半導體行業專題報告：化學機械拋光CMP深度研究

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CMP 材料概況

化學機械拋光(chemical mechanical polishing, CMP)是集成電路製造過程中實現晶圓表面平坦化的關鍵技術。與傳統的純機械或純化學的拋光方法不同，CMP 工藝是通過表面化學作用和機械研磨的技術結合來實現晶元表面微米/納米級不同材料的去除，從而達到晶圓表面的高度（納米級）平坦化效應，使下一步的光刻工藝得以進行。CMP 技術結合了機械拋光和化學拋光，相對於其他平坦化技術而言有着極大的優勢，它不但能夠對硅片表面進行局部處理，同時也可以對整個硅片表面進行平坦化處理, 是目前唯一 能兼顧表面全局和局部平坦化的技術。

自從 1988 年 IBM 公司將化學機械拋光技術(CMP)應用於 4M DRAM 芯片的製造，集成電路製造工藝就逐漸對 CMP 技術產生了越來越強烈的依賴，主要是由於器件特徵尺寸（CD）微細化，以及技術升級引入的多層佈線和一些新型材料的出現。特別是進入 0.25 μm 節點後的 Al 佈線和進入 0.13μm 節點後的 Cu 佈線，CMP 技術的重要性更顯突出。進入 90～65nm 節點後，銅互連技術和低 k 介質的採用，CMP 的研磨對象主要是銅互連層、絕緣膜和淺溝槽隔離（STI)。從 45 nm 開始，邏輯器件的晶體管中引入高 k 金屬柵結構（HKMG），因而同時引入了兩個關鍵的平坦化應用，虛擬柵開口 CMP 工藝和替代金屬柵 CMP 工藝。到了 32nm 和 22nm 節點，銅互連低 k 介質集成的 CMP 工藝技術支持 32nm 和 22nm 器件的量產。在 22nm 開始出現的 FinFET 晶體管添加了虛擬柵平坦化工藝，這是實現後續 3D 結構刻蝕的關鍵技術。先進的 DRAM 存儲器件在凹槽刻蝕形成埋柵結構前採用了柵金屬平坦化工藝。引入高遷層間移率溝道材料（如用於 nFET 的 III-V材料和用於 pFET 的鍺）後，需要結合大馬士革類型的工藝，背面拋光這些新材料。另外，CMP 也在 PCRAM 技術中擔當起了 GST CMP 的重任。總之，諸如此類層出不窮，CMP 在納米集成電路製造中的作用至關重要。

CMP 工藝應用廣泛

CMP 主要用於淺槽隔離(STI)拋光、銅的研磨與拋光、高 k 金屬柵的拋光、FinFET 晶體管的虛擬柵 CMP、GST 的 CMP、埋入字線 DRAM 存儲器的柵 CMP、高遷移 率溝道材料未來的 CMP 等工藝。未來，伴隨着半導體制造工藝日益複雜，CMP 的用 處更加廣泛。

淺槽隔離(STI)拋光是較早被採用的 CMP 工藝，也是 CMP 在芯片製造中最基本的 應用。納米集成電路芯片製程中，STI CMP 工藝要求磨掉氮化硅(Si3N4)層上的氧化硅 (SiO2)，同時又要儘可能地減少溝槽中氧化硅的凹陷。進入 45nm 及以下節點後，為了 填充越來越窄小的溝槽，LPCVD 被採用，其形成的氧化硅薄膜具有更厚的覆蓋層，這 無疑加大了 CMP 的研磨量。隨着 CMP 研磨液的發展，一種高選擇比(大於 30)的研磨 液採用氧化鈰(CeO2)作為研磨顆粒。這樣，以氮化硅(Si3N4)為拋光終止層的直接拋光 (Direct STI CMP)成為現實。直至今日，採用氧化鈰研磨液的拋光工藝依然是 STI CMP 的主流方法。

Cu CMP 工藝產生於 21 世紀初 130nm 節點及其之後，一直沿用到納米集成電路 28～22 nm 節點。當前的 Cu CMP 工藝通常分為三步：首先用銅研磨液(Slurry)來磨 去晶圓上銅佈線層表面的大部分多餘的銅料；第二步，繼續用銅研磨液低速精磨與阻擋層接觸的銅，同時通過終點檢測技術控制研磨終止於阻擋層上；第三步，則用阻擋層研磨液磨除阻擋層及少量的介質氧化物，並進行 CMP 後去離子水清洗。

