半导体制造关键工艺装备CMP全球双寡头格局，国产装备崛起

半导体制造关键工艺装备CMP全球双寡头格局，国产装备崛起

概述

CMP 设备是半导体制造的关键工艺装备之一。CMP 是集成电路制造大生产上产出效率最高、技术最成熟、应用最广泛的纳米级全局平坦化表面制造设备，并且在较长时间内不存在技术迭代周期。而且随着芯片制造技术发展，CMP 工艺在集成电路生产流程中的应用次数逐步增加，将进一步增加 CMP 设备的需求。根据 SEMI，2018 年全球 CMP设备的市场规模 18.42 亿美元，约占晶圆制造设备 4%的市场份额，其中中国大陆 CMP 设备市场规模 4.59 亿美元。另外，CMP 设备是使用耗材较多、核心部件有定期维保更新需求的制造设备之一；除了用于晶圆制造，CMP 还是晶圆再生工艺的核心设备之一，CMP 设备厂商有望向上游耗材、下游服务领域延伸。

全球双寡头格局，国产装备崛起。根据 Gartner 数据，2017 年美国应用材料和日本荏原两家公司合计占有全球 90%以上市场份额。国内CMP 市场，目前在高端市场部分，绝大部分仍然依赖于进口，在 14nm以下最先进制程工艺的大生产线上所应用的 CMP 设备仅由美国应用材料和日本荏原两家国际巨头提供。应用材料与日本荏原分别已实现5nm 制程和部分材质 5nm 制程的工艺应用；但是在成熟制程领域，以华海清科为代表的国内企业已经打破了国外巨头常年垄断的局面，并且已经在国内 CMP 市场占据了重要份额。

一、CMP“小而美”的半导体关键工艺装备

（一）CMP 设备是半导体制造的关键工艺装备之一

CMP（Chemical Mechanical Polishing，化学机械抛光）是半导体制造过程中实现晶圆全局均匀平坦化的关键工艺。晶圆制造过程主要包括7个相互独立的工艺流程光刻、刻蚀、薄膜生长、扩散、离子注入、化学机械抛光、金属化。作为晶圆制造的关键制程工艺之一，化学机械抛光指的是，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。

由于目前集成电路元件普遍采用多层立体布线，集成电路制造的前道工艺环节需要进行多层循环。在此过程中，需要通过CMP工艺实现晶圆表面的平坦化。简单的理解，如果把芯片制造过程比作建造高层楼房，每搭建一层楼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，否则楼面就会高低不平，影响整体性能和可靠性。而CMP就是能有效令集成电路的“楼层”达到纳米级全局平整的一种关键工艺技术。集成电路制造是CMP设备应用的最主要的场景，重复使用在薄膜沉积后、光刻环节之前；除了集成电路制造，CMP设备还可以用于硅片制造环节与先进封装领域。

当前CMP已经广泛应用于集成电路制造中对各种材料的高精度抛光。按照被抛光的材料类型，具体可以划分为三大类（1）衬底主要是硅材料。（2）金属包括Al/Cu金属互联层，Ta/Ti/TiN/TiNxCy等扩散阻挡层、粘附层。（3）介质包括SiO2/BPSG/PSG等ILD（层间介质），SI3N4/SiOxNy等钝化层、阻挡层。其中，在90~65nm节点，浅槽隔离(STI)、绝缘膜、铜互连层是CMP的主要研磨对象；进入28nm后，逻辑器件的晶体管中引入高k金属栅结构（HKMG），因而同时引入了两个关键的平坦化应用，包括虚拟栅开口CMP工艺和替代金属栅CMP工艺。

STI-CMP浅槽隔离（STI）氧化硅抛光。在硅晶片上以反应性蚀刻形成沟槽后，以化学气相沉积的方式沉积二氧化硅膜再将未被埋入凹沟内的二氧化硅膜以CMP去除。这样就可以用二氧化硅膜作为元器件间的隔离，再用抛光速度相对缓慢的膜(例如氮化硅膜)来作为CMP的研磨停止层(Stoplayer)。

ILD-CMP/IMD-CMPILD-CMP指的是层间介质（ILD）抛光，IMD-CMP指的是金属内介电层（IMD）抛光，主要抛光对象是二氧化硅介质。作为芯片组件隔离介质，集成电路制造工艺中最常被使用的介电层是相容性最佳的二氧化硅介质。二氧化硅膜的CMP大多应用在层间绝缘膜及组件间的隔离(Isolation)平坦化工艺中。

