半导体系列之抛光材料CMP
相对国内市场晶圆制造材料的巨大需求，国产半导体材料供给缺口巨大，国产化率只有 20%左右，抛光材料细分市
出品|每日财报
作者|刘雨辰
《每日财报》近期持续推出了半导体系列专题文章，本篇文章继续聚焦另一大半导体材料——CMP抛光材料，CMP材料在半导体制造材料中占比7%。
分地区来看，目前大陆半导体材料市场规模在全球的占比为16%，仅次于中国台湾和韩国，为全球第三大半导体材料区域。随着半导体市场不断放量以及工艺制程不断复杂，全球CMP抛光材料市场也不断增长。
化学机械抛光（CMP）技术是晶圆制造的必须流程之一，对高精度、高性能晶圆的制造至关重要。晶圆制造主要包括7大流程，分别是扩散、光刻、刻蚀、离子注入、薄膜生长、化学机械抛光（CMP）、金属化。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结合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。
抛光材料的组成
CMP工艺过程中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、抛光终点检测及工艺控制设备、废物处理和检测设备等。其中 CMP材料主要包括抛光液、抛光垫、调节器、CMP清洗以及其他等耗材，而抛光液和抛光垫占CMP材料细分市场的80%以上，是CMP工艺的核心材料，所以我们本篇文章主要聚焦这两个细分材料市场。
抛光液是CMP技术中的决定性要素之一，其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。抛光液对抛光过程所产生的影响体现在物理作用与化学作用两个方面。在物理作用方面，抛光液中的磨料对工件表面材料进行机械去除，抛光液对抛光区域进行润滑以减小摩擦，并且能够吸收加工过程所产生的热量，使加工区域恒温。另外，流畅的抛光液流动能够有效带走抛光过程所产生的材料碎屑，防止划伤工件表面；在化学作用方面，常使用能够对被抛光材料进行微量化学反应的化学物质作为抛光液组分，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。通常根据被加工材料以及所选用的抛光垫材质对抛光液成分进行配置。
常用的抛光液一般分为二氧化硅抛光液、钨抛光液、铝抛光液和铜抛光液。其中铜抛光液主要应用于 130nm 及以下技术节点逻辑芯片的制造工艺，而钨抛光液则大量应用于存储芯片制造工艺，在逻辑芯片中用量较少。以铜抛光液为例，其主要由腐蚀剂、成膜剂和纳米磨料组成。腐蚀剂用来腐蚀溶解铜表面，成膜剂用于形成铜表面的钝化膜，钝化膜的形成可以保护腐蚀剂的进一步腐蚀，并可有效地降低金属表面硬度。除此之外，抛光液中经常被添加入一些化学试剂用以调节其 pH 值，从而为抛光过程的化学反应提供一定的酸碱性环境，确保化学反应能顺利、高效地进行。
集成电路工艺的进化带来了对抛光液的各种新需求，以逻辑芯片为例，14纳米以下的逻辑芯片工艺要求的关键CMP工艺将达到20步以上，使用的抛光液数量将从90纳米时的五六种增加到二十种以上，7纳米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。而存储芯片由2D NAND向3D NAND的技术变革，也会使CMP抛光步骤数近乎翻倍，由此也造成市场规模在不断扩大。
在化学机械抛光过程中，抛光垫具有储存和运输抛光液、去除加工残余物质、维持抛光环境等功能。目前的抛光垫一般都是高分子材料，如合成革拋光垫、聚氨醋抛光垫、金丝绒抛光垫等，其表面一般含有大小不一的孔状结构，有利于抛光浆料的存储与流动。
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。在这些影响因素中，抛光垫的表面沟槽形状及寸是抛光垫性能的关键参数之一，它直接影响到抛光区域内抛光液的分布和运动，并且影响抛光区域的温度分布。抛光垫也是一种耗材，必须适时进行更换，长时间不更换的抛光垫，被抛光去除的材料残余物易存留在其中会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。
抛光材料的世界格局
还是延续上文的思路，重点介绍抛光液和抛光垫的市场格局。从抛光材料诞生以来，全球化学机械抛光液市场就主要被美国和日本企业所垄断，具体包括美国的Cabot、Versum、Dow 和日本的Hitachi、Fujimi。其中，Cabot全球抛光液市场占有率最高，但是市场份额却在不断下滑，从2000年的约80%下降至2018年约36%，并没有形成强者恒强的格局，表明全球抛光液市场正朝向多元化发展，地区本土化自给率不断提升。
