2022年全球及中国CMP抛光材料（抛光垫、抛光液）需求现状与市场趋势预测分析

化学机械抛光（CMP）是集成电路制造过程中实现晶圆全局均匀平坦化的关键工艺。CMP是在芯片制造制程和工艺演进到一定程度（0.35μm）、摩尔定律因没有合适的抛光工艺无法继续推进之时诞生的一项新技术，直至目前最先进的5-3nm制程仍采用CMP技术。它利用化学腐蚀与机械研磨的共同作用对硅晶片等衬底进行抛光，最终实现晶圆表面的超高平整度，是能兼顾表面全局和局部平坦化的抛光技术，在先进集成电路制造中被广泛应用，从而让摩尔定律得以继续推进。作业过程中，研磨微粒填充在研磨垫的空隙中，抛光头将晶圆待抛光面压抵在粗糙的抛光垫上，抛光盘带动抛光垫旋转，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。

CMP的核心材料主要是抛光液和抛光垫，位于芯片产业链制造的上游环节。CMP抛光材料位于产业链上游，核心材料是抛光垫和抛光液，抛光垫的主要成分是聚氨酯，抛光液由研磨粒子、表面活性剂、稳定剂、氧化剂等构成；产业链中游为晶圆加工及芯片制造，终端应用在计算机、通讯、汽车电子等领域。对晶圆裸片进行初步加工得到晶圆，再将光罩上的电路图刻蚀到晶圆上，工序包括扩散、薄膜生长、光刻、刻蚀、离子注入、抛光等，晶圆加工步骤众多，设备要求极高，国内在高端设备及工艺领域尚未突破，包括光刻、离子注入和抛光（抛光垫）等。

CMP材料产业链

资料来源：公开资料

晶圆厂半导体制造流程及相关半导体设备示意图

资料来源：公开资料

CMP工艺广泛应用在半导体的硅片制造、前道及后道环节中。集成电路制造产业链可分为硅片制造、集成电路设计、集成电路制造、封装测试四大领域，CMP工艺应用于除集成电路设计以外的其他三大领域。在硅片制造领域，CMP工艺用于使抛光片平整洁净；集成电路制造是CMP工艺应用最主要的场景，工艺流程主要包括薄膜淀积、CMP、光刻、刻蚀、离子注入等，由于集成电路元件普遍采用多层立体布线，前道工艺环节需要进行多次循环，对CMP材料耗用量较高；封装测试领域中，硅通孔技术、扇出技术、2.5D转接板、3DIC等技术都将用到大量CMP工艺，这将成为CMP工艺除IC制造领域外一个大的需求增长点。

CMP工艺应用在硅片制造、前道、后道等环节中

资料来源：公开资料

CMP工艺在IC制造过程中多次涉及，抛光材料包括衬底、金属和介质。CMP工艺对高精度、高性能晶圆的制造至关重要，CMP工艺结合了表面化学作用和机械研磨技术，为光刻工序提供良好的先决条件。在IC制造过程中，主要应用于单晶硅片抛光及多层布线金属互连结构工艺中的层间平坦化，具体环节包括：氧化硅薄膜、层间绝缘膜（ILD）、浅沟槽隔离（STI）、多晶硅和金属膜（如Al、Cu）等，被抛光的材料涉及碳化硅衬底、Al/Cu金属互联层、扩散阻挡层、粘附层、层间介质、钝化层、阻挡层等，利用抛光液中的化学试剂氧化这些材料，再机械摩擦去除氧化膜层，通过反复的氧化成膜-机械去除过程，达到有效抛光的目的。

IC制造过程中的CMP工艺应用

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IC制造中被抛光的材料类型

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CMP抛光材料占晶圆制造总成本的7%，抛光垫和抛光液占CMP材料总成本的80%以上。晶圆制造材料的成本拆分中，硅片占比最高，为38%，其次是电子特气和光掩膜板，均占比13%，光刻胶辅助材料和CMP抛光材料占比均为7%；而在CMP材料细分拆分中，根据SEMI，CMP抛光垫、CMP抛光液、CMP清洗液合计占CMP抛光材料成本的85%以上，其他抛光材料还包括抛光头、研磨盘、检测设备等。

晶圆制造材料成分拆分

资料来源：公开资料

CMP材料成本拆分

资料来源：公开资料

近年来全球及我国抛光材料市场规模不断扩大。根据TECHCET，截至2021年，全球CMP材料市场规模达到30亿美元，其中CMP抛光垫市场规模达到11.3亿美元，其中，中国抛光垫市场约13亿元规模。由于晶圆制造行业的快速发展，2017年到2021年，我国抛光垫市场规模复合增速达10.2%。国产CMP材料供应商打入包括12寸晶圆厂在内的新建产线，给行业快速扩张提供了良机。抛光液方面，根据卡博特的数据，中国抛光液市场销售额有望从2016年的10亿元市场规模，到2025年增加至29亿元，年复合增速达到16%，远高于全球平均值6~7%。

