CMP抛光垫热销揭秘：不是所有垫子都“爆卖”！

CMP抛光垫：抛光液的天生“搭档”

化学机械抛光(CMP)可实现整个晶片表面上行的全局和局部平坦化。在CMP的操作模式中，由抛光垫表面粗糙度、浆料研磨剂纳米颗粒和晶片表面引起的三体接触导致晶片表面材料均匀地去除，使得晶片形貌在局部和整体长度尺度上都减小，达到表面平坦化。

CMP制程原理图

而CMP抛光垫是负责输送和容纳抛光液的关键部件。在抛光的过程中，CMP抛光垫主要有四个作用：

1）建立抛光液循环，并使抛光液有效均匀分布至整个加工区域；

2）去除晶圆表面残留物；

3）去除传递材料机械载荷；

4）维持抛光过程所需的机械和化学环境。

此外，CMP抛光垫必须对抛光液具有良好的保持性，在加工时可以涵养足够的抛光液，使CMP中的机械和化学反应充分作用。因此，CMP抛光垫极大程度上决定了CMP工艺的性能及良率。

CMP抛光垫的构成

基体材料、抛光层、缓冲层是CMP抛光垫组成部分。抛光层是抛光垫的核心，绝大部分研究也是针对其组成、结构、制备工艺等进行的。抛光层的基体材料通常是由高分子材料组成，可以含或不含磨料，制备成多孔结构的发泡材料。而基体是抛光垫的主体部分，抛光垫基体的力学性能和表面微观结构在很大程度上影响着抛光垫的抛光性能。就基体材料而言，可以根据是否含有磨料，材质和表面结构的不同四种方式进行分类。根据CMP抛光垫是否含有磨料，CMP抛光垫可分为有磨料抛光垫和无磨料抛光垫；根据材质的不同，也可分为聚氨酯抛光垫、无纺布抛光垫和复合型抛光垫；根据表面结构的不同，又可分为平面型抛光垫、网格型抛光垫。

CMP抛光垫的分类

来源：证券研究所

在抛光垫中，缓冲层能够起到缓冲、支撑、防止抛光液渗透，进而破坏抛光垫的作用。对缓冲层的物性参数如硬度、密度、压缩率、回复性能等进行相关调整能够提升抛光稳定性。粘结剂层通常是粘结抛光层与基底层，通常由反应性或非反应性的粘合剂制备而成。反应性粘合剂能够使抛光层与缓冲层结合牢固，避免脱层，以及免受抛光液的侵蚀。

CMP抛光垫，来源：鼎龙股份

CMP抛光垫的“软与硬”

化学机械抛光是对晶圆表面平坦化处理的重要手段，能够提高芯片的制造精度，芯片要求的精度越高就越需要对晶圆进行多次抛光，如28nm制程的芯片需要进行12次抛光处理，10 nm制程要进行多达30次的抛光，否则，无法达到制备高精度芯片的制程需要。随着芯片产业的快速发展，抛光垫技术在集成电路制造产业中的地位越来越重要，且我国有着广阔的市场需求。

根据表面形态结构和硬度，抛光垫产品一般可分为硬抛光垫（简称硬垫）和软抛光垫（简称软垫）。其中，多晶硅CMP工艺多使用软抛光垫，而其他介质层、金属互连、接触孔等的CMP工艺多采用硬抛光垫与软抛光垫搭配。

通常，在硬抛光垫表面制作无数凹型沟槽以达到承载抛光液的功能，在抛光工艺中满足较高的抛光速率和较好的均匀性；软抛光垫通过改变其化学成分或多孔结构来协助传送抛光液并进行抛光，可以实现更好的表面平坦化品质，降低表面缺陷。

常用的抛光垫产品种类

据介绍，CMP抛光硬垫三大核心原材料——预聚体、微球、缓冲垫。其中CMP抛光垫中的热膨胀聚合物微球是技术壁垒最高的微球产品，这种微球在抛光垫成品中的用量不到5%，但在整块抛光垫中占有30%以上的体积。在微观层面上形成孔隙，承载抛光液，提供化学腐蚀所需的微反应场所，对抛光垫去除速率、抛光缺陷以及平坦化效率等指标都有着至关重要的作用。