在 32 nm 及以下節點工藝中，高 k 金屬柵的“柵後方法”是形成高 k 金屬柵 的主流方法之一，其中 CMP 擔當着富有挑戰性角色。“柵後方法”工藝流程中的 CMP， 第一次是 ILD CMP，用以研磨開多晶門；第二次是 Al CMP，用以拋光鋁金屬。多晶 門的製程涉及材料種類較多，同時要研磨氧化硅、氮化硅及多晶硅。具體來講：第一步 採用硅膠研磨液，其中的氧化硅顆粒去除大部分 SiO2 層，留下 100-200 nm 的氧化硅 層在多晶硅門上；第二步，採用氧化鈰研磨液或固定研磨液，類似於 STI CMP，研磨 拋光終止在 Si3N4 層上；第三步，採用硅膠研磨液，去除 Si3N4，研磨拋光終止在多 晶硅門上，這就是最富於挑戰性的一步。

從平面 CMOS 晶體管設計轉變為 FinFET 晶體管，在虛擬柵多晶硅薄膜中產生 了新的 CMP 工藝。平面晶體管中，澱積的多晶硅薄膜有平坦的表面形貌，不需要 CMP， 但在 FinFET 設計中，同樣的澱積薄膜的表面形貌不平整，必須在柵刻蝕前平坦化。 這種不平整形貌是因前面形成硅鰭的工藝引起的。此時，STI 氧化物薄膜的凹槽給隨後 的多晶硅薄膜澱積創建了底層形貌。CMP 應用的主要價值在於產生滿足光刻成像焦深 和分辨率的平坦基準平面，能實現極其重要的光刻曝光和柵堆疊刻蝕。由於其在晶體管柵上停止，控制了柵的高度。過拋光會使柵太短，欠拋光則會使柵太高，這會影響字線的電流攜帶能力。因此，無論是晶圓中還是晶圓與晶圓間，拋光後的柵高度必須嚴格控 制在小於 5nm 內。

半導體制造工藝推動 CMP 行業發展

化學機械拋光材料種類繁雜。集成電路工藝的進化帶來了對拋光材料的各種新需求， 邏輯芯片隨着製程增加，拋光材料種類和用量也迅速增長，比如 14 納米以下邏輯芯片 工藝要求的關鍵 CMP 工藝將達到 20 步以上，使用的拋光液將從 90 納米的五六種拋光 液增加到二十種以上；7 納米及以下邏輯芯片工藝中 CMP 拋光步驟甚至可能達到 30 步，使用的拋光液種類接近三十種。而存儲芯片由 2D NAND 向 3D NAND 技術變革， 也會使 CMP 拋光步驟數近乎翻倍。

CMP 市場持續發展

全球半導體市場規模近年來增速平穩，2012-2018 年複合增速 8.23%。其中，中 國大陸集成電路銷售規模從 2158 億元迅速增長到 2018 年的 6531 億元，複合增速為 20.27%，遠超全球其他地區，全球半導體產業加速向大陸轉移。集成電路一般分為設 計、製造和封測三個子行業，在製造和封測行業中，均需要大量的半導體新材料支持。

2018 年全球半導體材料市場產值為 519.4 億美元，同比增長 10.68%。其中晶圓 製造材料和封裝材料分別為322億美元和197.4億美元，同比 15.83%和 3.30%。2018 年，在市場產值為 322 億美金的半導體制造材料中，大硅片、特種氣體、光掩模、CMP 材料、光刻膠、光刻膠配套、濕化學品、靶材分別佔比 33%、14%、13%、7%、6%、 7%、4%、3%。分地區來看，目前大陸半導體材料市場規模 83 億美元，全球佔比 16%， 僅次於中國台灣和韓國，為全球第三大半導體材料區域。

