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2020年半导体原材料行业深度剖析(中)

2020-10-23 1888
分类: 电商动态

近年来,我国龙头企业发展迅速,资金投入量大,自主创新能力强,有望跻身高端市场。

化学机械抛光(CMP):平坦化主要工艺

化学机械抛光工艺简介

化学机械抛光技术(CMP)是集成电路制造中获得全局平坦化的一种手段,这种工艺是为了 能够获得既平坦、又无划痕和杂质玷污的表面而专门设计的。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 工艺得以进行。

CMP 的主要工作原理是在一定的压力及抛光液的存在下,被抛光的晶圆对抛光垫做相对 运动,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,使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。

2020年半导体原材料行业深度剖析(中)

CMP 的主要检测参数包括研磨速率、研磨均匀性和缺陷量。研磨速率是指单位时间内圆 片表面材料被研磨的总量。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。圆 片内研磨均匀性是指某个圆片研磨速率的标准方差与研磨速率的比值;圆片间研磨均匀性 用于表示不同圆片在同一条件下研磨速率的一致性。对于 CMP 而言,主要的缺陷包括表 面颗粒、表面刮伤、研磨剂残留等,它将直接影响产品的成品率。

CMP 工艺后的器件材料损耗要小于整个器件厚度的 10%。也就是说不仅要使材料被有效 去除,还要能够精准地控制去除速率和最终效果。随着器件特征尺寸的不断缩小,缺陷对 于工艺控制和最终良率的影响愈发的明显,降低缺陷是 CMP 工艺的核心技术要求。

CMP 技术所采用的设备及消耗品包括:抛光机、抛光液、抛光垫、后 CMP 清洗设备、抛 光终点测及工艺控制设备、废物处理和检测设备等。CMP 设备主要分为两部分,即抛光 部分和清洗部分,抛光部分由 4 部分组成,即 3 个抛光转盘和一个圆片装卸载模块。清洗 部分负责圆片的清洗和甩干,实现圆片的“干进干出”。

抛光垫:CMP 工艺技术核心

抛光垫是输送和容纳抛光液的关键部件,在化学机械抛光的过程中,抛光垫的作用是:

1) 把抛光液有效均匀地输送到抛光垫的不同区域;

2)将抛光后的反应物、碎屑等顺利排出, 达到去除效果;

3)维持抛光垫表面的抛光液薄膜,以便化学反应充分进行;

4)保持抛光 过程的平稳、表面不变形,以便获得较好的晶片表面形貌;

按是否含有磨料抛光垫可分为有磨料抛光垫和无磨料抛光垫;按材质可分为聚氨酯抛光垫、 无纺布抛光垫和复合型抛光垫;按表面结构可分为平面型抛光垫、网格型抛光垫和螺旋线 型抛光垫。此外,抛光垫也可以分为硬质抛光垫和软质抛光垫两种。

一般,硬质的抛光垫 可较好地保证工件表面的平整度和较高的材料去除率,软质的抛光垫可获得加工变质层和 表面粗糙度都很小的抛光表面。其中,硬质抛光垫包含有各种粗布垫、纤维织物垫、聚乙 烯垫等,软质包含有各种绒毛垫、聚氨酯垫和细毛毡垫等。

由于 CMP 基于对抛光表面凸峰材料选择性去除的工作原理,因此较硬的抛光垫更有利于 材料去除,且能获得较高的平面度,但硬度过高则容易引起表面损伤和材料去除不均匀等 问题。而较软的抛光垫虽然可以获得表面粗糙度和加工变质层都很小的光滑表面,但其接 触表面容易发生变形,不具备对凸峰材料的选择性去除,因此抛光效率低且平面度差。

抛光垫的物理特性与 CMP 的效率和质量有着密切关系:

