cmp是什么意思 cmp工藝原理

?1. CMP：晶圓平坦化的關(guān)鍵工藝??

1.1. CMP 工藝是晶圓全局平坦化的關(guān)鍵工藝

晶圓制造流程可以廣義地分為晶圓前道和后道 2 個(gè)環(huán)節(jié)，其中前道工藝在晶圓廠中進(jìn)行，主要負(fù)責(zé)晶圓的加工制造，后道工藝在封測(cè)廠中進(jìn)行，主要負(fù)責(zé)芯片的封裝測(cè)試，其中，化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）是實(shí)現(xiàn)晶圓全局平坦化的關(guān)鍵工藝，指的是通過化學(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，是先進(jìn)集成電路制造前道工序、先進(jìn)封裝等環(huán)節(jié)必需的關(guān)鍵制程工藝。?

在前道加工領(lǐng)域：CMP 主要負(fù)責(zé)對(duì)晶圓表面實(shí)現(xiàn)平坦化。晶圓制造前道加工環(huán)節(jié)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 CMP 則主要用于銜接不同薄膜工藝，其中根據(jù)工藝段來(lái)分可以分為前段制程（FEOL）和后段制程（BEOL），前段制程工藝主要為 STI-CMP 和 Poly-CMP，后段制程工藝主要為介質(zhì)層 ILD-CMP、IMD-CMP 以及金屬層 W-CMP、Cu-CMP 等。

在后道封裝領(lǐng)域：CMP 工藝也逐漸被用于先進(jìn)封裝環(huán)節(jié)的拋光，如硅通孔（TSV）技術(shù)、扇出（Fan-Out）技術(shù)、2.5D 轉(zhuǎn)接板（interposer）、3D IC 等封裝技術(shù)中對(duì)引線尺寸要求更小更細(xì)，因此會(huì)引入刻蝕、光刻等工藝，而 CMP 作為每道工藝間的拋光工序，也得以廣泛應(yīng)用于先進(jìn)封裝中。?

如果晶圓制造過程中無(wú)法做到納米級(jí)全局平坦化，既無(wú)法重復(fù)進(jìn)行光刻、刻蝕、薄膜和摻雜等關(guān)鍵工藝，也無(wú)法將制程節(jié)點(diǎn)縮小至納米級(jí)的先進(jìn)領(lǐng)域。隨著超大規(guī)模集成電路制造的線寬不斷細(xì)小化，制造工藝不斷向先進(jìn)制程節(jié)點(diǎn)發(fā)展，平坦化的精度要求也不斷提高，CMP 步驟也會(huì)不斷增加，從而大幅刺激了集成電路制造商對(duì) CMP 設(shè)備的采購(gòu)和升級(jí)需求。

CMP（化學(xué)機(jī)械拋光）相較于傳統(tǒng)方法有更高的加工精度和加工速度。傳統(tǒng)的機(jī)械拋光和化學(xué)拋光方法，去除速率、拋光質(zhì)量均無(wú)法滿足先進(jìn)芯片量產(chǎn)需求。而 CMP 技術(shù)利用磨損中的“軟磨硬”原理，即用較軟的材料來(lái)進(jìn)行拋光以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的表面拋光，避免了由單純機(jī)械拋光造成的表面損傷和由單純化學(xué)拋光易造成的拋光速度慢、表面平整度和拋光一致性差等缺點(diǎn)，是目前唯一能兼顧表面全局和局部平坦化的拋光技術(shù)，在先進(jìn)集成電路制造中被廣泛應(yīng)用。

1.2. CMP 工藝技術(shù)原理?

CMP 設(shè)備主要依托 CMP 技術(shù)的化學(xué)-機(jī)械動(dòng)態(tài)耦合作用原理，通過化學(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（全局平整落差5nm以內(nèi)的超高平整度）。CMP 拋光過程可以分為化學(xué)過程和物理過程。化學(xué)過程指：研磨液中化學(xué)成分與硅片表面材料產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，通過將不溶物轉(zhuǎn)化為易溶物或軟化高硬度物質(zhì)，生成比較容易去除的物質(zhì)。物理過程指：研磨液中的磨粒與硅片表面材料發(fā)生機(jī)械物理摩擦，從硅片表面去除這些化學(xué)反應(yīng)物，溶入流動(dòng)的液體中帶走。

CMP 具體步驟：?

第一步：將硅片固定在拋光頭最下面，拋光墊放置在研磨盤上；?

第二步：旋轉(zhuǎn)的拋光頭以一定壓力壓在旋轉(zhuǎn)的拋光墊上，在硅片表面和拋光墊之間加入流動(dòng)的研磨液（由亞微米或納米磨粒和化學(xué)溶液組成），研磨液在拋光墊的傳輸和離心力的作用下均勻涂布，在硅片和拋光墊之間形成一層液體薄膜；?

第三步：通過化學(xué)去膜和機(jī)械去膜的交替過程實(shí)現(xiàn)平坦化。

CMP 主要技術(shù)參數(shù)：?

??研磨速率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)磨除材料的厚度；?

?平整度：硅片某處 CMP 前后臺(tái)階高度之差/CMP 之前臺(tái)階高度*100% ；?

?研磨均勻性：包括片內(nèi)均勻性和片間均勻性。

片內(nèi)均勻性=同個(gè)晶圓研磨速率的標(biāo)準(zhǔn)差/研磨速率；

片間均勻性=不同晶圓同一條件下研磨速率標(biāo)準(zhǔn)差/平均研磨速率?

