为了建立极其平坦的基底

CMP材料：抛光液&抛光垫，平坦化技术核心材料
CMP 是一种化学腐蚀和机械研磨相结合的平坦化半导体表面工艺，是集成电路晶圆制造中实现晶圆全局均匀平坦化的关键工艺。半导体制造分为前道工艺和后道工艺，其中前道工艺指在晶圆上形成器件的工艺过程，也称晶圆制造，后道工艺指将晶圆上的器件分离，封装的工艺过程。前道工艺共有七大工艺步骤，分别为氧化/扩散、光刻、刻蚀、离子注入、薄膜生长、清洗与抛光、金属化，通过循环重复上述工艺，最终在晶圆表面形成立体的多层结构，实现整个集成电路的制造。
在晶圆制造的各个阶段，晶圆表面都要进行平坦化处理以保持完全平坦。目的是去除多余的材料，或者是为了建立极其平坦的基底，以便添加下一层电路特征。如果晶圆制造过程中无法做到纳米级全局平坦化，既无法重复进行光刻、刻蚀、薄膜和掺杂等关键工艺，也无法将制程节点缩小至纳米级的先进领域，因此随着超大规模集成电路制造的线宽不断细小化而产生对平坦化的更高要求需求，CMP在先进工艺制程中具有不可替代且越来越重要的作用。
CMP 抛光垫和抛光液是化学机械抛光环节的核心耗材。CMP 工艺过程中涉及的耗材包括：抛光机、抛光液、抛光垫。根据 SEMI 2018 年数据，CMP 抛光材料在集成电路制造材料成本中占比 7%，其中 CMP 抛光垫、CMP 抛光液、CMP 清洗液分别占比 33%、49%、5%，合计占 CMP 抛光材料成本的 85%以上。
全球晶圆厂积极扩产提升 CMP 材料需求。根据国际半导体协会 SEMI 数据，2021年全球晶圆制造材料市场同比增长 15.5%，达到 404 亿美元，晶圆封装材料市场规模同比增长 16.5%，达到 239 亿美元。硅、湿化学品、CMP 和光掩模领域在晶圆制造材料市场中增长强劲。
1、制程缩小提高 CMP 次数，封装工艺进步拓宽 CMP 边界
晶圆制程缩小需大幅提高 CMP 次数，导致 CMP 抛光耗材在晶圆制造过程中消耗量增加。根据 Cabot 微电子数据，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 纳米的约 5 种抛光液增加到 20 余种，种类和用量迅速增长；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 30 种。CMP 的应用边界，从最初的 STI（浅沟槽隔离层）拓展到 ILD（层间介质）、Metal（金属互连层）、TM（顶层金属）等。
目前逻辑芯片正向 7nm 以下先进制程发展，台积电 5nm 产品已于 2020 年下半年实现量产出货，而芯片制程从成熟制程 28nm，先进制程 14nm 上升到 7nm 后，CMP抛光步骤大幅增加。
存储芯片的封装工艺进步，让 CMP 工艺从前道延展到后道。存储芯片由 2D NAND向 3D NAND 技术变革，也会使 CMP 抛光步骤数近乎翻倍。集成电路 2D 存储器件的线宽已接近物理极限，NAND 闪存已进入 3D 时代。随着系统级封装等新的封装方式的发展，技术实现方法上出现了倒装、凸块、晶圆级封装、2.5D 封装和 3D 封装等先进封装技术。目前 64 层 3D NAND 闪存已进入大生产，232 层闪存已经推出，目前处于扩产周期。
此外，TSV 硅通孔技术作为一项高密度封装技术也需要用到 CMP。TSV 正在逐渐取代目前工艺比较成熟的引线键合技术，被认为是第四代封装技术。由于 TSV 技术中需要使用 CMP 工艺，进行通孔大马士革铜工艺淀积后的正面抛光，用来平坦化和隔开另一面沉积的导体薄膜，便于金属布线，也会用于晶圆背面金属化和平坦化的减薄抛光，因此 CMP 抛光材料将在先进封装工艺中寻找到新的市场空间。
2、国产替代突破技术壁垒，国内厂商缩短验证周期
①抛光垫：
抛光垫的自身硬度、刚性、可压缩性等机械物理性能对抛光质量、材料去除率和抛光垫的寿命有着明显的影响。硬度即定期保持形状精度的能力，采用硬质抛光垫可以获得较好的工件平面度，使用软质抛光垫可以加工变质层和表面粗糙度都很小的抛光平面。可压缩性决定抛光过程中抛光垫和工件表面的贴合程度，影响材料去除率和表面平坦化程度。可压缩性越大，贴合越紧密，去除率越高。目前，国际先进厂家在 3D-NAND 等高要求的生产环节中应用固定研磨颗粒的抛光垫，其产品融合了原本存在于抛光液的抛光颗粒，抛光垫重要性有望进一步提高。5558-4a27-9f4a-6d5267ced105.png" target="_blank">
