CMP 材料

CMP材料概述

化学机械抛光(CMP)是集成电路制造中晶圆表面抛光的关键技术。与传统的纯机械或化学抛光方法不同，CMP工艺是将表面化学和机械研磨技术相结合，实现对晶圆表面微米/纳米级不同材料的去除，从而实现对晶圆表面的高(纳米级)压平效果，从而进行下一步的光刻工艺。CMP技术结合了机械抛光和化学抛光，与其他压扁技术相比具有很大的优势。它不仅可以将硅片表面局部压平，也可以将整个硅片表面压平。这是目前唯一一种能同时兼顾全局和局部表面平坦化的技术。

自1988年IBM应用化学-机械抛光技术(CMP)制造4M DRAM芯片以来，IC制造工艺逐渐越来越依赖CMP技术，这主要是由于器件特征尺寸(CD)的微观细化。以及技术的升级，多层布线和一些新材料的出现。特别是对于进入0.25m节点后的Al布线和进入0.13m节点后的Cu布线，CMP技术的重要性更为突出。进入90 ~ 65nm节点后，采用铜互连技术和低k介质，CMP研磨对象主要是铜互连层、绝缘膜和浅槽隔离(STI)。从45纳米开始，高k金属栅极结构(HKMG)被引入逻辑器件的晶体管中，从而同时引入了两个关键的扁平化应用，虚拟栅极打开CMP工艺和替代金属栅极CMP工艺。在32nm和22nm节点，铜互连低k介质集成CMP工艺技术支持32nm和22nm器件的量产。在22nm开始出现的FinFET晶体管中加入了虚拟栅极压扁工艺，这是实现后续三维结构蚀刻的关键技术。在先进的DRAM存储器器件中，在槽蚀刻之前采用栅极金属压扁工艺，形成埋地栅极结构。在引入高迁移速率通道材料后，如用于fet的III-V和用于fet的锗，这些新材料需要与大马士革型工艺相结合进行反抛光。此外，CMP在PCRAM中还扮演着GST CMP的角色。总之，这样的东西是不缺的，CMP在纳米集成电路制造中的作用是至关重要的。

CMP工艺应用广泛

CMP主要用于浅槽隔离(STI)抛光、铜研磨抛光、高k金属栅极抛光、FinFET晶体管虚拟栅极CMP、GST CMP、栅极CMP嵌入式字线DRAM存储器、高迁移率通道材料未来CMP等工艺。未来，随着半导体制造工艺的日益复杂，CMP的应用将更加广泛。

浅槽隔离(STI)抛光是CMP的早期工艺，也是CMP在芯片制造中最基本的应用。在纳米IC芯片的制造中，STI CMP工艺要求氮化硅(Si3N4)层上的二氧化硅(SiO2)应被磨掉，同时尽可能减少沟槽中二氧化硅的凹坑。LPCVD在45nm及以下进入节点后，用于填充越来越窄的沟槽。所得到的硅膜具有较厚的覆盖层，这无疑增加了CMP的研磨量。随着CMP研磨液的发展，氧化铈(CeO2)作为研磨颗粒被用于研磨液，具有高选择性比(大于30)。因此，直接STI CMP与氮化硅(Si3N4)作为饰面层成为现实。直到今天，氧化铈抛光工艺仍然是STI CMP的主流方法。

Cu CMP工艺发展于21世纪初130nm节点及以后，一直应用到28 ~ 22 nm节点的纳米集成电路。铜浆的浆化工艺通常分为三个阶段：首先，铜浆的浆化是将大部分多余的铜物质从晶体的铜布线层中去除；第二步是用磨铜液继续低速磨削与阻挡层接触的铜，同时通过端点检测技术控制磨削到阻挡层上的终点；第三步是用阻挡层磨料液去除阻挡层和少量介质氧化物，CMP后用去离子水清洗。

在32 nm及以下工艺中，“后网格法”是形成高k金属网格的主流方法之一，CMP在其中发挥着具有挑战性的作用。在“后栅法”过程中，利用第一个ILD CMP磨开了多晶栅。第二种是Al CMP，用于抛光铝。多晶硅栅极工艺涉及多种材料，同时磨削氧化硅、氮化硅和多晶硅。具体来说：第一步是使用硅胶磨料溶液，其中二氧化硅颗粒去除大部分SiO2层，在多晶硅栅上留下100-200 nm的二氧化硅层；第二步，使用氧化铈研磨液或固定研磨液，类似于STI CMP，对Si3N4层进行研磨和精加工；第三步是用硅胶磨料溶液去除Si3N4，研磨抛光终点在多晶硅栅上。这是最具挑战性的一步。