?缺陷量：CMP 工藝造成的硅片表面缺陷，一般包括擦傷、凹陷、侵蝕、殘留物和顆粒污染，直接影響成品率。

1.3. CMP 設(shè)備及材料對(duì)工藝效果有關(guān)鍵影響

CMP 工藝離不開設(shè)備及材料，其中材料包括拋光墊和拋光液，設(shè)備和材料對(duì)工藝效果有關(guān) 鍵影響，CMP 效果主要影響因素如下：

?設(shè)備參數(shù)：拋光時(shí)間、研磨盤轉(zhuǎn)速、拋光頭轉(zhuǎn)速、拋光頭搖擺度、背壓、下壓力等；

??研磨液參數(shù)：磨粒大小、磨粒含量、磨粒凝聚度、酸堿度、氧化劑含量、流量、粘滯 系數(shù)等?；

?拋光墊參數(shù)：硬度、密度、空隙大小、彈性等；

?CMP 對(duì)象薄膜參數(shù)：種類、厚度、硬度、化學(xué)性質(zhì)、圖案密度等。

CMP 材料主要包括拋光液、拋光墊、鉆石碟、清洗液等，對(duì) CMP 工藝效應(yīng)均有關(guān)鍵影響。?

1. CMP 拋光墊：主要作用是儲(chǔ)存和運(yùn)輸拋光液、去除磨屑和維持穩(wěn)定的拋光環(huán)境等；?

2. CMP 拋光液：是研磨材料和化學(xué)添加劑的混合物，可使晶圓表面產(chǎn)生一層氧化膜，再由拋光液中的磨粒去除，達(dá)到拋光的目的。?

3. CMP 鉆石碟：是 CMP 工藝中必不可少的耗材，用于維持拋光墊表面一定的粗糙狀態(tài)，通常與 CMP 拋光墊配套使用。?

4. CMP 清洗液：主要用于去除殘留在晶圓表面的微塵顆粒、有機(jī)物、無(wú)機(jī)物、金屬離子、氧化物等雜質(zhì)，滿足集成電路制造對(duì)清潔度的極高要求，對(duì)晶圓生產(chǎn)的良率起到了重要的作用。

CMP設(shè)備是 CMP 技術(shù)應(yīng)用的載體，集摩擦學(xué)、表/界面力學(xué)、分子動(dòng)力學(xué)、精密制造、化學(xué)化工、智能控制等多領(lǐng)城最先進(jìn)技術(shù)于一體，是集成電路制造設(shè)備中較為復(fù)雜和研制難度較大的設(shè)備之一。同時(shí)，由于銅連線在微處理器生產(chǎn)中廣泛引用，因此唯一能夠拋光銅金屬層的 CMP 設(shè)備更成為芯片制造廠商必需的重要工具。

CMP?設(shè)備主要分為拋光部分和清洗部分，拋光部分由拋光頭、研磨盤等組成，清洗部分由 清洗刷、供液系統(tǒng)等組成

??拋光頭：通常具有真空吸附裝臵用于吸附晶圓，防止晶圓在拋光過程中產(chǎn)生位移，同時(shí)向下施加壓力。

??研磨盤：起到對(duì)晶圓的支撐作用，承載拋光墊并帶動(dòng)其轉(zhuǎn)動(dòng)并對(duì)拋光頭壓力大小、轉(zhuǎn)動(dòng) 速度、開關(guān)動(dòng)作等進(jìn)行控制。

??清洗刷：用于 CMP 后清洗環(huán)節(jié)，在CMP后去除顆粒和其他化學(xué)污染物，分為清潔— 沖洗—干燥環(huán)節(jié)，保證晶圓干進(jìn)干出。

??終點(diǎn)檢測(cè)設(shè)備：終點(diǎn)檢測(cè)設(shè)備用于檢測(cè) CMP 工藝是否把材料磨到正確的厚度，避免過?。ㄎ雌鸬綊伖庾饔茫┘斑^厚（損失下層材料）帶來(lái)的負(fù)面影響，通常使用電性能及光學(xué)兩種測(cè)量方式。

1.4.?先進(jìn)制程推進(jìn)帶動(dòng)CMP設(shè)備及材料需求

當(dāng)前 CMP 已經(jīng)廣泛應(yīng)用于集成電路制造中對(duì)各種材料的高精度拋光。按照被拋光的材料類型，具體可以劃分為三大類：（1）襯底：主要是硅材料。（2）金屬：包括 Al/Cu 金屬互聯(lián)層，Ta/Ti/TiN/TiNxCy 等擴(kuò)散阻擋層、粘附層。（3）介質(zhì)：包括 SiO2/BPSG/PSG 等ILD（層間介質(zhì)），SI3N4/SiOxNy 等鈍化層、阻擋層。在0.25μm 節(jié)點(diǎn)后的 Al 布線和進(jìn)入0.13μm 節(jié)點(diǎn)后的 Cu布線，CMP 技術(shù)的重要性持續(xù)凸顯：

90~65nm 節(jié)點(diǎn)：隨著銅互連技術(shù)和低 k 介質(zhì)（一種絕緣材料）的廣泛采用，淺槽隔離(STI)、 絕緣膜、銅互連層是 CMP 的主要研磨對(duì)象。