隨着半導體市場不斷放量以及工藝製程不斷複雜，全球 CMP 拋光材料市場不斷增長，CMP 材料在半導體制造材料中佔比 7%。2018 年全球 CMP 拋光材料市場規模達到 21.7億美元，近幾年持續增長。受益於國內半導體行業的大發展，國內半導體用 CMP 材料市場增速較快，2018 年國內的市場規模 29 億元，未來有望持續高增長。

CMP 市場分類

CMP 工藝過程中所採用的設備及消耗品包括：拋光機、拋光液、拋光墊、後 CMP 清洗設備、拋光終點檢測及工藝控制設備、廢物處理和檢測設備等。其中 CMP 材料主要包括拋光液、拋光墊、調節器、CMP 清洗以及其他等耗材。其中拋光液和拋光墊佔 CMP 材料細分市場的 80%以上，是 CMP 工藝的核心材料。

CMP 拋光液需求不斷增長

拋光液是 CMP 技術中的決定性因素之一，其性能直接影響被加工工件表面的質量以及拋光加工的效率。拋光液對拋光過程所產生的影響體現在物理作用與化學作用兩個方面。在物理作用方面，拋光液中的磨料對工件表面材料進行機械去除、拋光液對拋光區域進行潤滑以減小摩擦、拋光液能夠吸收加工過程所產生的熱量，使加工區域恆温，另外，流暢的拋光液流動能夠有效帶走拋光過程所產生的材料碎屑，防止劃傷工件表面；在化學作用方面，常使用能夠對被拋光材料進行微量化學反應的化學物質作為拋光液組分，對拋光工件表層材料進行軟化和腐蝕，從而輔助機械材料去除過程。針對不同被加工材料以及所選用的拋光墊材質，針對性地選用含有不同化學成分的拋光液或具有不同組分含量的拋光液以達到加工質量與效率的平衡。

在 CMP 拋光液中，一般使用水基拋光液作為加工介質，以去離子水作為溶劑，加入磨料（如 SiO2、ZrO2 納米粒子等）、分散劑、pH 調節劑以及氧化劑等組分，每個組分都具有相應的功能，對化學機械拋光過程起到不同的作用。磨料通過拋光液輸送到拋光墊表面後，在拋光墊和被加工表面之間同時受到壓力作用以及相對運動的帶動，通過對被加工表面形成極細微的切削、劃擦以及滾壓作用，對錶面材料進行微量去除。磨料的形狀、硬度、顆粒大小對化學機械拋光都具有重要的影響。分散劑是一種兼具親水性與親油性的界面活性劑，能夠均勻分散一些不溶於液體的固體顆粒，對於拋光液而言，分散劑能夠減少拋光液中磨料顆粒的團聚，提高拋光液中磨料的分散穩定性。拋光液中經常被添加入一些化學試劑用以調節其 pH 值，從而為拋光過程的化學反應提供一定的酸鹼性環境，確保化學反應能順利、高效地進行。在拋光過程中，為了能夠較快的在拋光表面形成一層結合力較弱的氧化膜，以利於後續的機械去除，通常會在拋光液中添加氧化劑。在氧化劑的氧化腐蝕作用下，晶片表面產生的氧化膜被磨料的機械作用去除，從而使被加工的表面逐漸達到高質量的全局平坦化效果。

拋光液一般分為二氧化硅拋光液、鎢拋光液、鋁拋光液和銅拋光液。其中銅拋光液主要應用於 130nm 及以下技術節點邏輯芯片的製造工藝，而鎢拋光液則大量應用於存儲芯片製造工藝，在邏輯芯片中用量較少。以銅拋光液為例，其主要由腐蝕劑、成膜劑和納米磨料組成。腐蝕劑用來腐蝕溶解銅表面，成膜劑用於形成銅表面的鈍化膜，鈍化膜的形成可以保護腐蝕劑的進一步腐蝕，並可有效地降低金屬表面硬度。其中的納米磨料通常是氧化鋁(Al2O3)或氧化硅（SiO2），氧化劑是雙氧水（H2O2），同時含有抗腐蝕抑制劑及其它添加劑。磨料的作用則是磨除凸處表面的鈍化膜而露出銅層，使腐蝕劑能繼續溶解，而凹處則被鈍化膜保護而不被溶解。通過研磨液反覆地溶解、鈍化、磨除的過程實現銅的全局平坦化。