从平面CMOS晶体管设计到FinFET晶体管的转变导致了一种新的虚拟栅多晶硅薄膜CMP工艺。在平面晶体管中，沉积的多晶硅薄膜具有平坦的表面形貌，不需要CMP，但在FinFET设计中，相同的沉积薄膜具有不均匀的表面形貌，必须在栅极蚀刻之前将其压平。这种不均匀的外观是由之前形成硅鳍片的工艺造成的。在这一点上，STI氧化膜的沟槽创建后续多晶硅膜沉积的底层地形。CMP应用的主要价值是产生满足光刻图像焦距深度和分辨率的平坦参考平面，可以实现极其重要的光刻曝光和网格叠加蚀刻。当它停在晶体管栅极时，栅极的高度被控制。过抛光会使栅格过短，过抛光会使栅格过高，会影响字线的载流能力。因此，抛光网格的高度必须严格控制在5nm以内，无论是在晶圆内还是晶圆间。

半导体制造工艺推动了CMP产业的发展

化学机械抛光材料多种多样。集成电路技术的发展给抛光材料带来了各种新的要求。随着逻辑芯片制造工艺的增加，抛光材料的种类和消耗也迅速增加。例如，14nm以下逻辑芯片工艺所需的关键CMP工艺将达到20步以上。抛光液的使用将从5 - 6个90nm抛光液增加到20多个；在7 nm及以下的逻辑芯片工艺中，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。存储芯片从2D NAND技术到3D NAND技术的转变也将使CMP抛光步骤的数量增加近一倍。

CMP市场持续增长

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2018年，全球半导体材料市场价值519.4亿美元，同比增长10.68%。其中，晶圆制造材料和封装材料分别为322亿美元和197.4亿美元，同比分别增长+15.83%和+3.30%。2018年，在市值322亿美元的半导体制造材料中，大型硅片、特种气体、掩模、CMP材料、光刻胶、光刻胶配件、湿式化学品和目标材料占比分别为33%、14%、13%、7%、6%、7%、4%和3%。分地区看，目前大陆半导体材料市场规模83亿美元，占全球市场的16%，仅次于台湾和韩国，是全球第三大半导体材料地区。

随着半导体市场体量的增加和工艺复杂性的增加，全球CMP抛光材料市场不断增长，CMP材料占半导体制造材料的7%。2018年，全球CMP抛光材料市场规模达到21.7亿美元，近年来持续增长。受益于国内半导体产业的大发展，国内半导体CMP材料市场增长迅速。2018年国内市场规模29亿元，未来有望继续高增长。

CMP市场分类

CMP过程中使用的设备及耗材包括：抛光机、抛光液、抛光垫、CMP后清洗设备、抛光终端检测及过程控制设备、废弃物处理及检测设备等。其中，CMP材料主要包括抛光液、抛光垫、调节器、CMP清洗剂等耗材。抛光液和抛光垫占CMP材料细分市场的80%以上，是CMP工艺的核心材料。

CMP 抛光液

CMP抛光液需求不断增长

抛光液是CMP技术的决定性因素之一。其性能直接影响工件表面质量和抛光效率。抛光液对抛光过程的影响体现在物理作用和化学作用两个方面。在物理功能方面，抛光液中的磨料可以机械地去除工件表面材料，抛光液润滑抛光区域以减少摩擦。抛光液可以吸收加工过程中产生的热量，保持加工区域恒温。此外，抛光液的流畅流动可以有效带走抛光过程中产生的材料碎屑，防止划伤工件表面。在化学作用方面，能在被抛光材料上进行微量化学反应的化学物质常被用作抛光液的成分，对被抛光工件表面材料进行软化和腐蚀，以辅助机械材料的去除过程。根据加工材料的不同和选择的抛光垫材料，选择不同化学成分或不同成分含量的抛光液，以达到加工质量和效率的平衡。

