电子化学品系列报告之三：CMP抛光材料自主可控不断提升

证券研究报告|行业深度报告 2023年7月31日 电子化学品系列报告之三： CMP抛光材料自主可控不断提升 证券分析师：王亮 E-MAIL:wangl@tpyzq.com 执业资格证书编码：S1190522120001 证券分析师：王海涛 E-MAIL:wanght@tpyzq.com 执业资格证书编码：S1190523010001 研究助理：周冰莹 E-MAIL:zhoubingying@tpyzq.com 一般证券业务证书编码：S1190123020025 请务必阅读正文后的重要声明 核心逻辑 CMP材料国产替代空间广阔 •晶圆厂扩产叠加新兴AI带动高性能芯片需求，另外先进制程要求抛光步骤次数增加，半导体材料市场规模不断上升，CMP材料国产替代空间广阔。 政策扶持+产业链转移+技术发展，不断提升自主可控 •产业链转移：半导体产业链经历了美国诞生、日本垄断两大阶段，现今伴随着5G、AI行业快速发展与国内政策大力扶持，中国有望承接来自日本、韩国的半导体产业链。 •政策博弈：面对美日荷对半导体设备出口管制，设备和材料自主可控愈发迫切，将进一步推动晶圆厂和国产设备材料合作，加速国产替代。近年来，我国先后发布了《国家集成电路产业发展推进纲要》《“十四五”数字经济发展规划》等文件，从产业规划、财税支持等多个方面为集成电路产业发展提供了大量政策支持。 •技术发展：当前抛光垫市场杜邦公司一家独大，抛光液市场美企Cabot市占率高达33%，海外巨头公司占据先发优势，技术封锁持续推进，中国企业逆水行舟，截至2022年，中国大陆成为全球CMP抛光液行业专利数量最多的地区。 中国抛光材料企业积极布局 •鼎龙股份：公司是国内唯一一家全制程抛光垫供应商，现有武汉本部30万片抛光垫产能，潜江三期项目建成投产，再补充20万片抛光垫新品的生产能力，将于2023年下半年逐步放量。仙桃基地预计2023年9月份建成，抛光液产能有望进一步提升。截至2022年年末，公司拥有已获得授权的专利784项，并为后续海外产品推广做好专利预警工作。 •安集科技：公司深耕抛光液研发，多位核心技术人员出身行业龙头Cabot，近7年公司研发费用率保持在15%以上。公司拟定增募资不超过2.4亿元，用于宁波安集化学机械抛光液建设项目、安集科技上海金桥生产线自动化项目、安集科技上海金桥生产基地分析检测能力提升项目及补充流动资金，项目预计2023年7月建成，新增1.5万吨化学机械抛光液生产能力。 风险提示：半导体行业景气不及预期；行业竞争加剧；新产品研发不及预期；国产替代不及预期；下游需求不及预期等。 Ⅰ CMP广泛应用于硅片、芯片制造与封装工艺3 Ⅱ CMP材料市场规模持续增长，国产替代空间广阔12 Ⅲ 美日企业垄断格局下，中国企业突出重围21 Ⅳ 国内企业积极布局抛光材料29 Ⅴ 风险提示45 •CMP又称化学机械平坦技术，是使用化学腐蚀及机械力对加工过程中的硅晶圆或其它衬底材料进行平坦化处理。CMP设备包括抛光、清洗、传送三大模块，其作业过程中，抛光头将晶圆待抛光面压抵在粗糙的抛光垫上，借助抛光液腐蚀、微粒摩擦、抛光垫摩擦等耦合实现全局平坦化。目前的集成电路元件普遍采用多层立体布线，因此集成电路制造的前道工艺环节要进行多次循环。在此过程中，CMP技术是集成电路（芯片）制造过程中实现晶圆表面平坦化的关键工艺，是集成电路制造中推进制程技术节点升级的重要环节。 图表1：CMP抛光模块与作业示意图 资料来源：华海清科招股说明书，太平洋证券研究院 图表2：CMP平坦化效果图（CMOS结构剖面图） 资料来源：华海清科招股说明书，太平洋证券研究院 •在集成电路制造领域，芯片制造过程按照技术分工主要可分为薄膜淀积、CMP、光刻、刻蚀、离子注入等工艺环节，其中CMP技术是晶圆制造的必须流程之一，对高精度、高性能晶圆制造至关重要。集成电路产业链可分为硅片制造、集成电路设计、芯片制造前道工艺、封装测试等四大领域，除集成电路设计领域外，其他三大领域均有CMP的应用场景。 