半导体国产替代材料 | CMP化学机械抛光（Chemical Mechanical Planarization）-电子发烧友网

一、CMP 工艺与抛光材料的核心价值

化学机械抛光（Chemical Mechanical Planarization，CMP）是半导体制造中实现晶圆表面全局平坦化的关键工艺，通过 “化学腐蚀 + 机械研磨” 的协同作用，去除晶圆表面多余材料，确保后续光刻、沉积等制程的精度。在 7nm 及以下先进制程中，单颗芯片需经历 10-15 次 CMP 步骤，而抛光材料的性能直接决定了晶圆的平整度、缺陷率和良率，是半导体产业链中 “卡脖子” 的关键材料之一。

二、半导体 CMP 抛光材料的核心组成

CMP 抛光材料是一个 “系统级” 组合，主要包括抛光液（Slurry）、抛光垫（Pad）、抛光垫修整器（Conditioner）三大核心组件，三者协同作用决定抛光效果：

1. 抛光液（CMP Slurry）：化学与机械作用的核心载体

抛光液是 CMP 中最关键的耗材，由研磨颗粒、化学添加剂（氧化剂、抑制剂、pH 调节剂等）和去离子水组成，占 CMP 材料成本的 50% 以上。其核心功能是通过化学腐蚀软化晶圆表面材料，同时通过研磨颗粒的机械作用去除腐蚀层，实现精准平坦化。

按应用场景可分为三大类：

• 硅衬底抛光液：用于晶圆衬底（硅片）的粗抛与精抛，以胶体二氧化硅（SiO₂）为主要研磨颗粒，配合弱碱性溶液（pH 9-11），实现纳米级表面粗糙度（Ra<0.1nm）。

• 金属层抛光液：针对铜、钨、铝等金属互连层，如铜抛光液以氧化铝（Al₂O₃）为研磨颗粒，加入 H₂O₂作为氧化剂（将 Cu 氧化为 Cu²⁺），并通过苯并三唑（BTA）抑制过度腐蚀，确保金属线宽精度。

• 介电层抛光液：用于氧化硅（SiO₂）、氮化硅（Si₃N₄）等绝缘层，以氧化铈（CeO₂）为核心颗粒（与 SiO₂反应性强，选择性高），适配浅沟槽隔离（STI）、栅极结构等制程。

2. 抛光垫（CMP Pad）：机械研磨的 “工作面”

抛光垫是晶圆与抛光液接触的介质，主要作用是：① 均匀承载研磨颗粒和抛光液；② 提供机械研磨的压力传导；③ 及时排出抛光产生的碎屑。其性能由材料、结构和硬度决定：

• 材料类型：主流为聚氨酯（PU）（硬度高、耐磨性强，占市场 80%），其次是无纺布 + 树脂复合垫（适用于低压力抛光，减少晶圆损伤）。

• 结构设计：表面多为 “多孔蜂窝状”，孔隙率（20%-40%）影响抛光液的留存与碎屑排出；硬度（Shore D 60-85）需匹配不同材料（如金属抛光用高硬度垫，介电层用中低硬度垫）。

3. 抛光垫修整器（Conditioner）：维持抛光稳定性的 “校准工具”

抛光垫在使用中会因磨损、碎屑堵塞导致表面状态变化（如硬度下降、平整度变差），修整器的作用是通过金刚石颗粒（粒径 50-200μm）对抛光垫表面进行微量切削，恢复其粗糙度和孔隙结构，确保每片晶圆的抛光一致性。

• 关键指标：金刚石颗粒分布均匀性、结合强度（避免颗粒脱落污染晶圆）、使用寿命（通常对应 50-100 片晶圆抛光）。

三、应用场景：覆盖半导体全制程

CMP 抛光材料的应用贯穿半导体制造的 “前道（FEOL）、中道（MOL）、后道（BEOL）” 全流程，具体场景包括：

• 前道制程：硅片衬底平坦化、浅沟槽隔离（STI）抛光、栅极（Gate）材料抛光（如 polysilicon）；

• 中道制程：金属栅极（Metal Gate）抛光、接触孔（Contact）平坦化；

• 后道制程：铜互连层（Damascene 结构）抛光、介质层（ILD）抛光；

• 先进封装：3D IC 堆叠中的晶圆级封装（WLP）表面平坦化、Chiplet 间的键合面抛光。

四、市场格局与发展趋势

1. 市场规模：随先进制程升级快速增长

2024 年全球半导体 CMP 材料市场规模约85 亿美元，其中抛光液占比 55%（约 47 亿美元），抛光垫占 30%（约 25 亿美元），修整器占 15%（约 13 亿美元）。预计到 2028 年，随着 3nm/2nm 制程量产、3D NAND 堆叠层数突破 500 层，市场规模将突破 130 亿美元，年复合增长率（CAGR）达 11%。

2. 竞争格局：海外垄断与国产突破并存

• 国际巨头：长期垄断高端市场，如：

◦ 抛光液：美国 Cabot Microelectronics（全球市占率 35%，主打金属抛光液）、日本 Fujifilm（收购 Hitachi Chemical 后，介电层抛光液领先）；

◦ 抛光垫：美国 Dow（原陶氏化学，市占率 40%，聚氨酯垫技术标杆）、美国 3M（无纺布复合垫龙头）；

◦ 修整器：美国 Applied Materials（设备 + 修整器一体化方案）、日本 Disco。

• 国产进展：中国企业从中低端切入，逐步突破高端市场，如：

◦ 抛光液：安集科技（铜抛光液国内市占率超 20%，进入中芯国际、长江存储供应链）、鼎龙股份（硅衬底抛光液替代进口）；

◦ 抛光垫：华海清科（与天津大学合作，抛光垫产品进入 14nm 制程验证）、天通股份（布局聚氨酯垫量产）。

3. 技术趋势：更高精度、更低缺陷、更环保

• 高选择性抛光：开发 “化学机械协同可控” 的抛光液，减少过抛光（Over-polishing），如针对 3D NAND 的氮化硅 / 氧化硅抛光液，选择性（抛光速率比）需达 100:1 以上；

• 低缺陷化：通过纳米级研磨颗粒（粒径 < 50nm）、无金属离子添加剂（如无铁离子抛光液），降低晶圆表面划痕、金属污染；

• 环保与循环：开发可降解抛光液（生物基添加剂）、抛光垫再生技术（通过激光修整延长寿命），降低碳排放；

• 智能化集成：将传感器嵌入抛光垫 / 修整器，实时监测抛光压力、温度、研磨颗粒浓度，实现闭环控制（如应用于 TSMC 的 “Smart CMP” 系统）。

五、总结

半导体 CMP 抛光材料是先进制程 “微米级精度、纳米级缺陷” 要求的核心保障，其技术壁垒体现在材料配方、微观结构设计与应用场景适配性上。随着中国半导体产业链自主可控需求升级，CMP 材料国产化将迎来加速期，而 “技术创新 + 产业链协同” 是突破海外垄断的关键。未来，适配 EUV 光刻、3D IC 等新技术的 CMP 材料，将成为企业竞争的战略高地。