晶圆平坦化的关键工艺，CMP设备材料国产替代快速推进

CMP是晶圆平坦化关键工艺，设备及材料需求随着先进制程推进增长：CMP是实现晶圆全局平坦化的关键工艺，指的是通过化学腐蚀与机械研磨的协同配合作用，实现晶圆表面多余材料的高效去除与全局纳米级平坦化。CMP避免了由单纯机械抛光造成的表面损伤和由单纯化学抛光易造成的抛光速度慢、表面平整度和抛光一致性差等缺点，在先进制程中得到广泛应用。随着摩尔定律推进，晶圆制程不断升级，CMP工艺次数大幅提高，成熟制程 90nm 工艺CMP步骤为12 步，先进制程 7nm 工艺的CMP步骤提高到30步，抛光次数倍数级增长，先进制程晶圆占比的提高带动了CMP设备及材料需求大幅增长。 海外厂商占据CMP设备主要市场，华海清科国内市占率快速提高：根据Gartner数据，CMP设备在半导体晶圆制造设备中占比为3%，按此测算，2021年全球以及中国大陆CMP设备对应市场规模为26.4亿美元、7.6亿美元。全球CMP设备市场主要被美国应用材料和日本荏原占据，2019年这两家厂商各占70%、25%的全球市场份额。华海清科是国内CMP设备龙头，根据公司招股书，是目前国内唯一实现了12英寸CMP设备量产销售的半导体设备供应商，在已量产的制程（ 14nm 以上）及工艺应用中已经可以实现对行业龙头公司产品的替代。在国内的主要晶圆厂，华海清科份额快速提高。在长江存储、华虹无锡、上海华力一二期项目、上海积塔CMP设备采购项目中，公司2019-2021三年分别中标8台、33台、27台，中标占比分别为21.05%、40.24%、44.26%，中标率连年提升。 CMP材料市场空间大，安集、鼎龙等率先突破：受益于3DNand以及先进制程工艺的快速发展，CMP材料需求量的大幅提升，全球抛光液/抛光垫市场规模有望于2020年的16.6/10.2亿美元分别增长至2025年22.7/13.5亿美元，2021-2025年CAGR分别达6%/5.1%。在抛光液方面，全球市场主要被卡博特、日立等占据，安集科技作为国内抛光液龙头，已在130- 28nm 技术节点实现规模化销售，在国内市占率快速提高。在抛光垫方面，全球主要被美国厂商陶氏化学垄断，国内厂商鼎龙股份率先突围，市场份额快速提高。 投资建议：建议关注国内CMP设备龙头华海清科，CMP材料龙头安集科技、鼎龙股份。 风险提示：市场竞争风险、产品开发不及预期、下游需求衰减、业务经营风险。 1.CMP：晶圆平坦化的关键工艺 1.1.CMP工艺是晶圆全局平坦化的关键工艺 晶圆制造流程可以广义地分为晶圆前道和后道2个环节，其中前道工艺在晶圆厂中进行，主要负责晶圆的加工制造，后道工艺在封测厂中进行，主要负责芯片的封装测试，其中，化学机械抛光（CMP）是实现晶圆全局平坦化的关键工艺，指的是通过化学腐蚀与机械研磨的协同配合作用，实现晶圆表面多余材料的高效去除与全局纳米级平坦化，是先进集成电路制造前道工序、先进封装等环节必需的关键制程工艺。 在前道加工领域：CMP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，其中根据工艺段来分可以分为前段制程（FEOL）和后段制程（BEOL），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。 图1：IC制造前道工艺流程 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。 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。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，平坦化的精度要求也不断提高，CMP步骤也会不断增加，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。 