睿观点 | 科技发展迎重大机遇,国产替代势在必行!

发布时间:2019-03-15 浏览次数:409次

华睿投资 丨 《睿观点》系列

睿智创造价值  服务助推成长

文 | 先进装备投资总监 王海栋


自中兴事件以来,国内对于先进科技领域的自主化呼声就愈来愈高;尤其是集成电路,作为技术最密集的行业之一,受到广泛关注。尖端芯片的生产制造绕不开两个核心点,生产设备(保证工艺)和特种材料,这两个领域技术门槛高,同时也是行业制高点,可以起到控制他国集成电路发展速度的作用。虽然从02专项开始,国家在这两个方向上每年投入数十亿专项资金扶持,但是收效甚微;业界也一度认为这两个核心环节只适合国有资金参与,不过经过我们的分析研究,在半导体七大核心前端设备中,CMP是最适合民营资本参与的项目之一。下面我们对于七大核心设备中的化学研磨设备(CMP)进行详细介绍:


 一、为什么CMP设备越来越重要?


硅表面起伏问题

随着半导体尺寸不断减小,布线层数不断增加,对平坦化的要求也相应愈加变高。如果平坦化处理未到位,同层金属薄膜由于厚度不均导致电阻值不同,引起电致迁移造成电路短路。起伏不平的晶片表面还会使得光刻时无法准确对焦,导致线宽控制失效,严重限制了布线层数,降低集成电路的使用性能。

一、未平坦化

二、局部平坦化:完全填充较小缝隙或局部区域。相对于平整区域的总台阶高度未显著减小。


三、全部平坦化:局部平坦化且整个硅片表面总台阶高度显著减小。

CMP的作用

CMP技术即化学机械抛光,是目前效果最好、应用最广泛的平坦化技术。在不同平坦化技术的比较中,CMP技术的平坦技术表现远超过其他技术, 是目前能够实现有效全局平坦化的唯一技术。目前产业内对于0.35um及以下的器件必须进行全局平坦化,而 CMP 技术具有能够全局平坦化、能够平坦化不同的材料、能去除表面缺陷、改善金属台阶覆盖及其相关可靠性、使更小的芯片尺寸增加层数变为可能等多重优点,因此得到了广泛的认可和应用。


 二、CMP设备中需要关注的点

CPM主要影响因素

1.工艺参数:

抛光速度:要选择合适的抛光速度,若抛光速度过高,使抛光液的润滑作用过强,材料去除率可能会下降,并且容易造成过抛,引起芯片断路,造成灾难性的后果,或引起缺陷,影响全局平整化效果。

抛光压力:在抛光过程中,压力必须分布均匀,会造成表面各点的抛光速率不同,引起缺陷。

抛光液流量:如果抛光液流量过低,不能及时带走抛光下来的化学反应物,如果抛光液流量过高,不经济。

抛光时间:为防止过抛,根据去除率选择抛光时间,一般为1-3分钟。

2.抛光液:

抛光液的成分决定着抛光液的性能,影响其成分的主要因素有络合剂、表面活性剂、氧化剂、pH值等。

络合剂:能与金属离子形成络合离子的化合物,在CMP中主要作用是与表面的氧化物结合生成可溶性物质,防止对抛光表面产划伤。

表面活性剂:以适当的浓度和形式存在于环境(介质)中时,可以减缓或加速材料腐蚀,得到较好的表面平坦化效果。

氧化剂:能够快速地在加工表面形成一层软氧化膜,表面膜的存在可以降低表面的硬度,便于后续的机械去除,从而提高抛光效率和表面平整度。

pH值:决定了最基本的抛光加工环境,会对表面膜的形成、材料的去除分解及溶解度、抛光液的粘性等方面造成影响。

3.抛光垫:

抛光垫则是抛光液外的另一个重要消耗材。由于集成电路工艺的目的是平坦化,不同于传统光学玻璃与硅晶片的抛光作用。平坦化的作用即要将晶片表面轮廓凸出部份削平,达到全面平坦化。理想的抛光垫是触及凸出面而不触及凹面,达到迅速平坦化的效果。因此光学玻璃所使用的抛光垫,并不适合集成电路平坦化的工艺需求。就抛光垫的应用言,对材料化学性质的需求较为单纯,一般只要耐酸碱,有一定的稳定性。但对其物理性质的要求较为严格。

