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(chǎn)業(yè)研究中心高級分析師 （北京 100048）

　　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(fā)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，該技術最初是用于獲取高質量的玻璃表面，如軍用望遠鏡等。CMP工藝由 IBM 于1984年引入集成電路制造工業(yè)，它首先用于后道工藝金屬間絕緣介質（IMD）層的平坦化，之后用于金屬鎢(W）的平坦化，隨后又用于淺溝槽隔離（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(tǒng)前的研磨后清潔（對晶圓進行洗滌、沖洗和干燥）。所有這些工序整合到一起，可實現(xiàn)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(yè)希望用導電速度更快的銅電路取代鋁電路，來提高芯片的性能。鋁互連線的制作是先沉積一層金屬層，然后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(fā)出了銅CMP 技術。今天生產(chǎn)的每一塊微處理器都使用銅連線，而CMP設備更是任何芯片制造商不可或缺的必備工具。CMP工藝在芯片制造中的應用包括淺溝槽隔離平坦化（STI CMP）、多晶硅平坦化（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其實是一項很復雜的工藝。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(xiàn)象，也就是較軟的部分會凹到較硬材料的平面之下。區(qū)別于傳統(tǒng)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，利用機械力作用于圓片表面，同時由研磨液中的化學物質與圓片表面材料發(fā)生化學反應來增加其研磨速率（如圖1）。CMP技術所采用的設備及消耗品包括：拋光機、拋光漿料、拋光墊、后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技術難點是干和濕混合、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堿性拋光液，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。以堿性SiO 2 拋光液為例，其成分主要包含研磨劑(SiO 2 膠粒)、堿、去離子水、表面活性劑、氧化劑、穩(wěn)定劑等。拋光墊是一種具有一定彈性疏松多孔的材料，一般是聚亞氨酯類，主要作用是存儲和傳輸拋光液，對硅片提供一定的壓力并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(fā)生作用，同時需要控制研磨頭下壓力等其他參數(shù)。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干，實現(xiàn)圓片的“干進干出”（如圖2）。

　　1.3 CMP拋光工藝技術指標

      CMP的主要檢測參數(shù)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于表示不同圓片在同一條件下研磨速率的一致性。對于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(chǎn)品的成品率。半導體業(yè)界對于CMP工藝也有相應的“潛規(guī)則”，即CMP工藝后的器件材料損耗要小于整個器件厚度的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。隨著器件特征尺寸的不斷縮小，缺陷對于工藝控制和最終良率的影響愈發(fā)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、控制軟件等多領城最先進技術于一體的設備，是各種集成電路生產(chǎn)設備中較為復雜和研制難度較大的設備之一。隨著圓片直徑的增大和工藝復雜性的不斷提高，CMP的設備價格也在逐漸增長。一般來說，用于200 mm圓片的CMP設備價格約為300 萬美元，用于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設備制造領域處于領先地位，主要的生產(chǎn)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(fā)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(chǎn)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(chǎn)，主攻12 英寸CMP設備，應用材料公司的 Mirra CMP 為硅、淺溝槽隔離 (STI)、氧化物、多晶硅、金屬鎢和銅鑲嵌應用提供了經(jīng)生產(chǎn)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(qū)研磨頭具有低下壓力，可實現(xiàn)極佳的均勻度和效率。集成的 CMP（化學機械平坦化）后Mesa 清洗器（同樣適用于 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。對于銅鑲嵌應用，也可以選擇 200 mmDesica 清潔和沖洗技術，利用 Marangoni 蒸氣干燥器，可實現(xiàn)快速、有效的無水印干燥。應用材料公司的 Mirra CMP 系統(tǒng)采用全套端點方法，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復性，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(chǎn)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(fā)布的升級，為實現(xiàn)更高的產(chǎn)能和良率提供了更多加工能力保障。

　　2.2 日本荏原

      荏原制作所總公司位于日本東京都大田區(qū)，設計并制造社會基礎設施和工業(yè)用機械設備，于東京證券交易所一部上市。亦是美國生產(chǎn)壓縮機和汽輪機Elliott公司的母公司，主營事業(yè)有風水力機械事業(yè)、環(huán)境事業(yè)和精密電子事業(yè)。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(chǎn)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(xiàn)對美國產(chǎn)品的替代。