目前全球生产芯片抛光垫的企业主要是陶氏，其垄断了集成电路芯片领域所需要抛光垫的近80%的市场份额。此外，Cabot、Thomas West、FOJIBO、JSR等也可生产部分芯片用抛光垫。
本土企业中在抛光液和抛光垫领域各关注一家公司——安集科技和鼎龙股份。 其中安集科技的产品包括不同系列的化学机械抛光液和光刻胶去除剂，主要应用于集成电路制造和先进封装领域，而化学机械抛光液是公司的核心业务，营收占比 80%左右。目前公司在 130-14nm 技术节点实现规模化销售，10-7nm 技术节点产品正在研发中，打破了国外厂商对集成电路领域化学机械抛光液的垄断，实现了进口替代，在半导体材料行业取得了一定的市场份额和品牌知名度，是国内CMP抛光液领域毋庸置疑的龙头，积累了众多优质客户资源，包括中芯国际、台积电、长江存储等。从未来的发展空间来看，全球CMP抛光材料市场约22亿美元，而安集科技2019年这一细分领域的收入规模仅 2.36 亿元人民币，这和中国第三大半导体材料市场的规模显然不匹配，未来国产替代仍有非常大的成长空间。
湖北鼎龙控股股份有限公司创立于 2000年，以电荷调剂、聚合碳粉等产品起家，逐步做强做大。公司2013年立项 CMP 抛光垫，并被纳入了“02”专项，负责中芯国际子课题20-14nm 技术节点CMP抛光片产品的研发任务。从2019 年开始公司CMP抛光垫产品快速放量，业务拐点曙光初现，2019全年，公司的CMP垫营收约1233万元。2020年CMP抛光垫产品已经导入国内领先下游存储芯片、功率芯片以及逻辑芯片等重要晶圆制造商，其中公司的28nm 以上8英寸抛光垫获得国内存储大厂商量产订单。一季报显示，公司Q1的抛光垫营收为809万元，已完成去年全年的65%。根据全球CMP材料领先企业Cabot市场预估，预计未来全球CMP市场复制增长率约6%。随着未来国内晶圆厂大幅投产，测算预计未来5年中国 CMP 垫市场规模增速可超10%，至2023年可达约4.40亿美金。
公开资料显示，中国纯晶圆代工市场规模增速全球最高，高达到41%，市场规模增长至106.9 亿美元，已经成为全球第二大晶圆代工市场。2018-2019年，中国新建晶圆厂数量达到高峰， 2020年新建晶圆厂累计将达到20座。全球晶圆产能向中国大陆转移趋势明显，带动中国市场对上游半导体材料的需求。相对国内市场晶圆制造材料的巨大需求，国产半导体材料供给缺口巨大，国产化率只有 20%左右，抛光材料细分市场国产化率更是不足15%，国产替代需求强烈，后期逐步导入国内产业链的公司将有望迎来业绩的爆发，感兴趣的朋友可以持续追踪。
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一文看懂半导体CMP核心材料：国外巨头高度垄断，国产化程度极低
对于半导体芯片产业来说，主要可以分为设计、制造和封测三个关键环节。近年来，随着国家对于半导体产业的重视和扶持，国产半导体厂商在这个三个环节都取得了长足的进步。特别是在设计和封测这两块，国内已有一些厂商进入到了全球领先行列。但是在半导体制造这块，与国外厂商之间的差距依然很大。而对于本就处于弱势的国产半导体制造来说，其所需的关键设备和半导体材料，中国更是极为薄弱。
此前芯智讯已经陆续为大家介绍了国产厂商在大硅片、光刻胶、电子特气等关键半导体材料领域的国产化进展。
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今天，我们再来为大家介绍下半导体CMP核心材料的国产化情况。
一、平坦化要求日趋复杂，CMP为集成电路制造关键制程
CMP 全称为 Chemical Mechanical Polishing，即化学机械抛光，是普通抛光技术的高端升级版本。集成电路制造过程好比建房子，每搭建一层楼层都需要让楼层足够水平齐整，才能在其上方继续搭建另一层楼，否则楼面就会高低不平，影响整体可靠性，而这个使楼层整体平整的技术在集成电路中制造中用的就是化学机械抛光技术。
CMP 是通过纳米级粒子的物理研磨作用与抛光液的化学腐蚀作用的有机结合，对集成电路器件表面进行平滑处理，并使之高度平整的工艺技术。当前集成电路中主要是通过 CMP 工艺，对晶圆表面进行精度打磨，并可到达全局平整落差 100A°~1000A°（相当于原子级 10~100nm）超高平整度。
△化学机械抛光示意图
△化学机械抛光实物图
而未经平坦化处理，晶片起伏随着层数增多变得更为明显，同层金属薄膜由于厚度不均导致电阻值不同，引起电子迁移造成电路短路。起伏不平的晶片表面还会使得光刻时无法准确对焦，导致线宽控制失效，严重限制了布线层数，降低集成电路的使用性能。
△半导体芯片制造工艺流程中CMP工艺位置
