2022年CMP行业发展现状及市场规模分析 CMP在集成电路产业链中应用广泛

一、CMP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七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。其中，化学机械抛光是指通 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。作为实现晶圆表面平坦化的关键工艺设备，CMP 设备集摩擦学、表/界面力学、分子动力学、精密制造、 化学/化工、智能控制等多领城最先进技术于一体，为半导体设备中较为复杂和研制 难度较大的专用设备之一。

CMP 设备包括抛光、清洗、传送三大模块。在作业过程中，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。其中，关键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，且表面 粗糙度小于 0.5nm，相当于头发丝的十万分之一。同时，制程线宽不断缩减、抛光 液配方愈加复杂，导致抛光后更难以清洗，且对 CMP 清洗后的颗粒物数量要求呈 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。

CMP 设备在集成电路产业链中应用广泛。从产业上下游关系来看，集成电路 制造产业链可分为硅片制造、集成电路设计、集成电路制造、封装测试等四大领域， 除集成电路设计领域外，其他领域均有 CMP 设备应用场景。在硅片制造领域，半 导体抛光片在完成拉晶、硅锭加工、切片成型环节后，为最终得到平整洁净的抛光 片需要通过 CMP 设备及工艺来实现。在集成电路制造领域，芯片制造过程按照技 术分工主要可分为薄膜淀积、CMP、光刻、刻蚀、离子注入等工艺环节，各工艺环 节实施过程中均需要依靠特定类型的半导体专用设备。在先进封装领域，CMP 工艺 越来越多被引入并大量使用，其中硅通孔(TSV) 技术、扇出(Fan-Out)技术、2.5D 转接板(interposer)、3D IC 等将用到大量 CMP 工艺。

CMP 设备是晶圆再生的核心工艺设备之一。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， 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，CMP 设备也是晶圆再生工艺产线中资金投入 最大的设备。

二、CMP 在先进制程中重要性提升，技术继承性良好

CMP 设备关乎芯片整体性能，是制程技术节点升级的重要工艺设备之一。CMP 是在芯片制造制程和工艺演进到一定程度、摩尔定律因没有合适的抛光工艺无法继 续推进之时才诞生的一项新技术。自从 1988 年 IBM 公司将 CMP 技术应用于 4M DRAM 芯片制造后，伴随器件特征尺寸(CD)微细化，以及技术升级引入的多层 布线和一些新型材料的出现，集成电路制造工艺逐渐对 CMP 技术产生了越来越强 烈的依赖。

如果将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 技术是实现更细线宽光刻工艺的前提和基础，只有 CMP 技术能够 有效保证集成电路的“楼层”达到纳米级全局平整，使得更先进光刻工艺得以进 行，因此 CMP 技术工艺是集成电路制造中保证芯片整体性能、推进制程技术节点 升级的重要环节。

CMP 设备在较长时间内不存在技术迭代周期。集成电路行业的发展趋势体现 在需求剧增但制程节点迭代放缓，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，具有突出的材 料均匀去除与纳米缺陷高效控制优势。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 设备的技术继承性良好。与其他工艺环节的半导体专用设备相比，随着 技术节点升级，CMP 的技术继承更好，因此 CMP 设备对芯片制造技术节点的适 用范围更广。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。

三、全球市场规模持续增长，CMP 设备厂商发展空间广阔

下游终端需求增长和晶圆厂扩产增效，全球半导体设备市场规模持续扩大。终 端需求是推动半导体设备市场成长的主要动力。伴随全球信息化、网络化和知识经 济的迅速发展，特别是以物联网、人工智能、汽车电子、智能手机、智能穿戴、云 计算、大数据和安防电子等为主的新兴应用领域的强劲增长，全球半导体行业正迎 来市场快速增长期，芯片需求量不断增加，带动晶圆制造、封装测试的需求提升， 推动相关产业环节的产能稳步扩张，进而驱动半导体设备市场规模稳步提升。

