PEEK（聚醚醚酮）系列报告之三：PEEK材料半导体市场广阔，国产企业放量可期

PEEK在半导体工业的应用广泛，前景广阔。PEEK具有耐热性、耐磨性、耐疲劳性、耐辐照性、耐剥离性、抗蠕变性、柔韧性、尺寸稳定性、耐冲击性、耐化学药品性、无毒、阻燃等优异的综合性能，其性能显著优于其他工程塑料或金属材料。在半导体工业中，由于PEEK能够耐受高达260℃的高温和各类化学品的腐蚀，从而能够减少晶圆冷却时间，提高生产效率。同时，PEEK颗粒产生率低、纯度高，使得晶圆脱气量和可萃取物减少，降低静电击穿晶圆的概率，也能显著提升晶圆良品率。PEEK因此被广泛用来制造CMP保持环、晶圆承载器、晶片夹等高性能塑料零件，PEEK及其复合增强树脂能够实现对铜合金、不锈钢、PTFE、PPS和其他工程塑料等传统材料的替代。此外，通过在PEEK中添加抗静电材料可减少静电的影响。 PEEK可用于CMP保持环，需求有望持续提升。CMP是IC制造过程中实现晶圆表面平坦化的关键技术，抛光头及其压力控制系统是其中最关键、最复杂的部件，保持环是CMP抛光头的核心配件之一，属于易耗品，能有效地防止晶圆边缘出现“过磨”现象。CMP保持环应具有高耐磨、高纯净度、高加工精度、高材料稳定性和低振动等特性，以减少晶圆中微刮伤的发生几率，对应材料的选择应与之匹配，目前主要采用PPS和PEEK两种材质。根据SEMI数据，22年，全球CMP设备市场规模为27.78亿美元，17-22年的CAGR为4.2%，中国大陆CMP设备市场规模为6.66亿美元，同比增长35.9%，17-22年的CAGR为24.8%。 伴随着半导体技术的持续进步、芯片制程工艺的升级、第三代半导体产业快速发展，对CMP设备的需求正日益增加，从而带动CMP保持环的需求提升。与此同时，CMP设备一般预计更换周期超过10年，而CMP保持环属于耗材，其更换频率将更高。此外，PEEK凭借其优异的性能，正逐步实现对主流的PPS等CMP保持环材料的替代，综合来看，未来PEEK的需求有望持续提升。 全球半导体行业复苏叠加中国大陆晶圆代工产能的持续扩增，PEEK需求得以提振。2023年，全球半导体行业仍然呈现去库存特征，行业进入下行周期，进而对上游半导体材料的需求造成负面影响。但2023年Q2以来，国内半导体行业总体呈复苏趋势。根据美国半导体行业协会（SIA）的数据显示，2023Q1-Q3全球半导体单季度的销售额分别为1195.0、1267.0、1346.6亿美元，同比分别下降21.3%、15.8%、4.5%，降幅持续收窄。世界半导体贸易统计组织（WSTS）预测，2024年全球半导体市场将同比增长11.8%至5760亿美元，有望实现复苏。与此同时，中国大陆晶圆代工产能正持续扩增，12寸晶圆厂方面，截至2023年11月，根据全球半导体观察不完全统计数据，中国大陆目前共有31座12寸晶圆厂投入生产，总计产能约为118.9万片/月，预计未来五年将新增24座12英寸晶圆厂，规划总产能222.3万片/月。在当前已规划12英寸晶圆厂全部满产情况下，截至2026年底，中国大陆12英寸晶圆厂的总产能将超过414万片/月。8寸晶圆厂方面，根据国际半导体协会（SEMI）数据，预计到2026年，中国大陆8寸晶圆厂的月产能将达到170万片/月。 投资建议：我们认为，随着中国大陆晶圆代工产能的持续扩增，对半导体工艺中的各类高性能塑料零件的需求有望随之提升，叠加PEEK凭借其优异的性能现已逐步实现对PPS、PP等材料的升级替代，PEEK在半导体领域具有较大的需求空间，PEEK产业将持续向好发展。目前中研股份的PEEK已应用在半导体领域的CMP保持环、晶圆载具、晶圆吸盘等产品中。我们建议关注国内PEEK行业龙头中研股份。 风险分析：下游需求不及预期，产品研发风险，客户验证风险，新增产能爬坡进度不及预期。 1、PEEK在半导体工业的应用广泛，前景广阔 1.1、PEEK性能优于其他工程塑料或金属材料，在半导体工业中的应用广泛 PEEK性能优异，其性能显著优于其他工程塑料或金属材料。