　　荏原在歐洲、日本等全球的研發(fā)團隊繼續(xù)推動最先進的應用程序定位于行業(yè)生產(chǎn)和新技術要求的前沿。除了MEMS / SOI /磁介質行業(yè)的挑戰(zhàn)外，荏原的高通量F-REX系列CMP系統(tǒng)正在運行當今最嚴苛的應用，如用于IC制造的氧化物、ILD、STI、鎢和銅。它們具有出色的可靠性，性能超過250小時MTBF。適用于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制造需求。它們提供面向用戶的系統(tǒng)配置，旨在實現(xiàn)最大吞吐量和所有干燥/干燥晶圓處理功能。F-REX200工具代表了適用于200 mm晶圓的最新CMP技術（也可用150 mm）。它采用了EB原專利的干進干出晶圓處理技術。清潔模塊集成在CMP工具內，從而將干晶片輸送到后續(xù)工藝中。F-REX200系統(tǒng)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兼容裝載端口和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，清華大學成功研制出具有自主知識產(chǎn)權的國內首臺12英寸“干進干出”CMP設備。2013年3月，清華控股聯(lián)合天津市投資設立華海清科，推動該項科技成果的產(chǎn)業(yè)化進程。2014年，通過清華大學科技成果轉化，華海清科研制出國內首臺12英寸“干進干出”CMP商業(yè)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并實現(xiàn)銷售。這填補了我國集成電路制造領域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余片硅片。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，并生產(chǎn)了過百片晶圓，創(chuàng)造了首臺國產(chǎn)核心工藝設備在集成電路大生產(chǎn)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(chǎn)品大批量生產(chǎn)之后，清華控股成員企業(yè)華海清科的Cu &Si CMP設備進入上海華力。這是國產(chǎn)CMP機臺第一次進入上海華力，也標志著國產(chǎn)首臺12英寸銅制程工藝CMP設備正式進入集成電路大生產(chǎn)線。

　　2.4 中電45所

      2017年11月21日上午， 由電科裝備45所研發(fā)的國產(chǎn)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(fā)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(chǎn)品從中低端邁向了高端，也標志著電科裝備向著實現(xiàn)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(chuàng)業(yè)建立。

　　2.5 盛美半導體

      盛美半導體的CMP設備主要用于后段封裝的65~45 nm銅互聯(lián)工藝。盛美掌握晶圓無應力拋光技術，采用該技術的樣機已被Intel和美國LSI Logic公司所采購。在2019年3月上?！癝EMICON China2019”上，盛美半導體再次發(fā)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能(AI)芯片封裝工藝開發(fā)。不同于傳統(tǒng)芯片，AI芯片具有更多的引腳，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采用濕法電拋光工藝，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。由于電拋光的化學液可以重復循環(huán)使用，這樣可以節(jié)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，市場份額主要集中于美國應用材料和日本荏原兩家巨頭，二者占據(jù)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占有27% [1] 。國產(chǎn)CMP設備目前主要為中低端產(chǎn)品，12英寸的高端CMP設備也主要處在產(chǎn)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(chǎn)CMP設備取得了較大的成就，華海清科和中電45所自主研發(fā)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(chǎn)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(guī)模增速將近60%，占全球20%的市場份額。據(jù)SEMI預計，2017-2020年間，全球將新增半導體產(chǎn)線62條，其中26條新增產(chǎn)線在中國大陸，占比42%，新增產(chǎn)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(lián)網(wǎng)應用的興起，MOSFET功率器件、電源管理芯片、5G射頻芯片、物聯(lián)網(wǎng)芯片、MEMS器件以及化合物半導體器件需求非常旺盛，而這些芯片大多是在200 mm的產(chǎn)線上生產(chǎn)完成的，全球集成電路行業(yè)在200 mm晶圓廠產(chǎn)能和設備方面都嚴重短缺，晶圓制造廠一直在尋求擴大200 mm制造產(chǎn)能。但目前國際龍頭企業(yè)已經(jīng)基本停產(chǎn)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(chǎn)設備廠商可以抓住集成電路產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的大好形勢，依靠產(chǎn)業(yè)政策導向，搶抓機遇、搶占市場，依靠產(chǎn)品價格優(yōu)勢逐步在個別產(chǎn)品或細分領域擠占國際廠商的市場空間，做大做強、實現(xiàn)跨越式發(fā)展，為中國極大規(guī)模集成電路制造做出積極貢獻。

　　3.2 風險

      國內半導體工業(yè)的相對落后導致了半導體設備產(chǎn)業(yè)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(chǎn)業(yè)總體表現(xiàn)出企業(yè)規(guī)模偏小、技術水平偏低、以及產(chǎn)業(yè)布局分散的特征。而國際半導體設備發(fā)展比較成熟，CMP設備呈現(xiàn)高度壟斷的特征，在現(xiàn)有的競爭格局下，國產(chǎn)設備通過研發(fā)投入再重頭做起，必然會花費大量的時間和精力，產(chǎn)品在下游應用推廣過程中還要和海外巨頭競爭，而下游廠商對替代也會考量成本因素，能否打開下游市場是企業(yè)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(chǎn)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、人工智能芯片。

     本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第6期第31頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處