摩尔定律下，代工制程节点不断缩小，布线层数持续增加，CMP 成为关键制程。1991 年 IBM 公司首次成功地将 CMP 技术应用到动态随机存储器的生产以来，随着半导体工业踏着摩尔定律的节奏快速发展，芯片的特征尺寸持续缩小，已发展至 5~7nm。CMP 已成功用于集成电路中的半导体晶圆表面的平面化。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。
随着特征尺寸的缩小，以及布线层数增长，对晶圆平坦化精度要求不断增高，普通的化学抛光和机械抛光难以满足在当前集成电路 nm 级的精度要求，特别是目前对于 0.35um 制程及以下的器件必须进行全局平坦化，CMP 技术能够全局平坦化、去除表面缺陷、改善金属台阶覆盖及其相关可靠性，从而成为目前最有效的抛光工艺。
CMP 主要运用在在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。集成电路制造需要在单晶硅片上执行一系列的物理和化学操作，同时随着器件特征尺寸的缩小，需要更多的生产工序，其中 90nm 以下的制程生产工艺均在 400 个工序以上。就抛光工艺而言，不同制程的产品需要不同的抛光流程，28nm制程需要12~13次CMP，进入10nm制程后CMP次数将翻倍，达到25~30次。
目前在集成电路制造中 CMP 技术的应用越来越广泛，从加工过程中最初的 STI（浅沟槽隔离层）到 ILD（层间介质）再到 Metal 金属互连层再到后期的 TM（顶层金属）都需要用到。
而根据抛光薄膜种类的不同，CMP 可以分为金属薄膜 CMP、氧化硅薄膜 CMP 和硅薄膜 CMP 等种类，且各自有侧重的主要应用领域。其中：
金属薄膜CMP主要包括：钨&钨阻挡层 CMP、铜&铜阻挡层 CMP、铝 CMP等；
氧化硅薄膜CMP主要包括：层间介质层 CMP、浅沟槽 CMP 等；
硅薄膜CMP主要包括：晶圆表面 CMP、多晶硅 CMP 等；
CMP 技术最早使用在氧化硅抛光中，是用来进行层间介质（ILD）的全局平坦的，在半导体进入 0.35μm 节点之后，CMP 更广泛地应用在金属钨、铜、多晶硅等的平坦化工艺中。随着金属布线层数的增多，需要进行 CMP 抛光的步骤也越多。
二、抛光垫和抛光液是CMP核心材料
CMP是化学作用和机械作用相结合的组合技术，其工作原理是，旋转的晶圆以一定的压力压在旋转的抛光垫上做相对运动，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的高度有机结合来实现平坦化要求。这一过程中应用到的材料主要包括抛光液和抛光垫。
从价值量占比可以看到，CMP 材料是晶圆制造的核心耗材，占晶圆制造成本约7%，价值量与光刻胶相近。
而在CMP材料细分占比当中，抛光液和抛光垫是最核心的材料，价值量占比分别为 49%和 33%。其他抛光材料还包括抛光头、研磨盘、检测设备、清洗设备等。
抛光垫和抛光液决定了 CMP 工艺的基础抛光效果，并结合设备操作过程、硅片等因素，共同影响 CMP 抛光结果和效率。
我们一般从平均磨除率、平整度和均匀性、选择比和表面缺陷四个维度来评判抛光效果。为了更好控制抛光过程，需要详细了解 CMP 系统中参数所起的作用以及它们之间微妙的交互作用。其中，抛光垫和抛光液的物理化学等性能在 CMP 工艺中发挥了重要的作用。
目前，最新的趋势是，国际先进的厂商在3D-Nand 等更高要求的生产环节中应用固定研磨颗粒的抛光垫，其产品融合了原本存在于抛光液的抛光颗粒，抛光垫重要性进一步提高。
三、抛光垫行业壁垒高，市场被国外龙头高度垄断
抛光垫是一种疏松多孔的材料，具有一定弹性，一般是聚亚氨酯类，主要作用是存储和传输抛光液，对硅片提供一定的压力并对其表面进行机械摩擦。抛光垫具有类似海绵的机械特性和多孔特性，表面有特殊的沟槽，可提高抛光均匀性。抛光垫虽不与硅片直接接触，但仍同抛光液一样属于消耗品，其寿命往往只有 45-75 小时，需要定时整修和更换。
1、CMP 抛光垫具有技术、专利、客户体系等较高行业壁垒
CMP 抛光垫具有较高技术要求、持续较大资金投入、核心客户认证体系是主要进入壁垒。对于行业现有龙头企业而言，为了打击后发企业的竞争优势，往往会发挥市场垄断支配地位，通过采取差异性定价策略锁定下游晶圆厂的长期合同，从而建立自身的行业护城河。
抛光垫是 CMP 工艺中重要耗材。聚胺脂有像海绵一样的机械特性和多孔吸水特性，具有良好的耐磨性、较高的抛光效率, 在集成电路晶圆的 CMP 中应用非常广泛。主要型号有 IC1000、IC1400、IC2000、SUBAIV 等，其中 IC1000和 SUBAIV 是用得最广的。抛光垫表面包括一定密度的微凸峰，也有许多微孔，不仅可以去除硅片表面材料，而且还起到存储和运输抛光液、排除抛光过程产物的作用。垫上有时开有可视窗，便于线上检测。抛光垫是 CMP 工艺中重要的耗材，同时需要定时整修。