全球及我国抛光垫市场规模

资料来源：TECHCET

全球及我国抛光液市场销售额

资料来源：CABOT

半导体先进制程推动CMP种类和用量增长。全球晶圆厂积极扩产，产能持续向中国大陆转移，大陆半导体产业链自主化进程加速推进，推动本土CMP材料市场快速增长。而芯片制造技术的发展，也使得CMP工艺在集成电路生产流程中的应用次数逐步增加，以逻辑芯片为例，250nm制程芯片需经历约8道CMP步骤，5nm制程所需的CMP处理增加为34道；14nm以下逻辑芯片工艺要求的关键CMP工艺均在20步以上，7nm以下逻辑芯片工艺中CMP抛光步骤超过30步。从90nm到14nm，使用的抛光液数量将从五六种增加到二十种以上；7nm及以下逻辑芯片工艺中，抛光液种类接近三十种。根据CABOT，当逻辑芯片制程达到5nm时，约25%-30%生产步骤都要用到抛光液；存储芯片由2DNAND升级到3DNAND后，由于结构更复杂，抛光步骤数近乎翻倍，且约50%生产步骤需要用到抛光液。技术进步叠加芯片制程精细度提高，将为CMP需求打开广阔空间。

CMP抛光步骤随集成电路技术进步而增加

资料来源：集成电路材料研究

CMP抛光步骤随存储芯片技术升级而增加

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抛光垫的表面沟槽形状是抛光垫性能的关键参数之一，聚氨酯是抛光垫中较为常见的成分。在化学机械抛光过程中，抛光垫起着储存和运输抛光液到抛光区域、去除加工残余物质（副产物）、维持抛光环境等功能。抛光垫的性能受其材料特性、表面组织、表面沟槽形状及工作温度等因素的影响，表面沟槽形状会直接影响到抛光区域内抛光液的分布和运动，及抛光区域的温度分布。抛光垫的沟槽必须对抛光液具有良好的保持性，才能保证反应充分发挥作用。随着CMP 过程的进行，抛光垫表面物理及化学性能会发生变化，具体包括表面残留物质、微孔体积缩小和数量减少、表面粗糙度降低及表面分子重组而形成釉化层，这些都会导致抛光效率和抛光质量的降低。因此，抛光垫属于消耗品，改进抛光垫材料、延长抛光垫的使用寿命、减少抛光垫修整加工时的损耗，是当前抛光垫研究的主要内容及方向。抛光垫可根据是否有磨料、材质不同及表面结构不同分类，其中，聚氨酯抛光垫较为常见，它的聚合物对抛光面适应性好、种类多因而加工性好、成本较低，但是聚氨酯垫片硬度高，在抛光过程中容易划伤芯片。

CMP抛光垫分类

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抛光液一般由磨粒、去离子水、各种化学添加剂等组成，需要具备流动性好、无毒和抛光速度快等特点。抛光液性能直接影响被加工工件表面的质量以及抛光加工的效率，在化学机械抛光过程中，抛光液起的作用主要是对工件表面材料进行机械去除、对抛光区域进行润滑以减小摩擦、吸收加工过程所产生的热量、对抛光工件表层材料进行软化和腐蚀，从而辅助机械材料去除过程。抛光液组分一般包括磨料和添加剂：

（1）磨料在晶圆表面通过摩擦提供机械作用：磨料是抛光液最主要的组成部分，在抛光过程中通过微切削、微擦划、滚压等方式作用于材料表面，达到机械去除材料的作用。磨料的硬度、粒径、状及其在抛光液中的质量浓度等决定了磨粒的去除行为和能力。单一磨粒性能存在局限性，厂商会将不同粒径、不同形貌的一种或多种粒子组合使用。

（2）添加剂与晶圆表面反应产生化学作用：添加剂一般有氧化剂、络合剂、表面活性剂以及pH调节剂等。氧化剂生成的氧化膜有利于提高机械抛光的效率，当氧化剂浓度达到一定值时，氧化腐蚀过程与机械研磨过程达到动态平衡，此时去除效率最高。这些添加剂的种类常根据产品应用变动，如金属抛光液中有金属络合剂、腐蚀抑制剂等，非金属抛光液中有各种调节去除速率和选择比的添加剂。

抛光液成分

资料来源：公开资料

常见的抛光液包括二氧化硅、钨、铝和铜抛光液。根据应用领域，抛光液可分为硅抛光液、铜及铜阻挡层抛光液、钨抛光液、钴抛光液、介质层（TDL）抛光液、浅槽隔离层（STI）抛光液和3D封装硅通孔（TSV）抛光液。硅抛光液主要用于对硅晶圆的初步加工；铜及铜阻挡层抛光液用于对铜和铜阻挡层进行抛光，在130nm及以下技术节点逻辑芯片的制造工艺中较常见；钨抛光液主要用于制造存储芯片，在逻辑芯片中只用于部分工艺段；钴抛光液主要用于10nm节点以下芯片。

抛光液种类及应用领域

资料来源：公开资料

清洗液满足IC制造过程中的清洁度要求，可分为碱性CMP清洗液和酸性CMP清洗液两类。抛光垫本质是耗材，必须适时更换，如果长时间不更换，被抛光去除的材料残余物易存留在其中，对工件表面造成划痕，同时，抛光后的抛光垫如果不及时清洗，风干后粘结在抛光垫内的固体会对下一次抛光质量产生影响，清洗液能够去除残留在晶圆表面的微尘颗粒、有机物、无机物、金属离子、氧化物等杂质，对晶圆生产的良率起到了重要的作用。按照产品性质不同，清洗液可分为碱性CMP清洗液和酸性CMP清洗液两类，可用于去除不同类型的杂质。清洗液成分包括表面活性剂、多羟基化合物、过氧化氢溶液、氢氧化铵、含胺化合物、磷酸等。

CMP清洗液分类

资料来源：公开资料