ILD-CMP（层间绝缘膜平坦化）将导线或组件上的层间绝缘膜平坦化，以便完成接下来的多层互连线工艺，是完成多层互连结构的基础，为大规模集成电路工艺中不可缺少的步骤。IMD-CMP（元器件间隔离膜平坦化）目的在于形成平坦的氧化硅膜(组件与组件间的绝缘隔离层)。在层间绝缘膜的平坦化方面CMP对象还有等离子体增强化学气相沉积(PECvD)膜、硼磷硅玻璃膜(BPSG)及热氧化膜(Thermalox记e)等。

Cu-CMP

随着集成电路层数的不断增加，在铜布线工艺中新的层间导线连接方式“接触窗”得到广泛应用，这种工艺方法也称为“大马士革工艺”（Damascene）。大马士革工艺，首先在两层电路间的绝缘膜上进行刻蚀，使之形成凹槽（接触窗），再进行连接金属导线膜的沉积，最后以CMP方式去除金属膜。在双大马士革中，Cu-CMP用来抛光通孔和双大马士革结构中细铜线，双大马士革工艺过程中用介质作为停止层。

（二）抛光技术与清洗、工艺控制技术并重

CMP的作业原理抛光头将晶圆待抛光面压抵在粗糙的抛光垫上，借助抛光液腐蚀、微粒摩擦、抛光垫摩擦等耦合实现全局平坦化。抛光盘带动抛光垫旋转，通过先进的终点检测系统对不同材质和厚度的磨蹭实现3~10nm分辨率的实时厚度测量防止过抛，更为关键的技术在于可全局分区施压的抛光头，其在限定的空间内对晶圆全局的多个环状区域实现超精密可控单向加压，从而可以响应抛光盘测量的膜厚数据调节压力控制晶圆抛光形貌，使晶圆抛光后表面达到超高平整度（例如全局平整度要求是10nm，则相当于面积约440000平方米的天安门广场上任意量带你的高低差不超过0.03毫米），且表面粗糙度小于0.5nm，相当于头发丝的十万分之一；此外制程线宽不断缩减和抛光液配方愈加复杂均导致抛光后更难以清洗，且对CMP清洗后的颗粒物刷领要求呈指数级降低，因此需要CMP设备中清洗单元具备强大的清洁能力来实现更彻底的清洁效果，同时还不会破坏晶圆表面极限化微缩的特征结构。

对CMP设备而言，其产业化关键指标包括工艺一致性、生产效率、可靠性等，CMP设备的主要检测参数包括研磨速率、研磨均匀性和缺陷量。

（1）研磨速率单位时间内晶圆表面材料被研磨的总量。

（2）研磨均匀性分为片内均匀性和片间均匀性。片内均匀性指某个晶圆研磨速率的标准方差和研磨速率的比值；片间均匀性用于表示不同圆片在同一条件下研磨速率的一致性。

（3）缺陷量。对于CMP而言，主要的缺陷包括表面颗粒、表面刮伤、研磨剂残留，这些将直接影响产品的成品率。

为了实现这些性能，CMP设备需要应用到纳米级抛光、清洗、膜厚在线检测、智能化控制等多项关键先进技术。CMP产品的技术水平也主要取决于设备在抛光、清洗、工艺智能控制等核心模块/技术的表现。具体可以分为两大类

（1）抛光技术。可以实现纳米尺度的“抛的光”、晶圆全局“抛得平”，这是CMP工艺的基础。

（2）辅助、控制技术。具体包括纳米级的清洗、膜厚在线检测、智能化控制等，这些是实现CMP工艺的重要的辅助技术，作用在于晶圆抛光动作“停得准”、以及抛光后纳米颗粒“洗得净”。根据赛迪顾问相关资料，通常CMP工艺后的器件材料损耗要小于整个器件厚度的10%，也就是说CMP不仅要使材料被有效去除，还要能够精准的控制去除速率和最终效果。随着器件特征尺寸的不断缩小，缺陷对于工艺控制和最终良率的影响愈发明显，降低缺陷是CMP工艺的核心技术要求，因而当前对CMP设备而言，除了抛光技术，包括清洗技术、工艺控制技术等辅助类技术的重要性愈发突出。