28nm 節(jié)點(diǎn)：邏輯器件的晶體管中引入高 k 金屬柵結(jié)構(gòu)（HKMG），因而同時(shí)引入了兩個(gè)關(guān)鍵的平坦化應(yīng)用，包括虛擬柵開口 CMP 工藝和替代金屬柵 CMP 工藝。32nm 及 22nm 節(jié)點(diǎn)：銅互連低 k 介質(zhì)集成的 CMP 工藝技術(shù)支持 32nm 和 22nm 器件的量產(chǎn)，其中開始出現(xiàn)的 FinFET 晶體管添加了虛擬柵平坦化工藝，這是實(shí)現(xiàn)后續(xù) 3D 結(jié)構(gòu)刻蝕 的關(guān)鍵技術(shù)。

隨著摩爾定律的推進(jìn)，當(dāng)制造工藝不斷向先進(jìn)制程節(jié)點(diǎn)發(fā)展時(shí)，對(duì) CMP 技術(shù)的要求也相應(yīng)提高。當(dāng)制程節(jié)點(diǎn)發(fā)展至 7nm 以下時(shí)，芯片制造過程中 CMP 的應(yīng)用在最初的氧化硅 CMP和鎢 CMP 基礎(chǔ)上新增了包含氮化硅CMP、鰭式多晶硅 CMP、鎢金屬柵極 CMP 等先進(jìn)CMP 技術(shù)，所需的拋光技術(shù)也增加至 30?余步，大幅刺激了集成電路制造商對(duì) CMP 設(shè)備及材料的采購(gòu)和升級(jí)需求。

CMP

?2. CMP 設(shè)備市場(chǎng)快速成長(zhǎng)，國(guó)產(chǎn)替代快速前行?

2.1. 行業(yè)高景氣帶動(dòng)晶圓廠擴(kuò)大資本開支，設(shè)備需求大幅提高

在 5G、物聯(lián)網(wǎng)、汽車電子、云計(jì)算等需求的帶動(dòng)下，半導(dǎo)體市場(chǎng)需求持續(xù)增長(zhǎng)。2020 年盡管受到疫情的影響，全球半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模依然同比增長(zhǎng) 6.8%，達(dá)到了 4404 億美元，預(yù)計(jì) 2021 年、2022 年全球半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模分別為 5530 億美元、6015 億美元，同比分別增長(zhǎng)25.6%、8.8%。從分地區(qū)來(lái)看，2021 年和 2022 年亞太市場(chǎng)規(guī)模增速將高于全球平均，分別為 26.7%、8.4%，在全球市場(chǎng)的占比分別為 62.11%、61.90%。

中國(guó)大陸的半導(dǎo)體設(shè)備銷售額從2013年的33億美元增長(zhǎng)至2020年的187億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率高達(dá) 27.70%，遠(yuǎn)超全球市場(chǎng)增速。從中國(guó)市場(chǎng)占比來(lái)看，中國(guó)大陸半導(dǎo)體設(shè)備銷售額在全球占比從 2013 年的 10.40%提高到 2020 年的 26.25%。?

2021 年，中國(guó)大陸第二次成為全球半導(dǎo)體設(shè)備的最大市場(chǎng)，銷售額增長(zhǎng)了 58%，達(dá)到 296億美元，在全球市場(chǎng)占比高達(dá) 28.7%，占比進(jìn)一步提高。

2.2. 中國(guó)大陸 CMP 設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模接近 8 億美元

根據(jù) Gartner 數(shù)據(jù)，CMP 設(shè)備在半導(dǎo)體晶圓制造設(shè)備中占比為 3%，結(jié)合 SEMI 的數(shù)據(jù)，2020-2021 年全球晶圓制造設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模 612 億美元、880 億美元，按照 3%的比例測(cè)算，CMP 設(shè)備對(duì)應(yīng)市場(chǎng)規(guī)模為 18.4 億美元、26.4 億美元。

根據(jù) SEMI 數(shù)據(jù)，2021 年中國(guó)大陸在半導(dǎo)體設(shè)備在全球市場(chǎng)占比高達(dá) 28.7%，按次比例測(cè)算 CMP 設(shè)備的占比，預(yù)計(jì) 2021年中國(guó)大陸 CMP 設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模 7.6 億美元。

2.3. CMP 設(shè)備技術(shù)壁壘高，海外龍頭企業(yè)長(zhǎng)期壟斷?

復(fù)雜的技術(shù)工藝與高難度的研發(fā)是 CMP 設(shè)備的主要壁壘。CMP 設(shè)備是集機(jī)械學(xué)、流體力學(xué)、材料化學(xué)、精細(xì)加工、控制軟件等多領(lǐng)域最先進(jìn)技術(shù)于一體的設(shè)備，需保持精密的機(jī)械控制與干濕化學(xué)和機(jī)械間的平衡，具有較為復(fù)雜的研制難度，對(duì)技術(shù)、工藝、專利等有嚴(yán)格的要求，廠商競(jìng)爭(zhēng)存在較高的技術(shù)壁壘。?

專利也是 CMP 設(shè)備的一大準(zhǔn)入壁壘。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。?