抛光垫的自身硬度、刚性、可压缩性等机械物理性能对抛光质量、材料去除率和抛光垫的寿命有着明显的影响。抛光垫的硬度决定了其保持形状精度的能力。采用硬质抛光垫可获得较好工件表面的平面度, 软质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。抛光垫的可压缩性决定抛光过程抛光垫与工件表面的贴合程度, 从而影响材料去除率和表面平坦化程度。可压缩性大的抛光垫与工件的贴合面积小, 材料去除率高。
①国内专利技术积累浅
国产抛光垫最大的痛点之一在于专利技术积累较浅。日本、美国在抛光垫领域技术积累较厚实，中国排名第5。据《集成电路制造业用高分子聚合物抛光垫专利分析》一文统计，截至 2017 年，在全球 2918 个专利中，有效专利约 1511 个，而其中日本有效专利占比达 41%，美国有效专利占比达 33%，分别位居第一第二，中国近年来有所提升，有效专利数占比达16%。
海外抛光垫龙头企业罗门哈斯（被陶氏收购）拥有较多和 CMP PAD 相关的高质量及基础专利。截止于 2017 年 9 月，通过代表专利质量指标的引用次数指标显现，罗门哈斯的专利被引用次数在全球范围内所有申请人中最多，达 451次，其总计拥有 201 个抛光垫的设计和制造方面的专利族，154 个抛光垫在抛光方面的应用专利，123 个抛光层方面的专利族，8 个抛光垫表面的专利族。
陶氏 2009 年收购罗门哈斯后，进一步巩固了抛光垫市场份额。预估目前陶氏20英寸抛光垫占据国内 85%左右的市场份额，30 英寸抛光垫的市占率则更高。
国内企业在化学机械抛光领域起步较晚，仅有以鼎龙股份为代表的企业少量生产中低端产品。
国内抛光垫领先企业鼎龙股份，2019 年共拥有专利 555 项，其中抛光垫制造及工艺相关发明及创新有效专利约 54 项，与海外企业具有一定差距。
以主要应用在 300mm 晶圆方面的开窗口的抛光垫为例，专利被美国应用材料公司占有，国内仅陶氏获得授权生产及销售。而鼎龙为代表国内厂商从无窗口200mm 抛光垫入手，依靠成本优势和优质服务来开拓市场，进而积累技术水平向高端领域进军。
②行业技术壁垒高
从技术壁垒上看，抛光垫技术难点在需要持续试错，找到合适材料配方、稳定制作工艺及设计图案，从而获得较好的、稳定的抛光速率和抛光效果。
企业研究 CMP 耗材时间成本较高，可能需要较长时间来试错摸索工艺指标、产品配方等对物理参数及性能的影响结果，形成较深的 Knowhow 壁垒。
以抛光垫为例，由于抛光垫通常物理指标包含硬度、刚性、韧性、弹性模量、剪切模量、密度、可压缩性等各项机械指标，综合影响抛光效果，而如果结合考虑材料选择、温度选择、固化时长、搅拌时长等工艺步骤控制，按照三元变量简单推算其理论方案可能性至少在数万次至数百万次试验级别，因此对于企 业而言需要较长时间来试错摸索工艺指标、产品配方等对物理参数及性能的影响结果。
衡量抛光垫性能指标有较多，各项物理指标综合影响抛光效果，其中相对关键的指标在于孔隙率、孔隙均匀性等，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。衡量抛光垫的技术指标主要包含硬度、刚性、韧性、弹性模量剪切模量、密度、可压缩性等机械物理性能。而其中由于抛光垫在材料配方一定的情况下，孔隙生成的密度和均匀性包含物理、化学及热处理等将直接影响各项抛光垫的物理指标。
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 Knowhow。
由于涉及到设计及工艺需要企业长期的实践和摸索，抛光垫各系列产品参数及稳定性需要长期积累。
举例来，对比 IC1000 和 IC1010，可以看到，不同孔隙率，硬度，粗糙度均对抛光效果产生不同影响，同时配合沟槽调整综合调整抛光效果。
对比 IC1000 和 IC1010 两种规格的抛光垫，两种抛光垫表面的微孔直径都在40um 左右，其他物理化学参数大多相似，其中 IC1000 的孔隙率为 48%，IC1010的孔隙率为 61.4%。
△IC1000（左图）和 IC1010（右图）两种规格的抛光垫的孔隙率对比（突破来源：百度）
抛光垫的孔隙率越高和粗糙度越大，其携带抛光液的能力越强。抛光垫越粗糙，则材料去除率增大，这是因为表面粗糙度高的抛光垫与工件表面的接触面积减小, 而且粗糙的抛光垫表面可储存更多的抛光液, 因此作用在单颗磨粒上的力增大, 单颗磨粒的去除材料体积增大。抛光垫使用后会产生变形，表面变得光滑，孔隙减少和被堵塞，使抛光速率下降，必须进行修整来恢复其粗糙度，改善传输抛光液的能力，一般采用钻石修整器修整。
