化學機械拋光(CMP)技術、設備及投資概況

　　作者/李丹 賽迪顧問 集成電路產業研究中心高級分析師 （北京 100048）

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201905/401015.htm

　　摘要：分析了CMP設備技術、設備供應商及投資要點。

　　關鍵詞：CMP；設備；投資

      1 CMP設備技術概況

      1.1 CMP工藝技術發展進程

      化學機械拋光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)技術的概念是1965年由Monsanto首次提出，該技術最初是用於獲取高質量的玻璃表面，如軍用望遠鏡等。CMP工藝由 IBM 於1984年引入集成電路製造工業，它首先用於後道工藝金屬間絕緣介質（IMD）層的平坦化，之後用於金屬鎢(W）的平坦化，隨後又用於淺溝槽隔離（ST）和銅(Cu)的平坦化。整個CMP工藝只要短短的30秒就能完成，包括退出CMP系統前的研磨後清潔（對晶圓進行洗滌、衝洗和乾燥）。所有這些工序整合到一起，可實現極佳的平坦度。

　　CMP在二十世紀90年代中期真正開始起飛，當時半導體業希望用導電速度更快的銅電路取代鋁電路，來提高晶片的性能。鋁互連線的製作是先沉積一層金屬層，然後再用反應性氣體把不要的部分腐蝕掉，銅金屬層無法使用這種方法輕易去除，因此開發出了銅CMP 技術。今天生產的每一塊微處理器都使用銅連線，而CMP設備更是任何晶片製造商不可或缺的必備工具。CMP工藝在晶片製造中的應用包括淺溝槽隔離平坦化（STI CMP）、多晶矽平坦化（Poly CMP）、層間介質平坦化（ILD CMP）、金屬間介平坦化（IMD CMP）、銅互連平坦化（Cu CMP）。

　　1.2 CMP拋光工藝技術原理

      CMP從概念上很簡單，但納米級CMP其實是一項很複雜的工藝。在晶圓表面堆疊的不同薄膜各自具有不同的硬度，需以不同的速率進行研磨。這可能會導致「凹陷」現象，也就是較軟的部分會凹到較硬材料的平面之下。區別於傳統的純機械或純化學的拋光方法，CMP通過化學的和機械的綜合作用，最大程度減少較硬材料與較軟材料在材料去除速率上的差異，也有效避免了由單純機械拋光造成的表面損傷和由單純化學拋光易造成的拋光速度慢、表面平整度和拋光一致性差等缺點。

　　CMP工藝平坦化原理是，利用機械力作用於圓片表面，同時由研磨液中的化學物質與圓片表面材料發生化學反應來增加其研磨速率（如圖1）。CMP技術所採用的設備及消耗品包括：拋光機、拋光漿料、拋光墊、後CMP清洗設備、拋光終點檢測及工藝控制設備、廢物處理和檢測設備等。CMP技術難點是幹和溼混合、要在化學和機械之間找好平衡。

　　CMP工藝中最重要的兩大組成部分是研磨液和研磨墊，拋光液和拋光墊均為消耗品，拋光墊的使用壽命通常為45~75小時。拋光液分為酸性拋光液和鹼性拋光液，是均勻分散膠粒的乳白色膠體，主要起到拋光、潤滑、冷卻的作用。以鹼性SiO 2 拋光液為例，其成分主要包含研磨劑(SiO 2 膠粒)、鹼、去離子水、表面活性劑、氧化劑、穩定劑等。拋光墊是一種具有一定彈性疏鬆多孔的材料，一般是聚亞氨酯類，主要作用是存儲和傳輸拋光液，對矽片提供一定的壓力並對其表面進行機械摩擦。

　　在CMP工藝中，首先讓研磨液填充在研磨墊的空隙中，圓片在研磨頭帶動下高速旋轉，與研磨墊和研磨液中的研磨顆粒發生作用，同時需要控制研磨頭下壓力等其他參數。CMP 設備主要分為兩部分，即拋光部分和清洗部分，拋光部分由4部分組成，即3個拋光轉盤和一個圓片裝卸載模塊。清洗部分負責圓片的清洗和甩幹，實現圓片的「幹進幹出」（如圖2）。

　　1.3 CMP拋光工藝技術指標

      CMP的主要檢測參數包括研磨速率、研磨均勻性和缺陷量（如表1）。研磨速率是指單位時間內圓片表面材料被研磨的總量。研磨均勻性又分為圓片內研磨均勻性和圓片間研磨均勻性。圓片內研磨均勻性是指某個圓片研磨速率的標準方差與研磨速率的比值；圓片間研磨均勻性用於表示不同圓片在同一條件下研磨速率的一致性。對於CMP而言，主要的缺陷包括表面顆粒、表面刮傷、研磨劑殘留等，它將直接影響產品的成品率。半導體業界對於CMP工藝也有相應的「潛規則」，即CMP工藝後的器件材料損耗要小於整個器件厚度的10%。也就是說不僅要使材料被有效去除，還要能夠精準地控制去除速率和最終效果。隨著器件特徵尺寸的不斷縮小，缺陷對於工藝控制和最終良率的影響愈發的明顯，降低缺陷是CMP工藝的核心技術要求。

