【国君产研|新材料系列四】芯片制程的提升推动CMP规模扩张

（以下内容从国泰君安《【国君产研|新材料系列四】芯片制程的提升推动CMP规模扩张》研报附件原文摘录）
　　摘 要 CMP抛光材料应用于硅片制造和IC制程工艺，主要包括抛光液和抛光垫。它的作用主要在于实现晶圆全局均匀平坦化（纳米级）。抛光垫的技术壁垒在于沟槽设计及提高寿命改良，抛光液的技术壁垒在于调整抛光液组成以改善抛光效果。 芯片制程提升推动CMP抛光材料用量翻倍。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次数会翻一番，达到25-26次。存储芯片由2DNAND向3DNAND技术变革，也会使CMP抛光步骤数近乎翻倍。 CMP抛光材料，在晶圆制造材料中占比7%。根据Cabot披露，2018年全球抛光液市场规模12.7亿美元，抛光垫市场规模7.4亿美元，cabot预计2019-2023年全球CMP抛光材料总市场规模年复合增长率为4%-6%。 竞争格局：海外寡头。从全球角度来看，CMP抛光材料市场长期被美日企业垄断，但龙头Cabot全球市占率从2000年80%下降至2017年约35%；抛光垫市场被陶氏公司垄断，占据79%的市场份额，在细分集成电路芯片和蓝宝石两个高端领域更是占据90%的市场份额。 我们测算2024年CMP抛光材料的市场规模有望达到130亿元，五年复合增速30%。半导体材料从研发立项到实现量产销售需要经过立项4-6年，周期长且资金需求大。我们认为未来3-5年，随着技术论证更新和产业资源整合，头部公司产能释放，CMP抛光材料国产替代进程将加快。 万华的参与可能加速进口替代的进程。国内具备生产抛光垫材料能力只有鼎龙股份（目前2万片/月产能）和江丰电子（与Cabot合作）；而具备抛光液规模化生产能力的只有安集科技，部分产品技术水平处于国际先进地位。2020年，万华化学基于聚氨酯的上游材料优势计划建设抛光液1.5-2万吨/年，折合国内2024年市场需求量10%，CMP抛光垫产能60万片/年，折合国内2024年市场需求量的20%。 风险因素：国内晶圆厂达产进度低于预期、国内CMP技术研发遇到瓶颈 本期作者：肖洁 负责人：鲍雁辛 以 下 正 文 1. CMP抛光材料：半导体工艺的“润滑剂” CMP化学机械抛光，是集成电路制造过程中实现晶圆全局均匀平坦化（纳米级）的关键工艺，通过化学力和机械力混合作用来消除晶圆表面材料。在一定压力下及抛光液的存在下，被抛光的晶圆对抛光垫做相对运动，借助纳米磨料的机械研磨作用与各类化学试剂的化学作用之间的高度有机结合，使被抛光的晶圆表面达到高度平坦化、低表面粗糙度和低缺陷的要求。 CMP关键技术包括：1、化学过程：研磨液中的化学品和硅片表面发生化学反应，生产比较容易出去的物质；2、物理过程：研磨液中的磨粒和硅片表面材料在抛光垫上发生机械物理摩擦，去除化学反应生成的物质；3、化学腐蚀与机械切削作用的匹配，保证平整度避免表面层损伤。 1.1. CMP抛光材料应用于硅片制造和IC制程工艺 在单晶硅片制造环节，单晶硅片首先通过化学腐蚀减薄，此时粗糙度在10-20μm，在进行粗抛光、细抛光、精抛光等步骤，可将粗糙度控制在几十个nm以内。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。 在IC制程工艺中，主要应用在多层金属布线层的抛光中。由于IC元件采用多层立体布线，需要刻蚀的每一层都有很高的全局平整度，以保证每层全局平坦化。CMP平坦化工艺在此工艺中使用的环节包括：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。 1.2. 抛光液、抛光垫规模占CMP耗材82% 抛光材料是CMP工艺过程中必不可少的耗材。根据功能的不同，可以划分为抛光垫、抛光液、调节器、以及清洁剂等，主要以抛光垫和抛光液为主。 抛光垫主要作用是传输抛光液，传导压力、打磨发生化学反应的材料表面以及维持抛光过程所需的机械和化学环境，通常为影响化学机械抛光的“机械”因素。