CMP 市場(chǎng)被海外壟斷，市場(chǎng)集中度高。CMP 為多學(xué)科交叉，行業(yè)進(jìn)入壁壘較高，整體產(chǎn)業(yè)呈日美企業(yè)壟斷的格局。國(guó)內(nèi)企業(yè)進(jìn)入時(shí)間相對(duì)較晚，因此整體國(guó)產(chǎn)化率偏低。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。根據(jù) Gartner 研究數(shù)據(jù)，2019 年美國(guó)應(yīng)用材料和日本荏原的 CMP 設(shè)備銷售額分別為 10.43 億美元、3.725 億美元，各占 70%、25%的全球市場(chǎng)份額。2017、2018、2019 三年，兩家公司合計(jì)占有的市場(chǎng)份額分別為 98%、90%、95%，CMP 設(shè)備市場(chǎng)呈現(xiàn)出高度壟斷的競(jìng)爭(zhēng)格局。

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、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)。?

根據(jù) Gartner 數(shù)據(jù)，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%。2020 年公司總體收入 172 億美元，半導(dǎo)體裝備銷售收入合計(jì) 113.67 億美元，同比增長(zhǎng) 26%，其中 CMP 設(shè)備銷售收入11.33 億美元，同比增長(zhǎng) 18%。

應(yīng)用材料自 2003 年開始主攻 12 英寸設(shè)備，目前主打 MIRRA 和 REFLEXION 兩個(gè)系列,其中 MIRRA 主要定位于 8 英寸 CMP 平臺(tái)，REFLEXION主要定位于 12 寸 CMP 平臺(tái)。目前，應(yīng)用材料 CMP 設(shè)備已經(jīng)可以應(yīng)用最先進(jìn)的 5nm 制程。

Ebara 成立于 1912 年，目前旗下有 3 塊業(yè)務(wù)，分別是：（1）流體機(jī)械及系統(tǒng)（2）環(huán)境工程，包括市政垃圾焚燒廠、工業(yè)垃圾焚燒廠、水處理廠等；（3）精密電子，包括干式真空泵、CMP（化學(xué)機(jī)械拋光）設(shè)備、電鍍?cè)O(shè)備及排氣處理設(shè)備公司在液化天然氣泵領(lǐng)域全球市占率第一，在 CMP 系統(tǒng)和干泵領(lǐng)域全球市占率第二。2020 年公司營(yíng)業(yè)收入為 49.1 億美元，其中精密器械部門中 CMP 設(shè)備收入約 5.14 億美元，同比增長(zhǎng) 25.8%，占全球 CMP 市場(chǎng)份額的 29.1%，僅次于應(yīng)用材料。

日本荏原是 CMP 領(lǐng)域干進(jìn)/干出（dry-in/dry-out）專利的開拓者，獨(dú)立研發(fā)的 200mm 和300 mm 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。FREX200工具代表了適用于 200 mm 晶圓的最新 CMP 技術(shù)（也可用 150 mm）。它采用Ebara 原創(chuàng)的干進(jìn)干出(Dry-in/Dry-out)晶圓處理技術(shù)專利。清潔模塊集成在 CMP 工具內(nèi)，從而將干晶片輸送到后續(xù)工藝中。目前，日本荏原的 CMP 設(shè)備已經(jīng)可以應(yīng)用在部分材質(zhì)的5nm 制程工藝。

2.4. 華海清科為代表的的國(guó)產(chǎn)廠家已經(jīng)具備 12 寸 CMP 設(shè)備國(guó)產(chǎn)替代能力?

國(guó)內(nèi) CMP 設(shè)備的主要研發(fā)生產(chǎn)單位有華海清科等。華海清科是國(guó)產(chǎn) 12 英寸和 8 英寸 CMP 設(shè)備的主要供應(yīng)商，是目前國(guó)內(nèi)唯一實(shí)現(xiàn)了 12 英寸CMP 設(shè)備量產(chǎn)銷售的半導(dǎo)體設(shè)備供應(yīng)商。

公司 CMP 產(chǎn)品在已量產(chǎn)的制程（14nm 以上）及工藝應(yīng)用中已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)行業(yè)龍頭公司產(chǎn)品的替代。但在 14nm 以下制程工藝方面與行業(yè)龍頭公司產(chǎn)品尚存在一定技術(shù)差距，存在一定的提升空間：①在豎直旋轉(zhuǎn)技術(shù)體系(VRM)的工藝方面，14nm 以下制程工藝中與行業(yè)龍頭公司產(chǎn)品存在一定差距，龍頭企業(yè)最先進(jìn)的 CMP 后處理單元的顆粒殘留可已更低；

②公司產(chǎn)品在 28nm-14nm 制程中金屬離子控制方面在與行業(yè)龍頭公司水平一致，均能達(dá)到金屬離子含量不超過每平方厘米含有的(特定)原子數(shù)為 5 乘以 10 的 10 次方個(gè)的目標(biāo)，但在更先進(jìn)制程工藝中行業(yè)龍頭公司產(chǎn)品的技術(shù)表現(xiàn)水平更高。

CMP

3. CMP 材料用量大幅提升，國(guó)內(nèi)龍頭廠商持續(xù)破局?

3.1. 半導(dǎo)體材料市場(chǎng)持續(xù)擴(kuò)張，進(jìn)口替代趨勢(shì)明確?

受益于晶圓廠積極擴(kuò)產(chǎn)以及半導(dǎo)體工藝升級(jí)，半導(dǎo)體材料市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)增長(zhǎng)。據(jù)國(guó)際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)（SEMI）發(fā)布數(shù)據(jù)顯示，全球半導(dǎo)體材料市場(chǎng)規(guī)模始終保持在半導(dǎo)體總規(guī)模的11%-13%左右；2021 年全球半導(dǎo)體材料市場(chǎng)規(guī)模達(dá) 643 億美元，較 2020 年的 555 億美元增加 88 億美元，同比增長(zhǎng) 15.9%，再創(chuàng)新高。?

