國(guó)產(chǎn)裝備已經(jīng)在國(guó)內(nèi)CMP市場(chǎng)占據(jù)重要份額。

撰文/劉雨辰

出品/每日財(cái)報(bào)

晶圓制造過(guò)程主要包括7個(gè)相互獨(dú)立的工藝流程：光刻、刻蝕、薄膜生長(zhǎng)、擴(kuò)散、離子注入、化學(xué)機(jī)械拋光、金屬化。作為晶圓制造的關(guān)鍵制程工藝之一，化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)指的是通過(guò)化學(xué)腐蝕與機(jī)械研磨的協(xié)同配合作用，實(shí)現(xiàn)晶圓表面多余材料的高效去除與全局納米級(jí)平坦化。

2018年，全球CMP設(shè)備的市場(chǎng)規(guī)模18.42億美元，約占晶圓制造設(shè)備4%的市場(chǎng)份額，其中中國(guó)大陸CMP設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模4.59億美元。

晶圓平坦化的必選項(xiàng)

CMP全稱為Chemical Mechanical Polishing，化學(xué)機(jī)械拋光，是半導(dǎo)體晶片表面加工的關(guān)鍵技術(shù)之一。單晶硅片制造過(guò)程和前半制程中需要多次用到化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)。與此前普遍使用的機(jī)械拋光相比，化學(xué)機(jī)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(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，因而成為目前最為普遍的半導(dǎo)體材料表面平整技術(shù)。

由于目前集成電路元件普遍采用多層立體布線，集成電路制造的前道工藝環(huán)節(jié)需要進(jìn)行多層循環(huán)。在此過(guò)程中，需要通過(guò)CMP工藝實(shí)現(xiàn)晶圓表面的平坦化。集成電路制造是CMP設(shè)備應(yīng)用的最主要的場(chǎng)景，重復(fù)使用在薄膜沉積后、光刻環(huán)節(jié)之前。

CMP設(shè)備是晶圓平坦化的必經(jīng)之路，其工作過(guò)程是：拋光頭將晶圓待拋光面壓抵在粗糙的拋光墊上，借助拋光液腐蝕、微粒摩擦、拋光墊摩擦等耦合實(shí)現(xiàn)全局平坦化。拋光盤(pán)帶動(dòng)拋光墊旋轉(zhuǎn)，通過(guò)先進(jìn)的終點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)不同材質(zhì)和厚度的磨蹭實(shí)現(xiàn)3—10nm分辨率的實(shí)時(shí)厚度測(cè)量防止過(guò)拋。更為關(guān)鍵的技術(shù)在于可全局分區(qū)施壓的拋光頭，其在限定的空間內(nèi)對(duì)晶圓全局的多個(gè)環(huán)狀區(qū)域?qū)崿F(xiàn)超精密可控單向加壓，從而可以響應(yīng)拋光盤(pán)測(cè)量的膜厚數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)壓力控制晶圓拋光形貌，使晶圓拋光后表面達(dá)到超高平整度，且表面粗糙度小于0.5nm，這一數(shù)據(jù)相當(dāng)于頭發(fā)絲的十萬(wàn)分之一。

與光刻機(jī)、刻蝕機(jī)等半導(dǎo)體設(shè)備不同，CMP設(shè)備受到摩爾定律的影響較小，在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不存在技術(shù)迭代周期，應(yīng)用于28nm和14nm的CMP設(shè)備沒(méi)有顯著的差異，僅是特定模塊技術(shù)的優(yōu)化。但CMP工藝由14nm持續(xù)向7nm、5nm、3nm先進(jìn)制程推進(jìn)過(guò)程中，CMP技術(shù)將不斷趨于拋光頭分區(qū)精細(xì)化、工藝控制智能化、清洗單元多能量組合化方向發(fā)展。

專利是先行者的福音，也是后來(lái)人的“詛咒”。2013年之后，CMP專利申請(qǐng)量緩慢增長(zhǎng)，而CMP后清洗專利申請(qǐng)量卻處于下滑狀態(tài)。全球CMP專利申請(qǐng)量總體保持平穩(wěn)，反映了當(dāng)前全球CMP技術(shù)未存在重大技術(shù)革新，后來(lái)者要想追趕必須直面強(qiáng)大的專利壁壘。

巨頭夾縫中的中國(guó)企業(yè)

2017年，全球CMP設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模17.5億美元，其中應(yīng)用材料（AMAT）12.4 億美元，日本荏原（EBARA）4.7億美元，由此計(jì)算應(yīng)用材料的份額為71.3%、日本荏原的份額為26.7%，兩者合計(jì)占有全球CMP市場(chǎng)的90%以上市場(chǎng)份額。