抛光在CMP发展过程中，CMP逐步由最初的单头、双头向着多头方向发展；抛光结构方面，目前处于轨道抛光方法、线性抛光、与旋转结构抛光并存状态，其中旋转结构占据主流；在抛光驱动技术方面，早年国际厂商普遍采用皮带传动方式，当前随着客户要求提高以及电机技术发展，直驱式已成为高端机型的主要驱动方式。

终点检测要检测抛光的终点，需要实时得到被抛光薄膜的厚度。CMP的终点判断就是判断何时到达CMP的理想终点，从而停止抛光。在结构微细化、高精度要求下，晶圆膜厚要求精度控制在0.1nm，些许偏差都将对薄膜的力学性质、光学性质以及器件的设计以及可靠性产生重要影响。准确的终点监测是产品成品率、加工效率的关键技术，直接影响到成本与市场竞争力。

根据终点检测的特点可以分为基于时间的离线终点检测技术和实时在线检测技术，其中基于时间的离线终点检测技术主要应用在直径小于200mm的晶圆加工中。在线终点检测技术主要包括电机电流终点检测、光学终点检测和电涡流终点检测，另外包括基于抛光液离子浓度变化的终点检测、基于声学发射号的终点检测和基于机械力学号测量的终点检测也是当时CMP在线监测的热点。其中电机电流终点检测是包括应用材料、日本荏原等国际巨头采用的主要终点检测技术。

电极电流终点检测其原理是当晶圆抛光达到终点时，抛光垫所接触的薄膜材料不同，导致晶圆与抛光垫之间的摩擦系数发生显著变化，从而使抛光头或抛光机台回转扭力变化，其驱动电机的电流也随之变化，因此由安装在抛光头和抛光机台上的传感器监测驱动电机电流变化可推知是否到达抛光终点。

CMP后清洗在CMP工艺中，抛光液中的磨料和被去除的材料作为外来颗粒（含金属颗粒）是CMP工艺的污染源，CMP后清洗的重点是去除抛光过程中带有的所有污染物。当前CMP机台已经把CMP工艺和清洗工艺集成在一起，而且要求干进干出，包含清洗与干燥两大环节。随着晶圆表面洁净度要求的不断提高，CMP清洗工艺的焦点已逐步由清洗液、兆声波等转移到晶圆干燥上。

第1代CMP后清洗技术该阶段半导体CMP设备市场初步形成，市场主要设备包括Strasbaugh公司的6DS-SP以及Westech的PEC372/372M。这时期的CMP后清洗，主要是抛光后再将整盒的晶圆提出来放置到单独的清洗机进行清洗，采用多槽浸泡化学湿法清洗技术，主要应用于较大线宽的集成电路，而且清洗时间较长，一般都会大于1个小时，与CMP衔接性能也较差。

第2代CMP后清洗技术代表设备是应用材料的适用于8英寸的Mirra。Mirra采用在线清洗系统，清洗仍然是在单独的清洗机台中完成，不过Mirra和清洗机台之间有机械接口和传输装置，CMP作为主机直接调度清洗机台菜单，来完成CMP后清洗。

Mirra后清洗系统采用两次双面刷洗+旋转甩干，同事可以根据需要选择超声或者兆声清洗。但由于CMP设备和后清洗设备都是单独的机台，占地妙计较大，在21世纪后逐渐被集成清洗技术所取代。

第3代CMP后清洗技术分立式CMP的后清洗机台被集成进CMP设备机台内。代表设备是应用材料的Mirra-mesa，其中垂直清洗是显著特征，也是应用材料的核心技术之一。一方面可以获得更加洁净的晶圆，另一方面大幅度减少CMP设备的结构空间。同期日本荏原公司推出的OPTO 222机台采用水平的后清洗技术，明显处于劣势地位。Mirra-mesa后清洗采用1次单片垂直兆声清洗+2次垂直双面清洗+垂直旋转甩干。

第4代CMP后清洗技术2006年后应用材料推出300mm的Reflexion LK机台，面向铜抛光，在市场上获得良好反应。除了同样采用垂直兆声清洗+垂直双面刷洗外，将干燥技术由之前的旋转甩干更换为IPA-WAPOR干燥法（异丙酮气体干燥法），使得CMP清洗后的硅片缺陷比传统方法得到了显著改善，同时干燥效率得到大幅提升。

