中國半導(dǎo)體材料現(xiàn)狀及格局趨勢分析

中國半導(dǎo)體材料現(xiàn)狀及格局趨勢分析

化學(xué)機(jī)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(kuò)散（ThermalProcess）、光刻（Photolithography）、刻蝕（Etch）、離子注入（IonImplant）、薄膜生長（DielectricDeposition）、化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）、金屬化（Metalization）?；瘜W(xué)機(jī)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(kuò)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(jià)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(jī)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(gè)可旋轉(zhuǎn)的平臺(tái)上，兩者在一定壓力及拋光液的作用下相互運(yùn)動(dòng)，以實(shí)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(jià)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(jī)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(jī)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(chǔ)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(jī)械摩擦。拋光墊具有類似海綿的機(jī)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(shí)，需要定時(shí)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(shí)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(huì)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%的高速增長，達(dá)到4690億美元規(guī)模，雖2019年市場收縮，但預(yù)計(jì)未來兩年全球半導(dǎo)體市場將重新迎來高速增長，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(jì)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%。

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)合增長率高速增長，增速超過全球平均水平，到2018年達(dá)到近6500億元規(guī)模。

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(jì)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(jià)值占比最高，合計(jì)約占80%左右。2016-2018年拋光液、拋光墊合計(jì)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(jì)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。

制程的不斷推進(jìn)將推動(dòng)拋光材料的需求增長。此外NAND存儲(chǔ)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?；瘜W(xué)機(jī)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(chǔ)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(gè)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(shí)，則會(huì)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(jī)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

《2020-2026年中國CMP拋光材料行業(yè)市場競爭狀況及投資機(jī)會(huì)分析報(bào)告》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(shí)現(xiàn)替代機(jī)會(huì)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(qiáng)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(shí)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。