中国电子化学品CMP材料行业分析报告.docx
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中国电子化学品CMP材料行业分析报告
2016—2017年中国电子化学品CMP材料行业分析报告
2016年10月
目录
一、CMP耗材从无到有，国产替代潜力无限3
1、CMP：
追赶摩尔定律的关键技术3
（1）IC发展的两大趋势：
不断缩小的器件特征尺寸和不断扩大的晶圆尺寸3
（2）CMP是单晶硅片加工和多层金属互联技术中关键的平坦化技术4
2、中国CMP材料市场：
爆发受益于半导体产业快速成长6
（1）集成电路产业将迎国产化大时代6
（2）晶圆代工厂争相布局中国，竞争激烈成本是关键11
（3）CMP材料市场将持续受益，有望实现产业突破12
3、CMP耗材存巨量国产替代空间14
（1）CMP耗材两大重要细分市场：
抛光垫与抛光液14
（2）高技术壁垒导致寡头垄断格局，国产期待零突破19
二、鼎龙股份，进军CMP抛光垫新蓝海21
图表目录
图1：
集成电路的主要应用与增速4
图2：
半导体产业的发展趋势及预测4
图3：
集成电路生产工序越来越复杂5
图4：
CMP在集成电路制造过程中的应用5
图5：
化学机械抛光原理图6
图6：
各类平坦化技术效果对比6
图7：
硅片需经过多次抛光步骤7
图8：
经过CMP抛光前后的多层金属化结构7
图9：
随金属互联层数增多CMP的应用范围越来越广7
图10：
随制程进步所需CMP次数快速增长7
图11：
国内集成电路产量（亿块）7
图12：
中国集成电路市场规模及预测（亿元）7
图13：
全球半导体市场份额占比8
图14：
我国IC设计业保持高增速8
图15：
中国无晶圆IC设计业产值占全球比重稳定提升8
图16：
我国IC严重依赖进口9
图17：
中国占据全球10%的晶圆产能（千片约当8寸晶圆/月）9
图18：
大陆晶圆代工产业产值高速增长9
图19：
各地区晶圆代工产能预测（万片/月，折8寸）9
图20：
我国硅抛光片产量10
图21：
中国硅抛光片产量占全球比重10
图22：
半导体材料的分类11
图23：
全球半导体材料销售额（十亿美元）11
图24：
中国半导体材料销售额（十亿美元）11
图25：
各前道材料细分市场占比12
图26：
中国CMP材料市场份额稳定增长12
图27：
抛光垫的微观结构15
图28：
软垫和硬垫的工作机理15
图29：
2015年各抛光耗材市场容量占比17
图30：
晶圆驱动下的抛光垫、抛光液市场规模增长18
图31：
晶圆代工产能扩张带动抛光垫市场成长18
图32：
陶氏垄断全球CMP抛光垫市场19
图33-34：
化工新材料行业历史PEBand和PBBand20
图33：
化工新材料行业历史PEBand22
图34：
化工新材料行业历史PBBand22
表1：
集成电路支持政策一览7
表2：
2015-2030年《国家集成电路产业发展推进纲要》发展目标8
表3：
2016和2017预计新增晶圆厂与生产线统计（60%以上实现概率）10
表4：
中国大陆主要晶圆厂商产能情况10
表5：
研磨液主要组成成分13
一、CMP耗材从无到有，国产替代潜力无限
1、CMP：
追赶摩尔定律的关键技术
（1）IC发展的两大趋势：
不断缩小的器件特征尺寸和不断扩大的晶圆尺寸随着计算机、通信和网络技术的快速发展，集成电路不断向高速化、高集成化、高密度化和高性能化发展。
早在50年前，戈登〃摩尔就预测单位芯片上的集成晶体管数量将每年增加一倍，十年后又修改为每两年翻一番，这就是著名的摩尔定律。
