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CMP化学机械抛光 国产化进入从1到10的放量阶段

发布时间:2022-09-16 23:10:50 来源:欧宝娱乐官网在线网址 作者:OB欧宝网页登录

  随着纯电动汽车(EV)/混合动力汽车(HEV)、5G基站、特高压、城际高铁、光伏风能产业迅猛发展,以碳化硅为代表的第三代半导体商用需求迎来井喷式的爆发。对于驱动它们的芯片性能要求越高。

  半导体材料,无论作为前辈硅,还是三代GaN、 SiC对晶片表面处理的传统平坦化技术有热流法、旋转玻璃法、回蚀法、选择淀积等,但这些都只能做到局部的平面化,不能达到全局平坦化。迄今为止,化学机械全局平坦化是保证电子级晶圆和最终产品成功的唯一途径,用于衬底和多层器件平坦化处理。

  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。

  CMP技术概念首次提出是在1965 ,由Monsanto最初用于获取高质量的玻璃表面,如军用望远镜等。1988 年IBM 开始将CMP 技术运用于4M DRAM 的制造中,而自从1991 年IBM将CMP 成功应用到 64M DRAM 的生产中以后,CMP 技术在世界各地迅速发展起来。

  化学机械平坦化,(Chemical mechanical polishing,简称CMP),也称化学机械抛光,化学机械研磨,是一种高度精确的抛光工艺。通过纳米级粒子的物理研磨作用与抛光液的化学腐蚀作用的有机结合,以获得优异的平面度。其过程可描述为:

  抛光过程部分是机械的,部分是化学的。由于摩擦和腐蚀之间的协同作用,CMP 被认为是一种摩擦化学过程。

  该过程的机械元件施加向下的压力,而发生的化学反应提高了材料去除率。该过程是根据被处理材料的类型量身定制的。

  当目的是去除表面材料时,它被称为化学机械抛光。然而,当目的是使表面变平时,它被称为化学机械平面化。

  专家建议对高要求的半导体应用进行化学机械平面化。事实上,这个过程带来了显著的特性:

  :设备上存储的数据越多,设计就越精确。CMP产生了激光质量的表面(0/0 划痕),改善了表面形貌,还可以在基板上达到亚纳米级的Ra,可以说是达完全平整并具有完美的表面光洁度。有几种方法有助于测量表面光洁度,例如峰谷值。实际上,PV是测量抛光表面最高点和最低点之间的高度差。最新的半导体技术需要低至埃级(10 的负10次 m) 的PV 。

  :CMP是一个涉及多个基板抛光的多步骤工艺。目标是优化每个步骤的持续时间。然而,保持高精度的抛光工艺仍然是必不可少的。每一步都持续不到60秒!

  CMP设备与晶圆生产中的抛光设备有相似之处,但集成电路硅片中很多材料的加入以及金属层的增加使得CMP设备不能如同抛光设备那样简单,而需要加入特别的过程获得平坦化的效果。这主要体现在对抛光厚度、抛光速率的检测上,被称作终点检测,通常有电机电流终点检测、光学终点检测。CMP系统的其他特性和优势包括:

  CMP参与到制造和封装微芯片的各个阶段,从而去除平坦化晶片前表面上的多余材料,或者为添加下一层电路功能创建一个完美的平坦基础,以保证晶片表面完全平整。

  CMP在前道加工领域:主要负责对晶圆表面实现平坦化。晶圆制造前道加工环节主要包括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CMP则主要用于衔接不同薄膜工艺,根据华海清科招股书中指出,前段制程工艺主要为STI-CMP和Poly-CMP,后段制程工艺主要为介质层ILD-CMP、IMD-CMP以及金属层W-CMP、Cu-CMP等。

  在后道封装领域:CMP工艺也逐渐被用于先进封装环节的抛光,如硅通孔(TSV)技术、扇出(Fan-Out)技术、2.5D转接板(interposer)、3D IC等封装技术中对引线尺寸要求更小更细,因此会引入刻蚀、光刻等工艺,而CMP作为每道工艺间的抛光工序,也得以广泛应用于先进封装中。

  在人工智能和大数据的助推下,实现多因素智能控制成为一种可能。引入CMP设备的智能化工艺控制水平,可提高工艺一致性与产品良率。

  CMP是一个受多因素影响的工艺过程,需要分考虑设备运行的多种过程参数对抛光结果的影响。抛光盘的转动、承载头的转动、修整器的摆动、承载头各分区的载荷、保持环压力、抛光垫磨损、抛光液供给、抛光液温度等因素的微小变化都会影响抛光结果的变化。

