中國半導(dǎo)體材料現(xiàn)狀及格局趨勢分析

化學(xué)機械拋光（CMP）技術(shù)是晶圓制造的必須流程之一,對高精度、高性能晶圓制造至關(guān)重要.晶圓制造主要包括7大流程,分別是擴散（ThermalProcess）、光刻（Photolithography）、刻蝕（Etch）、離子注入（IonImplant）、薄膜生長（DielectricDeposition）、化學(xué)機械拋光（CMP）、金屬化（Metalization）.化學(xué)機械拋光（CMP）最早在1980年代被引入半導(dǎo)體制造中,用于減少晶片表面的不均勻性,幾乎所有生產(chǎn)特征尺寸小于0.35微米的半導(dǎo)體制造廠均采用了該工藝.CMP可以平整晶片表面的不平坦區(qū)域,并可以以更高的精度進(jìn)行后續(xù)光刻.CMP使芯片制造商能夠繼續(xù)縮小電路面積并擴展光刻工具的性能.

一、拋光材料現(xiàn)狀

拋光液、拋光墊是CMP工藝中不可或缺的材料,有著較高的價值量.CMP工藝集合了拋光液的化學(xué)（酸性或堿性）效應(yīng)以及微磨料的機械效應(yīng),將晶圓固定在可旋轉(zhuǎn)的載體中（單頭或多頭）,并將拋光墊放置在一個可旋轉(zhuǎn)的平臺上,兩者在一定壓力及拋光液的作用下相互運動,以實現(xiàn)晶圓表面的高度平坦化.CMP拋光材料總體占到晶圓制造所需各類材料成本的7%,其中拋光液、拋光墊有著較高的價值量,分別占到拋光材料的49%和33%,其他拋光材料還包括拋光頭、研磨盤、檢測設(shè)備、清洗設(shè)備等.拋光材料價值量占比

拋光液是均勻分散膠粒乳白色膠體,主要起到拋光、潤滑、冷卻的作用.根據(jù)酸堿性可以分為酸性拋光液和堿性拋光液,根據(jù)應(yīng)用場景可以分為金屬拋光液和非金屬拋光液.以堿性SiO2拋光液為例,其重要成分包含磨料（SiO2膠粒）、堿、去離子水、表面活性劑、氧化劑、穩(wěn)定劑等.SiO2膠粒主要作用是進(jìn)行機械摩擦并吸附腐蝕產(chǎn)物,要求硬度適當(dāng),尺寸在1-100nm.堿性溶液在拋光過程中主要起到腐蝕作用,因避免引入Na+、K+等金屬離子,其組成通常是有機胺,其PH值一般為9.4-11.1之間.氧化劑用于加速腐蝕反應(yīng)速率,由于Si本身與堿反應(yīng)速率較慢,而SiO2與堿反應(yīng)速率較快,氧化劑可將表層Si進(jìn)行氧化,從而獲得較快的腐蝕速度.表面活性劑用于不溶性顆粒,防止膠粒凝聚沉淀.

拋光墊是一種疏松多孔的材料,具有一定彈性,一般是聚亞氨酯類,主要作用是存儲和傳輸拋光液,對硅片提供一定的壓力并對其表面進(jìn)行機械摩擦.拋光墊具有類似海綿的機械特性和多孔特性,表面有特殊的溝槽,可提高拋光均勻性.拋光墊雖不與硅片直接接觸,但仍同拋光液一樣屬于消耗品,其壽命往往只有45-75小時,需要定時整修和更換.

拋光液由磨料、PH值調(diào)節(jié)劑、氧化劑、分散劑、表面活性劑等多種成分混合而成,介質(zhì)復(fù)雜度很高.高品質(zhì)拋光液的關(guān)鍵在于控制磨料的硬度、粒徑、形狀等因素,同時使得各成分達(dá)到合適的質(zhì)量濃度,以達(dá)到最好的拋光效果.拋光墊由于在拋光的過程中會不斷消耗,因而其使用壽命成為衡量拋光墊優(yōu)良的重要技術(shù)指標(biāo),越長的壽命越有利于晶圓廠維持生產(chǎn)的穩(wěn)定.此外,缺陷率對于衡量拋光墊的優(yōu)良程度同樣重要,這一指標(biāo)在納米制程的晶圓生產(chǎn)中尤為重要.

全球半導(dǎo)體市場自2016年至2018年經(jīng)歷了復(fù)合增長率18%的飛速增長,達(dá)到4690億美元規(guī)模,雖2019年市場收縮,但預(yù)計未來兩年全球半導(dǎo)體市場將重新迎來飛速增長,有望達(dá)到13%的復(fù)合增長率.半導(dǎo)體材料是半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ),將伴隨半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展持續(xù)增長.2018年半導(dǎo)體材料市場達(dá)到519億美元,占全球半導(dǎo)體整體規(guī)模的11%.預(yù)計到2023年半導(dǎo)體材料市場將突破600億美元,復(fù)合增長率達(dá)4.3%.2016-2021年全球半導(dǎo)體市場規(guī)模及增速趨勢