(1)抛光垫硬度很大程度上决定 着其面形精度的保持能力,较硬的抛光垫有利于获得平面度较好的抛光表面,而较软抛光 垫可以保证良好的表面质量和较浅的加工变质层。

(2)抛光垫的弹性模量和剪切模量是影 响加工性能的关键因素。高弹性模量的抛光垫承受接触载荷的能力强,抛光效率高。剪切 模量决定抛光垫抵抗旋转方向向上力的能力,材料去除率与之成反比,而且温度对抛光垫 剪切模量会产生影响,弹性模量和剪切模量保持能力强的抛光垫寿命长、抛光效果好。

(3) 抛光垫与晶圆表面的贴合程度受其压缩性能影响,抛光效率和加工表面的平面度与此有着 密切关系。

为达到高的抛光效率,抛光垫应对工作表面凸起部分进行选择性去除,而且尽可能避免与 表面凹陷部分发生作用。可压缩性好的抛光垫可避免与凹区表面发生接触,更好的对凸峰 材料进行选择性去除,因而抛光效率高。不过抛光垫的可压缩性太大则不利于抛光表面材 料的均匀去除,因而可压缩性应控制在适当范围。

抛光液:CMP 技术中成本最高的部分

抛光液是一种不含任何硫、磷、氯添加剂的水溶性抛光剂,具有良好的去油污,防锈,清 洗和增光性能,并能使金属制品超过原有的光泽。产品性能稳定、无毒,对环境无污染。抛光液的主要产品可以按主要成分的不同分为以下几大类:金刚石抛光液(多晶金刚石抛 光液、单晶金刚石抛光液和纳米金刚石抛光液)、氧化硅抛光液(即 CMP 抛光液)、氧化 铈抛光液、氧化铝抛光液和碳化硅抛光液等几类。

氧化硅抛光液(CMP 抛光液)是以高纯硅粉为原料,经特殊工艺生产的一种高纯度低金 属离子型抛光产品。广泛用于多种材料纳米级的高平坦化抛光,如:硅晶圆片、锗片、化 合物半导体材料砷化镓、磷化铟,精密光学器件、蓝宝石片等的抛光加工。CMP 抛光液 的主要作用是为抛光对象提供研磨及腐蚀溶解。

在化学机械抛光过程中,抛光液与晶片之间发生化学反应,在晶片表面形成一层钝化膜, 然后由抛光液中的磨料利用机械力将反应产物去除,所以抛光液对抛光效率和加工质量有 着重要影响。

CMP 抛光液的主要成分一般包括:去离子水、磨料、pH 值调节剂、氧化剂、抑制剂和表 面活性剂等。

此外,抛光液的流速对抛光效果也有很大的影响。当抛光液的流速过小时,晶片、磨料及 抛光垫三者之间的摩擦力增大,温度升高,导致加工表面粗糙度加大,表面平整度降低;当流速较大时,能够使反应产物及时脱离加工表面,还可以降低加工区域的温度,使得加 工表面温度相对一致,从而获得较好的表面质量。

但抛光液流速过大时,又会破坏加工表 面平整度,降低抛光效率。目前很多公司广泛运用的一种方法是抛光开始阶段采用较小的 流速,随着加工区域温度的升高,流速逐渐提升至平均值,最后阶段采用较大的流速。

技术进步为 CMP 抛光材料带来增长机会

半导体集成电路技术不断进步,必然出现多种新技术和新衬底材料,这些新技术和新衬底 材料对抛光工艺材料提出了许多新的要求。

具体而言,更先进的逻辑芯片工艺会要求抛光新的材料,为 CMP 抛光材料带来了更多的 增长机会,例如 14nm 以下逻辑芯片工艺要求的关键 CMP 工艺将达到 20 步以上,使用 的抛光液将从 90nm 的五六种抛光液增加到二十种以上,种类和用量迅速增长;7nm 及以 下逻辑芯片工艺中 CMP 抛光步骤甚至可能达到 30 步,使用的抛光液种类接近三十种。此 外,存储芯片由 2D NAND 向 3D NAND 技术变革,也会使 CMP 抛光步骤近乎翻倍。即 使是同一技术节点,不同客户的技术水平和工艺特点不同,对抛光材料的需求也不同。