　　1.4 CMP拋光設備市場價格

      CMP是一種集機械學、流體力學、材料化學、精細加工、控制軟體等多領城最先進技術於一體的設備，是各種集成電路生產設備中較為複雜和研製難度較大的設備之一。隨著圓片直徑的增大和工藝複雜性的不斷提高，CMP的設備價格也在逐漸增長。一般來說，用於200 mm圓片的CMP設備價格約為300 萬美元，用於300 mm圓片的CMP設備價格約為400 萬美元。

　　2 CMP設備供應商概況

      目前，美國和日本在CMP設備製造領域處於領先地位，主要的生產商有美國的應用材料(AppliedMaterials，AMAT)公司和日本的荏原機械(Ebara)公司。國內CMP設備的主要研發單位有天津華海清科和中國電子科技集團公司第四十五研究所，其中華海清科的拋光機已在中芯國際生產線上試用，2018年1月，華海清科的Cu &Si CMP設備進入上海華力。

　　2.1 美國應用材料

      CMP設備依然是美國應用材料一家獨大，擁有全球71%的市場份額。美國應用材料2003年停止8英寸設備的生產，主攻12 英寸CMP設備，應用材料公司的 Mirra CMP 為矽、淺溝槽隔離 (STI)、氧化物、多晶矽、金屬鎢和銅鑲嵌應用提供了經生產驗證的高性能150 mm 和 200 mm 平坦化解決方案。它的高速平坦化轉盤和多區研磨頭具有低下壓力，可實現極佳的均勻度和效率。集成的 CMP（化學機械平坦化）後Mesa 清洗器（同樣適用於 150 mm 和 200 mm 應用）能有效去除漿料、防止殘渣形成，最大限度減少微粒和水痕。對於銅鑲嵌應用，也可以選擇 200 mmDesica 清潔和衝洗技術，利用 Marangoni 蒸氣乾燥器，可實現快速、有效的無水印乾燥。應用材料公司的 Mirra CMP 系統採用全套端點方法，提供同線度量和先進的工藝控制能力，確保出色的晶圓內和晶圓間工藝控制和可重複性，適合所有平坦化應用。先進的拋光技術（如應用材料公司的 Titan Profiler(150 mm)和Titan Contour (200 mm) 拋光頭產品）和多轉盤配置，通過調整跨晶圓表面和距晶圓邊緣3 mm內的去除率，可滿足關鍵均勻性指標。這些先進的功能和其他已發布的升級，為實現更高的產能和良率提供了更多加工能力保障。

　　2.2 日本荏原

      荏原製作所總公司位於日本東京都大田區，設計並製造社會基礎設施和工業用機械設備，於東京證券交易所一部上市。亦是美國生產壓縮機和汽輪機Elliott公司的母公司，主營事業有風水力機械事業、環境事業和精密電子事業。日本東京荏原的200 mm和300 mm CMP拋光設備均具有高可靠性和高生產率，荏原擁有的12英寸晶圓10~20 nm級CMP設備，能在一定程度上實現對美國產品的替代。

　　荏原在歐洲、日本等全球的研發團隊繼續推動最先進的應用程式定位於行業生產和新技術要求的前沿。除了MEMS / SOI /磁介質行業的挑戰外，荏原的高通量F-REX系列CMP系統正在運行當今最嚴苛的應用，如用於IC製造的氧化物、ILD、STI、鎢和銅。它們具有出色的可靠性，性能超過250小時MTBF。適用於200和300 mm晶圓直徑的F-REX200和F-REX300SII平臺分別提供最先進的設計和性能，以滿足最先進的器件製造需求。它們提供面向用戶的系統配置，旨在實現最大吞吐量和所有乾燥/乾燥晶圓處理功能。F-REX200工具代表了適用於200 mm晶圓的最新CMP技術（也可用150 mm）。它採用了EB原專利的幹進幹出晶圓處理技術。清潔模塊集成在CMP工具內，從而將幹晶片輸送到後續工藝中。F-REX200系統配備2個壓板，每個壓板1個頭和4個清潔站，可選配4個盒式SMIF兼容裝載埠和CIM主機通信。其他選項包括端點指向、拋光板和在線計量。

　　2.3 華海清科

      自2000年起，清華大學機械系雒建斌院士、「長江學者」路新春教授帶領研究團隊從事拋光技術研究，在拋光技術與拋光裝備研究領域上均取得了突出的成績， 2012年，清華大學成功研製出具有自主智慧財產權的國內首臺12英寸「幹進幹出」CMP設備。2013年3月，清華控股聯合天津市投資設立華海清科，推動該項科技成果的產業化進程。2014年，通過清華大學科技成果轉化，華海清科研製出國內首臺12英寸「幹進幹出」CMP商業機型—Universal-300，2015年該機臺進入中芯國際北京廠，2016年通過中芯國際考核並實現銷售。這填補了我國集成電路製造領域CMP設備技術的空白，打破了國外壟斷。截至2019年4月，該機臺已累計加工60000餘片矽片。2017年2月，華海清科第二臺CMP工藝設備進入中芯國際北京廠，僅用78天的時間就完成了裝機、調試，並生產了過百片晶圓，創造了首臺國產核心工藝設備在集成電路大生產線上線的最高效率，榮獲了中芯國際授予的「突出成就獎」。2018年1月18日，繼在中芯國際順利完成IMD/ILD/STI工藝產品大批量生產之後，清華控股成員企業華海清科的Cu &Si CMP設備進入上海華力。這是國產CMP機臺第一次進入上海華力，也標誌著國產首臺12英寸銅製程工藝CMP設備正式進入集成電路大生產線。