第5年CMP后清洗技术主要是在原来机台上，对核心技术模块进行工艺改进，以适用更小技术节点的需求；另外通过更多的抛光、清洗模块来实现更高产能。应用材料的Reflexion LK机台最初是针对130nm-65nm的量产设备，已经将技术延伸至20nm以下；而最新一代产品Reflexion LK Prime机台，可以用于FinFET和三维NAND，除了与Reflexion LK一样采用最先进的抛光、清洗和工艺控制技术，另外配备了4个研磨垫、6个研磨头、8个清洁室以及两个干燥室，生产效率是ReflexionLK的两倍。

根据华海清科招股书，全球高端CMP厂商主要有美国应用材料、日本荏原和华海清科，几家公司CMP产品作业的核心机理相同，主要是在抛光盘驱动方式、终点检测手段、后清洗干燥技术等技术方案有所差异。总体上，华海清科的CMP产品在已量产的制程（14nm以上）以及工艺应用中与海外龙头公司的主要产品不存在技术差距，在客户端产线上已可以实现对行业龙头公司产品的替代。但在14nm以下，对CMP设备的特定模块/技术水平的要求更加严苛，主要包括清洗与干燥技术、工艺控制等辅助技术方面，华海清科产品与海外龙头公司仍然存在一定差距。

CMP后处理的颗粒残留华海清科采用的竖直旋转技术体系（VRM）的工艺潜能尚在提升，在14nm以上制程工艺中与海外龙头均能达到特定颗粒物不超过50个的目标，但在14nm以下制程工艺中海外龙头公司产品内最先进的CMP后处理单元的颗粒残留可能已达更低，

金属离子含量28-14nm制程中，华海清科产品与海外龙头公司产品均能达到金属离子含量不超过没平方厘米含有的（特定）原子数为5*10^10个的目标，但在更先进制程工艺中海外龙头公司产品的该技术表现可能更高。

（三）技术继承性良好，先进制程应用需求显著提升

CMP设备发展背景进入ULSI时代之后，集成电路制造向垂直空间发展，促使多层金属互联技术的出现。而多层金属互联技术的出现导致IC制造过程中不可避免的在层与层之间产生台阶，层数越多表面起伏越明显。明显的表面起伏主要有两方面的影响（1）金属布线中容易导致断路、短路。（2）光刻时对线宽失去控制。各种半导体材料的高度平坦化成为工艺发展的瓶颈，进而各种平坦化技术应用而生，包括回蚀法（Etch back）、薄膜沉积法、旋涂玻璃法（SOG）、化学机械抛光（CMP）等，其中除了CMP以外，其他方法都用来实现局部平坦化。

另外，在单晶硅Sic的CMP范畴内，根据发生化学反应方式的不同，CMP可以分为传统CMP、等离子辅助抛光（PAP）、紫外光辅助化学机械抛光（UV-CMP）、电化学机械抛光（ECMP）、化学机械磁流变复合抛光（CMMRF）等。

CMP发展可以分为3个阶段

（1）研发期1965~1988年。主要用于氧化物及金属邬等；

（2）成熟期1988~2000年，CMP工艺逐渐成长为IC制造过程中必不可少的关键工艺技术。两个关键节点，一个是从0.35~0.25μm开始，CMP技术成为唯一可实现全局平坦化的IC关键技术；另一个从0.18~0.13μm开始，铜正式取代铝成为主流导线材料，CMP成为铜互联技术必不可少的工艺制程。

（3）领域延伸期2000年以来，随着IC制造技术节点的不断延伸，CMP工艺逐渐朝着低K介质、低压力、铜互连技、钌阻挡层的方面发展。

CMP设备在较长时间内不存在技术迭代周期。当前CMP仍是集成电路制造大生产上产出效率最高、技术最成熟、应用最广泛的纳米级全局平坦化表面制造设备，其具有突出的材料均匀去除与纳米缺陷高效控制优势。同时，CMP设备在较长时间内不存在技术迭代周期，应用于28nm和14nm的CMP设备没有显著的差异，仅是特定模块技术的优化。CMP工艺由14nm持续向7nm、5nm、3nm先进制程推进过程中，CMP技术将不断趋于抛光头分区精细化、工艺控制智能化、清洗单元多能量组合化方向发展，抛光驱动技术、压力调控技术、智能控制系统、终点识别检测系统以及智能清洗模块等关键模块技术将是CMP技术未来发展的重要突破方向。