  化学机械抛光已迅速成为制造集成电路的核心技术。化学机械抛光系统在单个裸片或最大直径为300毫米的晶圆上提供纳米级材料去除能力,可用于当今设备制造工艺中使用的各种晶圆/基板材料。使用CMP特定应用材料包括:

  在CMP工艺期间,使用抛光液(浆料)和抛光垫抛光晶片表面以进行平坦化。焊盘和浆料是CMP工艺中使用的消耗品,应根据技术性能、工艺优化和/或拥有成本的需要进行选择。

  CMP抛光液是针对不同研磨材料的特性进行独特的配方设计,抛光过程中,pH值基本保持不变,从而保证抛光速率的稳定,并节约抛光时间。如二氧化硅胶体粒度细,抛光液稳定性和分散均一性好,广泛用于多种材料纳米级的化学机械抛光。

  磨料是平坦化工艺中研磨材料和化学添加剂的混合物,研磨材料主要是石英、二氧化铝和氧化铈。磨粒的典型尺寸范围为10-250纳米。化学添加剂则要根据实际情况加以选择,这些化学添加剂和要被除去的材料进行反应,弱化其和硅分子联结,这样使得机械抛光更加容易。在应用中的通常有氧化物磨料、金属钨磨料、金属铜磨料以及一些特殊应用磨料。

  抛光垫通常使用聚亚胺脂(Polyurethane)材料制造,又有聚氨酯抛光垫、抛光阻尼布、氧化铈抛光垫,利用这种多孔性材料类似海绵的机械特性和多孔特性,表面有特殊的沟槽,提高抛光的均匀性,垫上有时开有可视窗,便于线上检测。通常抛光垫为需要定时整修和更换的耗材,一个抛光垫虽不与晶圆直接接触,但使用寿命约仅为45至75小时。

  CMP过程中产生的浆体颗粒对硅晶片表面的污染对设备工艺中收率(Yield)的下降有着极大的影响。因此需要进行CMP后清洗,以去除具有各种几何特征的不同表面、化学和机械性能的晶圆上的颗粒、有机残留物和金属污染物。具体操作详见《半导体清洗 30%总工序,50%国产替代空间,弯道超车的绝佳机会》

  近年来,随着超大规模集成电路制造的线宽不断细小化,制造工艺不断向先进制程节点发展,硅晶圆平坦化的精度要求也不断提高。CMP技术从Planar Logic发展到3D FinFET,从2D NAND发展到3D NAND。随着CMP工艺的演变,CMP循环次数也在逐渐加多。逻辑市场正在从 FinFET 向 GAA 转变,这增加了 CMP 步骤的数量。以逻辑芯片为例,65nm制程芯片需经历约12道CMP步骤,而7nm制程所需的CMP处理增加为30多道。

  增加次数的同时并引入了用于金属栅极的新材料,如钴、钌、钼、镍和各种合金。从而大幅刺激了集成电路制造商对 CMP 设备的采购和升级需求。投资规模在半导体设备行业的占比也将逐步提升,未来市场前景广阔。

  在强劲的 2021 年推动下,CMP 浆料和焊盘市场在 200mm 和 300mm 平台上恢复了更高的增长率。前沿 DRAM 和 3DNAND 的强劲增长推动了对钨、铜和钴焊盘和浆料的需求。伴随更高层代的晶圆开始投入生产,先进的 3DNAND 作为CMP的新应用也推动了增长。

  不同的研究机构对CMP全球市场有不同的预测值,但如上文所述,CMP步骤会不断增加,CMP设备以及耗材市场估值也会增加。

  抛光液与抛光垫为CMP 工艺核心耗材。在整个半导体材料成本中,抛光材料仅次于硅晶圆、电子气体和掩膜板,占比7%,是半导体制造的重要材料之一;抛光液和抛光垫占CMP 耗材细分市场的70-80%左右。

  据QYR的统计及预测,2021年全球CMP抛光液市场销售额达到了18亿美元,预计2028年将达到27亿美元,2022-2028年复合增长率为4.3%。

  根据TECHCET发布的CMP分析报告,2021年耗材市场总规模为30亿美元,同比增长13%。预计22年该市场将增长9%,达到33亿美元,到 2026 年的预测显示该市场的复合年增长率将超过 6%。