图表3：CMP广泛应用于硅片制造、芯片制造前道与封装工艺 硅片制造工艺 先进封装工艺 拉晶 硅锭加工 成型 CMP 清洗 制作通孔 绝缘层/阻挡层淀积 金属填充 CMP 背面减薄 键合 多晶硅熔化接入籽晶旋转拉晶单晶硅锭 硅锭去头径向滚圆定位边/槽研磨 硅锭研磨 切片 晶圆对 准键合 晶圆厚度减薄 键合表面平坦化 实现叠层垂直互联 隔断填充金属与硅本地通道 建立互联通道 清洗及检测 双面抛光边缘抛光最终抛光 双面研磨倒角 蚀刻 芯片制造前道工艺 薄膜淀积 CMP 光刻 刻蚀 离子注入 CVD设备PVD设备RTP设备ALD设备 气相外延炉 CMP设备刷片机 涂胶/显影 光刻机 等离子体刻蚀等离子去胶机湿法刻蚀设备 等离子去胶 机 离子注入机 资料来源：华海清科招股说明书，太平洋证券研究院 •集成电路作为全球信息产业的基础与核心，广泛应用于电子设备（如智能手机、电视机、计算机等）、通讯、军事等领域，对经济建设、社会发展和国家安全具有重要战略意义和核心关键作用，是衡量一个国家或地区现代化程度和综合实力的重要标志 。 •CMP中核心材料为抛光液与抛光垫，上游为研磨颗粒、添加剂、聚氨酯、无纺布等，下游则为晶圆制造厂。随着新技术发展和应用领域不断拓展，全球集成电路行业市场规模增长迅猛，带动晶圆制造需求提升，抛光垫与抛光液市场空间逐渐打开。 图表4：CMP产业链 工控医疗 汽车电子 芯片 通讯 计算机 上游原材料中游制造下游产品 CMP材料 氧化剂 CMP设备 稳定剂 表面活性剂 抛光液 研磨颗粒 无纺布 抛光垫 聚氨酯 资料来源：华经情报网，太平洋证券研究院 •CMP材料根据功能的不同，主要分为抛光液、抛光垫、抛光后清洗液、调节剂等。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。抛光液在化学机械抛光过程中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。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。 •根据CMP细分抛光材料市场份额，抛光液占比达49%，抛光垫占比33%，合计超过80%。 图表5：CMP细分抛光材料市场份额图表6：CMP材料介绍 名称 介绍 CMP抛光垫 CMP抛光垫是CMP环节的核心耗材之一，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。 CMP抛光液 CMP抛光液是研磨材料和化学添加剂的混合物，在化学机械抛光过程中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。 CMP清洗液 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。 抛光液抛光垫调节剂清洗剂其他 9% 33% 5%4% 49% 资料来源：华经产业研究院，太平洋证券研究院 资料来源：鼎龙股份2022年年报，太平洋证券研究院 •抛光液是一种由去离子水、磨料、PH值调节剂、氧化剂以及分散剂等添加剂组成的水溶性试剂。在抛光的过程中，抛光液中的氧化剂等成分与硅片表面材料产生化学反应，在表面产生一层化学反应薄膜，后由抛光液中的磨粒在压力和摩擦的作用下将其去除，最终实现抛光。 图表7：CMP抛光液的主要成分 抛光液主要项目 简介 磨料 磨料的作用是将工件表面因氧化剂腐蚀而生成的质软薄膜去除。磨料的类型、粒径和硬度对CMP工艺的影响较大，磨粒的粒径过大容易增加工件表面的损伤程度，粒径过小则会导致材料去除率过低；磨料过硬，工件表面就容易被刮伤，但是磨料硬度太小,则材料去除率较低。 PH调节剂 PH调节剂的作用是调节抛光液的酸碱度，使得抛光液的酸碱度适合于工件表面化学反应的发生。