从全球化学机械抛光专利历年申请量来看，2000-2005年是CMP专利申请高峰期，对应的是Cu互联技术发展进一步促进CMP广泛应用的时期，2009-2013年属于专利申请低谷期，主要是行业需求在这时期处于下滑阶段。2013年以来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。

CMP设备占晶圆制造设备的4%左右，先进制程CMP步骤显著增加。根据SEMI，2018年全球CMP设备的市场规模18.42亿美元，约占晶圆制造设备4%的市场份额，其中中国大陆CMP设备市场规模4.59亿美元。设备单价方面，根据赛迪顾问数据，用于200mm圆片的CMP设备价格约300万美元，300mm晶圆的CMP设备价格约400万美元。

CMP设备分类看，CMP的主要作用是实现晶圆不同介质层的整体平坦化，目前行业内通用按所应用的12英寸或8英寸晶圆尺寸（也代表技术难度）分为12英寸和8英寸CMP设备。作为集成电路生产中的环节之一，CMP设备主要根据应用芯片领域，客户工艺特色和使用耗材的不同对模块性能进行差异化调整和定制化设计，不存在进一步细分产品类别。

根据华海清科招股说明书，随着芯片制造技术发展，CMP工艺在集成电路生产流程中的应用次数逐步增加，以逻辑芯片为例，65nm制程芯片需要经历约12道CMP步骤，而7nm制程所需要的CMP处理增加至30多道。随着先进制程对CMP应用步骤增加，CMP需求占比有望进一步提升。

（四）向上往耗材、向下朝服务领域延伸

CMP设备是使用耗材较多、核心部件有定期维保更新需求的制造设备之一。基于CMP工艺特点，CMP设备正常运行过程中，除了需要使用抛光液、抛光垫等通用耗材外，设备自身的抛光头、保持环、气膜、清洗刷、钻石碟等关键耗材也会快速损耗，必须进行定期维保更新。美国应用材料与日本荏原均有为客户提供CMP设备关键耗材销售和维保业务。

2020年华海清科配套材料与技术服务收入3260万元，占当年营业收入的8.45%，其中耗材、技术服务及其他收入分别为824、2437万元，毛利率分别为32.3%、60.7%。目前华海清科关键耗材销售和维保业务主要针对已销售的CMP设备，向客户提供设备关键易磨损零部件的维保、更新服务，以保证设备的稳定运行。目前公司向客户销售的关键耗材主要包括保持环、探测器、气膜、7分区抛光头等，维保服务主要包括向客户提供7分区抛光头维保。

另外，CMP设备是晶圆再生的核心工艺设备之一，另外设备销售与晶圆再生服务面向相同领域客户，设备商向下游服务领域延伸可以与原有业务形成较高协同。

晶圆再生工艺流程主要是对控挡片进行去膜、粗抛、精抛、清洗、检测等工序处理，使其表面平整化、无残留颗粒；其中精抛及部分清洗是通过CMP设备来完成。晶圆再生业务的技术难点主要在于对再生晶圆表面平整度、缺陷和晶圆表面的纳米级颗粒残留、金属离子残留的控制要求极高，这些要求主要通过CMP设备来实现，因此CMP工艺和技术是晶圆再生工艺流程的核心和难点，CMP设备也是晶圆再生工艺产线中资金投入最大的设备。根据华海清科招股书，以华海清科的募投项目为例，设备投资占项目总投资的80%，其中不包括量测设备、纯水设备、污水处理设备在内的工艺制程设备投资占设备总投资的57.11%，仅考虑自产设备成本而非售价的CMP设备投资站到工艺制程设备总投资的72.98%。

根据RST公司的2020年投资者关系演示，目前再生晶圆的使用量估计占半导体制造线输入晶圆总量的20%。长期看，晶圆厂出于对成本节约的考虑，有望增加对再生晶圆的需求；此外，先进制程产品制造需要更多的再生晶圆。而随着外部能提供更多高质量再生晶圆，晶圆厂对晶圆再生服务外包的需求有望进一步增强。根据观研网的数据，65nm制程的晶圆代工厂每10片正片需要加6片挡控片，28nm及以下的制程每10片正片需要加15-20片挡控片。

