中國(guó)粉體網(wǎng)訊 當(dāng)前我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)正快速發(fā)展,，然而與我國(guó)快速增長(zhǎng)的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)規(guī)模不相匹配的卻是：我國(guó)半導(dǎo)體設(shè)備市場(chǎng)大量依賴進(jìn)口,，國(guó)產(chǎn)化率普遍較低,，是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)被“卡脖子”的重災(zāi)區(qū),。
其中,，CMP拋光設(shè)備就是典型被“卡脖子”的高端裝備,。
如此重要的設(shè)備，美日兩家企業(yè)竟壟斷90%以上的市場(chǎng)
集成電路作為信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)與核心,，占半導(dǎo)體總產(chǎn)值的80%以上,，是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)最重要的組成部分，被譽(yù)為“現(xiàn)代工業(yè)的糧食”,，是衡量一個(gè)國(guó)家或地區(qū)現(xiàn)代化程度和綜合實(shí)力的重要標(biāo)志,。
集成電路系采用一定的工藝，把一個(gè)電路中所需的晶體管,、電阻,、電容和電感等元件及它們之間的連接導(dǎo)線全部制作在一小塊半導(dǎo)體晶片如硅片或介質(zhì)基片上，然后焊接封裝在一個(gè)管殼內(nèi),，成為具有所需電路功能的電子器件,。
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集成電路的制造過程好比建多層的樓房，每搭建一樓層都需要讓樓層足夠平坦齊整,，才能在其上方繼續(xù)搭建另一層樓,，否則樓面就會(huì)高低不平，影響整體性能和可靠性,，而能夠有效令集成電路的“樓層”達(dá)到納米級(jí)全局平整的技術(shù)就是化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)（CMP）,。
需要注意的是，集成電路制造的前道,、后道工藝中都離不開CMP技術(shù),，因此，作為實(shí)施該技術(shù)的超精密裝備,，CMP拋光設(shè)備在集成電路制造中扮演著極其重要的角色,，占半導(dǎo)體制造設(shè)備投資的比例約為3%。
半導(dǎo)體制造工藝流程及對(duì)應(yīng)設(shè)備
然而,，當(dāng)前市場(chǎng)狀況是,，全球CMP設(shè)備市場(chǎng)處于高度壟斷狀態(tài)，主要由美國(guó)應(yīng)用材料和日本荏原兩家設(shè)備制造商占據(jù),，兩家制造商合計(jì)擁有全球CMP設(shè)備超過90%的市場(chǎng)份額,，尤其在14nm以下最先進(jìn)制程工藝的大生產(chǎn)線上所應(yīng)用的CMP設(shè)備僅由這兩家國(guó)際巨頭提供。
中國(guó)大陸2022年CMP設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模達(dá)6.66億美元,，但絕大部分高端CMP設(shè)備仍然依賴于進(jìn)口,。目前我國(guó)僅有華海清科、晶亦精微等少數(shù)幾家企業(yè)可量產(chǎn)CMP設(shè)備,，但市場(chǎng)占有率仍然不高，處于加速追趕階段,。
那么,，CMP設(shè)備制造到底難在哪呢,？
技術(shù)密集，多學(xué)科融合
