www.188betkr.com 讯 当前我国半导体产业正快速发展，然而与我国快速增长的半导体产业规模不相匹配的却是：我国半导体设备市场大量依赖进口，国产化率普遍较低，是半导体产业被“卡脖子”的重灾区。
其中，CMP抛光设备就是典型被“卡脖子”的高端装备。
如此重要的设备，美日两家企业竟垄断90%以上的市场
集成电路作为信息产业的基础与核心，占半导体总产值的80%以上，是半导体产业最重要的组成部分，被誉为“现代工业的粮食”，是衡量一个国家或地区现代化程度和综合实力的重要标志。
集成电路系采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及它们之间的连接导线全部制作在一小块半导体晶片如硅片或介质基片上，然后焊接封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的电子器件。
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集成电路的制造过程好比建多层的楼房，每搭建一楼层都需要让楼层足够平坦齐整，才能在其上方继续搭建另一层楼，否则楼面就会高低不平，影响整体性能和可靠性，而能够有效令集成电路的“楼层”达到纳米级全局平整的技术就是化学机械抛光技术（CMP）。
需要注意的是，集成电路制造的前道、后道工艺中都离不开CMP技术，因此，作为实施该技术的超精密装备，CMP抛光设备在集成电路制造中扮演着极其重要的角色，占半导体制造设备投资的比例约为3%。
半导体制造工艺流程及对应设备
然而，当前市场状况是，全球CMP设备市场处于高度垄断状态，主要由美国应用材料和日本荏原两家设备制造商占据，两家制造商合计拥有全球CMP设备超过90%的市场份额，尤其在14nm以下最先进制程工艺的大生产线上所应用的CMP设备仅由这两家国际巨头提供。
中国大陆2022年CMP设备市场规模达6.66亿美元，但绝大部分高端CMP设备仍然依赖于进口。目前我国仅有华海清科、晶亦精微等少数几家企业可量产CMP设备，但市场占有率仍然不高，处于加速追赶阶段。
那么，CMP设备制造到底难在哪呢？
技术密集，多学科融合
CMP设备主要依托CMP技术的化学-机械动态耦合作用原理，通过化学腐蚀与机械研磨的协同配合作用，实现晶圆表面多余材料的高效去除与全局纳米级平坦化——全局平整落差5nm以内的超高平整度，需保持精密的机械控制与干湿化学和机械间的平衡，是一种集摩擦学、表/界面力学、分子动力学、精密制造、化学/化工、智能控制等多领域最先进技术于一体的设备，技术密集，是集成电路制造设备中较为复杂和研制难度较大的专用设备之一。具体涉及集成电路、机械、材料、物理、力学、化学、化工、电子、计算机、仪器、光学、控制、软件工程等多学科知识的综合运用，研发制造难度大，厂商竞争存在较高的技术壁垒。
图片来源：华海清科
此外，专利也是CMP设备行业的一大准入壁垒。2013年之后，CMP专利申请量缓慢增长，而CMP后清洗专利申请量却处于下滑状态。全球CMP专利申请量总体保持平稳，反映了当前全球CMP技术未存在重大技术革新，后来者要想追赶必须直面强大的专利壁垒。
要求“抛得光”、“抛得平”、“停得准”、“洗得净”
据华海清科相关资料，CMP设备的技术难点可以分为几个方面，第一个是抛光，它要求“抛得光”、“抛得平”，这就需要通过多区压力控制等技术要素去实现；第二个就是抛光过程中要求“停得准”，因为前道晶圆制造都是纳米级的工艺，而且晶圆的抛光本身是一个动态的过程，同时还有震动、抛光液等干扰因素，所以对量测技术的要求就非常高；然后就是抛光后要求“洗得净”，CMP设备是干进干出的集成电路制造装备，在抛光单元完成抛光环节后会有大量的颗粒物以及抛光液等化学液体，而且在清洗环节当中不能够破坏晶圆的微观结构，所以就需要非常高要求的清洗技术。
具体生产中，CMP是一个受多因素影响的工艺过程。抛光盘的转动、承载头的转动、修整器的摆动、承载头各分区的载荷、保持环压力、抛光垫磨损、抛光液供给、抛光液温度等因素的微小变化都会影响抛光结果的变化，这对抛光效果要求极高的集成电路领域来说是极大的考验。
此外，随着芯片技术节点的持续下降，对CMP设备的平坦化效果、控制精度、系统集成度和后清洗技术要求越来越高。CMP设备也将向着抛光头分区精细化、工艺控制智能化、清洗单元多能量组合化、预防性维护精益化的方向发展，研发制造难度将随之提高。
构造精密，陶瓷等关键零部件技术难度高
CMP设备是实现化学机械抛光工艺的全自动超精密装备，与光刻机等其它半导体设备一样，CMP设备真正核心的技术工艺也需要以精密零部件作为载体来实现，零部件的精度、洁净度、稳定性、可靠性和一致性对于整机的工艺性能和质量具有较大影响，这些部件往往具有极高的技术含量，很多需要从国外进口。
晶亦精微披露的CMP设备所需的各类别原材料
例如，在抛光设备中，抛光盘是核心部件之一，超精密抛光对抛光机中抛光盘的材料构成和技术要求近乎苛刻。以往，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。美国日本等国际顶级的抛光工艺已经可以满足60英寸基片原材料的精密抛光要求（属超大尺寸），他们据此掌控着超精密抛光工艺的核心技术，牢牢把握了全球市场的主动权。
此外，CMP设备所用的零部件除了数量多，技术含量高，所用的材质也是五花八门，包括陶瓷、金属、塑料等。
就陶瓷来说，CMP设备制造需要一些特殊的精密陶瓷部件。就上面提到的抛光盘来说，使用陶瓷盘代替铸铁盘或钢盘，可以避免研磨时对晶片的主面造成伤痕或污染，减少了金属离子的引入，可减少晶圆的后续加工量，缩短后续工序（腐蚀)时间，提高生产效率，而且减少晶圆加工的损耗，大大地提高了晶圆的利用率。通常采用氧化铝陶瓷来制备晶圆抛光盘，要求具有高纯度、高化学耐久性以及良好的表面形状和粗糙度的控制。
高纯氧化铝晶圆抛光盘
再比如，CMP工艺中，晶圆首先从晶圆盒被机械臂拾取，为避免晶圆片受到污染，一般在真空环境进行搬运，搬运臂需要耐高温、耐磨、并且硬度也需要很高，氧化铝陶瓷和碳化硅陶瓷都具备致密质、高硬度、高耐磨性的物理性质，以及良好的耐热性能、优良的机械强度、高温环境仍具有良好的绝缘性、良好的抗腐蚀性等物理性能，是用于制作半导体设备机械手臂的绝佳材料。
氧化铝陶瓷搬运臂，来源：圣瓷
总之，以精密陶瓷为代表的零部件是CMP设备的基石，而我国与此相关的核心原材料供应体系尚未完全建立，设备部分零部件需要依赖进口。虽然中国一直致力于建立并完善集成电路制造领域的国产零部件供应链体系，但仍然需要一定时日的支持和培育才能达到自主可控的目标，这在一定程度上影响了CMP设备的国产化推进。
参考来源：
[1]晶亦精微、华海清科招股说明书
[2]半导体材料报告：化学机械抛光（CMP）设备与材料国产替代快速推进.材料汇
[3]氧化铝陶瓷：晶圆抛光的"品质守门人".www.188betkr.com
[4]超精密抛光工艺：现代电子工业的灵魂.科技日报
（www.188betkr.com /山川）
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