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半导体行业专题报告：先进工艺带来CMP抛光材料新增长空间.docx

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半导体行业专题报告：先进工艺带

来 CMP 抛光材料新增长空间

1.CMP 抛光：集成电路制造过程中的关键工艺

1.1.CMP 技术是集成电路生产制造的核心工艺之一

（1）CMP 技术随着芯片制程技术不断进步，经历过铝、铜、低 K 介

质、钴等多种材料技术进步。CMP（Chemical Mechanical Polishing）

化学机械抛光概念从 1965 年由 Walsh 等人提出，发展至今已经成为

IC 制造工艺中不可或缺的环节之一。在 CMP 抛光技术的发展历程上

有几个关键节点，从 0.35μm~0.25μm 技术节点开始 CMP 技术成为

唯一可实现全局平坦化的 IC 关键技术。0.18～0.13μm 技术节点，由

于铜正式取代铝成为主流导线材料，使 CMP 成为铜互连技术必不可

少的工艺制程。当技术节点发展到 65nm 时，用于减小 RC 延迟时间

而引入的低 K 介质材料，逐步取代传统的 SiO2，传统的 CMP 技术

由于较高的压力容易导致低 K 材料的塌陷或剥落，致使传统的 CMP

很难应用于 65nm 节点以下，开发低压力、低 K 介质材料适用的

CMP 设备成为新的发展方向。当技术节点发展到 30～20nm 时，Cu

互连不在适用于 20nm 以下的互连技术，迫使人们开始研发新的互连

材料及互连技术，应用于钴互连技术的 CMP 技术成为又一发展方向。

当集成电路节点发展到 14nm 时， CMP 发展成为实现新的工艺技术

如鳍式场效应晶体管（FinFET）、硅通孔技术（TSV）的关键技术。

（2）CMP 是集成电路制造过程中实现晶圆表面平坦化的关键工艺。单

晶硅片制造过程和前半制程中，需要多次用到化学机械抛光技术。CMP

工艺通过化学腐蚀和机械研磨的协同配合，来实现晶圆表面微米/纳米

级不同材料的高效去除，从而达到晶圆或表面纳米级平坦化，与此前

普遍使用的机械抛光相比，化学机械抛光能使硅片表面变得更加平坦，

解决晶圆表面起伏不平导致的光刻无法准确对焦、电子迁移短路、线

宽控制失效等问题，并且还具有加工成本低及加工方法简单的优势。

硅片在经过刻蚀、离子注入等工艺后，其表面会变得凹凸不平，会影

响下一道工序的进行，在光刻工艺中，如果曝光面不平坦，就无法发

挥其分辨率的特长，曝光设备的分辨率越高，焦深（DOF）就越低，重

复的使用在薄膜沉积后、光刻环节之前。随着 IC 设计中越来越频繁

的使用多层金属技术，并要求更小的器件和内连线尺寸，先进 IC 的

表面出现更高的台阶和深宽更大的沟槽，使得台阶覆盖和沟槽填充变

得更加困难。表面起伏的主要负面影响是在光刻是对线宽失去了控制，

由它们引起的光刻胶厚度不均匀是限制亚 0.25um 光刻的主要因素，

因此晶圆表面的平坦化在 IC 制造工艺中显得尤为重要。

（3）CMP 工作原理是在一定压力下及抛光液的存在下，被抛光的晶圆

对抛光垫做相对运动从而实现平坦化处理。借助纳米磨料的机械研磨

作用与各类化学试剂的化学作用之间的高度有机结合，满足被抛光的

晶圆表面达到高度平坦化、低表面粗糙度和低缺陷的要求。根据不同

工艺制程和技术节点的要求，每一片晶圆在生产过程中都会经历几道甚

至几十道的 CMP 抛光工艺步骤。与传统的纯机械或纯化学的抛光方法

不同，CMP 工艺是通过表面化学作用和机械研磨的技术结合来实现晶

圆表面微米/纳米级不同材料的去除，从而达到晶圆表面的高度（纳米

级）平坦化效应，使下一步的光刻工艺得以顺利进行。化学作用是指抛

光液中的化学品和硅片表面发生化学反应，生成比较容易去除的物质，

物理过程是指抛光液中的磨粒和硅片表面材料发生机械物理摩擦，去

除化学反应生成的物质。

1.2.CMP 工艺覆盖硅片制造、晶圆制造以及封装测试环节

在集成电路制造流程中往往需要循环多次使用 CMP 工艺，涉及硅片制

造、前道及后道环节。集成电路按制造工艺及应用领域主要分为逻辑

芯片、3D NAND 闪存芯片、DRAM 内存芯片，上述三种芯片虽然在

结构及制造工艺上有明显的区别，但无论哪种芯片的制造，都要求每

层制造表面必须保持纳米级全局平坦化，以使下一层微电路结构的加工

制造成为可能，因此在集成电路制造流程中往往需要循环重复多次使

用 CMP 工艺。硅片制造：在硅片制造领域，在完成拉晶、磨外圆、

加工切片成型环节后，通过抛光环节后清洗得到平整洁净的单晶硅片。

晶圆制造领域：通过离子注入、薄膜沉积、光刻、刻蚀、抛光等工艺环

节，为保证每层制造表面纳米级全局平坦化，往往需要循环重复多次

使用 CMP 工艺。封装测试领域：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，

未来给 CMP 材料带来了新的增量空间。

2.全球 CMP 材料快速增长，中国占比逐年提升

2.1.全球半导体材料市场规模创新高，中国大陆市场份额迅速攀升

（1）全球半导体材料市场快速发展，2022 年已突破 700 亿美元关口，

中长期或将继续保持 6%左右复合增速。据 SEMI 数据，2022 年全

球半导体材料市场销售额增长 8.9%，达到 727 亿美元，超过了 2021

年创下的 668 亿美元的前一市场高点。2022 年晶圆制造材料和封装

材料的销售额分别达到 447 亿美元和 280 亿美元，分别增长 10.5%

和 6.3%，占比分别为 61.5%、38.5%。半导体材料中硅片、电子气

体和光掩模领域在晶圆制造材料市场表现出最强劲的增长。

（2）中国大陆半导体材料市场占全球市场规模的比重逐年提升，2022

年中国占比 17.84% 份额，并且呈现继续上升趋势。2022 年中国大陆

半导体材料的市场规模达到 129.70 亿美元，同比增长 7.3%。从

2006 年到 2022 年，中国大陆半导体材料市场规模占全球市场规模的

比重逐年提升，从 6.38%上升到 17.84%。从地区分布来看，中国台湾

凭借其晶圆代工产能和先进封装的基础，以 201 亿美元的销售额连续

第 13 年成为世界上最大的半导体材料消费地区，增长率 13.6%；中

国大陆半导体材料市场销售额 129.70 亿美元，增长率 7.3%，超越韩

国位列第二。

（3）CMP 抛光材料成本在晶圆制造材料成本中占比约为 7%。晶圆制

造材料主要包括硅片、特种气体、掩膜版、光刻胶、光刻胶配套材料、

（通用）湿电子化学品、靶材、CMP 抛光材料等，封装材料主要有封

装基板、引线框架、键合丝、包封材料、陶瓷基板、芯片粘接材料等。

根据华经产业研究院的数据，2019 年抛光材料占据晶圆制造材料的约

7%份额，测算占据整个半导体材料的比例约为 3.69%。

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