2020年半导体原材料行业深度剖析(中)

CMP 材料国产率低,进口替代空间大

根据 IC Insights 统计数据,2018 年全球 CMP 抛光材料市场规模为 20.1 亿美元,其中抛光 液和抛光垫市场规模分别为 12.7 亿美元和 7.4 亿美元,中国抛光液市场规模约 16 亿人民 币,预计 2017-2020 年全球 CMP 抛光材料市场规模年复合增长率为 6%。

2020年半导体原材料行业深度剖析(中)

抛光垫一家独大,抛光液美日垄断

根据立鼎产业研究中心数据,CMP 抛光垫市场主要供应商为美国陶氏化学,市场份额高 达 79%,陶氏的 20 英寸抛光垫占据了 85%的市场份额,30 英寸的市占率则更高。排名 第二的是美国 Cabot 公司,所占市场份额为 5%,其次是 ThomasWest、FOJIBO、JSR, 所占市场份额分别为 4%、2%、1%。国内企业在该领域基本没有话语权。如同其他的半 导体核心原材料,CMP 抛光垫具有技术门槛高、客户认证周期长、供应链上下游利益联 系紧密、行业集中度高、产品更新换代快的特征。这就大大加大了该行业的进入门槛和产 品附加值。

在电子与成像业务(Electronics&Imaging)中,陶氏化学提供广泛的半导体和高级封装材料 组合,包括化学机械平面化(CMP)垫和浆、光刻用光阻剂和高级涂层、用于后端高级芯 片封装的金属化解决方案以及用于发光二极管(LED)封装和半导体 AP 的硅酮。2018 年,电子与成像业务收入 26.15 亿美元,占总营收的 4.71%。

抛光液方面,长期以来,全球化学机械抛光液市场主要被美国和日本企业所垄断,包括美 国的 CabotMicroelectronics、Versum 和日本的 Fujimi 等。根据公司年报,美国的 Cabot 全球抛光液市场占有率最高,但已从 2000 年约 80%下降至 2017 年约 35%,这表明全球 抛光液市场朝向多元化发展,地区本土化自给率提升。

Cabot 是全球领先的化学机械抛光液供应商和第二大化学机械抛光垫供应商。2018 年度, Cabot 销售总收入 5.9 亿美元,其中,钨抛光液、电介质抛光其他金属抛光液销售收入 4.61 亿美元,总占比 78.28%,分别占比 42.88%、23.65%、11.75%。与 2017 相比,钨抛光 液、电介质抛光液、抛光垫、其他金属抛光液的收入分别增长了 14.3%、16.1%、21%、 10.3%。Cabot 的客户主要来自于亚洲,亚洲的营业收入份额占到了全部市场的 79.85%, 其次是美国和欧洲,分别占到了总营业收入的 13.39%、6.76%。

根据安集微电子招股说明书,国内市场芯片用抛光液主要由 Cabot、陶氏化学、Fujim 和 安集微电子等主导。2017 年,国外厂商的销量市场总占有率超过 65.7%,呈现寡头垄断 的格局。2017 年,中国 CMP 抛光液产量达到了 538 万升,预计 2025 年将达到 4100 万 升,2017 年产值为 1.37 亿元,预计 2025 年达到 10 亿元,2018-2025 年复合增长率为 21.9%。

与国外巨头相比,我国抛光液市场国产化程度较低且产品主要用于中低端领域,在该领域 重要地位的厂商还有上海新安纳电子科技有限公司、湖北海力天恒纳米科技有限公司、湖 南皓志科技股份有限公司等。

