中國粉體網訊 當前我國半導體產業正快速發展，然而與我國快速增長的半導體產業規模不相匹配的卻是：我國半導體設備市場大量依賴進口，國產化率普遍較低，是半導體產業被“卡脖子”的重災區。
其中，CMP拋光設備就是典型被“卡脖子”的高端裝備。
如此重要的設備，美日兩家企業竟壟斷90%以上的市場
集成電路作為信息產業的基礎與核心，占半導體總產值的80%以上，是半導體產業最重要的組成部分，被譽為“現代工業的糧食”，是衡量一個國家或地區現代化程度和綜合實力的重要標志。
集成電路系采用一定的工藝，把一個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線全部制作在一小塊半導體晶片如硅片或介質基片上，然后焊接封裝在一個管殼內，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，才能在其上方繼續搭建另一層樓，否則樓面就會高低不平，影響整體性能和可靠性，而能夠有效令集成電路的“樓層”達到納米級全局平整的技術就是化學機械拋光技術（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，因此，作為實施該技術的超精密裝備，CMP拋光設備在集成電路制造中扮演著極其重要的角色，占半導體制造設備投資的比例約為3%。
半導體制造工藝流程及對應設備
然而，當前市場狀況是，全球CMP設備市場處于高度壟斷狀態，主要由美國應用材料和日本荏原兩家設備制造商占據，兩家制造商合計擁有全球CMP設備超過90%的市場份額，尤其在14nm以下最先進制程工藝的大生產線上所應用的CMP設備僅由這兩家國際巨頭提供。
中國大陸2022年CMP設備市場規模達6.66億美元，但絕大部分高端CMP設備仍然依賴于進口。目前我國僅有華海清科、晶亦精微等少數幾家企業可量產CMP設備，但市場占有率仍然不高，處于加速追趕階段。
那么，CMP設備制造到底難在哪呢？
技術密集，多學科融合
CMP設備主要依托CMP技術的化學-機械動態耦合作用原理，通過化學腐蝕與機械研磨的協同配合作用，實現晶圓表面多余材料的高效去除與全局納米級平坦化——全局平整落差5nm以內的超高平整度，需保持精密的機械控制與干濕化學和機械間的平衡，是一種集摩擦學、表/界面力學、分子動力學、精密制造、化學/化工、智能控制等多領域最先進技術于一體的設備，技術密集，是集成電路制造設備中較為復雜和研制難度較大的專用設備之一。具體涉及集成電路、機械、材料、物理、力學、化學、化工、電子、計算機、儀器、光學、控制、軟件工程等多學科知識的綜合運用，研發制造難度大，廠商競爭存在較高的技術壁壘。
圖片來源：華海清科
此外，專利也是CMP設備行業的一大準入壁壘。2013年之后，CMP專利申請量緩慢增長，而CMP后清洗專利申請量卻處于下滑狀態。全球CMP專利申請量總體保持平穩，反映了當前全球CMP技術未存在重大技術革新，后來者要想追趕必須直面強大的專利壁壘。
要求“拋得光”、“拋得平”、“停得準”、“洗得凈”
據華海清科相關資料，CMP設備的技術難點可以分為幾個方面，第一個是拋光，它要求“拋得光”、“拋得平”，這就需要通過多區壓力控制等技術要素去實現；第二個就是拋光過程中要求“停得準”，因為前道晶圓制造都是納米級的工藝，而且晶圓的拋光本身是一個動態的過程，同時還有震動、拋光液等干擾因素，所以對量測技術的要求就非常高；然后就是拋光后要求“洗得凈”，CMP設備是干進干出的集成電路制造裝備，在拋光單元完成拋光環節后會有大量的顆粒物以及拋光液等化學液體，而且在清洗環節當中不能夠破壞晶圓的微觀結構，所以就需要非常高要求的清洗技術。
具體生產中，CMP是一個受多因素影響的工藝過程。拋光盤的轉動、承載頭的轉動、修整器的擺動、承載頭各分區的載荷、保持環壓力、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影響拋光結果的變化，這對拋光效果要求極高的集成電路領域來說是極大的考驗。
此外，隨著芯片技術節點的持續下降，對CMP設備的平坦化效果、控制精度、系統集成度和后清洗技術要求越來越高。CMP設備也將向著拋光頭分區精細化、工藝控制智能化、清洗單元多能量組合化、預防性維護精益化的方向發展，研發制造難度將隨之提高。
構造精密，陶瓷等關鍵零部件技術難度高
CMP設備是實現化學機械拋光工藝的全自動超精密裝備，與光刻機等其它半導體設備一樣，CMP設備真正核心的技術工藝也需要以精密零部件作為載體來實現，零部件的精度、潔凈度、穩定性、可靠性和一致性對于整機的工藝性能和質量具有較大影響，這些部件往往具有極高的技術含量，很多需要從國外進口。
晶亦精微披露的CMP設備所需的各類別原材料
例如，在拋光設備中，拋光盤是核心部件之一，超精密拋光對拋光機中拋光盤的材料構成和技術要求近乎苛刻。以往，這種由特殊材料合成的鋼盤，不僅要滿足自動化操作的納米級精密度，更要具備精確的熱膨脹系數。當拋光機處在高速運轉狀態時，如果熱膨脹作用導致磨盤的熱變形，基片的平面度和平行度就無法保證。而這種不能被允許發生的熱變形誤差不是幾毫米或幾微米，而是幾納米。美國日本等國際頂級的拋光工藝已經可以滿足60英寸基片原材料的精密拋光要求（屬超大尺寸），他們據此掌控著超精密拋光工藝的核心技術，牢牢把握了全球市場的主動權。
此外，CMP設備所用的零部件除了數量多，技術含量高，所用的材質也是五花八門，包括陶瓷、金屬、塑料等。
就陶瓷來說，CMP設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，可以避免研磨時對晶片的主面造成傷痕或污染，減少了金屬離子的引入，可減少晶圓的后續加工量，縮短后續工序（腐蝕)時間，提高生產效率，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械臂拾取，為避免晶圓片受到污染，一般在真空環境進行搬運，搬運臂需要耐高溫、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、高硬度、高耐磨性的物理性質，以及良好的耐熱性能、優良的機械強度、高溫環境仍具有良好的絕緣性、良好的抗腐蝕性等物理性能，是用于制作半導體設備機械手臂的絕佳材料。
氧化鋁陶瓷搬運臂，來源：圣瓷
總之，以精密陶瓷為代表的零部件是CMP設備的基石，而我國與此相關的核心原材料供應體系尚未完全建立，設備部分零部件需要依賴進口。雖然中國一直致力于建立并完善集成電路制造領域的國產零部件供應鏈體系，但仍然需要一定時日的支持和培育才能達到自主可控的目標，這在一定程度上影響了CMP設備的國產化推進。
參考來源：
[1]晶亦精微、華海清科招股說明書
[2]半導體材料報告：化學機械拋光（CMP）設備與材料國產替代快速推進.材料匯
[3]氧化鋁陶瓷：晶圓拋光的"品質守門人".中國粉體網
[4]超精密拋光工藝：現代電子工業的靈魂.科技日報
（中國粉體網/山川）
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