抛光垫的沟槽图形设计，也是影响抛光性能的核心指标。抛光垫沟槽的设计影响着抛光垫储存、运送抛光液的能力和表面局部应力梯度。抛光垫表面结构有平整型和带有不同沟槽型的。
抛光垫表面适度开槽后，储存、运送抛光液的能力显著增强,磨料分布更均匀、工件表面剪切应力高，因此抛光效率和质量都得到提高。抛光垫表面上的槽本身起着类似于均匀分布磨粒的作用,它通过增加剪切应力保证材料去除率。抛光垫表面沟槽形式(平行与垂直交叉型或同心环形)、沟槽形状(V 型、U 型或楔型)、沟槽方向以及沟槽尺寸(深度、宽度和间距)等对磨料的分布和流动、抛光垫的寿命有着显著的影响。抛光垫沟槽的宽度要适度,太小体现不出开槽效果,太大会使得抛光效率变小,晶片的粗糙度也变差。抛光垫沟槽的深度对于抛光效果则没有明显的影响。
③核心客户认证体系壁垒较高
核心客户认证体系壁垒较高，主要由于抛光垫对芯片良率影响较大，但成本占比较相对较低，在稳定而成熟的 FAB 厂中，为确保芯片良率，一般很少替换原有稳定的供应商。半导体 Fab 厂具有资本密集和技术密集的属性，对于上游半导体原材料的稳定性和良品率有极高的要求，因此对于原材料供应商认证门槛极高、认证周期较长。目前在半导体产业链安全可控的大环境下，国内厂商速度加快，验证周期缩短到半年左右。
2、抛光垫行业集中较高，被海外龙头高度垄断
抛光垫行业集中度极高。目前全球 CMP 抛光垫市场格局主要被 Dow（陶氏化学）、Cabot、Thomas West 等外资厂商垄断，前 5 大公司垄断约 90%市场份额。国内厂商在 CMP 抛光垫领域具有较为广阔的替代空间。
△全球CMP抛光垫市场格局（图片来源：Cabot）
陶氏化学成立于 1897 年，经过一百多年的发展，目前已经成为了美国第一大、全球第二大化工企业。公司产品丰富、业务广泛，产品主要涵盖电子及特殊材料、涂料和基础设施、健康农业科学、特种系统、特种化学品、基础塑料、基础化学品、烃及能源八大领域，有 5000 多种产品，客户遍及全球 170 多个国家。陶氏在半导体材料领域主要经营 CMP 抛光垫、抛光液、光刻材料等，尤其在 CMP 抛光垫市场有着绝对的统治地位，全球市占率高达 79%。
陶氏化学的CMP 抛光垫业务来源于对 Rodel 的并购。陶氏化学侧重 CMP 本身机理研究，改进抛光机制和抛光垫参数，并根据客户的实际需求从应用层面对现有产品进行改良，目前有多种型号 CMP 抛光垫供应亚太、欧洲和北美市场。
陶氏化学最早推出的型号为 IC1000 的抛光垫产品，现在已经成为了抛光垫行业标准，其他厂商的抛光垫产品测试均以 IC1000 对标标准。陶氏的抛光垫产品正在朝着缺陷率更低、平坦度更高、使用寿命更长的方向发展，历代产品在缺陷率、使用寿命上均有大幅的提升，如 2014 年推出的 IKONIC4000 的缺陷率在 2010 年的 VISIONPAD6000 的基础上降低了 70%。在未来这一发展方向仍将引领整个抛光垫行业的发展。
目前陶氏化学垄断了中国近 90%的 CMP 抛光垫市场供给，是国产替代的主要对象。
四、抛光液技术持续演进，市场格局分散，国产替代机会更大
抛光液是均匀分散胶粒乳白色胶体，主要起到抛光、润滑、冷却的作用。抛光液由磨料、PH 值调节剂、氧化剂、分散剂、表面活性剂等多种成分混合而成，介质复杂度很高。高品质抛光液的关键在于控制磨料的硬度、粒径、形状等因素，同时使得各成分达到合适的质量浓度，以达到最好的抛光效果。
1、抛光液的核心壁垒在于产品配方和工艺流程控制
CMP 抛光液的主要原料包括研磨颗粒、各种添加剂和水，其中添加剂的种类根据产品应用也有所不同，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。在加料、混合和过滤等关键生产流程中，各种组分的比例、顺序、速度和时间等都会影响到最终的产品性能，需要公司不断优化研究来找出最合适的方案，因此产品配方和生产工艺流程是每家公司的技术秘密，也是其核心竞争力所在。
根据酸碱性，抛光液可以分为酸性抛光液和碱性抛光液。以碱性 SiO2 抛光液为例，其重要成分包含磨料（SiO2 胶粒）、碱、去离子水、表面活性剂、氧化剂、稳定剂等。SiO2 胶粒主要作用是进行机械摩擦并吸附腐蚀产物，要求硬度适当，尺寸在 1-100nm。碱性溶液在抛光过程中主要起到腐蚀作用，因避免引入 Na+、K+等金属离子，其组成通常是有机胺，其 PH 值一般为 9.4-11.1 之间。氧化剂用于加速腐蚀反应速率，由于 Si本身与碱反应速率较慢，而 SiO2 与碱反应速率较快，氧化剂可将表层 Si 进行氧化，从而获得较快的腐蚀速度。表面活性剂用于不溶性颗粒，防止胶粒凝聚沉淀。