光掩膜:半导体制造的重要环节

光掩膜一般也称光罩、掩膜版,是微电子制造中光刻工艺所使用的图形母版,由不透明的 遮光薄膜在透明基板上形成掩膜图形,并通过曝光将图形转印到产品基板上。光掩膜主要 由两部分组成:基板和不透光材料。作为半导体、液晶显示器制造过程中转移电路图形“底 片”的高精密工具,光掩膜是半导体制程中非常关键的一环。

光掩膜上游主要包括图形设计、光掩膜设备及材料行业,下游主要包括 IC 制造、IC 封装、 平面显示和印制线路板等行业,应用于主流消费电子、笔记本电脑、车载电子、网络通信、 家用电器、LED 照明、物联网、医疗电子等终端产品。

光掩膜产业位于电子信息产业的上游,其主导产品光掩膜是下游电子元器件制造商(生产 制造过程中的核心模具,起到桥梁和纽带的作用,电子元器件制造商的产品则广泛应用于 消费电子、家电、汽车等电子产品领域。

寡头垄断严重,国内企业仅能满足中低档需求

根据清溢光电招股说明书数据,半导体光掩膜市场集中度高,寡头垄断严重,Photronics、 大日本印刷株式会社 DNP 和日本凸版印刷株式会社 Toppan 三家占据 80%以上的市场份 额。我国的光掩膜版行业仅能够满足国内中低档产品市场的需求,高档光掩膜版则由国外 公司直接提供。近年来,我国光掩膜市场规模保持稳步增长,2015 年我国光掩膜版需求 市场规模为 56.7 亿元,2016 年国内需求市场规模增长至 59.5 亿元,规模较上年同期增 长 4.9%。

根据清溢光电招股说明书数据,从需求上看,我国掩膜版需求增长稳定,2011 年掩膜版 需求量为 5.09 万平方米,2016 年,我国光掩膜版需求量达 7.98 万平方米,年复合增长 率达到 9.41%。从供给上看,2011 年我国光掩膜版生产规模为 0.87 万平方米,2016 年 生产规模增长至 1.69 万平方米,复合增长率达到 14.20%。

湿电子化学品:细分产品繁多,应用领域广泛

湿电子化学品,又称工艺化学品或超净高纯试剂。其种类繁多,应用广泛,是微电子、光 电子湿法工艺制程中使用的各种电子化工材料。作为电子技术与化工材料相结合的创新产 物,具有技术门槛高、资金投入大、产品更新换代快等特点。超净高纯试剂一般要求尘埃 颗粒粒径控制在 0.5µm 以下,杂质含量低于 ppm 级( 10-6 为 ppm,10-9 为 ppb,是 10-12 为 ppt)的化学试剂,是化学试剂中对颗粒粒径控制、杂质含量要求最高的试剂。目前广 泛运用于半导体、太阳能硅片、LED 和平板显示等电子元器件的清洗和蚀刻等工艺环节。

湿化学品的制备必须严格遵守国际半导体材料和设备组织(SEMI)的标准,SEMI 根据应 用领域的不同制定了相应的超纯实际的要求等级,其中包含了对金属杂志、颗粒大小、颗 粒个数、适应 IC 线宽范围等指标做出了规定。G1 等级属于低端产品,G2 属于中低端, G3 属于中高端产品,G4 和 G5 则属于高端产品。

主要应用于半导体、平板显示、太阳能电池等领域

湿电子化学品按用途主要分为通用化学品和功能性化学品。其中通用化学品是指单一的高 纯试剂,在集成电路、液晶显示器、太阳能电池、LED 制造工艺中被大量使用,主要包含 是各种酸碱和溶剂。其中酸类有:过氧化氢、氢氟酸、硫酸、磷酸、盐酸、硝酸、乙酸(醋 酸)、乙二酸(草酸)等;碱类包含:氢氧化铵、氢氧化钾、氢氧化纳、氟化铵等;溶剂 类包含:甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮、丁酮、甲基异丁基酮、乙酸乙酯、乙酸丁酯、乙酸 异戊酯、甲苯、二甲苯、环己烷、三氯乙烷、三氯乙烯等。功能性化学品指通过复配手段 达到特殊功能、满足制造中特殊工艺需求的配方类或复配类化学品,主要包括显影液、剥 离液、清洗液、刻蚀液等。

