2018年10月16日

半导体抛光工艺核心耗材壁垒极高

化学机械抛光(chemical mechanicalpolishing, CMP)是集成电路(IC)制造过程中的关键技术,使用化学腐蚀及机械力对加工过程的单晶硅片和金属布线层进行平坦化。

它不但能够对硅片表面进行局部处理,同时也可以对整个硅片表面进行平坦化处理, 是目前唯一能兼顾表面的全局和局部平坦化的技术。

▲CMP工艺原理

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在整个半导体材料中,抛光材料仅次于硅片、电子气体和掩膜板,占比7%,是晶圆制造的重要要材料之一。

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,而抛光液和抛光垫又占CMP材料细分市场的80%以上,是CMP工艺的核心材料。



CMP材料在晶圆制造材料中占比

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▲CMP抛光垫具有极高的壁垒和产品附加值

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●技术壁垒高

美国和日本等国际巨头利用先发优势在研发和生产方面不断革新,同时实行严格的专利保护封锁技术防止外泄,构筑难以突破的技术壁垒。


●客户认证周期长

承载芯片的硅晶圆附加值极高。全自动流水线效率极高的情况下,每分每秒对半导体芯片厂都十分珍贵,原材料带来不确定性的损失驱使半导体芯片厂对每一家供应商的审核和认证门槛极高认证周期也较长。


●寡头垄断

由于科技含量极高, CMP抛光垫研发所需的资金投入也是比较大的,一些较小的供应商,无法承受巨大的研发投入而被迫放弃高端市场。


●更新换代快

不同于传统行业。半导体的发展路径由摩尔定律决定,平均来说半导体芯片每18个月性能就要翻倍一次,由此所需要的原材料的更新换代频率也是极快。



行业龙头垄断国际市场

根据SEMI的统计数据,2016年全球CMP抛光材料市场规模达到16.1亿美元,估算2017年达到17.2亿美元,2016年中国抛光材料的市场份额约占全球的20%,市场规模约为23亿人民币。

近年来一直保持较为稳定增长,预计未来能保持4%的年均增长率,到2020年全球市场规模达到19亿美元以上,其中抛光液的市场规模有望在2020年突破12亿美元的市场规模,是带动抛光耗材市场成长主要动力。


▲全球CMP材料市场规模(亿美元)

▲我国CMP抛光材料市场规模(亿元)

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全球CMP抛光垫几乎全部被陶氏所垄断。陶氏公司占据全球抛光垫市场79%的市场份额,在细分集成电路芯片和蓝宝石两个高端领域更是占据90%的市场份额。此外,3M、卡博特、日本东丽、台湾三方化学等可生产部分芯片用抛光垫。

▲陶氏垄断全球CMP抛光垫市场

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全球芯片抛光液生产企业主要被美国卡博特、美国陶氏杜邦、美国Versum、日本 Fujimi、日本Nitta Haas、 韩国ACE等所垄断,占据全球90%以上的高端市场份额。

中国市场方面,不锈钢、铝、钨等中低端的抛光液基本实现国产化,高端抛光液技术也已有所突破,但是市场规模较小,在市场中占有率较低。抛光垫方面,中国国产高端抛光垫市占率为零,本土企业仍处于尝试突破阶段。

目前国内企业还没有能够生产集成电路的抛光垫,本土企业的空白亟待弥补。


国内外主要生产企业

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卡伯特微电子

卡伯特微电子(Cabot Microelectronics)专门从事抛光液和抛光材料的生产,产品包括高性能抛光浆料以及抛光研磨垫,适用于高级半导体晶片、先进集成电路、刚性磁盘网络元件等。目前公司是全球第一大CMP抛光液和第二大CMP抛光垫供应商。


2017年营业收入5.1亿美元,毛利率高达50.11%。2018年8月15日,卡伯特微电子以16亿美元的价格收购KMG化学,合并后年收入10亿美元。


▲Cabot公司CMP研磨液全球市场占比

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陶氏化学

陶氏化学(Dow Chemical)公司主要研制及生产系列化工产品、塑料及农化产品,其产品广泛应用于建筑、水净化、造纸、药品、交通、食品包装、家居用品和个人护理等领域。

2016财年,公司消费者解决方案部门实现净销售额54.55亿美元,占公司销售额11%,该部门包括四个全球业务:消费者关怀、陶氏汽车系统、陶氏电子材料和消费者解决方案-有机硅。

因此可知,公司实现电子材料净销售额约为13.6亿美元,包括半导体化学机械平面化(CMP)材料、电子显示器、电子膜、滤光片和OLED的材料等。

▲2016年合并前公司收入结构

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2017年和杜邦合并后,陶氏杜邦实现净销售收入624.84亿美元。陶氏CMP抛光垫几乎垄断全球市场,接近80%。2017年CMP材料所在Electronics&Images部门收入47.75亿美元。

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鼎龙股份

旗下全资子公司湖北鼎汇微电子材料有限公司是一家从事微电子材料、半导体材料、光电显示材料、光电子元器件等研发、制造与销售的技术创新型企业。

其中CMP抛光垫项目一期计划规模为年产10万片,项目已于2016年8月建成并开始试生产,有望实现工业化量产。

作为国内第一家全系列CMP抛光垫生产商,公司有望率先实现CMP抛光垫的进口替代。

总结:

目前CMP抛光材料基本被国外企业垄断,尤其美国企业,中美两国政治博弈的不确定性,凸显了半导体CMP抛光垫国产化的紧迫性。中兴通讯受到美国商务部制裁的案例仍历历在目,只有掌握产业链上核心关键环节, 我国集成电路的发展才不会被国外垄断者“卡脖子”。

伴随全球半导体行业的第三次转移,中国大陆晶圆长投资加快,与之配套的电子化学品国产化替代空间巨大,CMP抛光材料作为晶圆制造的关键材料,实现国产势在必行。