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半導體設備之CMP

2021-09-03 10:23:22 和訊名家 

國產裝備已經在國內CMP市場占據重要份額。

撰文/劉雨辰

出品/每日財報

晶圓制造過程主要包括7個相互獨立的工藝流程:光刻、刻蝕、薄膜生長、擴散、離子注入、化學機械拋光、金屬化。作為晶圓制造的關鍵制程工藝之一,化學機械拋光(CMP)指的是通過化學腐蝕與機械研磨的協同配合作用,實現晶圓表面多余材料的高效去除與全局納米級平坦化。

2018年,全球CMP設備的市場規模18.42億美元,約占晶圓制造設備4%的市場份額,其中中國大陸CMP設備市場規模4.59億美元。

晶圓平坦化的必選項

CMP全稱為Chemical Mechanical Polishing,化學機械拋光,是半導體晶片表面加工的關鍵技術之一。單晶硅片制造過程和前半制程中需要多次用到化學機械拋光技術。與此前普遍使用的機械拋光相比,化學機械拋光能使硅片表面變得更加平坦,并且還具有加工成本低及加工方法簡單的優勢,因而成為目前最為普遍的半導體材料表面平整技術。

由于目前集成電路元件普遍采用多層立體布線,集成電路制造的前道工藝環節需要進行多層循環。在此過程中,需要通過CMP工藝實現晶圓表面的平坦化。集成電路制造是CMP設備應用的最主要的場景,重復使用在薄膜沉積后、光刻環節之前。

CMP設備是晶圓平坦化的必經之路,其工作過程是:拋光頭將晶圓待拋光面壓抵在粗糙的拋光墊上,借助拋光液腐蝕、微粒摩擦、拋光墊摩擦等耦合實現全局平坦化。拋光盤帶動拋光墊旋轉,通過先進的終點檢測系統對不同材質和厚度的磨蹭實現3—10nm分辨率的實時厚度測量防止過拋。更為關鍵的技術在于可全局分區施壓的拋光頭,其在限定的空間內對晶圓全局的多個環狀區域實現超精密可控單向加壓,從而可以響應拋光盤測量的膜厚數據調節壓力控制晶圓拋光形貌,使晶圓拋光后表面達到超高平整度,且表面粗糙度小于0.5nm,這一數據相當于頭發絲的十萬分之一。

與光刻機、刻蝕機等半導體設備不同,CMP設備受到摩爾定律的影響較小,在較長時間內不存在技術迭代周期,應用于28nm和14nm的CMP設備沒有顯著的差異,僅是特定模塊技術的優化。但CMP工藝由14nm持續向7nm、5nm、3nm先進制程推進過程中,CMP技術將不斷趨于拋光頭分區精細化、工藝控制智能化、清洗單元多能量組合化方向發展。

專利是先行者的福音,也是后來人的“詛咒”。2013年之后,CMP專利申請量緩慢增長,而CMP后清洗專利申請量卻處于下滑狀態。全球CMP專利申請量總體保持平穩,反映了當前全球CMP技術未存在重大技術革新,后來者要想追趕必須直面強大的專利壁壘。

巨頭夾縫中的中國企業

2017年,全球CMP設備市場規模17.5億美元,其中應用材料(AMAT)12.4 億美元,日本荏原(EBARA)4.7億美元,由此計算應用材料的份額為71.3%、日本荏原的份額為26.7%,兩者合計占有全球CMP市場的90%以上市場份額。

應用材料(AMAT)是全球最大的半導體設備供應商之一,業務涵蓋半導體設備、太陽能(000591,股吧)、顯示器、自動化軟件、卷對卷真空鍍膜等多個領域。在半導體設備業務版塊,公司制定了PPACt戰略旨在通過并行而非串行的創新來推動芯片的能效、性能、面積、成本和上市時間革新。

公司產品覆蓋沉積、刻蝕、摻雜、CMP 多工藝環節。2020年,應用材料在刻蝕、沉積、CMP、離子注入、工藝控制領域的全球市場份額分別達到了17%、43%、64%、55%和12%。

Ebara成立于1912年,在CMP領域,Ebara是干進/干出(dry-in/dry-out)專利的開拓者,獨立研發的200 mm和300mm CMP拋光設備均具有高可靠性和高生產率。F-REX系列CMP系統可實現10-20nm節點的表面平整度控制,用于IC制造的氧化物、ILD、STI、鎢和銅 表面處理。它們具有出色的可靠性,性能超過250小時MTBF,F-REX200工具代表了適用于200mm晶圓的最新CMP技術(也可用150 mm)。

國內CMP市場的高端部分仍然主要依賴于進口,在14nm以下最先進制程工藝的大生產線上所應用CMP設備僅由美國應用材料和日本荏原兩家國際巨頭提供。應用材料與日本荏原分別已實現5nm制程和部分材質5nm制程的工藝應用;但是在成熟制程領域,以華海清科為代表的國內企業已經打破了國外巨頭常年壟斷的局面,并且已經在國內CMP市場占據了重要份額。

華海清科成立于2013年,是天津市政府與清華 大學踐行“京津冀一體化”國家戰略,為推動我國化學機械拋光(CMP)技術和設備產業化成立的高科技企業。2018年1月,華海清科的Cu&Si CMP設備進入上海華力,標志著國產首臺12英寸銅制程工藝CMP設備正式進入集成電路大產線。2018-2020年,華海清科在國內CMP市場的占有率分別為 1.05%、6.15%、12.64%。

CMP包括三道拋光工序,主要運用到的材料包括拋光墊、拋光液、蠟、陶瓷片等。不同工序根據目的的不同,分別需要不同的拋光壓力、拋光液組分、pH 值、拋光墊材質、結構及硬度等。CMP拋光液和CMP拋光墊是CMP工藝的核心要素,二者的性質影響著表面拋光質量。

目前市場上拋光墊目前主要被陶氏化學公司所壟斷,市場份額達到 90%左右,其他供應商還包括日本東麗、3M、臺灣三方化學、卡博特等公司,合計份額在 10%左右。

主要的拋光液供應商包括日本 Fujimi、日本 HinomotoKenmazai,美國卡博特、杜邦、Rodel、Eka、韓國ACE 等公司,占據全球 90%以上的市場份額,國內這一市場主要依賴進口,國內僅有部分企業可以生產,但也體現了國內逐步的技術突破,以及進口替代市場的巨大。

作為半導體制造過程中關鍵工藝制程設備之一,CMP設備將持續受益下游擴產以及國產替代進程,但也必須要看到其中的困難,不過有一點是可以肯定的,只要企業能夠打破國外壟斷,那么訂單和業績是有保障的。

圖片素材來源于網絡侵刪

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(責任編輯:董云龍 )
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