根据SEMI，2018年全球硅片销售额112亿美元，而全球再生晶圆销售额6亿元。总体上，全球再生晶圆市场规模大致占全球硅片市场规模的5%~6%。

从2016年开始国内晶圆厂掀起了扩产浪潮，主要以12寸晶圆产线为主。目前已经有众多产线完成一期建设、并逐步产能爬升。国内下游晶圆产能迅速爬升，将有力带动国内再生晶圆市场需求。根据SEMI，我国大陆已投产12寸晶圆产线超过20条，在建的有8条，建成后全国产能将超过239万片/月，产线总投资额超过15000亿元。假如目前已建以及在建12寸晶圆厂全部达产，按照再生晶圆数量占总数量30%、再生晶圆产品良率90%、单片再生晶圆价格40美元/片，则国内再生晶圆市场空间可以达到382百万美元。按照年底国内12寸晶圆厂产能计算，国内再生晶圆需求将达到20万片~30万片。（具体参考前期报告《再生晶圆行业乘风而起，本土厂商有望快速崛起》）国内目前对晶圆再生业务已经展开布局或者开展业务的公司包括至纯科技、华海清科、协鑫集成等。其中根据华海清科招股书，公司已经打通整套晶圆再生工艺流程，并于2020年起开始小规模生产，客户反响良好。公司计划投资3.59亿元用于再生晶圆项目，项目建成后具备月加工10万片12英寸再生晶圆的生产能力。

二、全球双寡头格局，国产装备崛起

（一）美国 AMAT 与日本 EBARA 垄断全球 90%以上市场

在CMP市场形成的早期，市场迅速的形成了高度集中化的竞争格局。在1997年前后铜正式取代铝成为主流导线材料，CMP成为铜互联技术必不可少的工艺制程，以此进一步推动了CMP的大规模应用。当时，全球CMP设备厂商有20家左右，其中包括SpeedFam、Westech（IPEC）公司都是当时占据领先地位的主要厂商，但随着美国应用材料于1997年推出第一款产品Mirra CMP正式进入CMP设备市场，到1999年其以迅猛的发展态势迅速将市场份额扩展至32%，并从此之后一直占据市场的主导地位。而IPEC和SpeedFam都在应用材料和荏原公司的竞争中萎缩了。

根据Gartner数据，2017年全球CMP设备市场规模17.5亿美元，其中应用材料12.4亿美元，日本荏原4.7亿美元，由此计算应用材料的份额为71.3%、日本荏原的份额为26.7%，两者合计占有全球CMP市场的90%以上市场份额。

应用材料应用材料（AMAT）是全球最大的半导体设备供应商之一，业务涵盖半导体设备、太阳能、显示器、自动化软件、卷对卷真空镀膜等多个领域。在半导体设备业务版块，公司制定了PPACt战略旨在通过并行而非串行的创新来推动芯片的能效、性能、面积、成本和上市时间革新。公司产品覆盖沉积、刻蚀、掺杂、CMP多工艺环节。根据Gartner数据，2020年应用材料在刻蚀、沉积、CMP、离子注入、工艺控制领域的全球市场份额分别达到了17%、43%、64%、55%和12%。2020年公司总体收入172亿美元，半导体装备销售收入合计113.67亿美元，同比增长26%，其中CMP设备销售收入11.33亿美元，同比增长18%。

CMP设备领域，应用材料自2003年开始主攻12 英寸设备，目前主打MIRRA和REFLEXION两个系列。（1）定位200mmCMP平台的MIRRA ，为硅、浅沟槽隔离 (STI)、氧化物、多晶硅、金属钨和铜镶嵌应用提供了150mm和200mmCMP方案，多区研磨头具有较小的下压力，系统采用全套端点方法，提供同线度量和先进的工艺控制能力，确保出色的晶圆内和晶圆间工艺控制和可重复性，可实现极佳的均匀度和效率。（2）定位300mmCMP平台的Reflexion LK，为铜镶嵌、浅沟槽隔离、氧化物、多晶硅和金属钨应用提供性能CMP方案，可扩展用于45nm以下器件。升级后的Reflexion LK Prime整合了最新的抛光、清洗和干燥技术，是业界目前唯一的三转盘式顺序抛光平台。由4个抛光垫、6个抛光头控制，工艺腔相较LK的7个增加至14个，研磨清洗产能加倍，可在FinFET和3D NAND应用中达到纳米级精度。