中國(guó)半導(dǎo)體材料市場(chǎng)增速高于全球增速，進(jìn)口替代趨勢(shì)明確。中國(guó)晶圓制造產(chǎn)業(yè)近年來(lái)迎來(lái)快速發(fā)展，全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)東移趨勢(shì)明確，中國(guó)大陸晶圓廠產(chǎn)能持續(xù)提升，對(duì)上游材料產(chǎn)生大量本土化配套需求。根據(jù) SEMI數(shù)據(jù)，2016-2019 年國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體材料占全球市場(chǎng)份額約 16.3%，位居前三，2021 年中國(guó)大陸半導(dǎo)體材料市場(chǎng)規(guī)模達(dá) 119.3 億美元，首次突破100 億美元，同比增長(zhǎng) 21.9%，平均增速高于全球。

3.2. 集成電路工藝升級(jí)，CMP 材料用量大幅提升

CMP 拋光材料是 CMP 工藝中用到材料的總稱，在半導(dǎo)體材料成本中占比約 7%。其中，拋光液和拋光墊為 CMP 工藝的核心材料，在 CMP 拋光材料中占比分別達(dá)到 49%和 33%。?

據(jù) Techcet 數(shù)據(jù)顯示，受益于 3D Nand 以及先進(jìn)制程工藝的快速發(fā)展，CMP 材料需求量的大幅提升，全球拋光液/拋光墊市場(chǎng)規(guī)模有望于 2020 年的16.6/10.2 億美元分別增長(zhǎng)至2025年 22.7/13.5 億美元，2021-2025 年 CAGR 分別達(dá) 6%/5.1%。2020 年國(guó)內(nèi) CMP 拋光材料市場(chǎng)規(guī)模約為 32 億元，近五年復(fù)合增速為10%左右，國(guó)內(nèi)拋光液/拋光墊市場(chǎng)分別為20/12 億元，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)受益于下游晶圓廠擴(kuò)建及國(guó)產(chǎn)化率提升，增速有望高于全球市場(chǎng)，2025 年拋光液/拋光墊市場(chǎng)有望占全球市場(chǎng)的 25%，分別為 40/27 億元，2021-2025 年CAGR 達(dá) 15%。

美系廠商壟斷市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)廠商迎來(lái)國(guó)產(chǎn)化+差異化競(jìng)爭(zhēng)機(jī)遇。目前半導(dǎo)體材料整體的國(guó)產(chǎn)化率僅 10%，其中，拋光墊市場(chǎng)呈現(xiàn)一家獨(dú)大的市場(chǎng)格局，根據(jù) Semi 統(tǒng)計(jì)，陶氏化學(xué)占有絕對(duì)主導(dǎo)地位，2018 年全球市占率達(dá) 79%；拋光液行業(yè)龍頭 Cabot 微電子 2020 年市占率達(dá) 36%，差異化競(jìng)爭(zhēng)使得市場(chǎng)格局相對(duì)分散。隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)逐漸向中國(guó)大陸轉(zhuǎn)移，國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體材料需求持續(xù)增長(zhǎng)，國(guó)產(chǎn)替代需求強(qiáng)烈。隨著需求的多樣化和對(duì)品質(zhì)要求的提高，未來(lái)拋光材料將逐步向?qū)Ｓ没?、定制化方向發(fā)展，這為立足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的國(guó)產(chǎn)廠商提供了與國(guó)際龍頭差異化競(jìng)爭(zhēng)的機(jī)遇。

先進(jìn)制程及工藝對(duì)晶圓平整度要求更高，拋光次數(shù)與材料種類等隨之增長(zhǎng)，推動(dòng) CMP 材料用量逐年增長(zhǎng)：?

1）邏輯芯片中，制程的縮小帶動(dòng) CMP 工藝步驟增加。晶圓在生產(chǎn)過程根據(jù)不同工藝制程和技術(shù)節(jié)點(diǎn)的要求，會(huì)經(jīng)歷幾道至幾十道不等的 CMP 工藝步驟。隨著制造工藝節(jié)點(diǎn)的縮小，對(duì)邏輯芯片平坦化程度要求提高，演進(jìn)出的先進(jìn)邏輯芯片工藝拋光材料提出新需求，CMP步驟增加，CMP 材料需求量增大。據(jù) Cabot 披露，先進(jìn)制程 7nm 工藝的 CMP 步驟為 30步，成熟制程 90nm 工藝 CMP 步驟為 12 步，拋光次數(shù)倍數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，制程節(jié)點(diǎn)的進(jìn)步推動(dòng) CMP 拋光材料需求量的增長(zhǎng)。?