CMP設(shè)備主要依托CMP技術(shù)的化學(xué)-機(jī)械動(dòng)態(tài)耦合作用原理,，通過化學(xué)腐蝕與機(jī)械研磨的協(xié)同配合作用,，實(shí)現(xiàn)晶圓表面多余材料的高效去除與全局納米級(jí)平坦化——全局平整落差5nm以內(nèi)的超高平整度，需保持精密的機(jī)械控制與干濕化學(xué)和機(jī)械間的平衡,，是一種集摩擦學(xué),、表/界面力學(xué)、分子動(dòng)力學(xué),、精密制造,、化學(xué)/化工、智能控制等多領(lǐng)域最先進(jìn)技術(shù)于一體的設(shè)備,，技術(shù)密集,，是集成電路制造設(shè)備中較為復(fù)雜和研制難度較大的專用設(shè)備之一。具體涉及集成電路,、機(jī)械,、材料、物理,、力學(xué),、化學(xué)、化工,、電子,、計(jì)算機(jī)、儀器,、光學(xué),、控制、軟件工程等多學(xué)科知識(shí)的綜合運(yùn)用,，研發(fā)制造難度大,，廠商競(jìng)爭(zhēng)存在較高的技術(shù)壁壘。
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此外,，專利也是CMP設(shè)備行業(yè)的一大準(zhǔn)入壁壘,。2013年之后，CMP專利申請(qǐng)量緩慢增長(zhǎng),，而CMP后清洗專利申請(qǐng)量卻處于下滑狀態(tài),。全球CMP專利申請(qǐng)量總體保持平穩(wěn)，反映了當(dāng)前全球CMP技術(shù)未存在重大技術(shù)革新,，后來者要想追趕必須直面強(qiáng)大的專利壁壘,。
要求“拋得光”、“拋得平”、“停得準(zhǔn)”,、“洗得凈”
據(jù)華海清科相關(guān)資料,，CMP設(shè)備的技術(shù)難點(diǎn)可以分為幾個(gè)方面，第一個(gè)是拋光,，它要求“拋得光”,、“拋得平”，這就需要通過多區(qū)壓力控制等技術(shù)要素去實(shí)現(xiàn),；第二個(gè)就是拋光過程中要求“停得準(zhǔn)”,，因?yàn)榍暗谰A制造都是納米級(jí)的工藝，而且晶圓的拋光本身是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程,，同時(shí)還有震動(dòng),、拋光液等干擾因素，所以對(duì)量測(cè)技術(shù)的要求就非常高,；然后就是拋光后要求“洗得凈”,，CMP設(shè)備是干進(jìn)干出的集成電路制造裝備，在拋光單元完成拋光環(huán)節(jié)后會(huì)有大量的顆粒物以及拋光液等化學(xué)液體,，而且在清洗環(huán)節(jié)當(dāng)中不能夠破壞晶圓的微觀結(jié)構(gòu),，所以就需要非常高要求的清洗技術(shù)。
具體生產(chǎn)中,，CMP是一個(gè)受多因素影響的工藝過程,。拋光盤的轉(zhuǎn)動(dòng)、承載頭的轉(zhuǎn)動(dòng),、修整器的擺動(dòng),、承載頭各分區(qū)的載荷、保持環(huán)壓力,、拋光墊磨損,、拋光液供給、拋光液溫度等因素的微小變化都會(huì)影響拋光結(jié)果的變化,，這對(duì)拋光效果要求極高的集成電路領(lǐng)域來說是極大的考驗(yàn),。
此外，隨著芯片技術(shù)節(jié)點(diǎn)的持續(xù)下降,，對(duì)CMP設(shè)備的平坦化效果,、控制精度、系統(tǒng)集成度和后清洗技術(shù)要求越來越高,。CMP設(shè)備也將向著拋光頭分區(qū)精細(xì)化,、工藝控制智能化、清洗單元多能量組合化,、預(yù)防性維護(hù)精益化的方向發(fā)展,，研發(fā)制造難度將隨之提高,。
構(gòu)造精密，陶瓷等關(guān)鍵零部件技術(shù)難度高
CMP設(shè)備是實(shí)現(xiàn)化學(xué)機(jī)械拋光工藝的全自動(dòng)超精密裝備,，與光刻機(jī)等其它半導(dǎo)體設(shè)備一樣,，CMP設(shè)備真正核心的技術(shù)工藝也需要以精密零部件作為載體來實(shí)現(xiàn),，零部件的精度,、潔凈度、穩(wěn)定性,、可靠性和一致性對(duì)于整機(jī)的工藝性能和質(zhì)量具有較大影響,，這些部件往往具有極高的技術(shù)含量，很多需要從國(guó)外進(jìn)口,。