應(yīng)用材料（AMAT）是全球最大的半導(dǎo)體設(shè)備供應(yīng)商之一，業(yè)務(wù)涵蓋半導(dǎo)體設(shè)備、太陽(yáng)能(000591,股吧)、顯示器、自動(dòng)化軟件、卷對(duì)卷真空鍍膜等多個(gè)領(lǐng)域。在半導(dǎo)體設(shè)備業(yè)務(wù)版塊，公司制定了PPACt戰(zhàn)略旨在通過(guò)并行而非串行的創(chuàng)新來(lái)推動(dòng)芯片的能效、性能、面積、成本和上市時(shí)間革新。

公司產(chǎn)品覆蓋沉積、刻蝕、摻雜、CMP 多工藝環(huán)節(jié)。2020年，應(yīng)用材料在刻蝕、沉積、CMP、離子注入、工藝控制領(lǐng)域的全球市場(chǎng)份額分別達(dá)到了17%、43%、64%、55%和12%。

Ebara成立于1912年，在CMP領(lǐng)域，Ebara是干進(jìn)/干出（dry-in/dry-out）專利的開(kāi)拓者，獨(dú)立研發(fā)的200 mm和300mm CMP拋光設(shè)備均具有高可靠性和高生產(chǎn)率。F-REX系列CMP系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)10-20nm節(jié)點(diǎn)的表面平整度控制，用于IC制造的氧化物、ILD、STI、鎢和銅 表面處理。它們具有出色的可靠性，性能超過(guò)250小時(shí)MTBF，F(xiàn)-REX200工具代表了適用于200mm晶圓的最新CMP技術(shù)（也可用150 mm）。

國(guó)內(nèi)CMP市場(chǎng)的高端部分仍然主要依賴于進(jìn)口，在14nm以下最先進(jìn)制程工藝的大生產(chǎn)線上所應(yīng)用CMP設(shè)備僅由美國(guó)應(yīng)用材料和日本荏原兩家國(guó)際巨頭提供。應(yīng)用材料與日本荏原分別已實(shí)現(xiàn)5nm制程和部分材質(zhì)5nm制程的工藝應(yīng)用；但是在成熟制程領(lǐng)域，以華海清科為代表的國(guó)內(nèi)企業(yè)已經(jīng)打破了國(guó)外巨頭常年壟斷的局面，并且已經(jīng)在國(guó)內(nèi)CMP市場(chǎng)占據(jù)了重要份額。

華海清科成立于2013年,是天津市政府與清華 大學(xué)踐行“京津冀一體化”國(guó)家戰(zhàn)略,為推動(dòng)我國(guó)化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)技術(shù)和設(shè)備產(chǎn)業(yè)化成立的高科技企業(yè)。2018年1月，華海清科的Cu&Si CMP設(shè)備進(jìn)入上海華力，標(biāo)志著國(guó)產(chǎn)首臺(tái)12英寸銅制程工藝CMP設(shè)備正式進(jìn)入集成電路大產(chǎn)線。2018-2020年，華海清科在國(guó)內(nèi)CMP市場(chǎng)的占有率分別為 1.05%、6.15%、12.64%。

CMP包括三道拋光工序，主要運(yùn)用到的材料包括拋光墊、拋光液、蠟、陶瓷片等。不同工序根據(jù)目的的不同，分別需要不同的拋光壓力、拋光液組分、pH 值、拋光墊材質(zhì)、結(jié)構(gòu)及硬度等。CMP拋光液和CMP拋光墊是CMP工藝的核心要素，二者的性質(zhì)影響著表面拋光質(zhì)量。

目前市場(chǎng)上拋光墊目前主要被陶氏化學(xué)公司所壟斷，市場(chǎng)份額達(dá)到 90%左右，其他供應(yīng)商還包括日本東麗、3M、臺(tái)灣三方化學(xué)、卡博特等公司，合計(jì)份額在 10%左右。

主要的拋光液供應(yīng)商包括日本 Fujimi、日本 HinomotoKenmazai，美國(guó)卡博特、杜邦、Rodel、Eka、韓國(guó)ACE 等公司，占據(jù)全球 90%以上的市場(chǎng)份額，國(guó)內(nèi)這一市場(chǎng)主要依賴進(jìn)口，國(guó)內(nèi)僅有部分企業(yè)可以生產(chǎn)，但也體現(xiàn)了國(guó)內(nèi)逐步的技術(shù)突破，以及進(jìn)口替代市場(chǎng)的巨大。

作為半導(dǎo)體制造過(guò)程中關(guān)鍵工藝制程設(shè)備之一，CMP設(shè)備將持續(xù)受益下游擴(kuò)產(chǎn)以及國(guó)產(chǎn)替代進(jìn)程，但也必須要看到其中的困難，不過(guò)有一點(diǎn)是可以肯定的，只要企業(yè)能夠打破國(guó)外壟斷，那么訂單和業(yè)績(jī)是有保障的。

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