2）存儲(chǔ)芯片由 2D NAND 向 3D NAND 技術(shù)變革帶來(lái)了 CMP 工藝步數(shù)的提升。從 2D NAND 到 3D NAND 的升級(jí)過程中，3D NAND 工藝通過堆疊內(nèi)存顆粒的方式增加了存儲(chǔ)內(nèi)容，帶動(dòng)了 CMP 拋光耗材的用量需求，增加了工藝難度，CMP 拋光步驟翻倍增長(zhǎng)，次數(shù)從 7 次增長(zhǎng)到 15 次。同時(shí)，3D NAND 技術(shù)中對(duì)鎢材料使用也大幅提高，拉動(dòng)了鎢拋光液的市場(chǎng)需求。

3.3. CMP 材料具有較高的技術(shù)壁壘和客戶認(rèn)證壁壘

CMP 行業(yè)涉及領(lǐng)域廣泛，交叉包含了摩擦學(xué)、物理學(xué)、機(jī)械學(xué)和化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)等眾多學(xué)科，整體技術(shù)壁壘較高，存在產(chǎn)業(yè)規(guī)模大、技術(shù)門檻高、研發(fā)投入大和研究周期長(zhǎng)等特點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)廠商由于進(jìn)入市場(chǎng)起步時(shí)間相對(duì)較晚，國(guó)產(chǎn)替代市場(chǎng)成長(zhǎng)性高。在種類繁多的半導(dǎo)體材料子行業(yè)中，拋光墊、拋光液是最容易被“卡脖子”的領(lǐng)域之一，為實(shí)現(xiàn)納米級(jí)的打磨技術(shù)，對(duì)拋光墊和拋光液的要求極為嚴(yán)苛。而且隨著制程工藝越來(lái)越先進(jìn)，對(duì)這兩種材料的技術(shù)要求也不斷提高。CMP 拋光材料的技術(shù)更新動(dòng)力源自下游晶圓的技術(shù)更新。晶圓制程不斷提高，為了滿足更細(xì)致的工藝，CMP 材料也有著更高的要求，具體體現(xiàn)在兩方面：技術(shù)壁壘和客戶認(rèn)證。

1）技術(shù)壁壘：外國(guó)廠商具備先發(fā)優(yōu)勢(shì)，搭建專利壁壘

拋光墊難點(diǎn)主要在于孔隙率和溝槽設(shè)計(jì)，以及較高的時(shí)間成本。拋光墊難點(diǎn)主要在于孔隙率和溝槽設(shè)計(jì)，以及較高的時(shí)間成本。拋光墊的孔隙率越高和粗糙度越大，其攜帶拋光液的能力越強(qiáng)。優(yōu)秀的溝槽設(shè)計(jì)可以增強(qiáng)儲(chǔ)存、運(yùn)送拋光液的能力,拋光效率和質(zhì)量都得到提高。此外，研究 CMP 拋光墊的時(shí)間成本較高，在設(shè)計(jì) CMP 拋光墊過程中會(huì)涉及到物理指標(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)，企業(yè)需要不斷進(jìn)行試驗(yàn)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)合考慮材料選擇、溫度選擇、固化時(shí)長(zhǎng)、攪拌時(shí)長(zhǎng)等工藝步驟控制進(jìn)行研發(fā)。同時(shí)由于摩爾定律的不斷演變，平均每 18 個(gè)月半導(dǎo)體集成電路產(chǎn)品就需要換代一次，因此對(duì)上游半導(dǎo)體材料的研發(fā)速度有著較高的要求，加重了后發(fā)企業(yè)進(jìn)入的資金投入壓力。

拋光墊是 CMP 工藝中重要耗材之一，但由于國(guó)內(nèi)企業(yè)在化學(xué)機(jī)械拋光領(lǐng)域起步較晚，專利 技術(shù)積累相對(duì)較淺。代表未來(lái)趨勢(shì)的 12 英寸晶圓用的開窗口拋光墊專利被美國(guó)公司占有， 國(guó)內(nèi)僅有 DOW 獲得授權(quán)生產(chǎn)銷售。據(jù)《集成電路制造業(yè)用高分子聚合物拋光墊專利分析》 數(shù)據(jù)，2003-2009 年為國(guó)際申請(qǐng)數(shù)量高峰時(shí)段，2010 年后數(shù)量有所下降，但總體變化平穩(wěn)， 拋光墊領(lǐng)域仍然是各個(gè)公司重點(diǎn)攻略方向。國(guó)內(nèi)專利申請(qǐng)數(shù)量于 2008 年逐步攀升，在之后 呈現(xiàn)出波浪式上升的趨勢(shì)。

拋光液的核心技術(shù)運(yùn)用壁壘體現(xiàn)在產(chǎn)品配方和生產(chǎn)工藝流程兩方面。CMP 拋光液的主要原料包括納米磨料、各種添加劑和超純水，根據(jù)產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域的不同，所選用的原料種類也隨之改變，在加料、混合和過濾等關(guān)鍵生產(chǎn)流程中，各種組分的比例、順序、速度和時(shí)間等都會(huì)影響到最終的產(chǎn)品性能，需要公司不斷優(yōu)化研究來(lái)找出最合適的方案，優(yōu)化過程中產(chǎn)品配方的運(yùn)用體現(xiàn)了公司核心技術(shù)水平，工藝流程作為轉(zhuǎn)化核心技術(shù)為最終產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)手段受到公司機(jī)密保護(hù)，皆為企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的體現(xiàn)。

