chǔ)和運(yùn)輸拋光液、排除拋光過程產(chǎn)物的作用.墊上有時(shí)開有可視窗,便于線上檢測(cè).拋光墊是CMP工藝中重要的耗材,同時(shí)需要定時(shí)整修.2018年國(guó)際拋光墊專利申請(qǐng)量為76個(gè),中國(guó)拋光墊專利申請(qǐng)量為48個(gè),2019年相較于2018年專利申請(qǐng)量有所下降,數(shù)量為21個(gè).中國(guó)及國(guó)際近年來拋光墊專利申請(qǐng)量對(duì)比

2.從技術(shù)壁壘上看,拋光墊技術(shù)難點(diǎn)在需要持續(xù)試錯(cuò),找到合適材料配方、穩(wěn)定制作工藝及設(shè)計(jì)圖案,從而獲得較好的、穩(wěn)定的拋光速率和拋光效果.

企業(yè)研究CMP耗材時(shí)間成本較高,可能需要較長(zhǎng)時(shí)間來試錯(cuò)摸索工藝指標(biāo)、產(chǎn)品配方等對(duì)物理參數(shù)及性能的影響結(jié)果,形成較深的Knowhow壁壘.以拋光墊為例,由于拋光墊通常物理指標(biāo)包含硬度、剛性、韌性、彈性模量、剪切模量、密度、可壓縮性等各項(xiàng)機(jī)械指標(biāo),綜合影響拋光效果,而如果結(jié)合考慮材料選擇、溫度選擇、固化時(shí)長(zhǎng)、攪拌時(shí)長(zhǎng)等工藝步驟控制,按照三元變量簡(jiǎn)單推算其理論方案可能性至少在數(shù)萬次至數(shù)百萬次試驗(yàn)級(jí)別,因此對(duì)于企業(yè)而言需要較長(zhǎng)時(shí)間來試錯(cuò)摸索工藝指標(biāo)、產(chǎn)品配方等對(duì)物理參數(shù)及性能的影響結(jié)果.

3.核心客戶認(rèn)證體系壁壘較高

核心客戶認(rèn)證體系壁壘較高,主要由于拋光墊對(duì)芯片良率影