抛光液按照酸碱度的不同一般可分为碱性和酸性两种：酸性抛光液常用于金属材料的抛光，酸性的抛光液有较强的溶解性，容易挑选到合适的氧化剂，并且抛光效率较高，其缺点是会对抛光设备造成腐蚀，要求设备有较高的抗腐蚀能力，而且它的选择性较差，但是可以通过加入抑制剂等添加剂来提高其选择性；碱性抛光液可用于抛光非金属材料，碱性抛光液的优点是腐蚀性较弱，选择性较高，其缺点是难于挑选出氧化性强的氧化剂，因而难于保证较高的抛光效率。 氧化剂 氧化剂的作用是与工件发生氧化反应,在工件的表面形成一层柔软而容易去除的物质,再依靠磨粒及抛光垫的摩擦将柔软物质去掉,获得高质量的表面。 抑制剂 抑制剂的作用是控制化学作用使工件局部侵蚀且溶解均匀，来提高工件抛光表面凹凸选择性，并且还可以减缓抛光液对抛光设备的腐蚀。 表面活性剂 添加表面活性剂的目的是使磨粒能够均匀地、稳定地悬浮于抛光液中。添加抛光液时，即使对抛光液进行过滤处理，去除其中的大颗粒，也并不能保证磨粒不损坏工件表面，因为磨料也可能在抛光过程中产生聚集。所以有必要在抛光液中添加表面活性剂，提高磨粒的分散性和稳定性，避免产生团聚，表面活性剂还能起到润湿、乳化等作用。 资料来源：华经产业研究院，太平洋证券研究院 •抛光液种类繁多，根据应用的不同工艺环节，可以将抛光液分为硅抛光液、铜及铜阻挡层抛光液、钨抛光液、介质层抛光液、浅槽隔离（STI）抛光液以及用于先进封装的硅通孔（TSV）抛光液等。 图表8：CMP抛光液种类繁多 产品 用途 应用领域 特点 铜化学机械抛光液 广泛应用于130nm及以下技术节点逻辑芯片的制造工艺，在存储芯片制造过程中也有一定的使用。 在逻辑芯片130-14nm技术节点以及3DNAND和DRAM芯片上量产使用。 高的铜去除速率，碟型凹陷可调，低缺陷。 阻挡层化学机械抛光液 用于集成电路铜互连工艺制程中阻挡层的去除和平坦化。 在逻辑芯片130-14nm技术节点以及3DNAND和DRAM芯片上量产使用。 有优异的抗铜腐蚀的能力，可调的介电材料包括低介电材料和超低介电材料去除速率的能力，抛光后晶圆表面平坦，缺陷少。 钨化学机械抛光液 大量用于存储芯片制造工艺，在逻辑芯片中仅用于部分工艺段。用于集成电路制造工艺中钨塞和钨通孔的平坦化。 产品在逻辑芯片、3DNAND和DRAM芯片上量产使用。 有可调的钨去除速率及钨对介电材料的选择比。 介质层化学机械抛光液 用于集成电路制造工艺中层间电介质和金属问电介质的去除和平坦化。 用于集成电路制造工艺中层间电介质和金属电介质的去除和平坦化。 高去除速率，高平坦化效率、低缺陷和低成本。 硅化学机械抛光液 用于单晶硅/多品硅的地光，可用于硅片回收、存储器工艺和背照式传感器(BS)工艺。 用于单晶硅/多晶硅的抛光，主要用于硅晶圆初步加工。 高选择比硅粗拋系列产品具有高稀释比，高硅去除速率，高硅对氧化物/氮化物的选择比。硅精拋液系列具有低缺陷的优点。BSI拋光液系列具有理想的硅和二氧化硅去除速率和选择比。 浅槽隔离（STI）化学机械抛光液 用于集成电路制造工艺中浅槽隔离的拋光 用于集成电路制造工艺中浅槽隔离的抛光。 采用氧化铈研磨颗粒，具有高选择比，高平坦化效率，低缺陷率。 用于3D封装硅通孔（TSV）化学机械抛光液 用于TSV工艺的高去除速率的化学机棫拋光液系列。 用于硅对孔的抛光。 高去除速率、选择比可调。 •抛光垫一般是由聚氨酯做成，表面包括一定密度的微凸峰与微孔，不仅可以去除硅片表面材料，而且还起到存储和运输抛光液 、排除抛光过程产物的作用。 •抛光垫具有类似海绵的机械特性和多孔特性，表面有特殊的沟槽，属于消耗品，其寿命通常只有45-75小时，需要定时整修和更换。抛光垫按材质结构可分为：聚合物抛光垫、无纺布抛光垫、带绒毛结构的无纺布抛光垫、复合型抛光垫。 图表9：CMP抛光垫的主要种类 抛光垫种类 简介 聚合物抛光垫 聚合物抛光垫的主要成分是发泡体固化聚氨酯，聚氨酯抛光垫具有抗撕裂强度高、耐磨性强、耐酸碱腐蚀性优异的特点，是最常用的抛光垫材料之一。在抛光过程中，聚氨酯抛光垫表面微