图2：先进封装工艺流程 CMP（化学机械抛光）相较于传统方法有更高的加工精度和加工速度。传统的机械抛光和化学抛光方法，去除速率、抛光质量均无法满足先进芯片量产需求。而CMP技术利用磨损中的“软磨硬”原理，即用较软的材料来进行抛光以实现高质量的表面抛光，避免了由单纯机械抛光造成的表面损伤和由单纯化学抛光易造成的抛光速度慢、表面平整度和抛光一致性差等缺点，是目前唯一能兼顾表面全局和局部平坦化的抛光技术，在先进集成电路制造中被广泛应用。 图3：CMP平坦化效果图 图4：CMP与传统方法的抛光去除速率对比 1.2.CMP工艺技术原理 CMP设备主要依托CMP技术的化学-机械动态耦合作用原理，通过化学腐蚀与机械研磨的协同配合作用，实现晶圆表面多余材料的高效去除与全局纳米级平坦化（全局平整落差5nm 以内的超高平整度）。CMP抛光过程可以分为化学过程和物理过程。化学过程指：研磨液中化学成分与硅片表面材料产生化学反应，通过将不溶物转化为易溶物或软化高硬度物质，生成比较容易去除的物质。物理过程指：研磨液中的磨粒与硅片表面材料发生机械物理摩擦，从硅片表面去除这些化学反应物，溶入流动的液体中带走。 图5：CMP抛光模块示意图 图6：CMP抛光作业原理图 CMP具体步骤： 第一步：将硅片固定在抛光头最下面，抛光垫放臵在研磨盘上； 第二步：旋转的抛光头以一定压力压在旋转的抛光垫上，在硅片表面和抛光垫之间加入流动的研磨液（由亚微米或纳米磨粒和化学溶液组成），研磨液在抛光垫的传输和离心力的作用下均匀涂布，在硅片和抛光垫之间形成一层液体薄膜； 第三步：通过化学去膜和机械去膜的交替过程实现平坦化。 CMP主要技术参数： 研磨速率：单位时间内磨除材料的厚度； 平整度：硅片某处CMP前后台阶高度之差/CMP之前台阶高度*100%； 研磨均匀性：包括片内均匀性和片间均匀性。片内均匀性=同个晶圆研磨速率的标准差/研磨速率；片间均匀性=不同晶圆同一条件下研磨速率标准差/平均研磨速率 缺陷量：CMP工艺造成的硅片表面缺陷，一般包括擦伤、凹陷、侵蚀、残留物和颗粒污染，直接影响成品率。 图7：CMP流程简析 1.3.CMP设备及材料对工艺效果有关键影响 CMP工艺离不开设备及材料，其中材料包括抛光垫和抛光液，设备和材料对工艺效果有关键影响，CMP效果主要影响因素如下： 设备参数：抛光时间、研磨盘转速、抛光头转速、抛光头摇摆度、背压、下压力等； 研磨液参数：磨粒大小、磨粒含量、磨粒凝聚度、酸碱度、氧化剂含量、流量、粘滞系数等； 抛光垫参数：硬度、密度、空隙大小、弹性等； CMP对象薄膜参数：种类、厚度、硬度、化学性质、图案密度等。 CMP材料主要包括抛光液、抛光垫、钻石碟、清洗液等，对CMP工艺效应均有关键影响。 1.CMP抛光垫：主要作用是储存和运输抛光液、去除磨屑和维持稳定的抛光环境等； 2.CMP抛光液：是研磨材料和化学添加剂的混合物，可使晶圆表面产生一层氧化膜，再由抛光液中的磨粒去除，达到抛光的目的。 3.CMP钻石碟：是CMP工艺中必不可少的耗材，用于维持抛光垫表面一定的粗糙状态，通常与CMP抛光垫配套使用。 4.CMP清洗液：主要用于去除残留在晶圆表面的微尘颗粒、有机物、无机物、金属离子、氧化物等杂质，满足集成电路制造对清洁度的极高要求，对晶圆生产的良率起到了重要的作用。 图8：CMP工艺上下游 CMP设备是CMP技术应用的载体，集摩擦学、表/界面力学、分子动力学、精密制造、化学化工、智能控制等多领城最先进技术于一体，是集成电路制造设备中较为复杂和研制难度较大的设备之一。同时，由于铜连线在微处理器生产中广泛引用，因此唯一能够抛光铜金属层的CMP设备更成为芯片制造厂商必需的重要工具。 