Deburring tec:CMP加速中国芯片制造,全盘去美化指日可待

发布时间: 09月24日 浏览次数:55

 

2019年中国进口芯片3040亿美元,是进口商品的第一大品类,也就是说,国家出口赚的外汇,主要用来购买芯片了。而如今,美国对华为的打压达到了极限,也导致了华为手机销量在海外市场的急剧下滑。芯片技术是我国现阶段需要突破的关键核心技术。芯片是一个巨大的产业,也不是一两家企业能完成的。目前,在芯片制造最核心的五大关键技术中,除了光刻技术仍在探索研发以外,CMP、刻蚀、离子注入、PVD / CVD 技术均已突破国外技术壁垒并投产使用,尤其是被称为现代电子工业灵魂的CMP技术,在2020年实现了质的飞跃。

 

CMP为何被称为现代电子工业的灵魂?

 

CMP,也称化学机械抛光技术。计算机从几十吨变身为今天的数百克,依靠的是CMP。CMP应用在直接反映一个国家科技领先水平的现代制造业:集成电路制造、医疗器械、汽车配件、数码配件、精密模具、航空航天。在集成电路领域,CMP是一项推动革命的技术,是芯片制造的关键核心技术。

 

化学机械抛光示意图

 

我们日用的手机、电脑、电视运行的主要动力,依靠小小的芯片。地位等同于发动机之于汽车。要制造指甲盖大小的芯片,其难度之大不亚于在指甲盖上建造一座城市。而这座城市庞杂而精细的基础建设就需要超精密抛光来实现——半导体硅片是制作芯片的基底,晶圆是指硅半导体集成电路制作所用的硅晶片。芯片制程越先进,对硅片质量的要求就越高,晶圆制造就需要对硅片表面进行平坦化处理,CMP是目前最有效实现晶圆平坦化的超精密抛光技术。

 

CMP,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,在研磨头的压力作用下进行抛光,最终使硅片表面实现平坦化,进而形成上万至百万晶体管组成的超大规模集成电路。CMP,与光刻、刻蚀、离子注入、PVD / CVD 一起被称为芯片制造最核心的五大关键技术。

 

CMP工艺过程中需要抛光机和抛光材料。CMP抛光材料包括抛光液、抛光垫、调节器、清洁剂和其他材料。

 

化学机械抛光实景图

 

抛光机的核心器件是研磨盘。这种由特殊材料合成的钢盘,不仅要满足自动化操作的纳米级精密度,更要具备精确的热膨胀系数。当抛光机处在高速运转状态时,如果热膨胀作用导致磨盘的热变形,基片的平面度和平行度就无法保证。而这种不能被允许发生的热变形误差不是几毫米或几微米,而是几纳米。

 

抛光液和抛光垫是CMP 的刚需耗材。抛光液是均匀分散胶粒乳白色胶体,主要是为硅片提供机械摩擦及腐蚀溶解。抛光垫具有类似海绵的机械特性和多孔特性,作用主要是传输抛光液,传导压力和打磨发生化学反应的材料表面,通常为影响化学机械抛光的机械因素。

 

CMP长期被外国垄断,国内突破技术封锁

 

回顾2019年,全球半导体市场规模同比下降12.8%,至4089.88亿美元。在政策和资金的支持下,我国集成电路产业发展迅猛,2019年国内集成电路行业销售额为7562.3亿元,2020年有望达到8766亿元。这表明国内市场需求仍然强劲,国内替代过程平稳。为产业链实现整体突破创造条件,核心材料国产化配套势在必行。国内晶圆产能增加及先进制程的发展,将带动CMP抛光材料需求快速增长。

 

2017-2019年芯片行业市场规模(亿元)

数据来源:中研普华产业研究院

 

目前,美国和日本掌控CMP的核心制造技术。日本为了限制了他国仿制,只提供CMP定制服务,不进行批量生产;美国的CMP设备,价格极其昂贵,且限制向中国出口。在国外技术封锁下,我国CMP设备制造技术不断发展,也出现了一批优秀的CMP设备制造企业,华海清科和中电科45所研发300mm晶圆28-14nm“干进干出”CMP整机设备及结合配套材料的成套工艺。华海清科的抛光机已进入中芯国际生产线,同时中电科45所8英寸设正在被中芯国际验证。

 

 

全球芯片抛光液主要被日本Fujimi、HinomotoKenmazai公司,美国卡博特、杜邦、Rodel、Eka,韩国的ACE等所垄断,占据全球90%以上的高端市场份额。在我国,抛光液的进口依赖局面已由安集科技公司打破,为中国“芯”铺平前路,体现了国内逐步的技术突破,以及进口替代市场的巨大。

 

全球抛光垫市场目前主要被陶氏化学公司所垄断,占据全球抛光垫市场76%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。其他10%合计份额被日本东丽、3M、台湾三方化学、卡博特等供应商占据着。在国内,鼎龙股份可以大规模量产CMP 抛光垫,成果打破CMP 抛光垫行业垄断,完成国产替代。

 

近十年来,我国就没有停止对超精密抛光机技术的研究。2009年,我们国家研发的“二氧化铈微球粒度标准物质及其制备技术”试验效果和当前的国际上传统的超精密抛光水平相差无几,填补了该领域空白;2013年,国防科大精密工程团队自主研制出磁流变、离子束两种超精抛光装备,创造出我国光学零件加工领域的亚纳米精度;2015年,国防科大机电工程与自动化学院自主研制的新一代超精密光学零件加工设备,其光学零件面形精度RMS值达到0.361纳米,标志我国超精密光学零件加工技术跨入世界领先行列。

 

2020年,即使在当前美国极力封锁打压中国高科技术公司的背景下,我国依然可以突破超精密抛光机、抛光液和抛光垫的技术壁垒。2020年也是国产晶圆制造企业崛起元年,今后几年国内晶圆厂会继续大幅投产,国产化CMP装备大大提升了中国芯片制造能力。

 

中国芯,未来1-2年将实现全面国产化

 

近日,彭博社在一篇报道中指出,中国计划在2021至2025年期间大力发展国内第三代半导体产业,并赋予该任务如当年制造原子弹一样的高度优先权。2020年,在刻蚀、离子注入、PVD / CVD等芯片制造的最核心关键技术上已有优秀的专业公司卡关。随着华海清科、中电科45所联合研发的28-14nm抛光机在2020年投产,以及上海微电子28nm光刻机即将在2021年交付,大力推进了28nm全国产芯片制造设备生产线的搭建。相信随着国家大力支持半导体产业发展,在以华为为代表的5G手机芯片的需求刺激下,未来1-2年内国产芯片必将取得突破。在打破外国公司垄断和进口依赖同时,中国芯片的全球产能和份额也有望迅速翻番增长。

 

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