这条看似没有理论依据的定律神奇地预测了半导体行业50年的发展，引领着半导体芯片不断更新换代，集成度越来越高。
为了扩大芯片容量，提升运算速度和技能，同时降低生产成本，最有效的方法就是缩小芯片的特征尺寸和增大晶圆的直径尺寸。
目前芯片的特征尺寸已经步入纳米级别，28nm、22nm已成为市场主流，14nm已可量产，10nm也开始试产，高度竞争进一步提升了发展速度。
随着芯片层次的提升，其面积也随之扩大，为保证生产效率，晶圆的尺寸也越来越大，这样一片晶圆上就能生产更多的芯片，从而大幅增加产量，降低单个芯片的生产成本。
据IBM研究，300mm（12英寸）晶圆所生产的芯片成本较200mm可降低30%~40%，因此300mm晶圆目前已成为发展主流，并在向450mm过渡。
图1：
集成电路的主要应用与增速图2：
半导体产业的发展趋势及预测
（2）CMP是单晶硅片加工和多层金属互联技术中关键的平坦化技术
CMP技术广泛应用在单晶硅片抛光和金属布线及介质层抛光中。
集成电路制造需要在单晶硅片上执行一系列的物理和化学操作，生产工艺非常复杂。
随着器件特征尺寸的缩小，所需要的生产工序也更多，90nm以下的制程生产工艺均在400个工序以上才能完成。
在这个复杂的过程中，单晶硅片制造和前半制程工艺中将会多次用到化学机械抛光（CMP）技术，最主要的是应用在单晶硅片的镜面抛光和金属布线层的抛光中。
图3：
集成电路生产工序越来越复杂图4：
CMP在集成电路制造过程中的应用
对于最小特征尺寸在0.35μm以下的器件，必须进行全局平坦化。
因此随着器件特征尺寸减小，合适的抛光工艺尤为重要。
一般抛光工艺包括机械抛光、化学抛光和化学机械抛光（CMP），其中化学机械抛光利用抛光液对砝片表面的机械研磨和化学腐蚀的双重作用，兼有机械抛光和化学抛光两种抛光方法的优点，尤其适合大直径晶圆的加工，是现代半导体制造工业中最为普遍的抛光方法。
CMP利用晶圆和抛光头之间的相对运动来实现平坦化，抛光头以一定压力压在旋转的抛光垫上，研磨液在硅片表面和抛光垫之间流动，然后抛光垫的传输和离心力的作用下，均匀分布其上，在硅片和抛光垫之间形成一层研磨液液体薄膜。
研磨液中的化学成分与硅片表面材料产生化学反应，将不溶的物质转化为易溶物质，或者将硬度高的物质进行软化，然后通过磨粒的微机械摩擦作用将这些化学反应物从硅片表面去除，溶入流动的液体中带走，最终达到抛光的效果。
图5：
化学机械抛光原理图图6：
各类平坦化技术效果对比
单晶硅片：
一般来说，单晶硅片需要2次以上的抛光，表面才可以达到集成电路的要求。
单晶硅片首先通过化学腐蚀减薄，此时粗糙度在10~20μm，再进行粗抛光、细抛光、精抛光等步骤，可将粗糙度控制在几十个nm以内。
金属布线：
IC元件采用小尺寸、高聚集化的多层立体布线后，光刻工艺中对解析度和焦点深度（景深）的限制越来越高，因此需要刻蚀的每一层都有很高的全局平整度，即
要求保证每层全局平坦化，通常要求每层的全局平整度不大于特征尺寸的2/3。
CMP平坦化工艺使用的环节有：
互联结构中凹凸不平的绝缘体、导体、层间介质（ILD）、镶嵌金属（如Al，Cu）、浅沟槽隔离（STI）、硅氧化物、多晶硅等。
图7：
硅片需经过多次抛光步骤图8：
经过CMP抛光前后的多层金属化结构
28nm制程需要12~13次CMP，进入10nm制程后CMP次数将翻倍。
CMP技术最早使用在氧化硅抛光中，是用来进行层间介质（ILD）的全局平坦的，在半导体进入0.35μm节点之后，CMP更广泛地应用在金属钨、铜、多晶硅等的平坦化工艺中。