根据应用场景可以分为金属抛光液和非金属抛光液。包括铜及铜阻挡层抛光液、钨抛光液、硅粗抛光液等，分别应用于逻辑芯片、存储芯片、硅晶片等不同领域。以逻辑芯片领域为例，从 130/90nm 技术节点开始，铜凭借更好导电性能大幅取代铝和钨作为互连金属材料，铜抛光液的得到了广泛应用，存储芯片领域则较多使用钨抛光液，而铜抛光液的应用较少。随着芯片制程的提高以及技术的改进，抛光液专用化程度将逐渐提高。
2、技术演进，抛光液需求持续提升
在集成电路技术不断推进过程中，必然出现多种新技术和新衬底，相应地对抛光工艺材料提出了许多新要求。随着集成电路技术的进步和对集成电路性能要求的增加，下游客户在制造过程中使用 CMP 工艺的集成电路比例在不断增加，对 CMP材料种类和用量的需求也在增加。逻辑芯片领域，制程节点不断推进，带动 CMP 用量持续提升。过去三十年中，集成电路产业遵循摩尔定律，制程节点不断推进，从 1997 年 250nm 开始，平均每 18 个月左右出现新一代技术节点，目前领先厂商如台积电等已实现 7nm 工艺量产，5nm 工艺也量产在即，可预见的未来先进制程比例将不断提高。
更先进的逻辑工艺节点需要更多的 CMP 抛光步骤，也为 CMP 抛光液用量带来了增长机会。90nm 工艺要求的关键 CMP 工艺仅 12 步左右，所用抛光液的种类约 5、 6 种，而 7nm 以下工艺 CMP 抛光步骤甚至可达 30 步，使用抛光液种类也接近 30种，带动 CMP 抛光液的种类和用量都迅速增长。
此外，制程节点的不断推进对于产品的纯度和污染控制也提出了更高的要求，体现为对更高纯度、低污染、低颗粒化学品的需求，据 Cabot Microelectronics 公开资料披露，产品对于无颗粒的要求逐年升级，其生产难度和价值量也随之升级。
存储芯片从 2D NAND 向 3D NAND 的技术变革下，CMP 抛光步骤也近乎翻倍，从 8 步提升到了 16 步，进而大幅带动了 CMP抛光液的用量需求，其中又以钨抛光液为甚。
3、抛光液市场格局有分散化趋势，国产替代机会更大
抛光液市场格局有分散化趋势，国产替代机会更大。美国的 Cabot Microelectronics 是全球抛光液市场龙头，2000 年市占率高达 80%，不过到 2017 年 Cabot Microelectronics 全球市占率降低至 36%。其他主要供应商包括Hitachi、Fujimi、Versum 等，市占率分别为 15%、11%、10%。抛光液市场分散程度相对较高，多元化发展趋势明显，国产厂商实现替代机会较大。目前安集微电子已经形成替代，但全球市占率也仅仅只有2%。
Cabot Microelectronics（卡伯特微电子）1999 年成立于美国，是全球最大的 CMP 抛光液供应商，市占率36%，同时是全球第二大的 CMP 抛光垫供应商，市占率 5%。Cabot 业务以抛光液为主，2018 年全年营收 5.9亿美元，其中 CMP 抛光液贡献 78%，达 4.6 亿美元。Cabot 抛光液产品结构以主要用于存储芯片的钨抛光液为主，占比 55%；电介质抛光液占比 30%，其他金属抛光液占比 15%。
Cabot 作为全球最大的抛光液供应商，客户分布广泛，且分散度高。韩国是 Cabot 抛光液最大的市场，其次是中国台湾、中国大陆、美国以及欧洲，占比分别为 23%、22%、16%、13%、7%。可以看出，Cabot 的市场收入分布与全球晶圆制造行业分布一致，公司在全球均有极强的竞争力。同时，Cabot 前五大客户收入占总营收比重为 57%，客户分散度较高。2018 年，Cabot 在中国大陆营收为 0.97 亿美元，约为安集科技的三倍。
Cabot 产品线丰富，专用化程度高。公司抛光液产品针对钨、电介质（硅、氧化物等）、金属（铜、铜阻层、铝等）等应用对象均有明确的定位，且推出多款针对不同制程的产品，涵盖 10nm-130nm 制程，以满足客户多层次的需求。
知识产权是 Cabot 重要的护城河。Cabot 微电子致力于基础 CMP 技术、CMP 消耗品等领域的研发，2019财年中研发投入共计达 5170 万美元。Cabot 微电子拥有强大且完备的知识产权体系，截至 2019 年 10 月 31 日，Cabot 微电子在全球拥有 1317 项有效专利，其中 284 项为美国专利。并且 Cabot 微电子有 357 项正在申请的全球专利，以不断更新公司的知识产权体系，维护公司的持续竞争力。