2020年半导体原材料行业深度剖析(中)

按应用领域划分的湿电子化学品主要集中在半导体、平板显示、太阳能电池等多个领域。 即按下游产品应用的工艺环节分,主要包含平板显示制造工艺的应用、半导体制造工艺的 应用及太阳能电池板制造工艺的应用。其中平板显示制造领域对湿电子化学品的需求量最 高,半导体制造工艺用湿电子化学品是技术要求最高,主要集中 SEMI3、G4 的标准。国 内目前有少数企业产品技术可达到 G2 的等级,部分公司完成 G3 等级产品的送样。

半导体用湿化学品工艺技术要求最高

根据下游行业的技术要求,半导体制造工艺用湿电子化学品的要求最高,一般在 G3 级以 上。半导体工业线宽的要求逐渐提升也促使相应配套的湿电子化学品纯度要求的逐渐提高, 因此满足纳米级集成电路加工需求是超净高纯试剂未来发展方向之一。半导体产业分为集 成电路和分立器件两大分支,根据工艺流程主要分为芯片设计、前段晶圆制作和后段封装 测试。前段晶圆制作是整个半导体制造的核心工艺,而其中光刻和蚀刻技术是晶圆制作的 关键技术,其所需的湿电子化学品的技术要求非常之高通常达到 G3,G4 级以上。

2020年半导体原材料行业深度剖析(中)

在整个晶圆制造的过程中,湿电子化学品自始至终需要参与晶圆制造中出现的清洗、光刻、 蚀刻等工艺流程。在半导体集成电路的制造流程中,湿电子化学品主要参与半导体集成电 路前段的晶圆制造环节,也是技术要求的最高环节。并且随着集成电路的集成度不断提高, 要求线宽不断变小,薄膜不断变薄,对湿电子化学品的技术水平要求也更高。同时,为了 能够满足芯片尺吋更小、功能更强大、能耗更低的技术性能求,高端封装领域所需的湿 电子化学品技术要求也越来越高。

半导体集成电路制造工艺用超净高纯试剂是湿电子化学品下游行业技术的要求的最高水 平。其次是平板显示领域。在半导体生产过程中,大规模集成电路工艺有几十道工序,工 艺制造过程中的空气、水、各种气体、化学试剂、工作环境、电磁环境噪声以及微振动、 操作人员、使用的工具、器具等各种因素都可能带来污染物,这些污染物可能会是微粒杂 质、无机离子、有机物质、微生物以及气体杂质等物质。而这些污染物都需要相关的超净 高纯试剂去除。当污染物数量超过一定限度时,就会使集成电路产品发生表面擦伤、图形 断线、短路、针孔、剥离等现象。这会导致漏电、电特性异常等情况,轻者影响电路使用 寿命,严重时可导致电路报废。

国外湿电子化学品发展现状:欧美日占据主要市场份额

在全球范围内,欧、美、日是湿电子化学品的主要供应商。根据智研咨询数据,欧美传统 湿电子化学品企业占据约 33%的市场份额,代表企业有德国巴斯夫公司、美国亚什兰集团、 德国 e.merck 公司、美国霍尼韦尔公司等。这些老牌化工企业拥有极强的技术优势,产品 等级可达到 SEMI G4 及以上级别,与半导体制造业发展几乎保持同一步调;第二板块是 由日本的十家左右的湿电子化学品企业占据全球市场份额的约 27%,日本化工业的发展虽 然晚于欧美的老牌企业,但发展速度快,目前工艺技术水平基本与欧美企业持平。