2）客戶認(rèn)證壁壘：下游廠商尋求穩(wěn)定，客戶供更換應(yīng)商意愿低

半導(dǎo)體器件對(duì)良率有極高的要求，一旦形成穩(wěn)定的供應(yīng)鏈體系，晶圓廠一般不太更換供應(yīng)商。拋光墊對(duì)芯片良率影響較大，但成本占比較相對(duì)較低，晶圓廠在替換過程中的潛在損失機(jī)會(huì)成本較大，替換動(dòng)力較小。拋光液技術(shù)含量高，下游客戶對(duì)其實(shí)施嚴(yán)格的供應(yīng)商認(rèn)證機(jī)制，進(jìn)行嚴(yán)格的供應(yīng)商認(rèn)證和定期考核。進(jìn)入晶圓廠供應(yīng)鏈體系需要經(jīng)過審核、送樣、測(cè)試等長(zhǎng)達(dá) 2-3 年的認(rèn)證環(huán)節(jié)。因此，行業(yè)巨頭一般具有比較穩(wěn)定的下游客戶，容易形成市場(chǎng)壟斷。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，半導(dǎo)體材料行業(yè)屬于成熟產(chǎn)業(yè)，各領(lǐng)域集中度高，由少數(shù)幾個(gè)龍頭企業(yè)占據(jù)絕大部分市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)僅安集科技、鼎龍股份等極少數(shù)企業(yè)參與競(jìng)爭(zhēng)。

3.4. CMP 拋光液：日美廠商壟斷，種類繁多催生差異化競(jìng)爭(zhēng)機(jī)遇?

拋光液是一種水溶性拋光劑，由固體粒子研磨劑、表面活性劑、穩(wěn)定劑、氧化劑等成分構(gòu)成。通過與材料表面產(chǎn)生系列化學(xué)使其形成表面膜，通過成分中的研磨顆粒進(jìn)行去除，達(dá)到拋光目的。通常，拋光液的流速、粘度、溫度、成分、pH 值等都會(huì)對(duì)去除效果有影響。拋光液種類繁多，根據(jù)應(yīng)用的不同工藝環(huán)節(jié)，可以將其分為銅（Cu）拋光液、硅片拋光液、 鎢（W）拋光液、鈷（Co）拋光液、介質(zhì)層拋光液、淺槽隔離（STI）拋光液等。其中銅拋 光液用于集成電路銅互連工藝制程中銅的去除和平坦化，廣泛應(yīng)用于130nm 及以下技術(shù)節(jié)點(diǎn)邏輯芯片的制造工藝；鎢拋光液用于集成電路制造工藝中鎢塞和鎢通孔的平坦化，在邏輯芯片、3D NAND 和 DRAM 芯片上量產(chǎn)使用；硅粗拋光液主要應(yīng)用于硅晶圓的初步加工過程中，硅晶圓是集成電路的基底材料。

拋光液在 CMP 技術(shù)中至關(guān)重要，在拋光材料中的價(jià)值占比達(dá)到 49%。拋光液主要原料由納米磨料、添加劑和純水組成，其中納米磨料是決定拋光液性能及拋光效率的關(guān)鍵原料， 占據(jù)拋光液成本的三分之一。在 CMP 過程中拋光液影響著化學(xué)作用與磨粒機(jī)械作用程度的比例，很大程度上決定了 CMP 能獲得的拋光表面質(zhì)量和拋光效果。

由于拋光液種類繁多，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局相對(duì)較分散。拋光液當(dāng)前的全球主流供應(yīng)商為卡博特(Cabot)、日立(Hitachi)、FUJIMI、慧瞻材料(Versum)等，壟斷全球近 65%的市場(chǎng)份額，根 據(jù) Cabot 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020?年龍頭企業(yè) Cabot 拋光液全球市場(chǎng)占有率達(dá) 36%，在中國(guó)市場(chǎng)內(nèi)占比達(dá) 39%，國(guó)內(nèi)代表企業(yè)安集科技在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)中占 13%份額，其余 48%為其他海外企業(yè)占據(jù)。而當(dāng)前的國(guó)內(nèi)晶圓廠需求除了安集科技以外，主要依賴進(jìn)口。安集科技作為國(guó)內(nèi) 拋光液龍頭廠商，在銅制程上有一定優(yōu)勢(shì)，2018 年完成了多個(gè)具有世界先進(jìn)水平的集成電路材料的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。從安集科技 CMP 拋光液營(yíng)收來(lái)看，2021 年?duì)I收為 5.94 億元，同比增長(zhǎng) 58.4%。

3.5. CMP 拋光墊：陶氏一家獨(dú)大,鼎龍突出重圍

拋光墊是 CMP 工藝中除拋光液之外的另一重要耗材。拋光墊由多孔、有彈性的聚合物材料組成，具有類似海綿的機(jī)械特性和多孔特性，且表面有特殊的溝槽，可提高拋光均勻性。其主要作用是儲(chǔ)存和運(yùn)輸拋光液、去除磨屑和維持穩(wěn)定的拋光環(huán)境，使拋光均勻。

根據(jù)軟硬的不同，拋光墊可分為硬墊和軟墊兩種

?硬墊：硬度較大、拋光液固體顆粒大，能實(shí)現(xiàn)較快的拋光速度, 有較好均勻性和平整度；但表面較粗糙,損傷層較嚴(yán)重。?

