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半导体材料CMP:集成电路制造关键制程

关键词 半导体 , CMP , 集成电路|2020-05-19 12:06:58
摘要 在晶圆制造材料中,CMP抛光材料占据了7%的市场。根据不同工艺制程和技术节点的要求,每一片晶圆在生产过程中都会经历几道甚至几十道的CMP抛光工艺步骤。从0.35μm技术节点开始,C...

在晶圆制造材料中,CMP抛光材料占据了7%的市场。根据不同工艺制程和技术节点的要求,每一片晶圆在生产过程中都会经历几道甚至几十道的CMP抛光工艺步骤。从0.35μm技术节点开始,CMP技术成为了目前唯一可实现全局平坦化的关键技术。

化学机械抛光技术(CMP)全称为Chemical Mechanical Polishing,是集成电路制造过程中实现晶圆全局均匀平坦化的关键工艺。集成电路制造过程好比建房子,每搭建一层楼层都需要让楼层足够水平齐整,才能在其上方继续搭建另一层楼,否则楼面就会高低不平,影响整体可靠性,而这个使楼层整体平整的技术在集成电路中制造中用的就是化学机械抛光技术。

集成电路制造需要在单晶硅片上执行一系列的物理和化学操作,工艺复杂,在单晶硅片制造和前半制程工艺中会多次用到CMP技术。在前半制程工艺中,主要应用在多层金属布线层的抛光中。由于IC元件采用多层立体布线,需要刻蚀的每一层都有很高的全局平整度,以保证每层全局平坦化。

与传统的纯机械或纯化学的抛光方法不同,CMP是一种由化学作用和机械作业两方面协同完成的抛光方法,能够实现晶圆表面的高度(纳米级)平坦化效果,是薄膜平坦化的最佳利器,进而能够改良芯片的整体结构,提升芯片的综合性能。

根据IC Insights统计数据,2018年全球CMP抛光材料市场规模为20.1亿美元,其中抛光液和抛光垫市场规模分别为12.7亿美元和7.4亿美元,中国抛光液市场规模约16亿人民币,预计2017-2020年全球CMP抛光材料市场规模年复合增长率为6%。

从产业链上看,CMP抛光材料位于上游。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。

CMP的主要工作原理是在一定的压力及抛光液的存在下,被抛光的晶圆对抛光垫做相对运动,借助纳米磨料的机械研磨作用与各类化学试剂的化学作用之间的高度有机结合,使被抛光的晶圆表面达到高度平坦化、低表面粗糙度和低缺陷的要求。

CMP抛光材料主要包括抛光液、抛光垫、调节器、清洁剂等,其市场份额分别占比49%、33%、9%和5%。主要以抛光液和抛光垫为主,至2018年市场抛光液和抛光垫市场分别达到了12.7和7.4亿美元。

抛光液的作用主要是为抛光对象提供研磨及腐蚀溶解,通常为影响化学机械抛光的化学因素。

抛光垫的作用主要是传输抛光液,传导压力和打磨发生化学反应的材料表面,通常为影响化学机械抛光的机械因素。


抛光材料的市场容量主要取决于下游晶圆产量,近年来一直保持较为稳定增长,预计到2020年全球市场规模达到23亿美元以上,其中抛光液的市场规模有望在2020年突破14亿美元,是带动整个抛光耗材市场成长主要动力。

抛光液门槛较高。抛光液一般分为二氧化硅抛光液、钨抛光液、铝抛光液和铜抛光液。其中铜抛光液主要应用于130nm及以下技术节点逻辑芯片的制造工艺,而钨抛光液则大量应用于存储芯片制造工艺,在逻辑芯片中用量较少。

抛光液在CMP过程中影响着化学作用与磨粒机械作用程度的比例,很大程度上决定了CMP能获得的抛光表面质量和抛光效果。

集成电路工艺的进化带来了对抛光材料的各种新需求。过去三十年中,集成电路产业遵循摩尔定律,制程节点不断推进,从1997年250nm开始,平均每18个月左右出现新一代技术节点,目前领先厂商如台积电等已实现7nm工艺量产,5nm工艺也量产在即。逻辑芯片随着制程增加,也为CMP抛光液用量带来了增长机会。

90nm工艺要求的关键CMP工艺仅12步左右,所用抛光液的种类约5、6种,而7nm以下工艺CMP抛光步骤甚至可达30步,使用抛光液种类也接近30种,带动CMP抛光液的种类和用量都迅速增长。

目前全球CMP抛光材料市场主要由美国和日本厂商所垄断,卡博特(Cabot)、日立(Hitachi)、Fujimi、Versum和陶氏(Dow)五家厂商便占据了约80%的市场份额,国产厂商市占率较低,但和2000年时卡博特独占80%份额相比,格局已有了明显优化。

全球芯片抛光液主要被日本Fujimi、HinomotoKenmazai公司,美国卡博特、杜邦、Rodel、Eka,韩国的ACE等所垄断,占据全球90%以上的高端市场份额。其中卡博特全球抛光液市场占有率最高,但是已经从2000年约80%下降至2017年35%,表明未来全球抛光液市场朝向多元化发展,本土化自给率提升。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。

抛光垫市场目前主要被陶氏化学公司所垄断,占据全球抛光垫市场76%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。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。

根据全球CMP材料领先企业Cabot(卡博特)市场预估,随着晶圆厂产能增长,预计至2023年CMP抛光垫全球市场规模约9.9亿美金,预计未来全球CMP市场复制增长率约6%。随着未来国内晶圆厂大幅投产,测算预计未来5年中国CMP抛光垫市场规模增速可超10%,至2023年可达约4.40亿美金,具有较大的发展前景。

在政策和资金的支持下,我国集成电路产业发展迅猛,为产业链实现整体突破创造条件。2020年将是国产晶圆制造企业崛起元年,随着中游制造技术能力赶超世界先进,产能有望迅速翻番增长。在政策和资金的支持下,我国集成电路产业发展迅猛,为产业链实现整体突破创造条件,核心材料国产化配套势在必行。国内晶圆产能增加及先进制程的发展,将带动CMP 抛光材料需求快速增长。


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