目前,湿电子化学品行业及高端市场主要由欧美和日本企业占主导;第三板块是由韩国和 大中华地区的湿电子化学品市场所占领,约占市场份额的 38%。韩国和台湾地区的湿电子 化学品生产技术和工艺水平较高,在高端市场领域可与欧美和日本生产技术相竞争。中国 大陆的湿电子化学品企业与世界整体水平目前还有一定的差距。

2020年半导体原材料行业深度剖析(中)

根据智研咨询数据,国际上的大型湿电子化学品厂商主要有德国的 E.Merck 公司、美国 的 Ashland 公司、Sigma-Aldrich 公司、Mallinckradt Baker 公司、日本的 Wako、 Summitomo 等,2018 年这几家产能占全球的 80%。通过研究发达国家化学试剂行业的 经营模式,例如美国、德国、日本、瑞士等国家。化学试剂行业的发展要经历三个阶段。

第一个阶段,企业需要通过自主经营实现产品的自产自销;

第二个阶段,向配套设备、试 剂、服务方向发展,实现全产品线供应;

第三个阶段,国际化学试剂大型企业的研发能力、 营销网络及资金实力在竞争中优势明显,行业呈现结盟合作、重组兼并的格局,市场集中 度迅速提升。

国内湿电子化学品市场增长迅速,未来空间广阔

在国内市场上,外资依旧占有较大份额,湿电子化学品主要被欧美、日韩企业、台湾的企 业所占据。近几年中国大陆、中国台湾和韩国在湿电子化学品生产能力和工艺水平发展迅 猛,有与欧美和日本同类企业相竞争的趋势,此外在市场上占有的份额也逐渐变大。

中国大陆在湿电子化学品的发展方面,尤其是高端市场的发展潜力最大。最近几年中国大陆企 业开始发力,体现在向高端 IC 应用的逐渐迈进。目前中国大陆的湿化学品厂商如苏州晶 瑞生产的双氧水、氨水、硝酸已达到 SEMI G5 的标准;上海新阳生产的电镀硫酸铜溶液 已经能在 8~12 英寸的产线中应用;凯圣氟已经可以提供 12 寸产线的氢氟酸;格林达化 学生产的正胶显影液不仅填补了国内空白,还大量出口海外。

根据瞻产业研究院数据,我国湿电子化学品市场规模十年期间由 2009 的 15.02 亿元到 2018 年的 79.62 亿元,年复合增长率为 20.36%。2018 年,国内湿电子化学品需求量约 90.51 万吨。到 2020 年,我国湿电子化学品市场规模有望超过 105.00 亿元,需求量将达 到 147.04 万吨,复合增长率有望达到 27.46%。三大行业的需求量都会不同程度增加,面 板行业需求量约 69.10 万吨,半导体领域需求量为 43.53 万吨,太阳能市场需求约 34.41 万吨。

目前国内湿电子化学品主要通过进口为主,中国在湿电子化学品行业的研究基础和生产工 艺相比较发达国家来说有一定程度的落后,长时间无法实现高端产品的生产技术,国内 80% 的产品都以高价进口为主,国内 8 英寸及以上集成电路、6 代线以上平板显示用超净高纯 试剂,主要依赖国外进口。

2020年半导体原材料行业深度剖析(中)

进入 21 世纪,国内面板厂商快速扩大生产,因此对上游的湿电子化学品需求逐渐增大, 扩大了湿电子化学品的生产,其中液晶面板对湿化学品的需求最大。未来太阳能电池行业 的产量将会预期增加,对湿电子化学品的需求也会持续增加。

与进口国外产品相比,我国 湿电子化学品具有明显的价格优势,并且减少了运输成本,可以解决及时供货的需求。国 内的部分企业通过多年的积累在产品的研发上取得了突破性的进步。逐渐打破了国外技术 垄断的局面缩小了与外国企业的差距,未来进口替代具有广阔发展空间。

近年来,我国龙头企业发展迅速,资金投入量大,自主创新能力强,有望跻身高端市场。

 

文章来源: 行业研究报告;

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