CMP 设备约占晶圆制造设备的 3% 左右。根据中微公司引用的 Gartner 的统 计数据，2021 年全球 CMP 设备约占晶圆制造设备 3% 的市场份额。按照 SEMI 统计的 2021 年全球晶圆处理设备市场规模 880.1 亿美元测算，2021 年全球 CMP 设备的市场规模约 20.64 亿美元。在设备单价方面，根据赛迪顾问数据，用 于 200 mm圆片的 CMP 设备价格约 300 万美元，300 mm晶圆的 CMP 设备价 格约 400 万美元。

在先进制程工艺中，CMP 步骤显著增加。随着线宽越来越小、层数越来越多， 先进工艺对 CMP 的技术要求越来越高，CMP 设备的使用频率也越来越高。以逻 辑芯片为例，根据立鼎产业研究引用的 Cabot Microelectroncs 的测算，随着逻辑 芯片制程的提高，单片晶圆的抛光次数也从28nm所需要的约400次提升至5nm的超 过1200次。随着先进制程对 CMP 应用步骤增加，CMP 的需求占比有望进一步提 升。

在半导体行业高景气和工艺技术进步的驱动下，全球 CMP 设备市场规模将稳 步增长。根据公司招股说明书引用的 SEMI 统计数据， 2020 年全球 CMP 设备 的市场规模为 15.8 亿美元，较 2019 年增长 5.83%。根据 Global Industry Analysts的预测数据，预计到2027年，全球CMP设备市场规模将增至29亿美元，年 增速约为5.8%。

CMP 设备的维保更新需求，为 CMP 设备厂商增添业务成长源。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，且该等服务需求会随着厂商销售设备数量的增加而快速增 长。因此， CMP 设备厂商通常会基于自身设备及工艺技术，向客户提供专用耗材 销售和关键耗材维保等技术服务，在设备销售之外获取更长期稳定和更高盈利能力 的服务收入，海外知名厂商如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。

再生晶圆业务与 CMP 设备业务高度协同，进一步打开 CMP 设备厂商成长空 间。晶圆再生业务是对现有 CMP 设备业务的外延式拓展。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，65 nm制 程的晶圆代工厂每 10 片正片需要加 6 片挡控片，28 nm及以下的制程每 10 片正 片需要加 15 - 20 片挡控片。

四、国产厂商加速追赶，CMP 设备本土化潜力巨大

中国大陆正逐渐成为全球半导体产能重心，制造环节占比稳步提升。作为全球 最大的半导体消费市场，我国对半导体器件产品的需求旺盛，半导体市场规模持续 扩大，2010 年- 2020 年年均复合增长率为 19.91%。市场需求带动了全球产能中 心向中国大陆转移，中国大陆半导体产业链的制造环节重要性日益凸显，大陆地区 晶圆厂不断新建和扩产，为我国半导体设备行业提供了巨大的市场空间，2020 年中 国大陆地区半导体设备销售额为187.2亿美元，首次成为全球规模最大的半导体设备 市场。

中国大陆CMP 设备市场规模稳中有升。从中国半导体设备市场规模角度来 看，根据公司招股说明书引用的 SEMI 统计数据，2017 - 2020 年中国大陆地区的 CMP 设备市场规模分别为 2.2 亿美元、4.6 亿美元、4.6 亿美元和 4.3 亿美元， 呈现波动增长趋势。

我国大部分高端 CMP 设备仍依赖进口，国产替代潜力大。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。根据 公司招股书，美国应用材料和日本荏原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 设备仅由两家国际巨头提供。中国大陆绝大部分的高端 CMP 设备仍然依赖于进 口，也主要由美国应用材料和日本荏原两家提供，我国本土 CMP 设备具有较大的 国产替代空间。

本土 CMP 装备厂商正逐步崛起，国产替代持续推进。美国应用材料与日本荏 原分别已实现 5nm 制程和部分材质 5nm 制程的工艺应用，国内 CMP 市场在 14nm 以下最先进制程工艺的大生产线上所应用的CMP 设备均由应用材料与日本 荏原提供。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，所生产的 12 英寸和 8 英寸 CMP 设备，已广泛应用于中芯国际、 长江存储、华虹集团等行业内领先集成电路制造企业的大生产线，在国内 CMP 市 场占据重要份额。

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