　　2.4 中電45所

      2017年11月21日上午， 由電科裝備45所研發的國產首臺200 mm CMP商用機通過了嚴格的萬片馬拉松式測試，啟程發往中芯國際(天津)公司進行上線驗證。這意味著電科裝備45所的設備得到了用戶的認可，產品從中低端邁向了高端，也標誌著電科裝備向著實現集成電路核心裝備自主可控，擔起大國重器的責任邁出了重要的一步。杭州眾德是新成立的一家公司，由中電科45所中的CMP技術專家創業建立。

　　2.5 盛美半導體

      盛美半導體的CMP設備主要用於後段封裝的65~45 nm銅互聯工藝。盛美掌握晶圓無應力拋光技術，採用該技術的樣機已被Intel和美國LSI Logic公司所採購。在2019年3月上海「SEMICON China2019」上，盛美半導體再次發布先進封裝拋銅設備，新推出的封裝拋銅設備則針對人工智慧(AI)晶片封裝工藝開發。不同於傳統晶片，AI晶片具有更多的引腳，需要全新的立體封裝工藝和封裝設備，其中的拋光工藝需要高成本的拋光粉。針對2.5D封裝工藝需求，盛美半導體的這款拋光設備採用溼法電拋光工藝，不僅減少約90%拋光粉(CMP)消耗量，還可以對拋光液中的銅進行回收。由於電拋光的化學液可以重複循環使用，這樣可以節省80%以上的耗材費用。

　　3 CMP設備投資要點

      CMP設備市場是一個高度壟斷的市場，市場份額主要集中於美國應用材料和日本荏原兩家巨頭，二者佔據了全球CMP設備98%的市場份額。其中美國應用材料更是一家獨大，2018年市場份額高達71%，排名第二的日本荏原只佔有27% [1] 。國產CMP設備目前主要為中低端產品，12英寸的高端CMP設備也主要處在產品驗證階段。雖然出貨量較少，但是相較其他半導體設備，國產CMP設備取得了較大的成就，華海清科和中電45所自主研發的12英寸CMP設備填補了我國CMP設備市場的空白，為我國半導體設備國產化替代做出了重要的貢獻。

　　3.1 利好

      從市場前景的角度分析，一方面，2018年中國半導體設備市場規模增速將近60%，佔全球20%的市場份額。據SEMI預計，2017-2020年間，全球將新增半導體產線62條，其中26條新增產線在中國大陸，佔比42%，新增產線將為半導體設備帶來巨大的市場空間。另一方面，隨著新能源汽車、5G通信以及物聯網應用的興起，MOSFET功率器件、電源管理晶片、5G射頻晶片、物聯網晶片、MEMS器件以及化合物半導體器件需求非常旺盛，而這些晶片大多是在200 mm的產線上生產完成的，全球集成電路行業在200 mm晶圓廠產能和設備方面都嚴重短缺，晶圓製造廠一直在尋求擴大200 mm製造產能。但目前國際龍頭企業已經基本停產200 mm設備，二手200 mm設備價格也在水漲船高，200 mm設備的市場空間巨大。國內CMP設備廠商200 mm英寸設備技術相對較成熟，國產設備廠商可以抓住集成電路產業快速發展的大好形勢，依靠產業政策導向，搶抓機遇、搶佔市場，依靠產品價格優勢逐步在個別產品或細分領域擠佔國際廠商的市場空間，做大做強、實現跨越式發展，為中國極大規模集成電路製造做出積極貢獻。

　　3.2 風險

      國內半導體工業的相對落後導致了半導體設備產業起步較晚，尤其在關鍵設備領域與海外巨頭的差距仍有好幾十年，受到技術、資金以及人才的限制，國內半導體設備底子薄、基礎弱，產業總體表現出企業規模偏小、技術水平偏低、以及產業布局分散的特徵。而國際半導體設備發展比較成熟，CMP設備呈現高度壟斷的特徵，在現有的競爭格局下，國產設備通過研發投入再重頭做起，必然會花費大量的時間和精力，產品在下遊應用推廣過程中還要和海外巨頭競爭，而下遊廠商對替代也會考量成本因素，能否打開下遊市場是企業盈利存活的關鍵因素。

　　參考文獻

      [1]李丹.化學機械拋光（CMP）設備市場概況.電子產品世界，2019(5):11-13

      作者簡介

      李丹，理學博士，中級工程師，研究方向：集成電路材料與設備、化合物半導體、人工智慧晶片。

     本文來源於科技期刊《電子產品世界》2019年第6期第31頁，歡迎您寫論文時引用，並註明出處