伴隨着下游半導體行業的發展，2016 - 2018 年，全球化學機械拋光液市場規模分別為 11.0 億美元、12.0 億美元和 12.7 億美元。

CMP 拋光液競爭格局

長期以來，全球化學機械拋光液市場主要被美國和日本企業所壟斷，包括美國的Cabot、Versum、Dow 和日本的 Hitachi、Fujimi。其中，Cabot 全球拋光液市場佔有率最高，但是已經從 2000 年的約 80% 下降至 2018 年約 36%，表明未來全球拋光液市場朝向多元化發展，地區本土化自給率提升。安集科技成功打破國外廠商壟斷，實現進口替代，使中國在該領域擁有了自主供應能力。

CMP 拋光墊概況

在化學機械拋光過程中，拋光墊具有儲存和運輸拋光液、去除加工殘餘物質、傳遞機械載荷及維持拋光環境等功能。拋光墊性能受其材料特性、表面組織、表面溝槽形狀及工作温度等因素影響。這些影響因素中，拋光墊的表面溝槽形狀及寸是拋光墊性能的關鍵參數之一，它直接影響到拋光區域拋光液的分佈和運動，影響拋光區域的温度分佈。因此，拋光墊的表面溝槽形狀及尺寸影響化學反應速率和機械去除作用，從而影響到化學機械拋光的拋光質量和拋光效率。

拋光墊一般都是高分子材料，如合成革拋光墊、聚氨醋拋光墊、金絲絨拋光墊等，其表面一般含有大小不一的孔狀結構，有利於拋光漿料的存儲與流動。拋光墊的硬度、密度、材質、彈性模量等對拋光質量影響較大。拋光墊亦是一種耗材需適時更換，長時間不更換的拋光墊，被拋光去除的材料殘餘物易存留在其中會對工件表面造成劃痕；同時拋光後的拋光墊若不及時清洗，風乾後粘結在拋光墊內的固體會對下一次拋光質量產生影響。

CMP 研發以美日為主

全球來看，CMP 專利，日本擁有專利族 1053 個，美國擁有 711 個，韓國擁有 376個，由 WIPO(世界知識產權組織)經 PCT(專利合作條約)進行登記的有 339 個，中國內地擁有 244 個，中國台灣擁有 149 個。以上 6 個地區的專利族數量佔全球的 98.42%，而在剩餘的 1.58%中，德國和歐洲各擁有 14 個專利族，印度擁有 5 個，馬來西亞和新加坡各擁有 3 個，法國和英國各擁有 2 個，荷蘭、加拿大、泰國各擁有 1 個。

全球首個拋光墊專利由美國國家半導體公司於 1992 年在歐洲申請，此後申請數量逐年遞增，2004 年至 2009 年的申請數量始終處於高位，2010 年後數量有所下降，但總體變化平穩，顯示出拋光墊領域仍然是各個公司的必爭之地。中國內地的專利族首次在 1999 年公開，當年有 3 個，隨後呈現出波浪式上升的趨勢，2014 年達到歷史最高的 36個。總體看來，中國內地在高分子拋光墊領域的起步較晚，專利數量不多，但近幾年有逐漸爆發的趨勢。

目前，全球 CMP 專業主要企業包括羅門哈斯（陶氏）、東洋橡膠工業株式會社、東麗工業株式會社、應用材料公司、三星電子、JSR、中芯國際、富士紡控股株式會等企業。其中，羅門哈斯為全球龍頭，核心專利內容涉及面廣，不同的應用場景均有專利申請，包括了拋光墊的總體設計，溝槽的設計，拋光墊的製作， 拋光墊使用壽命的提高，終點的檢測方法， 拋光層與基材層的粘貼等，不僅數量多，且核心專利授權次數多，引用和被引頻次高，專利家族公開號多，多國授權數多，多專利保護到位。東麗工業株式會社的核心專利領域主要集中在設計和製作拋光墊的方法，公開地區絕大部分是日本，核心專利的特點是數量多，授權次數多，被引頻次高，公開號多。中國內地拋光墊專利領域主要集中在設計和使用方法，公開地區絕大部分是中國，授權的專利佔比低，授權等級為 C，授權地區集中在中國，授權專利家族號較少，一般都為單一授權。