随着金属布线层数的增多，需要进行CMP抛光的步骤也越多，以28nm节点工艺为例，所需CMP次数为12~13次，而进入10nm制程节点后，CMP次数则会翻一番，达到25~26次。
图9：
随金属互联层数增多CMP的应用范围越来越广图10：
随制程进步所需CMP次数快速增长
2、中国CMP材料市场：
爆发受益于半导体产业快速成长
（1）集成电路产业将迎国产化大时代
利好政策密集出台，集成电路产业将迎国产化大时代。
集成电路产业是国民经济支柱行业之一，影响社会信息化进程，因此一直以来都是国家重点支持行业。
然而一直以来国内厂商的核心技术缺乏，难以满足旺盛的市场需求和国家信息安全、国防建设的需要。
自2000年以来，政府就针对集成电路产业出台了一系列政策，旨在推动国产竞争力。
2014年6月，《国家集成电路产业发展推进纲要》的出台，集成电路发展环境和政策体系进一步优化，并在2014年十月成立了国家集成电路产业投资基金，推动海外并购潮。
表1：
集成电路支持政策一览
表2：
2015-2030年《国家集成电路产业发展推进纲要》发展目标
集成电路市场规模持续增长，中国已成为全球半导体核心市场。
在政策和需求双重激励下，国内集成电路产业持续增长。
2015年国内集成电路产量同比增长7.1%，达到1087亿块，产业规模约为11131亿元，自2014年突破万亿元大关后继续保持稳定增长，产业步入高速发展的黄金时期。
由于集成电路是最主要的半导体产品，因此中国整个半导体市场有望随之爆发。
据IHS统计，全球层面：
2015年半导体营收3670亿美元，预计2016年增长1.6%，达到3730亿美元；中国层面：
半导体市场约1520亿美元，预计5年复合增长4.1%左右，2019年达到1790亿美元；2014年中国半导体在亚太市场占87%，在全球超过50%，长期看仍可维持50%以上的占有率，中国已成为全球半导体的核心市场。
图11：
国内集成电路产量（亿块）图12：
中国集成电路市场规模及预测（亿元）
图13：
全球半导体市场份额占比
（2）晶圆代工厂争相布局中国，竞争激烈成本是关键
中国IC设计产业成长潜力大，拉动大陆晶圆产能需求。
随中国集成电路产业的发展，IC设计产业迎来了快速发展的新时期。
2015年中国IC设计环节销售额达到1325亿元，同比增长25.5%。
根据Trendforce估计，中国无晶圆IC设计业的销售产值年复合增长率达25%，2015年产值约占全球的18.5%左右，并有望进一步提升。
这一方面取决于国内激励性的政策，另一方面也离不开国内巨大的消费市场。
虽然全球的IC设计业受需求萎靡影响而有衰退之势，但是中国市场却在政府和产业的努力下稳步增长。
根据半导体协会的预估，即使未来5年保证年20%的年增长速度，国内的IC设计产业也仅能满足50%的国内市场需求，国内的IC设计业仍有很大的发展空间。
图14：
我国IC设计业保持高增速图15：
中国无晶圆IC设计业产值占全球比重稳定提升
与飞速发展的IC设计业相比，供给侧的晶圆产能仍不足。
虽然半导体产业的车轮已经开始了加速前进的步伐，但是晶圆供给，尤其是高端晶圆产能仍然不能满足产业发展的要求。
因此即使集成电路产量逐年提升，目前大陆IC大部分仍需进口，自给率仅20％，离国家提出了2025年50%自给率的目标仍有很大距离。
就12寸晶圆而言，台湾和韩国掌握了全球56%的12英寸晶圆产能，而中国大陆厂商仅掌握全球不到1%的12英寸晶圆产能，位于中国大陆（包括外商独资）的12英寸晶圆产能则有8%。