由于PEEK的分子链中含有大量的苯环，具有优良的物理和化学性质、力学和热性能。PEEK的熔点达到343℃，玻璃化转变温度（T）为143℃，拉伸强度达到100 MPa。 g 另外在250℃的高温下，PEEK也能保持较高的耐磨性和较低的摩擦系数。由于PEEK材料具有耐热性、耐磨性、耐疲劳性、耐辐照性、耐剥离性、抗蠕变性、尺寸稳定性、耐冲击性、耐化学药品性、无毒、阻燃等优异的综合性能，而且两个醚键和羰基又为材料提供了柔韧性与优良的工艺性。 如进一步将PEEK与其他工程塑料、特种工程塑料、金属材料（通用/医用）进行对比，可以发现PEEK的物理与化学性能明显优于大多数的比较对象。与其他工程塑料及特种工程塑料相比，PEEK兼具刚性与韧性，同时在耐热、耐磨、耐腐蚀性能方面均排名前列。与通用金属对比，PEEK的比强度大，在满足所需强度的同时，可明显降低材料的自重，实现“轻量化”。 表1：PEEK的主要特性 表2：PEEK与主要工程塑料、特种工程塑料性能对比情况 PEEK凭借其优异的性能，可以同时满足多种关键工程要求，因此在电子电气、航空航天、汽车、能源及其他工业、医疗等多个领域得到广泛应用。 在半导体工业中，PEEK被广泛用来制造CMP保持环、晶圆承载器、晶片夹等高性能塑料零件。在半导体领域中，由于PEEK能够耐受高达260℃的高温和各类化学品的腐蚀，从而减少晶圆冷却时间，提高生产效率。同时，PEEK颗粒产生率低、纯度高，使得晶圆脱气量和可萃取物减少，降低静电击穿晶圆的概率，也能显著提升晶圆良品率。因此，采用PEEK及其复合增强树脂加工的晶片夹、自润滑耐磨轴套、滚轮、CMP保持环等高性能塑料零件，能够实现对铜合金、不锈钢、PTFE、PPS和其他工程塑料等传统材料的替代。此外，随着半导体制造技术的日益发展，互连导线宽度与间距越来越小，集成电路的集成密度越来越高，同时带来的问题是器件的耐静电击穿电压也越来越低，静电问题越来越得到重视，可以通过在PEEK中添加抗静电材料减少静电的影响。 1.2、CMP保持环：有效防止晶圆边缘出现“过磨”现象 CMP是半导体晶圆制造工艺的关键步骤，先进封装领域有望成为另一大需求增长点。化学机械平坦化技术（Chemical mechanical polishing or planarization, CMP）是一种通过化学试剂的化学腐蚀和纳米磨粒的机械研磨技术结合，去除晶圆表面微米/纳米级材料，从而达到晶圆表面的高度（纳米级）平坦化效应的一种加工方式。集成电路（Integrated circuit，IC）制造是CMP应用最主要的场景，随着IC制造技术的不断发展，芯片特征尺寸越来越小，互连层数越来越多，晶圆直径也不断增大，要实现多层布线，晶圆表面必须具有极高的平整度、光滑度和洁净度，如果晶圆（芯片）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。因此，CMP是IC制造过程中实现晶圆表面平坦化的关键技术，它通常与PVD/CVD、光刻、刻蚀、离子注入一起被称为IC制造最核心的五大关键技术。此外，在先进封装领域，CMP工艺会越来越多被引入并大量使用，其中硅通孔（TSV）技术、扇出（Fan-Out）技术、2.5D转接板（interposer）、3D IC等将用到大量CMP工艺，将成为CMP除IC制造外另一需求增长点。 图1：芯片制造前道工艺流程、先进封装工艺流程 CMP设备包括抛光、清洗、传送三大模块，其中抛光头及其压力控制系统是其中最关键、最复杂的部件。CMP设备主要由抛光头、抛光盘、修整器、抛光液输送系统等部分组成，CMP抛光模块的基本组成部分是一个转动的圆盘和一个圆晶硅片固定装置，两者均可施力于圆晶硅片并使其旋转，在含有浆料粒子悬浮颗粒的碱性或酸性溶液研浆的帮助下完成抛光。其中，抛光头及其压力控制系统是其中最关键、最复杂的部件，是CMP技术实现纳米级平坦化的基础和核心。