日本荏原Ebara成立于1912年，目前旗下有3块业务，分别是（1）流体机械及系统，主要包括泵、压缩机、涡轮机、鼓风机等，主要用于石油、天然气、液化天然气等；（2）环境工程，包括市政垃圾焚烧厂、工业垃圾焚烧厂、水处理厂等；（3）精密电子，包括干式真空泵、CMP（化学机械抛光）设备、电镀设备及排气处理设备，主要用于半导体、平板显示、LED和太阳能电池等领域。根据公司的介绍文件，公司在液化天然气泵领域全球市占率第一，在CMP系统和干泵领域全球市占率第二，CMP装置累计出货量2,500台以上。公司2020年营业收入约49.1亿美元，流体机械及系统部门占约60%，精密器械部门占约27%，环境工程部门占约13%。精密器械部门中CMP设备收入约5.14亿美元，同比增长25.8%，占全球CMP市场份额的29.1%，仅次于应用材料。

在CMP领域，Ebara是干进/干出（dry-in/dry-out）专利的开拓者，独立研发的200mm和300 mm CMP抛光设备均具有高可靠性和高生产率。F-REX系列CMP系统可实现10-20nm节点的表面平整度控制，用于IC制造的氧化物、ILD、STI、钨和铜表面处理。它们具有出色的可靠性，性能超过250小时MTBF。F-REX200工具代表了适用于200 mm晶圆的最新CMP技术（也可用150 mm）。它采用Ebara原创的干进干出(Dry-in/Dry-out)晶圆处理技术专利。清洁模块集成在CMP工具内，从而将干晶片输送到后续工艺中。F-REX200系统配备2个压板，每个压板1个头和4个清洁站，可选配4个盒式SMIF兼容装载端口和CIM主机通。

（二）国产化取得重要突破，国产替代有望加速

国产装备已经在国内CMP市场占据重要份额。国内CMP市场，目前在高端市场部分，绝大部分仍然依赖于进口，在14nm以下最先进制程工艺的大生产线上所应用的CMP设备仅由美国应用材料和日本荏原两家国际巨头提供。应用材料与日本荏原分别已实现5nm制程和部分材质5nm制程的工艺应用；但是在成熟制程领域，以华海清科为代表的国内企业已经打破了国外巨头常年垄断的局面，并且已经在国内CMP市场占据了重要份额。

根据华海清科说明书，公司已经实现28nm制程的成熟产业化应用，14nm制程工艺技术正处于验证中；公司CMP产品在已量产的制程（14nm以上）及工艺应用中与国外巨头的主要产品不存在技术差距，在客户端线上已经可以实现对国外龙头产品的替代。公司生产的CMP已经广泛应用于中芯国际、长江存储、华虹集团、大连英特尔、厦门联芯、长鑫存储、广州粤芯、上海积塔等行业内领先的集成电路制造企业的大生产线，占据国产CMP销售的绝大部分市场份额。

整体国产化率按照SEMI统计的2018年国内CMP设备市场规模以及华海清科的CMP设备销售收入计算，2018-2020年华海清科在国内CMP市场的占有率分别为1.05%、6.15%、12.64%。

部分产线的国产化率达到20%甚至更高我们统计了中国招标网上的几条晶圆厂线（包括长江存储、华虹宏力、华力集成、积塔半导体、晶合集成）的中标结果，华海清科2019-2020年的整体市场份额分别达到20.5%、35.3%。

产业链紧密合作，国内已经实现12英寸先进产线上全国产CMP装备的突破。完成CMP工艺除了CMP机台外，还需要抛光材料，主要包括抛光液和抛光垫，这两者占CMP材料的份额超过80%。根据华力微相关资料，2018年1月，华海清科的Cu&SiCMP 设备进入上海华力，标志着国产首台12英寸铜制程工艺CMP设备正式进入集成电路大产线。目前，由上海华力牵头，形成了华海清科的CMP机台+鼎汇微电子的研磨垫+安吉微电子的研磨液的国产CMP三合一模式，是全球首次12英寸先进生产线上全国产CMP装备的攻关探索。

此次国产三合一首先选择层间介质研磨（ILD CMP）作为攻关点。ILD CMP通过抛光SIO2介质层，达到指定厚度的平整层，以利于后续沉积金属互联线和光刻工艺。因为ILD CMP研磨对象均是氧化硅，研磨垫和研磨液种类单一，工艺难点在于ILD CMP本身没有停止层，必须通过精确控制研磨时间来达到指定的ILD厚度。上海华力使用业内领先的先进自动工艺控制系统（I-APC）来实现厚度精准控制，已经成熟应用于上海华力量产工艺中，对于华海清科国产研磨机台也开发了国内自己的I-APC系统。