虽然总体晶圆产能目前已经达到世界第五，但是全球占比也只有10%，对比中国占全球的50%以上的芯片消耗量，产能明显存在供应缺口。
图16：
我国IC严重依赖进口图17：
中国占据全球10%的晶圆产能（千片约当8寸晶圆/月）
晶圆代工厂纷纷布局中国大陆，2017年产能有望增至120万片/月。
供需不平衡背景下创造的商机促使全球晶圆代工厂竞相来大陆抢占市场，大陆的12寸晶圆产能增长动力十分强劲。
大陆的晶圆代工产业产值一直保持高速增长，2015年达39亿美元，同比增长10.5%，远高于全球增速。
目前中国大陆晶圆代工产能全球第二，2015年8寸晶圆代工产能达到95万片/月，增长速度位列全球第一，预计到2017年底总产能将增至每月120万片，占全球晶圆代工产能将近20％。
图18：
大陆晶圆代工产业产值高速增长图19：
各地区晶圆代工产能预测（万片/月，折8寸）
全球半数以上的新增晶圆产能在中国，产业转移为大势所趋。
根据SEMI今年6月份的统计数据，9个新的晶圆厂和生产线预计于2016年和2017年开始建设，其中12个新的晶圆厂和生产线是300mm，4个是200mm，3个LED晶圆厂（150mm100mm和50mm）。
不包括LED，所有这些晶圆厂和生产线开工建设后2016年潜在产能估计最高可达每月21万片（折合300mm），2017年每月33万片（折合300mm）。
中国大陆地区2016年新增4条产线，2017年预计有6条，占全球新增产线的一半以上。
国内第一大晶圆厂商中芯国际在12英寸晶圆和28nm制程上发力，计划在2016年将12英寸晶圆扩产至6.5万片/月，台湾的联电、台积电等厂商也纷纷宣布在大陆新建12英寸晶圆的计划。
未来产能的扩充意味着价格竞争将加剧，对于晶圆代工厂而言，控制成本、提升良率将十分重要。
表3：
2016和2017预计新增晶圆厂与生产线统计（60%以上实现概率）
表4：
中国大陆主要晶圆厂商产能情况
硅抛光片产量稳定提升，国产化替代需求高。
过去三年我国硅抛光片产量一直在保持10%以上的增长速度，占全球产量比重稳定增加，2015年达到8.2%，产量5.2亿平方英寸。
尽管如此，与我国巨大的市场需求相比，这一比例仍不尽如人意。
目前我国的硅抛光片生产企业以中小企业为主，未来随着创新能力的增强，产业链进一步整合，硅抛光片的市场空间有望进一步释放。
图20：
我国硅抛光片产量图21：
中国硅抛光片产量占全球比重
（3）CMP材料市场将持续受益，有望实现产业突破
晶圆制造行业的发展将引爆对半导体材料的需求。
按照半导体产业链上下游分类，半导体材料可以分为晶圆制造材料（前道材料）和封装材料（后道材料），其中前道材料主要包括硅和硅基材、掩模板、光刻胶、高纯化学试剂、电子气体、靶材、CMP材料等。
作为半导体生产的原料，半导体材料是位于半导体产业链上游的核心环节，因此也是整个产业发展的关键一环。
图22：
半导体材料的分类
国内半导体材料逆势增长，有望实现产业规模突破。
2015年全球半导体材料市场规模为434亿美元，下跌1.5%，主要原因为很多重要的半导体材料供应商来自日本，而日元的大幅贬值造成销售额萎缩，日本市场2015年出现了6.28%的衰退幅度。
相对于全球市场萎缩，中国的半导体材料市场则仍保持2%的增长，为61.2亿美元（约403亿人民币）。
尽管如此，中国半导体材料市场仅占全球市场的14%，这与中国50%
以上的集成电路需求市场无法匹配，许多材料尤其是6英寸以上的高端集成电路用材料仍依靠进口。