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。抛光盘带动抛光垫旋转，通过先进的终点检测系统对不同材质和厚度的膜层实现 3~10nm 分辨率的实时厚度测量防止过抛，更为关键的技术在于可全局分区施压的抛光头，其在限定的空间内对晶圆全局的多个环状区域实现超精密可控单向加压，从而可以响应抛光盘测量的膜厚数据、调节压力控制晶圆抛光形貌，使晶圆抛光后表面达到超高平整度，且表面粗糙度小于 0.5nm 。 图2：CMP抛光模块示意图 图3：CMP抛光作业原理图 保持环是CMP抛光头的核心配件之一，能有效的防止晶圆边缘出现“过磨”现象。在化学机械抛光过程中，保持环（RetainingRing）的主要功能是固定晶圆在研磨头区域，防止晶圆在旋转过程中被甩出。在化学机械抛光中，晶圆边缘出现“过磨(Over-grinding)”现象，降低了晶圆表面的抛光质量和晶圆利用率，晶圆直径越大，晶圆边缘的“过磨”现象越严重。CMP保持环通过将边缘的抛光垫和晶圆以下的抛光垫压平到同一高度来优化晶圆边缘压力，能够有效地解决或缓解“过磨”现象。与此同时，CMP保持环表面的沟槽还有助于晶圆表面与抛光垫之间内外新旧研磨液的交换，有利于提高晶圆表面材料的去除速率、降低不均匀性。此外，在化学机械抛光过程中，CMP保持环与晶圆一起被抛光，保持环和研磨液、抛光垫之间存在相互摩擦，因此CMP保持环属于易耗品。 图4：300ｍｍ晶圆保持环 PPS为当前最主流的CMP保持环材料。CMP保持环应具有高耐磨、高纯净度、高加工精度、高材料稳定性和低振动等特性，以减少晶圆中微刮伤的发生几率，对应材料的选择应与之匹配。与金属和陶瓷材料相比，高级工程塑料树脂具有非常低的离子杂质和无机元素污染水平，适用于先进集成电路设备材料的应用。目前，全球8寸和12寸晶圆代工厂主流CMP设备抛光头的保持环主要采用聚苯硫醚（Polyphenylene sulfide，PPS）和聚醚醚酮（Poly（ether-ether-ketone），PEEK）两种材质，其中PPS为当前最主流的CMP保持环材料。 PEEK材料的性能优异，在半导体制造的化学机械抛光工艺环节已逐步替代目前PPS等CMP保持环材料。PEEK具有高纯度、高强度、耐化学品、耐高温以及电气性能等独特性能，能够满足包括摩擦系数、耐磨损性在内的多种标准要求，且可以兼容浆液等过程成分，是制造CMP环的理想材料，能在制造过程中提高晶圆合格率，缩短停工时间，并能够降低每个晶圆的生产成本。与PPS相比，在氧化物和钨抛光液中使用寿命更长（比常用的聚苯硫醚（PPS）保持环寿命提高2倍以上）。一般来说，CMP耗材的更换周期是使用年限最短的耗材（通常是研磨垫）的倍数，也就是说，研磨环的更换周期往往与研磨垫的“停车”时间相一致。例如，在某些条件下，一个PPS研磨环的使用寿命可以持续约4次研磨垫更换，而一个标准PEEK研磨环使用寿命可以持续最多12次研磨垫更换，使用PEEK材料的停工时间会少于使用PPS材料，从而提高晶圆生产效率。PEEK在半导体制造的化学机械抛光工艺环节已逐步替代目前主流的PPS等CMP保持环材料。 图5：PEEK与PPS性能对比 近年来，全球CMP设备的市场规模总体呈增长趋势，中国大陆CMP设备的市场规模位居首位。根据SEMI数据，2022年，全球CMP设备市场规模为27.78亿美元，同比减少0.2%，基本保持稳定，2017-2022年的CAGR为4.2%，市场规模稳步增长。近年来，中国大陆CMP设备市场规模呈现快速增长的态势，现已连续三年位居全球首位，根据SEMI数据，2022年，中国大陆CMP设备市场规模为6.66亿美元，同比增长35.9%，2017-2022年的CAGR为24.8%，2022年中国大陆CMP设备市场规模占全球的比重约为24.0%。 图6：全球及中国大陆CMP设备市场规模 图7：2022年全球CMP设备市