（三）相关公司

华海清科天津华海清科机电科技有限公司成立于 2013 年,是天津市政府与清华大学践行“京津冀一体化”国家战略,为推动我国化学机械抛光(CMP)技术和设备产业化成立的高科技企业。公司主要从事 CMP 设备和工艺及配套耗材的研发、生产、销售与服务,核心团队成员来自清华大学摩擦学国家重点实验室及业内专业人才。根据公司招股说明书，华海清科作为目前国内唯一能提供12英寸CMP设备的厂商，所产主流机型可实现28nm及以上成熟制程的产业化应用与国产替代，成功打破了国际巨头在CMP设备领域数十年的垄断，公司14nm制程仍处于客户验证阶段。

2015 年起公司设备陆续进入国内产线进行设备验证，并从 2018 年开始逐步取得批量采购订单，2019年公司订单及生产规模大幅增加。截至2020年底，累计出货58台，在手订单35台，下游客户覆盖中芯国际、长江存储、华虹集团、英特尔、长鑫存储、上海积塔半导体等。2020年公司营业收入3.86亿元，三年CAGR172%，毛净利率分别为38.2%和25.3%。

北京烁科北京烁科精微电子装备有限公司是中国电子科技集团有限公司所属中电科电子装备集团有限公司为实现科技成果转化设立的混合所有制公司，于2019年9月23日注册成立。公司自主研发的CMP设备满足IC制造中所有复杂平坦化工艺需求(如IMD、STI、ILD、BPSG、contactor、metal line等，同时支持TSV、MEMS等新领域的平坦化工艺)，满足0.09-0.35um工艺节点集成电路生产需要，并涵盖8英寸和12英寸产线。

根据公司官网资料，2020年公司批量生产的HJP-200型CMP设备已通过SEMI S2和SEMI F47认证，并通过中芯国际和华虹宏力的大产线产业化验证，进入合格供应商名单，形成批量采购。而12英寸（300mm）CMP设备也于2020年11月进入工艺验证阶段。

在横向布局方面，公司正在建立集CMP设备、耗材、附属设备以及工艺demo于一体的国产CMP成套工艺平台，提供一站式CMP技术解决方案，实现CMP成套技术的国产化。此外，还将在集成电路平坦化技术领域开拓探索，对前沿的Finfet技术，Ru/Co等特殊材料的平坦化工艺进行深入探索，不断推动下一代平坦化技术发展。

三、风险

CMP设备作为半导体制造过程中关键工艺制程设备之一，将持续受益下游扩产以及国产替代进程。目前国内少数几家公司已经取得成熟制程领域突破，打破国外垄断局面，并且正逐步向先进制程领域推进，在国内市场已经取得较高的市场份额，未来有望进一步推进国产替代。建议关注华海清科（拟上市）。

下游晶圆厂建设不及预期；技术迭代的风险；市场竞争加剧。

下游晶圆厂建设不及预期受益于需求良好以及自主化进程推进，国内晶圆厂建设仍然处于较高景气中，直接创造了对半导体设备的良好需求。如果由于需求或者工艺等原因，下游晶圆厂建设推迟或者取消，将会对市场需求产生不利影响。

市场竞争加剧的风险由于半导体专用设备企业的技术发展和市场竞争力与所在国家集成电路产业整体发展水平以及所合作的集成电路制造厂商的工艺水平和市场地位密不可分，国内CMP设备厂商预计仍将在未来较长时间内继续追赶国际龙头。如果竞争对手开发出更具有市场竞争力的产品、提供更好的价格或服务等等，将进一步加剧市场竞争；另外，半导体设备市场的快速增长以及我国巨大的市场规模和进口替代预期，可能吸引更多的潜在进入者，都将进一步加剧市场竞争加剧，技术迭代的风险在下游芯片制造厂商技术快速发展的背景下，半导体设备厂商的技术迭代升级也面临巨大挑战。如果设备公司产品技术升级不能满足客户对更先进制程生产的需求，或者未来芯片制造颠覆性新技术的出现，都可能对设备公司的经营产生重大不利影响。

(资料源/广发证券研究中心)