?軟墊：拋光液利用率高，拋光液中固體顆粒較小，有更好的硅片內(nèi)平均性, 因此可以增加光潔度, 同時(shí)去除粗拋時(shí)留下的損傷層，但難以實(shí)現(xiàn)高效的平坦化加工高硬度拋光墊容易造成晶圓刮傷導(dǎo)致低的良率，較軟的拋光墊則有更高的損耗率，因而通過改變化學(xué)成分與多孔結(jié)構(gòu)控制，根據(jù)工藝需求選擇特定硬度的拋光墊是拋光墊環(huán)節(jié)的工藝難點(diǎn)。在硬墊領(lǐng)域過去制程演進(jìn)的過程中不同的技術(shù)節(jié)點(diǎn)對(duì)于拋光墊的變化不是非常大，龍頭公司相對(duì)容易保持產(chǎn)品的一致性、壟斷性、和穩(wěn)定性。

根據(jù)材質(zhì)的不同，拋光墊又能分為聚氨酯拋光墊，無(wú)紡布拋光墊和帶絨毛結(jié)構(gòu)的無(wú)紡布拋光墊。

拋光墊產(chǎn)品種類相對(duì)單一，市場(chǎng)呈一家獨(dú)大的競(jìng)爭(zhēng)格局。目前全球拋光墊市場(chǎng)主要被美國(guó)廠商所壟斷，據(jù)華經(jīng)情報(bào)網(wǎng)統(tǒng)計(jì)，陶氏化學(xué) 2018 年占全球拋光墊市場(chǎng)份額接近 80%，其中陶氏 20 英寸占據(jù) 85%的市場(chǎng)份額，30 英寸市場(chǎng)占比更高。此外其他供應(yīng)商 Cabot、Thomas West、FOJIBO 等公司所占份額分別為 5%、4%、2%。大陸廠商中，鼎龍股份通過28nm 產(chǎn)品全制程（ILD/SIT/W/Cu/GKMG）的驗(yàn)證并獲得訂單，針對(duì) 14nm 以下先進(jìn)制程開發(fā)的新產(chǎn)品在客戶端驗(yàn)證進(jìn)展順利，已初步打破拋光墊技術(shù)壟斷，產(chǎn)能仍在釋放當(dāng)中。

陶氏：陶氏化學(xué)成立于 1897 年，是美國(guó)第一大、全球第二大化工企業(yè)。陶氏產(chǎn)品種類涉獵廣泛，2019 年拆分后的新陶氏主要業(yè)務(wù)集中于材料科學(xué)，其中公司在 CMP 拋光墊市場(chǎng)的絕對(duì)統(tǒng)治地位對(duì)中國(guó)半導(dǎo)體材料影響最大，全球市占率高達(dá) 79%。陶氏具備較早進(jìn)入市場(chǎng)的先發(fā)優(yōu)勢(shì)，豐富的技術(shù)累積和先進(jìn)產(chǎn)品研發(fā)技術(shù)始終引領(lǐng)著市場(chǎng)發(fā)展。陶氏最早推出的IC1000 拋光墊產(chǎn)品已經(jīng)成為了拋光墊行業(yè)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。陶氏的拋光墊產(chǎn)品隨著工藝發(fā)展，逐步向缺陷率更低、平坦度更高、使用壽命更長(zhǎng)的目標(biāo)靠攏，提高市場(chǎng)工藝技術(shù)，維護(hù)公司產(chǎn)品的技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。在未來(lái)這一發(fā)展方向仍將引領(lǐng)整個(gè)拋光墊行業(yè)的發(fā)展。

鼎龍股份：鼎龍股份率先突圍，成為 CMP 拋光墊唯一本土供應(yīng)商，打破國(guó)外壟斷局面。公司擬打造平臺(tái)型材料企業(yè)，在業(yè)務(wù)領(lǐng)域全方位布局，包括打印復(fù)印通用耗材和光電半導(dǎo)體材料兩條主線，公司 2013 年立項(xiàng) CMP 拋光墊，并被納入了“02”專項(xiàng)，負(fù)責(zé)中芯國(guó)際子課題 20-14nm 技術(shù)節(jié)點(diǎn) CMP 拋光片產(chǎn)品的研發(fā)任務(wù)。2020 年 CMP 拋光墊產(chǎn)品已經(jīng)導(dǎo)入國(guó)內(nèi)領(lǐng)先下游存儲(chǔ)芯片、功率芯片以及邏輯芯片等重要晶圓制造商，其中公司的 28nm 以上拋光墊獲得國(guó)內(nèi)存儲(chǔ)大廠商量產(chǎn)訂單。22 年 3 月公司氧化鋁拋光液產(chǎn)品也通過客戶認(rèn)證，進(jìn)入噸級(jí)采購(gòu)階段，實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵材料的自主制備。

營(yíng)收及市占率突飛猛進(jìn)，國(guó)內(nèi)龍頭地位初步顯現(xiàn)。鼎龍股份 2021 年實(shí)現(xiàn)營(yíng)業(yè)收入 23.55 億元，同比增長(zhǎng) 29.67%；實(shí)現(xiàn)歸母凈利潤(rùn) 2.13 億元，同比增長(zhǎng) 233.60%。拋光墊業(yè)務(wù)營(yíng)收水平持續(xù)增長(zhǎng)，進(jìn)入放量期。2021 年，拋光墊產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)銷售收入 3.02 億元，同比增長(zhǎng)284%，首度扭虧為盈實(shí)現(xiàn)規(guī)模盈利，國(guó)內(nèi)市占率由 2020 年不到 10%增長(zhǎng)到 2021 年的15%。公司拋光墊產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了成熟制程及先進(jìn)制程的 100%全覆蓋。關(guān)鍵原材料自主化持續(xù)推進(jìn)，常規(guī)型號(hào)原料均實(shí)現(xiàn)自研自產(chǎn)，極大程度上保障了供應(yīng)鏈的自主性、安全性，并優(yōu)化了產(chǎn)品成本結(jié)構(gòu)。

編輯：黃飛

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