CMP抛光垫

化学机械抛光（CMP），目前已成为公认的纳米级全局平坦化精密超精密加工技术。CMP技术将磨粒的机械研磨作用与氧化剂的化学作用有机地结合起来，可实现超精密无损伤表面加工，满足集成电路特征尺寸在0.35μm以下的全局平坦化要求。

图1 晶圆制造过程

CMP技术所采用的设备及消耗品包括：抛光机、抛光浆料、抛光垫、后CMP清洗设备、抛光终点检测及工艺控制设备、废物处理和检测设备等。抛光机、抛光浆料和抛光垫是CMP工艺的3大关键要素，其性能和相互匹配决定CMP能达到的表面平整水平。其中抛光浆料和抛光垫为消耗品。通常一个抛光垫使用寿命约仅为45至75小时。

图2 CMP工作系统

CMP抛光垫，又称CMP研磨垫，英文名为CMP Pad，主要用于半导体和蓝宝石等方面。CMP抛光垫由含有填充材料的聚氨酯材料组成，用来控制毛垫的硬度。抛光垫的表面微凸起直接与晶片接触产生摩擦，以机械方式去除抛光层在离心力的作用下，将抛光液均匀地抛洒到抛光垫的表面，以化学方式去除抛光层，并将反应产物带出抛光垫。抛光垫的性质直接影响晶片的表面质量，是关系到平坦化效果的直接因素之一。

CMP是提供超大规模集成电路制造过程中表面平坦化的一种新技术，于1965年首次由美国的Monsanto提出，最初是用于获取高质量的玻璃表面。自从1991年IBM将CMP成功应用到64M DRAM的生产中以后，CMP技术在世界各地迅速发展起来。区别于传统的纯机械或纯化学的抛光方法，CMP通过化学的和机械的综合作用，从而避免了由单纯机械抛光造成的表面损伤和由单纯化学抛光易造成的抛光速度慢、表面平整度和抛光一致性差等缺点。它利用了磨损中的“软磨硬”原理，即用较软的材料来进行抛光以实现高质量的表面抛光。在一定压力及抛光浆料存在下，被抛光工件相对于抛光垫作相对运动，借助于纳米粒子的研磨作用与氧化剂的腐蚀作用之间的有机结合，在被研磨的工件表面形成光洁表面。CMP技术最广泛的应用是在集成电路（IC）和超大规模集成电路中（ULSI）对基体材料硅晶片的抛光。而国际上普遍认为，器件特征尺寸在0.35μm以下时，必须进行全局平面化以保证光刻影像传递的精确度和分辨率，而CMP是目前几乎唯一的可以提供全局平面化的技术，其应用范围正日益扩大。

目前全球生产半导体抛光垫的企业主要是陶氏（罗门哈斯），其垄断了集成电路芯片所需抛光垫约79%的市场份额。国外其他生产商有美国卡博特、日本东丽、台湾智胜科技有限公司、日本Fujibo Holdings, Inc、韩国KPX Chemical Co., Ltd.、日本Nitta-Haas Incorporated等。

国内企业在化学机械抛光领域起步较晚，目前与国际先进水平仍有较大差距，国内有少数企业采用国外公司主要是3M技术少量生产中低端产品，但缺乏独立自主知识产权和品牌，庞大的国内市场完全被外资产品所垄断。

美国、日本、德国和韩国的抛光垫相关专利申请量在2003~2006年达到高峰，我国相关专利申请项自2000年起步，2003年开始呈现稳步增长态势，表明我国在化学机械抛光技术领域的研发力度逐渐增强，在半导体特征尺寸逐渐向小型化方向发展的态势下，在加工过程中需要对化学机械平坦化过程进行监控，我国中芯国际率先取得突破，提出了涉及化学机械抛光终点侦测装置和方法。2016年8月湖北鼎龙控股股份有限公司采用自主技术建设的一期10万片/年项目投产，2017年底进入芯片客户系统，标志着我国自主技术CMP垫真正进入芯片市场。到目前为止，我国已经有近10家生产商。

我国半导体用CMP垫片主要生产企业情况 单位：万片/年

此外，湖北鼎龙控股股份有限公司计划建设二期40万片/年项目；2016年11月，宁波江丰电子材料股份有限公司和美国嘉柏微电子材料股份有限公司正式宣布就半导体集成电路化学机械研磨用（CMP）抛光垫项目进行合作；2017年12月投产的苏州观胜半导体科技有限公司也有进一步扩能的计划。

以中美贸易争端为契机，预计未来几年我国半导体产业将飞速发展，处于短板的相关材料产业也将迎来国产化机遇。

根据国际半导体协会（SEMI）发布的报告预计，2020年之前全球将新建62座晶圆厂，而中国大陆地区将占26座。晶圆建厂浪潮将拉动CMP抛光垫需求激增。合格的国产材料将具有明显的价格和服务等优势，由中国大陆地区引领的建厂热潮有望驱动国内半导体材料厂商加速发展，CMP抛光垫作为半导体核心材料之一，国产化进度有望提速。

目前CMP垫基材为聚氨酯，生产工艺主要为聚醚多元醇（或聚酯型多元醇、聚丙烯醚二醇等）真空脱水后，加入异氰酸酯，制备预聚体。部分多元醇加入扩链剂、发泡剂、各种助剂、抛光粉，混合搅拌发泡后加入预聚体重，注入模具，然后冷却、切片。

我国半导体产值约占世界总产值的五分之一，而且保持继续增长的态势。但是我国在许多关键材料方面近乎空白，存在巨大风险。我国CMP抛光垫对外依赖率为94.5%，也属于高风险产品。抛光垫作为抛光工艺的技术核心和价值核心，技术壁垒高、认证时间久，更是我国必须发展自有生产技术的产品，其战略意义不可估量。