CMP设备中的难点

1. 速率的变异最小化

在晶圆表面堆叠的不同薄膜各自具有不同的硬度,需以不同的速率进行研磨。这可能会导致「凹陷」现象,也就是较软的部分会凹到较硬材料的平面之下。为了弥补这个情形,可添加化学物 (也就是CMP中的C) 使较硬和较软材料之间的材料去除速率的变异最小化。

2.抛光温度控制

抛光盘做功,温度升高,从而加快化学反应速度,造成化学作用与机械作用均无法达到满足实际需要的平衡点,因而抛光去除率会出现不均匀情况。故需要利用温度计进行实时检测,用冷却控制单元实施有效控制,获得恒温冷却循环水,控制抛光盘温度。

3.多个点持续地量测薄膜厚度

不论进来的薄膜的均匀度如何,为确保从整个300mm晶圆均匀地移除物质,以及製程会停止在正确点上以免把关键的底层功能也研磨掉,应用材料公司开发了先进的控制系统,能在整个晶圆的多个点持续地量测薄膜厚度,并每秒调整研磨下压力多次,每次都让每片晶圆有一致的研磨结果。

4.批量生产的需要

整个的CMP制程只要短短的30秒就能完成,包括退出CMP系统前在洗涤、冲洗和干燥晶圆制程中进行后研磨清洁。


 三、CMP的市场竞争

根据technavio的统计数据,2016年全球CMP设备市场规模为14亿美金,其中300mm设备超过9亿美金,预计到2021年,全球CMP设备市场将增长到19亿美金,其中亚洲市场有望超过16亿美金。

CMP抛光机需求量大,集中度高,目前美国公司AMAT和日本公司EBARA两家公司合计市占率超90%。国内生产CMP设备的团队主要是华海清科、中电48所和杭州众硅,目前华海清科的设备主要用于硅片前处理,中电48所的项目负责人顾海洋在完成02专项结题后离职创立了杭州众硅,目前杭州众硅已经完成了200mm的样机。

晶圆设备国产化势在必行。目前CMP200mm的专利全部已经过期,300mm的专利部分过期,又恰逢国内晶圆厂建设潮,目前时间点是一个非常好的切入时机。

CMD设备对于半导体工艺更新的要求并不如光刻机、刻蚀机、薄膜设备等敏感,这使得项目的研发投入大大减少。设备国产化,需避免闭门造车的窘境,机械行业属于典型的创新难、更新慢的行业,借鉴AMAT和EBARA的技术,聘任其团队,能避免很多弯路,大幅增加项目成功率。


四、华睿的先进装备布局

装备业是国民经济的基础,华睿投资始终把装备产业放在优先的投资方向。

在能源装备方向,华睿投资先后投资民营水轮发电机组装备龙头浙富股份、风电自主创新代表运达风电、火电关键部件申科股份以及LED装备中为光电,其中浙富股份(002266)已经于2008年上市,申科股份(002633)于2011年上市,运达股份已经上市申报,中为光电被晶盛机电收购。

在数控机床领域,华睿投资先后投资慈星数控、凯达数控等关键企业,慈星股份(300307)已于2012年上市,凯达机床也已经成为国家数控车床的代表性企业。

在机器人方向,华睿投资把机器人关键零部件作为投资重点,华睿投资项目深圳雷赛科技在机器人伺服、控制、驱动三个重要产业节点拥有话语权,增长迅速,已经成为一家准上市公司。

在工业检测装备领域,华睿投资先后投资远方光电、安车检测、赤霄科技等项目,远方光电(300306)是照明领域当之无愧的全球领军企业,安车检测(300572)是车辆检测领域当之无愧的领军企业,赤霄科技是表面质量检测的后起之秀。

在医疗装备方向,华睿先后投资美时医疗、诺尔康神经电子、法博激光等项目,分别在宠物核磁共振、儿科核磁共振、妇科核磁共振、人工耳蜗、激光微创手术刀等领域已经崭露头角。

未来,华睿投资将以更加清晰的战略与更为稳健的步伐,投出更多具有高价值的项目。

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