随着国内对集成电路整个产业的投入加大，资金和技术的配套，国内半导体材料市场有望实现进一步的突破。
图23：
全球半导体材料销售额（十亿美元）图24：
中国半导体材料销售额（十亿美元）
国内CMP抛光材料市场经历了高速发展，2016年市场规模有望达到23.12亿元。
CMP抛光材料的市场份额占半导体材料的6%~7%，是其中的一个细分市场。
国内CMP抛光材料经历了2~3年的高速增长期，2013、2014年分别保持25%、22%的增长率，2015年预计仍保持了17%的增长，市场进入稳定增长期。
预计未来仍将保持高于全球平均水平的增速，2016年增长率约9%，市场规模达到23.12亿元。
图25：
各前道材料细分市场占比图26：
中国CMP材料市场份额稳定增长
3、CMP耗材存巨量国产替代空间
（1）CMP耗材两大重要细分市场：
抛光垫与抛光液
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，抛光浆料和抛光垫是消耗品，受下游晶圆市场的影响较大。
抛光垫：
抛光垫的主要成分是发泡体固化的聚氨酯，最常见的是聚亚胺酯。
其表面包括一定密度的微凸峰，也有许多微孔，不仅可以去除硅片表面材料，而且还起到存储和运输抛光液、排除抛光过程产物的作用。
垫上有时开有可视窗，便于线上检测。
通常抛光垫为需要定时整修和更换之耗材，一个抛光垫虽不与晶圆直接接触，但使用售命约仅为45至75小时。
抛光垫分为硬质和软质两种，硬质抛光速度较快，平行度、平整度也较好,但表面较粗糙，损伤层较严重；软垫则具有更好的硅片内平均性。
按照抛光晶圆的大小，抛光垫分为20英寸和30英寸两种，其中20英寸主要应用于200mm晶圆抛光，30英寸应用于300mm晶圆抛光。
图27：
抛光垫的微观结构图28：
软垫和硬垫的工作机理
抛光液：
CMP抛光液又叫CMP研磨液，或CMP磨料，是平坦化工艺中研磨材料和化学添加剂的混合物，CMP抛光液一般由超细固体粒子研磨剂（如纳米级SiO2、Al2O3粒子等）、表面活性剂、稳定剂、氧化剂等组成。
固体粒子提供研磨作用，化学氧化剂提供腐蚀溶解作用。
表5：
研磨液主要组成成分
抛光耗材市场受晶圆产能驱动，有望保持4%的年均复合增长率。
抛光液占据整个CMP耗材市场的56%，其次是抛光垫，占据31%的市场份额，两者合计占有87%的CMP耗材市场，是最主要的CMP消耗品。
抛光垫和抛光液的市场容量主要取决于下游晶圆产量，一直保持较为稳定增长，2015年抛光液市场规模为10亿美元，抛光垫为6.35亿美元，预计未来5年可保持4%的年均增长率，在2020年两者的总市场规模达到19亿以上。
细分来看，抛光垫市场的增长速度是低于抛光液的，甚至在2013年和2015年出现了微幅下降，这一方面是因为随着技术进步，抛光垫的使用寿命越来越长；另一方面，生产厂家竞争有所加剧，对新产品的价格由一定的影响。
未来抛光垫市场将随晶圆产能扩张保持较为稳定的增长，预计增速3.2%左右，2020年达到7.4亿元。
抛光液则一直保持较高的增长速度，有望在2020年突破12亿美元的市场规模，是带动抛光耗材市场成长的主要动力。
图29：
2015年各抛光耗材市场容量占比图30：
晶圆驱动下的抛光垫、抛光液市场规模增长
国内抛光垫市场约占全球20%，市场需求约1.4亿美元。
由于不同的制程标准所需要的CMP抛光层数不同，不同的晶圆厂单位产能所需要的抛光垫数量也不同。
