2022年CMP设备行业简要概况及市场份额分析.docx

2022年CMP设备行业简要概况及市场份额分析1.CMP设备简要概况CMP设备工艺复杂、研制难度大，为集成电路工艺流程中使用的主要设备之一。芯片制造主要包括光刻、CMP、刻蚀、薄膜和掺杂等关键工艺技术，其中CMP是在芯片制造制程和工艺演进到一定程度、摩尔定律因没有合适的抛光工艺无法继续推进之时才诞生的一项新技术。CMP设备主要用于单晶硅片制造和芯片制造前道工艺，依托CMP技术的化学-机械动态耦合作用原理，通过化学腐蚀与机械研磨的协同配合作用，实现晶圆表面多余材料的高效去除与全局纳米级平坦化——全局平整落差5nm以内的超高平整度，CMP设备集摩擦学、表/界面力学、分子动力学、精密制造、化学/化工、智能控制等多领城最先进技术于一体，工艺复杂。CMP设备结合机械抛光和化学抛光长处，在超大规模集成电路中有广泛应用。CMP的主要检测参数包括研磨速率、研磨均匀性和缺陷量。研磨均匀性又分为圆片内研磨均匀性和圆片间研磨均匀性。对于CMP而言，主要的缺陷包括直接影响产品的成品率的表面颗粒、表面刮伤、研磨剂残留等。传统的机械抛光和化学抛光去除速率均低至无法满足先进芯片量产需求，CMP技术利用了磨损中的“软磨硬”原理，综合两者优势，避免了由单纯机械抛光造成的表面损伤，即用较软的材料来进行抛光以实现高质量的表面抛光，将化学腐蚀和机械研磨作用达到一种平衡，最终实现晶圆表面的超高平整度。未经加工的原料晶圆裸片的表面凹凸不平，无法直接在上面印制电路图形。因此，需要先通过研磨和化学刻蚀工艺去除表面瑕疵，然后通过抛光形成光洁的表面，再通过清洗去除残留污染物，即可获得表面整洁的成品晶圆。因而，CMP技术为后续重复进行光刻、刻蚀、薄膜和掺杂等关键工艺提供了重要的基础。CMP设备功能的实现需要抛光、清洗、传送三大模块组合作业。10nm的全局平整度要求，相当于44万平方米面积中任意两点的高低差不超过0.03毫米、表面粗糙度小于0.5nm，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。抛光头用于全局分区施压，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的控制。制程线宽不断缩减、抛光液配方愈加复杂均加大了清洗的难度，对清洗后的颗粒物数量要求也指数级降低，需要CMP设备中清洗单元在满足清洁效果的同时保证晶圆表面极限化微缩的特征结构不被破坏。研磨材料更加丰富，CMP设备升级需求增加。90～65nm节点，随着铜互连技术和绝缘材料低k介质的广泛采用，CMP的研磨对象主要是铜互连层、绝缘膜和浅沟槽隔离。28nm后，逻辑器件的晶体管中引入高k金属栅结构（HKMG），从而推动了虚拟栅开口CMP工艺和替代金属栅CMP工艺两种关键平坦化工艺的发展。在22nm开始出现的FinFET晶体管增加了虚拟栅平坦化工艺，也是实现后续3D结构刻蚀的关键技术。先进的制程节点发展至7nm以下时，芯片制造过程中CMP的应用在最初的氧化硅CMP和钨CMP基础上新增了包含氮化硅CMP、鳍式多晶硅CMP、钨金属栅极CMP等先进CMP技术，所需的抛光步骤也增加至30余步，大幅增加了集成电路制造过程中对CMP设备的采购和升级需求。抛光、清洗模块有定期维护更换需求，带动CMP设备厂商技术服务收入不断提升。CMP设备属于集成电路设备中使用耗材较多、核心部件有定期维保更新需求的制造设备之一。CMP利用机械力作用于圆片表面，由研磨液中的化学物质与圆片表面材料发生化学反应来增加其研磨速率，首先让研磨液填充在研磨垫的空隙中，圆片在研磨头带动下高速旋转，与研磨垫和研磨液中的研磨颗粒发生作用，此时需要控制研磨头下压力等其他参数。CMP工艺中最重要的两大组成部分是研磨液和研磨垫。晶圆厂需要更换设备外部的抛光液、抛光垫等，同时需要对设备内部长时间运行磨损的抛光头、清洗等单元进行定期维保更新，且设备配套服务需求会随着厂商销售设备数量的增加而快速增长。因此CMP设备厂商在设备出货后，将向客户提供专用耗材销售和关键耗材维保等技术服务，随之实现有长期稳定和高盈利能力的服务收入。2.CMP设备市场份额分析中国大陆CMP设备市场规模第一，海外龙头仍占据大份额。2018年全球CMP设备市场规模约18.4亿美元2013-2018年CAGR20.1%。2019年受全球半导体景气度下滑影响，全球CMP设备市场规模略有下滑，2020年市场规模迅速回升至15.8亿美元，同比增长5.8%。其中中国大陆市场规模已跃升至全球第一，达到4.3亿美元，市场份额27%。从市场格局来看，应材、日