2013-2023年全球半導(dǎo)體材料市場規(guī)模及預(yù)測

2001年以來亞太地區(qū)（不含日本）半導(dǎo)體市場年復(fù)合增長率達(dá)12.2%,是全球增長最快的地區(qū).到2018年,亞太地區(qū)（不含日本）半導(dǎo)體市場規(guī)模占全球的60%,是排名第二的美國的近三倍,是歐洲地區(qū)的近7倍.2014-2018年中國集成電路產(chǎn)業(yè)銷售額以超過20%的年復(fù)合增長率飛速增長,增速超過全球平均水平,到2018年達(dá)到近6500億元規(guī)模.2018年半導(dǎo)體市場規(guī)模全球占比

2014-2020年全球CMP拋光材料市場以6%的年復(fù)合增長率穩(wěn)定增長,預(yù)計到2020年全球拋光材料市場規(guī)模將達(dá)到32.1億美元.拋光液和拋光墊在CMP材料中價值占比最高,合計約占80%左右.2016-2018年拋光液、拋光墊合計市場規(guī)模復(fù)合增長率7%,至2018年市場規(guī)模達(dá)到20.1億美元,其中拋光液和拋光墊市場規(guī)模分別為12.7億美元和7.4億美元.預(yù)計到2023年全球拋光液和拋光墊市場規(guī)模將達(dá)到28.4億美元,拋光液和拋光墊市場將分別達(dá)到17.9億美元、10.5億美元.2020年全球CMP市場規(guī)模增長

制程的不斷推進(jìn)將推動拋光材料的需求增長.此外NAND存儲芯片同樣正在經(jīng)歷從2D結(jié)構(gòu)到3D結(jié)構(gòu)的技術(shù)革新,3DNAND中拋光步驟達(dá)到16次,是2DNAND的兩倍,對拋光材料的需求同樣將翻倍增長.

專用化、定制化是拋光材料未來發(fā)展方向.化學(xué)機械拋光CMP技術(shù)在多領(lǐng)域均有應(yīng)用,且隨著技術(shù)的進(jìn)步各領(lǐng)域?qū)τ贑MP技術(shù)專用化的要求也將越來越高.比如拋光液在不同的應(yīng)用領(lǐng)域需要不同的特性,分化出銅及銅阻擋層拋光液、鎢拋光液、硅粗拋光液等分類,分別應(yīng)用于邏輯芯片、存儲芯片、硅晶片等不同領(lǐng)域,隨著芯片制程的提高以及技術(shù)的改進(jìn),拋光液專用化程度將逐漸提高.CMP技術(shù)是一個非常復(fù)雜的過程,要達(dá)到最優(yōu)的拋光效果需要綜合考慮多方面的因素.比如拋光墊在缺陷率提高的同時,則會導(dǎo)致平坦度的降低,隨著制程的提高這種矛盾將更加突顯,因而對于先進(jìn)制程工藝,需要定制化地給出滿足要求的拋光墊產(chǎn)品.專用化和定制化將給后起的國產(chǎn)廠商帶來機遇.一方面,國產(chǎn)廠商可以集中有限資源發(fā)力研發(fā)某一特定應(yīng)用領(lǐng)域拋光材料,如專注銅及銅阻擋層拋光液,以此作為突破口打入市場.另一方面,可以憑借本土化優(yōu)勢,與國內(nèi)主流的晶圓制造廠商展開深度合作,研發(fā)定制化的產(chǎn)品,逐步構(gòu)筑壁壘.

二、拋光材料格局

數(shù)據(jù)顯示：美國的CabotMicroelectronics是全球拋光液市場龍頭,2000年市占率高達(dá)80%,不過到2017年CabotMicroelectronics全球市占率降低至36%.其他主要供應(yīng)商包括Hitachi、Fujimi、Versum等,市占率分別為15%、11%、10%.拋光液市場分散程度相對較高,多元化發(fā)展趨勢明顯,國產(chǎn)廠商實現(xiàn)替代機會較大.目前安集微電子已經(jīng)形成替代,全球市占率達(dá)到2%.

陶氏是全球最大的拋光墊供應(yīng)商,市占率高達(dá)79%,幾乎壟斷市場,陶氏在中國拋光墊市場占有率更是高達(dá)85%以上.其他廠商CabotMicroelectronics、ThomasWest、FOJIBO等,全球市占率均不超過5%.而國內(nèi)拋光墊廠商只有鼎龍股份、江豐電子兩家.拋光墊較高的技術(shù)壁壘是陶氏形成強勢壟斷的原因.拋光墊作為CMP拋光工藝中必需耗材之一,對缺陷率和使用壽命有較高的要求,需要廠商有足夠的技術(shù)研發(fā)實力.目前高端的300mm晶圓拋光墊專利掌握在美國應(yīng)用材料公司手中,在中國只有陶氏獲得專利授權(quán).由于拋光墊有較高技術(shù)要求,認(rèn)證周期較長,因而大公司更易形成穩(wěn)定的客戶關(guān)系.全球CMP拋光液市場格局

全球CMP拋光墊市場格局

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