在CMP抛光液中，一般采用水基抛光液作为加工介质，去离子水作为溶剂，加入磨料(如SiO2、ZrO2纳米颗粒等)、分散剂、pH调节剂和氧化剂等成分，每种成分都有相应的作用，对化学机械抛光过程起到不同的作用。磨料通过抛光液输送到抛光垫表面后，同时受到抛光垫与被加工表面之间的压力和相对运动的驱动。通过在被加工表面形成非常精细的切削、刻划和滚动效果，使表面材料被微去除。磨料的形状、硬度和粒度对化学机械抛光有重要影响。分散剂是一种亲水亲油的界面活性剂，能均匀地分散一些不溶于液体的固体颗粒。对于抛光液，分散剂可以减少磨料颗粒在抛光液中的团聚，提高磨料在抛光液中的分散稳定性。通常在抛光液中加入一些化学试剂来调节其pH值，从而为抛光过程中的化学反应提供一定的酸碱环境，以保证化学反应能够顺利、高效地进行。在抛光过程中，通常在抛光液中加入氧化剂，以便在抛光表面迅速形成一层结合力较弱的氧化膜，以便于后续的机械去除。在氧化剂的作用下，晶圆表面产生的氧化膜在磨料的机械作用下被去除，使加工表面逐渐达到高质量的整体压扁效果。

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，而钨抛光液则广泛应用于存储芯片的制造工艺，在逻辑芯片中应用较少。以铜抛光液为例，它主要由腐蚀剂、成膜剂和纳米磨料组成。用腐蚀剂对溶解的铜表面进行蚀刻，用成膜剂在铜表面形成钝化膜。钝化膜的形成可以保护腐蚀剂的进一步腐蚀，有效降低金属表面的硬度。纳米磨料通常为氧化铝(Al2O3)或氧化硅(SiO2)，氧化剂为过氧化氢(H2O2)，并含有缓蚀剂和其他添加剂。磨料的作用是除去凸面上的钝化膜，露出铜层，使腐蚀剂能继续溶解，而凹面则被钝化膜保护不溶解。铜的整体平整度是通过反复溶解、钝化和研磨的过程来实现的。

随着下游半导体产业的发展，2016-2018年全球化学-机械抛光液市场分别为11亿美元、12亿美元和12.7亿美元。

CMP抛光液的竞争格局

长期以来，全球化工机械抛光液市场一直由美国的卡伯特、Versum、陶氏、日本的日立、藤氏等美日企业主导。其中，卡博特在全球抛光液市场占有率最高，但已从2000年的80%左右下降到2018年的36%左右，表明未来全球抛光液市场将多元化，本地自给率将提高。安吉科技成功打破了国外厂商的垄断，实现了进口替代，使中国在该领域具备了独立的供应能力。

CMP 抛光垫

CMP抛光垫一般情况

在化学机械抛光过程中，抛光垫具有储存和运输抛光液、清除加工残留材料、传递机械负荷和维护抛光环境的功能。抛光垫的性能受材料性能、表面结构、表面沟槽形状和工作温度的影响。在这些影响因素中，抛光垫的表面沟槽形状和英寸是抛光垫性能的关键参数之一，它直接影响抛光液在抛光区域的分布和运动以及温度分布。因此，抛光垫表面凹槽的形状和大小影响化学反应速率和机械去除，从而影响化学机械抛光的抛光质量和抛光效率。

抛光垫一般为高分子材料，如合成皮革抛光垫、聚氨酯醋抛光垫、金绒抛光垫等，其表面一般含有不同大小的孔隙结构，有利于抛光浆的储存和流动。抛光垫的硬度、密度、材料和弹性模量对抛光质量有很大影响。抛光垫也是一种需要及时更换，长期不更换的消耗品。抛光去除的材料残渣很容易留在其中，会在工件表面造成划痕；同时，如果抛光后的抛光垫没有及时清洗，风干后的抛光垫中粘结的固体会影响下一次抛光的质量。

CMP的研发主要集中在美国和日本

在全球范围内，日本拥有1053项CMP专利，美国711项，韩国376项，世界知识产权组织注册了339项，中国大陆244项，台湾149项。上述6个地区占全球专利族的98.42%，而在剩下的1.58%中，德国和欧洲各有14个专利族，印度有5个，马来西亚和新加坡各有3个，法国和英国各有2个，荷兰、加拿大和泰国各有1个。

世界上第一个抛光垫专利由美国国家半导体公司于1992年在欧洲申请，申请数量逐年增加，从2004年到2009年，申请数量一直处于较高水平，2010年之后，申请数量有所下降，但整体变化稳定，表明抛光垫领域仍然是所有公司的竞争之地。中国大陆的专利申请数量自1999年首次披露以来一直呈波浪式增长，2014年达到36件的历史新高。总体而言，中国大陆在聚合物抛光垫领域起步较晚，专利数量并不大，但近年来有逐渐爆发的趋势。