  设备方面,据Cartner统计,2020年全球CMP设备市场规模为17.67亿美元,2021年为27.83亿美元,同比增长57.48%。预计2022年全球市场规模为30.76亿美元,CMP设备市场仍有扩大空间。另据SEMI,随着半导体行业景气度上升,CMP设备市场将恢复增长,预计2022年将达19亿美元。

  根据历史市场规模和晶圆厂产线投资情况测算,CMP设备市场规模约占IC制造设备市场规模的3-4%左右。

  综合各大机构预测,中国已成为最大的CMP应用市场,约战全球的27-30%。

  根据华经产业研究院数据统计,从中国半导体设备市场规模角度来看,2017-2020年中国大陆地区的CMP设备市场规模分别为2.2亿美元、4.6亿美元、4.6亿美元和4.3亿美元,呈现波动增长趋势,截至2021年我国大陆地区的CMP设备市场规模为6.8亿美元,同比增长58%。其中进口金额为5.91亿美元,同比增长90.03%。目前国内CMP国有率仍很低。有业内人士不好意思表示,CMP设备的国产化率增量在10%,但总量应该低于1%。这给耗材国有率整得很渺小。

  虽然CMP市场依旧被国际寡头所垄断,但CMP设备与耗材国产企业多点开花,正逐渐形成国产替代体系,项目进展如下:

  中国电子科技集团第45所承担国家科技重大专项(02专项)的支持,在8英寸、12英寸CMP设备上率先取得突破,拥有抛光头承载器、抛光区压力控制、在线重点检测等六大核心技术,并最早实现商用;

  中国电子科技集团旗下的北京烁科精微电子装备有限公司,有适用于主流的14nm/28nm 逻辑制程的化学机械抛光设备,并推动着8 英寸和12 英寸CMP的产业化进程;

  华海清科为国内领先的CMP设备龙头供应商,产品总体性能已达到国内领先水平,是目前国内为数不多的能够提供半导体12英寸CMP商业机型的厂商;

  鼎龙股份是国内为数不多的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;

  上海新安纳电子科技有限公司是中国技术领先的CMP抛光液供应商,已为全球半导体企业提供专业的表面处理解决方案;

  安集科技CMP抛光液产品已成功用于130-14nm逻辑芯片工艺、存储芯片工艺和三维集成工艺,10-7nm技术节点产品正在研发中;

  众硅科技是CMP设备的研发制造和生产销售公司,目前成功研发了6英寸和12英寸CMP设备;

  另外,国内CMP耗材市场的参与者还有:北京国瑞升科技股份有限公司、深圳力合、昊华科技、泰兴市和宸晶体科技有限公司、上海新阳半导体材料股份有限公司、天通吉成机器技术有限公司、宁波赢伟泰科新材料有限公司、苏州观胜半导体科技有限公司、无锡吉致电子科技有限公司、上海芯谦集成电路有限公司、万桦(常州)新材料科技有限公司、合肥宏光研磨科技有限公司、万华化学集团电子材料有限公司、兴硅科技(江苏)有限公司、南通十方机电设备有限责任公司、智胜科技股份有限公司(iVT)、贝达先进材料公司(三芳化学)、上海映智研磨材料有限公司等。

  今年以来,全球缺芯的局势下,晶圆厂各地开花,作为半导体制造的关键工艺装备,集成电路行业市场对CMP设备的需求快速提升。业内人士分析表示,当前CMP设备国产化已进入从1到10的放量阶段。短期来看,2022年前半年半导体产业下游需求保持结构性增长,有望带动半导体产业链内相关企业业绩上行。专用化和定制化将给后起的国产耗材厂商带来机遇。未来发展路线,我们建议国内企业:

  国内致力于先进装备、精密设备的头部厂商可开拓CMP设备领域,通过全球并购、国内整合、产学融合方式推动平坦化设备产业化。

  国内先进材料厂商的细分业务可以向CMP耗材转行,或者耗材厂商可以集中优势资源发力研发某一特定应用领域抛光液、抛光垫,通过单一爆款产品突破口杀入市场。

  积极融入国产替代的大局中,与国内主流的晶圆制造厂商展开深度合作,研发定制化的产品,逐步打破壁垒。

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