粗略按照每一万片300mm晶圆消耗300片抛光垫计算，2015年大陆约有38万片的300mm晶圆月产能，仅300mm晶圆每月可消耗1.1万片30英寸抛光垫。
按800美元/片的单价估计，国内300mm晶圆厂创造的抛光垫市场份额每年超过9000万元。
如果全部折合为8寸晶圆，2015年国内共有约159万片月产能，考虑到大陆仍有大量的较低制程晶圆厂，采用的CMP抛光次数相对较少，按照平均每万片晶圆消耗200片抛光垫计算，月消耗量在2.4万片，年消耗量约为29万片。
按照抛光垫平均单价500美元估计，国内抛光垫的市场需求在1.4亿美元左右。
晶圆代工产业扩张将是抛光垫市场成长的主要动力。
按照约当8寸晶圆的平均消耗量的计算方法，2016年晶圆代工行业消耗的抛光垫将达到26.4万片，创造1.3亿元的销售额，2017年更有望实现9%的增长，为抛光垫贡献1.4亿美元的市场，未来随着晶圆代工进一步向大陆市场转移，抛光垫市场将持续受益。
图31：
晶圆代工产能扩张带动抛光垫市场成长
（2）高技术壁垒导致寡头垄断格局，国产期待零突破
抛光垫具有技术壁垒高、认证时间长的特点，一直以来处于寡头垄断状态。
一方面，抛光垫的研发和生产在不断革新，在沟槽设计、使用寿命等方面不断改良，具有较高的技术壁垒；另一方面，对于晶圆厂商来说，稳定生产非常重要，测试新产品的流程复杂，一般需要一年半甚至两年的时间才能完成一种新产品的认证。
因此，行业巨头一般具有比较稳定的下游客户，容易形成市场垄断。
目前抛光垫的全球供给由陶氏公司垄断，占据79%的市场份额，此外还有卡博特、日本东丽、ThomasWest等。
抛光液方面的市场竞争则相对激烈，行业龙头卡博特的市场份额在36%左右，另外日本Hitachi、FujiFilm、Fujimi和陶氏也占据一定的市场份额。
图32：
陶氏垄断全球CMP抛光垫市场
国产高端抛光垫市占率为零，专利壁垒是市场突破的难点所在。
国内市场上，陶氏的20英寸抛光垫占据了85%的市场份额，30英寸的市占率则更高，其余市场份额被台湾的IVT、日本东洋Toyo和ThomasWest瓜分。
国内企业没有能够生产集成电路的抛光垫，这个市场空白亟待弥补。
然而，由于目前开窗口的抛光垫（主要应用在300mm晶圆）专利被美国应用材料公司占有，中国只有陶氏获得授权，因此国内企业若想生产这种抛光垫，则需要向陶氏购买专利。
国内厂商可先从无窗口的200mm抛光垫入手，依靠成本优势抢占初级市场，再逐步扩大产品类型和应用范围，追赶行业龙头。
二、鼎龙股份，进军CMP抛光垫新蓝海
鼎龙股份（300054）斥资一亿由子公司鼎汇微电子进行的CMP抛光垫产业化项目，预计在2016年8月试生产，待公司连续稳定化生产后开始给下游客户做认证。
目前，CMP项目所需厂房已经封顶，材料中试已经完成，预计2017年CMP项目有望给公司贡献利润。
市场开拓初期，CMP抛光垫的下游客户为中国芯片制造厂商，而打印芯片产品也需要交由集成电路厂商进行加工，因此CMP抛光垫作为公司的延伸业务，与公司正要攻破的打印耗材芯片业务也存在一定产业链的协同作用。
CMP技术是目前唯一可以在微观上实现表面全局平坦化的技术，CMP抛光材料是集成电路芯片制成工艺过程中的关键耗材，技术门槛高，目前全球市场约20亿美元，陶氏在全球占有79%的市场份额，在中国也占有80%以上的市场。
公司作为国内第一家全系列CMP抛光垫生产商，有望率先实现进口替代。
图33-34：
化工新材料行业历史PEBand和PBBand
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