CMP 抛光垫行业具有技术密集、资金密集、客户验证壁垒高的特点，导致抛光垫全球市场集中度高，主要被陶氏化学占据，占全球 79%的市场份额，美日 5 大厂商占据 91%的份额。过去，国内抛光所用 CMP 抛光垫，几乎全部依赖进口。目前中国国内仅鼎龙股份有能力大批量提供，是国内唯一一家全面掌握抛光垫全流程核心研发和制造技术的 CMP 抛光垫供应商。目前陶氏化学垄断了中国近 90%的 CMP抛光垫市场供给，是国产替代的主要对象。
抛光垫行业的壁垒主要包括：技术壁垒、专利壁垒和客户认证壁垒。技术上，抛光垫需要持续试错，形成稳定有效的材料配方、制作工艺及设计图案，从而获得较好的抛光速率和抛光效果，在各项指标上达到较好的平衡。
专利方面，国产抛光垫目前专利技术仍积累较浅。日本、美国在抛光垫领域技术积累全球领先，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 个核心专利族中，有效专利 1511 个。其中日本有效专利占比 41%，美国占比 33%，处于领先地位。中国有效专利数占比13%，排名第四。公司截止 2021 年底已获得授权的专利 686 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，与国际领先企业仍有一定差距。
②抛光液：
抛光液由去离子水、磨料、PH 值调节剂、氧化剂以及分散剂等添加剂组成。在抛光过程中，抛光液中的氧化剂等成分与硅片表面材料产生化学反应并在表面形成化学反应薄膜，后由抛光液中的磨粒在压力和摩擦的作用下将其去除，从而实现抛光。根据应用环节、配方中磨粒、PH 值的不同，抛光液可以进行不同分类。
按照应用环节分类：可分为硅抛光液、铜抛光液、阻挡层抛光液、钨抛光液、钴抛光液、介质层（TDL）抛光液、浅槽隔离（STI）抛光液和硅通孔（TSV）抛光液。
按照配方中磨粒分类：可分为二氧化硅、氧化铈、氧化铝磨粒等。二氧化硅磨粒优点是活性强、易于清洗、分散性及选择性好，多用于硅及层间氧化硅介电层的抛光，缺点是硬度大，容易对硅片表面造成损伤，且抛光效率低；氧化铝磨粒优点是抛光效率高，缺点是硬度大、选择性低、易出现团聚，因此抛光液中常需加入各类稳定剂和分散剂，导致成本上升；氧化铈磨粒优点是硬度低，抛光效率高，平坦度高，清洁无污染，缺点是团聚严重，需加入各类稳定剂和分散剂，且铈属于稀有金属，成本偏高。
按照 PH 值分类：可分为酸性抛光液和碱性抛光液。酸性抛光优点是抛光效率高、可溶性强，多用于对铜、钨、铝、钛等金属材料进行抛光，缺点是腐蚀性强导致选择性低，易降低抛光设备的寿命及可靠性，所以需要在抛光液中添加抗蚀剂（BTA）提高选择性，但 BTA 对抛光液的稳定性会造成一定影响；碱性抛光液优点是腐蚀性低、选择性高，多用于抛光硅、氧化物及光阻材料等非金属材料的抛光，缺点是抛光效率较低，原因是不容易找到在弱碱性中氧化势高的氧化剂。
抛光液在材料成本中占比最高。根据 SEMI 数据，全球 CMP 材料成本占比中，抛光液用量最大，其中抛光液占比 49%，抛光垫占比 33%，合计占比 82%，钻石碟占比9%，清洗液占比 5%。根据 Cabot Microelectronics 和 TECHCET 数据，全球 CMP 抛光液 2016 年市场规模为 11 亿美元，2021 年为 18.9 亿美元，2016-2021 年 CAGR值为 11.4%。预计 2026 年将达到 25.3 亿美元。
根据观研天下数据，2018 年 TOP5 厂商为 Cabot Microelectronics、Versum、日立、富士美、陶氏，合计占市场 80%以上市场份额。然而抛光液市场格局有分散化趋势，国产替代机会更大。美国的 Cabot Microelectronics 是全球抛光液市场龙头，2000 年市占率高达 80%，不过到 2017 年 Cabot Microelectronics 全球市占率降低至 36%。其他主要供应商包括 Hitachi、Fujimi、Versum 等，市占率分别为 15%、11%、10%。抛光液市场分散程度相对较高，多元化发展趋势明显，国产厂商实现替代机会较大。目前安集微电子已经形成替代，但全球市占率仅有 2%。
从国内CMP抛光液市场格局来看，Cabot Microelectronics市场份额高达29.0%，安集微电子市场份额为13%，紧随其后的则是Hitachi、Fujimi、Versum、富士胶片、陶氏等，市场份额分别为12.0%、5.0%、4.0%、3.0%、3.0%。
国内厂商加快验证周期。核心客户认证体系壁垒方面，由于抛光垫和抛光液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。