目前，全球主要的CMP企业有罗门哈斯(陶氏)、东洋橡胶工业株式会社、东丽工业株式会社、应用材料株式会社、三星电子、JSR、中芯国际、富士纺织控股有限公司等。其中，Rohm & Haas是全球领先的企业，核心专利种类广泛，在不同的应用场景中申请，包括抛光垫的整体设计、凹槽设计、抛光垫的制作、抛光垫使用寿命的提高、终点检测方法、抛光层和基片层的粘贴等，不仅拥有大量的核心专利，而且拥有大量的授权次数。被引和被引频次高，专利家族公众号多，跨国许可号多，多专利保护到位。东丽工业株式会社核心专利领域主要集中在抛光垫方法的设计和生产，开放领域大多在日本。核心专利的特点是数量多、授权次数多、被引频次高、公众号多。中国大陆抛光垫的专利领域主要集中在设计和使用方法。开放区域大部分在中国，授权专利占比较低，授权级别为c。授权区域集中在中国，授权专利族数量较少，普遍为单一授权。

CMP抛光垫的竞争格局

随着下游半导体产业的发展，2016-2018年全球化学-机械抛光垫市场分为6.5亿美元、700万美元和7.4亿美元。

目前全球芯片抛光片的生产主要是陶氏，垄断了集成电路芯片和蓝宝石领域所需抛光片90%的市场份额。此外，3M、卡博特、日本东丽、台湾三三化学等也可生产部分芯片抛光垫。

安吉科技：国产CMP抛光液龙头

国产CMP抛光液龙头，打破进口垄断。该公司的产品包括广泛的化学-机械抛光和光抗蚀剂去除集成电路制造和先进的包装。公司在集成电路领域打破了国外厂商对化工机械抛光液的垄断，实现了进口替代，在半导体材料行业获得了一定的市场份额和品牌知名度。公司拥有一系列具有自主知识产权的核心技术，覆盖了整个产品配方和工艺，并积累了包括中芯国际、台积电、长江存储等在内的众多优质客户资源。化工机械抛光液及光刻胶去除剂专业供应商，国内半导体材料稀缺标的。公司从事

化学机械抛光和光抗蚀剂的开发和制造集成电路制造和先进的包装。化工机械抛光液是公司的核心业务，占比约80%。目前已在130-14nm技术节点实现规模化销售，10-7nm技术节点产品正在开发中。公司规模和技术在中国都是一流的。

受益于进口替代和产业转移，公司成长潜力巨大。目前，半导体材料市场由欧美巨头主导。作为行业破坏者，公司规模还比较小，但潜力很大。半导体材料的全球市场规模约为519亿美元；公司CMP抛光材料市场规模约为21.7亿美元，公司营收体量仅为2.55亿元人民币，仍有非常大的增长空间。

未来的吸引力在于品类拓展和客户开发。类别扩展包括：铜和铜阻挡层化学机械抛光液，以满足28nm以下技术节点逻辑芯片的要求；钨化工机械抛光液可以满足3D NAND和DRAM存储芯片的要求。客户开发不仅增加现有客户的供应份额，还包括新客户的拓展。

企业收益预计将出现爆炸式增长。2020年一季度，受益于下游客户的持续释放，公司实现营收9600万元，同比+64%。归属于母亲的净利润2356万元，同比增长426%。

鼎龙股份：连续动力CMP抛光垫

CMP抛光垫有望迎来量产。2013年，公司立项的CMP抛光垫项目被列入“02”专项，并负责中芯国际子项目“20-14nm技术节点CMP抛光产品研发”任务。2019年上半年，应用于成熟工艺领域的DH3000/DH3002/DH3010系列产品继续拓展市场；DH3201/DH3410系列产品应用于先进制造工艺领域已成功投产，并成功通过客户的线下马拉松测试。今年上半年，我们已经获得了12英寸客户的第一个订单，预计未来会有大量的订单。

连续力柔性显示基材PI浆料。公司专注于黄色耐高温PI。结合客户的测试验证反馈，公司不断提高技术水平和自主研发能力。公司引进涂料烘烤线，建立完善了PI浆料性能的一系列检测方法，并已完成年产1000吨生产开发楼的水电建设。目前，无尘车间的装修以及自动化设备的调试和安装正在进行中，预计2019年底量产。同时，Flexion Technology产品在国内知名面板厂商G4.5、G6线启动并部分完成了全流程验证，与客户建立了紧密的关系，加强了Flexion Technology的品牌影响力和产品认可度，进一步明确了客户的迫切需求。

全产业链布局印刷耗材。公司耗材业务涉及碳粉、碳粉、芯片、墨盒等，形成了全产业链闭环布局。近年来，公司通过整合收购，不断巩固在耗材领域的领先地位。