Cabot 微电子注重尖端 CMP 抛光材料的研发，在全球各个主要的半导体市场均设有研发中心，助力企业更好地服务客户。公司在美国伊利诺伊州奥罗拉市的研发中心设有 1 级无尘室，以及用于开发 300mm 抛光材料的先进设备；在台湾设有具有 200mm 抛光能力的无尘室；在韩国的研发中心具有抛光液配制能力和 300mm 抛光能力；在新加坡设有研发实验室，为数据存储芯片提供抛光、计量以及抛光液开发功能。遍布全球的研发中心让 Cabot 微电子能够与客户形成紧密联系，及时获取客户需求，并提供性能优异的 CMP 抛光材料解决方案。
四、契机已来，国内晶圆制造崛起，将重塑国产半导体产业链
CMP 抛光垫和抛光液作为一种晶圆制造材料，其需求量和晶圆产能直接相关。未来 3-5 国内晶圆制造产能将翻番，国内半导体产业链上下游迎来重要契机。根据我们对于大陆区域晶圆制造的全面梳理，目前大概有 54 个运营主体，共计 94个晶圆厂或产线项目，目前产能平稳运行的有 17 个晶圆厂及产线项目，正在产能爬坡的有 37 个，未来 3-6 个试生产的 11 个，正在项目基础建设的 9 个，另外正在规划的约 11 个。
根据芯思想研究院统计，截止 2019 年底，我国12 英寸晶圆制造厂装机产能约 90 万片/月，较 2018 年增长 50%；8 英寸晶圆制造厂装机产能约 100 万片/月，较 2018 年增长10%；6 英寸晶圆制造厂装机产能约 230 万片/月，较 2018 年增长 15%。
根据当前 94 个晶圆厂项目规划及目标总计，预计至 2024 年，大陆区域 12 英寸目标产能达 273.0 万片/月，相比 2019 年增长超过 2 倍，8 英寸目标产能达 187 万片/月，相比 2019 年增长 90%。若这些晶圆厂如期达到产能目标，将大幅拉动对国产半导体设备和材料的需求。
具体项目来看，中芯国际、华虹宏力、粤芯半导体、长江存储、合肥长鑫、武汉新芯、福建晋华等各重点厂商均新建多条产线并大幅新增产能达 2 倍以上。晶圆制造厂产品主要包括两大方向，一方面为主攻先进制程代工和特色工艺的晶圆厂，包括中芯国际、华虹、粤芯等；另一方向主要是以存储晶圆制造为主攻方向的晶圆厂，包括长江存储、合肥长鑫、福建晋华、武汉新芯等。
广州粤芯成立于 2017 年 12 月，是国内第一座以虚拟 IDM (Virtual IDM) 为营运策略的 12 英寸芯片厂，一期已于 19 年底投产，并规划二期，目标总产能达 4 万片/月。
长江存储是国内投资闪存(NAND FLASH)产能的大厂，也是大基金重点投资项目，2023 年底目标产能为 30 万片/月。目前长江存储产能迅速提升，2019 年底产能已达到 2 万片/月，2020H1 向 5 万片推进，公司已在 2020 年 1 月开启招标活动。长江存储在储备 64 层 Xtacking Nand Flash 技术布局后，将跳过 96 层，直接推进128 层堆栈。
合肥长鑫主要为 DRAM 存储器的 12 寸晶圆厂，预计未来 3 年总产能目标为 12.5万片/月，并分为三个阶段执行。第一阶段目标产能 4 万片/月（当前 2 万片），预计到 20 年 Q1 达到 4 万片，为 19nm 工艺芯片。合肥长鑫的 8Gb DDR4 已经通过多个国内外大客户验证，预计今年底正式交付。
DRAM 大厂福建晋华，原本已达产能 6 万片，整体目标产能 24 万/月，近期由于受到美国起诉和禁售，目前整体运营受到一定影响。
武汉新芯目前拥有 1.2 万片/月的代码型闪存和 1.5 万片/月的背照式图像传感器的生产能力。未来计划扩产到 7 万片/月。
五、替代开启，CMP材料国产化开启主成长周期
贸易争端加剧，国内 CMP 材料企业抓住国产替代良机。18 年中兴事件、19 年华为被禁等，极大地推动半导体产业链国产化进程。以中芯国际为代表的国内下游晶圆制造厂商为了产业链安全可控，在半导体材料方面给予了国内企业更多的机会。由于集成电路设备和原材料具有较高的技术要求和较长的认证门槛，CMP 抛光垫的国产化进程只能采取循序渐进的过程，从小批量送样开始，逐步过渡到大批量替代，从而完成全部的国产化过程。
随着近年来晶圆厂产能增长，抛光材料市场整体增长稳健。2014-2020 年，全球 CMP 抛光材料市场以 6%的年复合增长率稳定增长，预计到 2020 年全球抛光材料市场规模将达到32.1亿美元。
抛光液和抛光垫在 CMP 材料中价值占比最高，合计约占 80%左右。2016-2018 年抛光液、抛光垫合计市场规模复合增长率 7%，至 2018年市场规模达到 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。预计到 2023 年，全球抛光液和抛光垫市场规模将达到 28.4 亿美元，抛光液和抛光垫市场将分别达到 17.9 亿美元、10.5 亿美元。
六、CMP半导体材料国产替代公司梳理