来源：鼎龙股份

CMP抛光垫行业壁垒高筑，国产替代提速中

上面我们提到的沟槽是抛光垫的表面结构特性之一，也是抛光垫制备壁垒之一。抛光垫表面开槽一方面提高抛光垫储存、运送抛光液能力，改善抛光液的流动性；另一方面可改善垫表面的摩擦系数和剪切应力。常见的沟槽形式有放射型、网格型、圆环型以及螺旋对数型等，复合型抛光垫普遍比单一型效果更优，有学者研究发现负螺旋对数型抛光垫与晶片之间的摩擦系数最大，抛光效率最高。此外，表面沟槽的尺寸过大会导致晶片表面的新抛光液越少，沟槽倾角为20度时的抛光效率和加工区温度最高，机械去除速率较高。

常见抛光垫表面沟槽纹理形状

此外，抛光垫通常表面充满微孔，可用于储存运输抛光液和磨料颗粒，并且能耐受抛光液中化学物质的侵蚀，能及时排除抛光产物，从而对材料去除产生影响。研究发现抛光垫表面强度随着孔隙率的增加而减小；孔径越大其运输能力越强，但孔径过大时又会影响抛光垫的密度和强度。显然，孔隙率、孔隙均匀性是另一重要指标，其对抛光垫的各项物理性能指标及批次一致性影响程度较大。目前孔隙生成方式包括惰性气体成孔、预聚物和糖类物质反应成孔等。但其具体生产工艺控制、化学材料选择、配方配比、图形设计等涉及大量 “Know how”。

最后是客户认证。晶圆代工厂要求抛光材料具有极高的良品率，所以其一旦形成稳定的供应链体系就不会轻易更换；另一方面，进入晶圆厂供应链的材料企业也会高筑专利“护城河”来保护自身利益，围剿新兴企业。对新兴企业来说，前期需要投入大量研发时间来找到合适配方、稳定制作工艺及设计图案，从而获得理想的抛光效果，晶圆代工厂不愿为新企业试错成本买单，因此新兴企业往往难以进入成熟的供应链体系。

再来看市场格局。

目前，CMP抛光垫市场呈现“一家独大”的局面，美国陶氏杜邦公司占据了抛光片市场76%的份额，其他公司包括美国Cabot、日本Fujibo、美国TWI公司等，几家国际巨头公司包揽了全球CMP抛光垫市场97%的份额。

全球CMP抛光垫主要生产企业分布

从产品来看，杜邦可提供全系列的抛光垫和抛光液，与陶氏合并后，CMP抛光垫产品在全球占比份额很大，其中30英寸抛光垫的市场占有率更高；Cabot主要提供聚氨酯类抛光垫，可定制精确的硬度、孔径、可压缩性和凹槽图案，以满足各种应用的要求；日本Fujibo可以提供聚氨酯及无纺布类抛光垫及背垫；美国TWI公司也可提供不同硬度抛光垫产品。

近些年，随着国内企业技术的逐渐积累，将在未来市场占据更大的空间。在CMP抛光垫材料领域，目前国内鼎龙股份率先打破国外垄断，实现从1-N的突破，其抛光硬垫在28nm以上节点实现了全面覆盖。此外，也有不少新型企业正在加速布局。万华化学在烟台经济技术开发区内建设大规模集成电路平坦化关键材料（抛光垫+抛光液）项目，建成后希望实现60-100万片/年产能；宁波赢伟泰科2019年开始进军抛光材料领域，业务涉及抛光垫及保持环；上海芯谦于2021年拟投资1亿元建设一条年产10万片的半导体用抛光垫生产线。博来纳润面向半导体和消费电子为三安光电、天岳先进、立昂微提供CMP材料整体解决方案，近期推出PUN-50D碳化硅衬底CMP抛光垫；彤程新材投资3亿元新建半导体芯片抛光垫生产基地。

可以看出，国内CMP抛光垫供应商大多得到的中国大陆或者中国台湾主流晶圆厂的验证和订单，大部分企业也在加速进入“赛道”。但在国际市场上，仍有较大的开拓潜力，国产替代空间巨大。我们希望国内更多资本、从业者、创业者能够关注这个领域，但更希望进入赛道的玩家能够减少内卷将重复建设的资源与精力投向国内真正稀缺的空白与国产替代。为我国CMP产业打破国外垄断添砖加瓦。

来源：

梁斌等：CMP抛光垫表面及材料特性对抛光效果影响的研究进展

王海等：化学机械抛光垫在集成电路制造中的专利技术分析

周国营等：芯片超精密抛光用CMP抛光垫研究进展

集成电路材料研究：浅析CMP抛光垫技术与市场

芯慧通Chipis：一文看懂集成电路材料——CMP抛光材料

鼎龙股份、芯片揭秘

来源： 粉体网

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