晶亦精微披露的CMP設(shè)備所需的各類別原材料
例如,，在拋光設(shè)備中，拋光盤是核心部件之一,，超精密拋光對(duì)拋光機(jī)中拋光盤的材料構(gòu)成和技術(shù)要求近乎苛刻,。以往，這種由特殊材料合成的鋼盤,，不僅要滿足自動(dòng)化操作的納米級(jí)精密度,，更要具備精確的熱膨脹系數(shù)。當(dāng)拋光機(jī)處在高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí),，如果熱膨脹作用導(dǎo)致磨盤的熱變形,，基片的平面度和平行度就無法保證。而這種不能被允許發(fā)生的熱變形誤差不是幾毫米或幾微米,，而是幾納米,。美國(guó)日本等國(guó)際頂級(jí)的拋光工藝已經(jīng)可以滿足60英寸基片原材料的精密拋光要求（屬超大尺寸），他們據(jù)此掌控著超精密拋光工藝的核心技術(shù),，牢牢把握了全球市場(chǎng)的主動(dòng)權(quán),。
此外，CMP設(shè)備所用的零部件除了數(shù)量多,，技術(shù)含量高,，所用的材質(zhì)也是五花八門，包括陶瓷,、金屬,、塑料等。
就陶瓷來說,，CMP設(shè)備制造需要一些特殊的精密陶瓷部件,。就上面提到的拋光盤來說，使用陶瓷盤代替鑄鐵盤或鋼盤,，可以避免研磨時(shí)對(duì)晶片的主面造成傷痕或污染,，減少了金屬離子的引入，可減少晶圓的后續(xù)加工量，縮短后續(xù)工序（腐蝕)時(shí)間,，提高生產(chǎn)效率,，而且減少晶圓加工的損耗，大大地提高了晶圓的利用率,。通常采用氧化鋁陶瓷來制備晶圓拋光盤,，要求具有高純度、高化學(xué)耐久性以及良好的表面形狀和粗糙度的控制,。
高純氧化鋁晶圓拋光盤
再比如,，CMP工藝中，晶圓首先從晶圓盒被機(jī)械臂拾取,，為避免晶圓片受到污染,，一般在真空環(huán)境進(jìn)行搬運(yùn)，搬運(yùn)臂需要耐高溫,、耐磨,、并且硬度也需要很高，氧化鋁陶瓷和碳化硅陶瓷都具備致密質(zhì),、高硬度,、高耐磨性的物理性質(zhì)，以及良好的耐熱性能,、優(yōu)良的機(jī)械強(qiáng)度,、高溫環(huán)境仍具有良好的絕緣性、良好的抗腐蝕性等物理性能,，是用于制作半導(dǎo)體設(shè)備機(jī)械手臂的絕佳材料,。
氧化鋁陶瓷搬運(yùn)臂，來源：圣瓷
總之,，以精密陶瓷為代表的零部件是CMP設(shè)備的基石,，而我國(guó)與此相關(guān)的核心原材料供應(yīng)體系尚未完全建立，設(shè)備部分零部件需要依賴進(jìn)口,。雖然中國(guó)一直致力于建立并完善集成電路制造領(lǐng)域的國(guó)產(chǎn)零部件供應(yīng)鏈體系,，但仍然需要一定時(shí)日的支持和培育才能達(dá)到自主可控的目標(biāo)，這在一定程度上影響了CMP設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化推進(jìn),。
參考來源：
[1]晶亦精微,、華海清科招股說明書
[2]半導(dǎo)體材料報(bào)告：化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）設(shè)備與材料國(guó)產(chǎn)替代快速推進(jìn).材料匯
[3]氧化鋁陶瓷：晶圓拋光的"品質(zhì)守門人".中國(guó)粉體網(wǎng)
[4]超精密拋光工藝：現(xiàn)代電子工業(yè)的靈魂.科技日?qǐng)?bào)
（中國(guó)粉體網(wǎng)/山川）
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