1、鼎龙股份： CMP 抛光垫打破国外垄断，迎来 1-N 跨越式发展公司光电半导体新材料 CMP 抛光垫实现从 1-N 突破，未来将受益于中国光电及半导体制造产业崛起趋势，新产品指数级增长，有望打开公司新的成长空间。
①公司 CMP 抛光垫打破国外垄断，有望受益下游半导体制造领域的崛起。公司CMP 抛光片 2013 年立项，被纳入了“02 专项”，负责中芯国际子课题‘20-14nm技术节点 CMP 抛光片产品研发’任务。2019 年公司 CMP 抛光垫在八寸片客户出货量稳步提升，在十二寸片公司成功获得了首张订单。未来有望充分受益于中国半导体制造崛起。
②公司 PI 基材研发卡位柔性材料赛道，迎接 PI 膜需求爆发。柔性 PI 膜作为绝缘高性能高分子材料，下游应用广泛，具有百亿级市场规模。公司 PI 基材目前已经部分完成国内知名面板厂商 G4.5 以及 G6 线全流程验证，随着客户产能放量，公司有望迎来行业增长红利。
③公司打印耗材业务国内竞争力较好，未来保持稳定成长趋势。公司打印耗材业务已形成全产业链闭环布局，近年来公司持续整合并购巩固耗材领先地位。
可以看到，目前打印耗材业务的营收在总营收当中的占比较高，而CMP抛光业务的营收占比仅为0.03%。
④预计公司 2019~2021 年营 11.73/15.72/22.17 亿，对应归母净利润0.39/3.99/5.80 亿。
2、安集科技：CMP 抛光液处于国内领先地位
安集微电子成立于 2006 年，注册资本 4000万元，主营化学机械抛光液和光刻胶去除剂。2008 年切入中芯国际供应体系，逐步打开国内市场。2009-2010年，先后开拓华虹宏力、武汉新芯、华润微三家客户。2014 年安集微电子成功切入国际晶圆制造巨头台积电供应链，并于同年开始负责“高密度封装 TSV 抛光液和清洗液研发与产业化”国家“02 专项”。2015 年“02 专项”成功验收，并实现 130-28nm 技术节点规模销售。2016 年，安集微电子获得国家集成电路产业基金入股，并承接“CMP抛光液及配套材料技术平台和产品系列”国家“02 专项”，企业发展进入新阶段。2017 年后，公司推出钨系列抛光液，产品体系进一步丰富，并拓展了长江存储、士兰微等新客户。目前公司 CMP 抛光材料处于国内领先地位，全球抛光液市场份额为 2.4%，正在积极进行 28-14nm 产品的客户推广和 10-7nm 新技术节点的研发。
安集微电子营收状况良好，毛利高于行业水平。安集微电子营收稳定增长，铜及铜阻挡层抛光液占比最高。2016-2018 年，公司铜及铜阻挡层抛光液营收占比分别为 76.42%、74.99%、66.32%。钨抛光液等其他抛光液增长较快，2016-2019 年营收分别为 2620 万元、3403 万元、4079 万元，复合增长率达 24.8%。
此外，2016-2018年公司毛利在50%以上，显著高于国内可比公司，与国际龙头 Cabot Microelectronics 处于同一水平，足以体现公司产品实力。
安集微电子正在积极扩建生产线，不断巩固市场地位，满足市场需求。公司“CMP 抛光液生产线扩建项目”募投 1.2 亿元，将用于扩建 CMP 抛光液生产系统和相应的厂务系统。项目将具体落实到铜及铜阻挡层抛光液28nm 以下技术节点产能，3D NAND、DRAM 的金属钨抛光液产能，以及其他化学机械抛光液的产能，预计新增产能分别为 6100 吨、9000 吨、1000 吨。
2019 财年，安集微电子营收 2.85 亿元，同比增长 15.15%；净利 7290 万元，同比增长 51.54%。我们预测安集微电子 20/21 年营收将达到 3.51/4.48 亿元，其中 CMP 抛光液营收 2.83/3.54 亿元，光刻胶营收 0.67/0.93 亿元。公司将保持 54%左右的毛利和 23%左右的增长率高速增长。
3、江丰电子：积极布局 CMP 部件领域
江丰电子主要产品为超高纯金属材料及溅射靶材，目前是国内集成电路靶材、平板显示用靶材的全球主要供应商，下游客户客户包括中芯国际、华虹宏力、京东方、华星光电等。公司未来计划进一步实现高纯溅射靶材在 14-3nm 技术节点的规模应用。公司 2016 年联合美国嘉柏微电子材料，就抛光垫项目进行合作，并引进了掌握抛光垫相关技术及市场的核心人才并开发相关产品，2018 年公司取得了 1 项基于抛光垫修整器、抛光垫修整装置及抛光系统的发明专利。
编辑：芯智讯-浪客剑
资料来源：
国信证券：《科技创新大时代，半导体 CMP 核 心材料迎来国产化加速期》
兴业证券：《抛光液龙头，半导体材料国产替代确定标的》
中信建投：《半导体材料系列报告（3）抛光液/垫：CMP 工艺关键耗材》
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