CMP 拋光墊競爭格局

伴隨着下游半導體行業的發展，2016 - 2018 年，全球化學機械拋光墊市場規模分 別為 6.5 億美元、7.0 億美元和 7.4 億美元。

目前全球生產芯片拋光墊的企業主要是陶氏，其壟斷了集成電路芯片和藍寶石兩個領域所需要的拋光墊 90%的市場份額。此外，3M、卡博特、日本東麗、台灣三方化學等也可生產部分芯片用拋光墊。

安集科技：國內 CMP 拋光液龍頭

國內 CMP 拋光液龍頭，打破進口壟斷。公司產品包括不同系列的化學機械拋光液 和光刻膠去除劑，主要應用於集成電路製造和先進封裝領域。公司打破了國外廠商對集成電路領域化學機械拋光液的壟斷，實現了進口替代，在半導體材料行業取得了一定的市場份額和品牌知名度。公司擁有一系列自主知識產權的核心技術，涵蓋了整個產品配 方及工藝流程，並積累了眾多優質客户資源，包括中芯國際、台積電、長江存儲等。 化學機械拋光液與光刻膠去除劑專業供應商，國產半導體材料稀缺標的。公司從事

化學機械拋光液和光刻膠去除劑的研發於生產，應用於集成電路製造和先進封裝領域。 化學機械拋光液是公司的核心業務，佔比 80%左右，目前在 130-14nm 技術節點實現 規模化銷售，10-7nm 技術節點產品正在研發中。公司體量與技術均是國內佼佼者。

受益於進口替代與產業轉移，公司成長潛力巨大。目前半導體材料市場被歐美巨頭把持，公司作為行業破局者仍較為弱小，但是潛力巨大。全球半導體材料全球市場規模 約 519 億美元；公司所處的 CMP 拋光材料市場約 21.7 億美元，公司收入體量僅 2.55 億人民幣，仍有非常大的成長空間。

未來看點在於品類的擴張與客户的開拓。品類的擴張包括：銅及銅阻擋層化學機械 拋光液滿足 28nm 以下技術節點邏輯芯片的要求；金屬鎢化學機械拋光液能夠滿足 3D NAND 和 DRAM 存儲芯片的要求。客户開拓除了在現有客户供應份額的提升，也包括 新客户的拓展。

公司業績有望迎來爆發。2020 年第一季度，受益於下游客户持續放，公司實現營 收 0.96 億元，同比 64%。歸母淨利潤 2356 萬元，同比 426%。

鼎龍股份：持續發力 CMP 拋光墊

CMP 拋光墊有望迎來放量。公司 2013 年立項 CMP 拋光墊，並被納入了“02”專 項，負責中芯國際子課題‘20-14nm 技術節點 CMP 拋光片產品研發’任務。2019 年 上半年，應用於成熟製程領域的 DH3000/DH3002/DH3010 系列產品在持續開拓市場； 應用於先進製程領域的 DH3201/DH3410 系列產品已成功投產，且已順利初步通過客 户的離線馬拉松測試，上半年已取得十二寸客户的第一張訂單，未來有望迎來放量。

持續發力柔性顯示基材 PI 漿料。公司主打黃色耐高温 PI，結合在客户端測試驗證 的反饋，持續深入提高技術水平和自主研發能力，公司引入塗覆烘烤線，建立並完善了 一系列針對 PI 漿料性能的檢測方法，年產 1000 噸生產研發樓目前已經完成水電施工， 目前正在進行無塵車間的裝修，以及自動化設備的調試及安裝，預期在 2019 年年底量 產。同時，柔顯科技產品先後在國內知名面板廠商 G4.5 以及 G6 線開始並部分完成全 流程驗證，建立了與客户端的緊密聯繫，加強柔顯科技的品牌影響力和產品認知度，進 一步明確了客户端的迫切需求。

全產業鏈佈局打印耗材。公司業印耗材業務涉及碳粉、硒鼓、芯片、墨盒，已形成 全產業鏈閉環佈局，近年來公司持續整合併購鞏固耗材領先地位。

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（報告觀點屬於原作者，僅供參考。報告來源：中泰證券）

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