CMP设备主要分为抛光部分和清洗部分，抛光部分由抛光头、研磨盘等组成，清洗部分由清洗刷、供液系统等组成 抛光头：通常具有真空吸附装臵用于吸附晶圆，防止晶圆在抛光过程中产生位移，同时向下施加压力。 研磨盘：起到对晶圆的支撑作用，承载抛光垫并带动其转动并对抛光头压力大小、转动速度、开关动作等进行控制。 清洗刷：用于CMP后清洗环节，在CMP后去除颗粒和其他化学污染物，分为清洁—冲洗—干燥环节，保证晶圆干进干出。 终点检测设备：终点检测设备用于检测CMP工艺是否把材料磨到正确的厚度，避免过薄（未起到抛光作用）及过厚（损失下层材料）带来的负面影响，通常使用电性能及光学两种测量方式 图9：CMP设备结构图 1.4.先进制程推进带动CMP设备及材料需求 当前CMP已经广泛应用于集成电路制造中对各种材料的高精度抛光。按照被抛光的材料类型，具体可以划分为三大类：（1）衬底：主要是硅材料。（2）金属：包括Al/Cu金属互联层，Ta/Ti/TiN/TiNxCy等扩散阻挡层、粘附层。（3）介质：包括SiO2/BPSG/PSG等ILD（层间介质），SI3N4/SiOxNy等钝化层、阻挡层。在0.25μm节点后的Al布线和进入0.13μm节点后的Cu布线，CMP技术的重要性持续凸显： 90~65nm 节点：随着铜互连技术和低k介质（一种绝缘材料）的广泛采用，浅槽隔离(ST I)、绝缘膜、铜互连层是CMP的主要研磨对象。 28nm 节点：逻辑器件的晶体管中引入高k金属栅结构（HKMG），因而同时引入了两个关键的平坦化应用，包括虚拟栅开口CMP工艺和替代金属栅CMP工艺。 32nm 及 22nm 节点：铜互连低k介质集成的CMP工艺技术支持 32nm 和 22nm 器件的量产，其中开始出现的FinFET晶体管添加了虚拟栅平坦化工艺，这是实现后续3D结构刻蚀的关键技术。 随着摩尔定律的推进，当制造工艺不断向先进制程节点发展时，对CMP技术的要求也相应提高。当制程节点发展至 7nm 以下时，芯片制造过程中CMP的应用在最初的氧化硅CMP和钨CMP基础上新增了包含氮化硅CMP、鳍式多晶硅CMP、钨金属栅极CMP等先进CMP技术，所需的抛光技术也增加至30余步，大幅刺激了集成电路制造商对CMP设备及材料的采购和升级需求。 图10：介质CMP 图11：金属CMP 图12：9-11层金属结构Cu CMP的示意图 2.CMP设备市场快速成长，国产替代快速前行 2.1.行业高景气带动晶圆厂扩大资本开支，设备需求大幅提高 在5G、物联网、汽车电子、云计算等需求的带动下，半导体市场需求持续增长。2020年尽管受到疫情的影响，全球半导体市场规模依然同比增长6.8%，达到了4404亿美元，预计2021年、2022年全球半导体市场规模分别为5530亿美元、6015亿美元，同比分别增长25.6%、8.8%。从分地区来看，2021年和2022年亚太市场规模增速将高于全球平均，分别为26.7%、8.4%，在全球市场的占比分别为62.11%、61.90%。 表1：半导体市场规模及预测 根据ICInsights的数据，半导体资本开支在2021年大增36%之后，预计2022年半导体行业资本支出将增长24%，达到1904亿美元的历史新高，比三年前(2019年)增长86%，行业资本开支持续高增有望带动上游设备需求成长。 图13：全球半导体资本开支预测 半导体厂商的资本开支提高将带动设备市场规模高成长，根据SEMI统计，预计2021年半导体设备的全球销售额同比增长45％，增至1030亿美元，该预期数据比2021年7月的预期高出8％，市场增长持续超出预期。根据SEMI的预测，全球半导体设备市场将于2022年同比增长10.68%，增长至1140亿美元，2016-2022年复合增长率将达到18.47%。 另外，中国大陆的半导体设备销售额从2013年的33亿美元增长至2020年的187亿美元，