除抛光垫的力学性能以外，其表面组织特征，如微孔形状、孔隙率、沟槽形状等，可通过影响抛光液流动和分布，来决定抛光效率和平坦性指标。抛光垫的材料通常为聚氨酯和无纺布。为了兼顾平坦度和非均匀性要求，可采用“上硬下软”的上下两层复合结构。 抛光液主要是为抛光对象提供研磨及腐蚀溶解，通常为影响化学机械抛光的“化学”因素。CMP抛光液又称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，在CMP进程中每种材料发挥不同的功能，不同成分之间存在一定的协同作用，各种化学添加剂的选择以及含量的变化都会极大地影响抛光效果。 抛光垫的技术壁垒在于沟槽设计及提高寿命改良，抛光液的技术壁垒在于调整抛光液组成以改善抛光效果。对于抛光垫而言合理的沟槽设计帮助抛光液流动并带走切削的细屑，使晶圆表面最终能形成完美的镜面效果，另一方面抛光垫在使用后会逐渐“釉化”，为保持抛光垫使用效果，需要用调节器定期整修使其恢复粗糙或更换新的抛光垫，抛光垫使用寿命在45至75小时之间，作为耗材，下游晶圆厂对抛光垫使用寿命的要求越来高，因此沟槽设计与使用寿命提高是抛光垫生产过程中的核心技术壁垒。抛光液的配方则是影响抛光效果的决定性因素。各大公司和研究机构通常非常注重抛光液配方的研究，同时根据抛光对象的不同对抛光液的组成进行调整，以获得较好的抛光速率和抛光效果。 2. 制程提升，带来CMP抛光材料需求量不断增加 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，在集成电路芯片进入0.35μm节点后，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次数会翻一番，达到25-26次，会增加对钴等金属抛光液需求。同样地，存储芯片由2DNAND向3DNAND技术变革，也会使CMP抛光步骤数近乎翻倍。据Cabot官网资料，截至2019年，已有60%-70%2D NAND向3D NAND变革，需求集中在钨和介质抛光液。即使是同一技术节点，不同晶圆制造企业的技术水平和工艺特点不同，对抛光材料的需求也不同。 2.1. 全球CMP抛光材料4%-6%的增长，中国增速快于全球 集成电路产业由芯片设计、晶圆制造与封装测试以及集成电路产品（芯片）组成。2018年全球半导体材料销售额达到519亿美元，增长10.6%，超过2011年471亿美元的历史高位，其中晶圆制造材料销售额为322亿美元，同比增长率为15.9%。 CMP抛光材料属于半导体材料中的晶圆制造材料，占整个制造材料的7%，在晶圆制造中发挥重要作用。此外晶圆制造材料还包括硅片、光掩模、光刻胶、光刻胶辅助材料、工艺化学品、电子特气、靶材等。 根据CabotMicroelectronics官网公开披露的资料，2018年全球抛光材料市场规模为20.1亿美元，其中，CMP抛光液的市场规模约为CMP抛光垫的1.7倍。2016-2018年年复合增长率为4.7%。cabot预计2019-2023年全球CMP抛光材料市场规模年复合增长率为4%-6%。据头豹产业研究院数据，中国半导体CMP抛光材料的市场销售规模在2018年达到28.0亿元。2014年至2018年年复合增长率为9.9%。 2.2. 2024年国内CMP抛光材料规模有望超过130亿元 根据世界半导体贸易统计协会统计，全球集成电路行业销售额由2012年的2,382亿美元增长至2018年的3,933亿美元，年均复合增长率达8.72%。根据中国半导体行业协会统计，中国集成电路产业销售额由2012年的2,158亿元增长至2018年的6,531亿元，年均复合增长率达20.27%。 根据SEMI预测，2017-2020年全球将有62座晶圆厂投产，其中26座晶圆厂来自于中国大陆，占比约42%。根据SEMI《2018年中国半导体硅晶圆展望报告》，中国的Fab厂产能预计将从2015年的每月230万片增长到2020年的400万片（8英寸），每年12%的复合年增长率。 根据芯思想研究院统计，截止2019年底，我国12英寸晶圆制造厂装机产能约90万片/月，8英寸晶圆制造厂装机产能约100万片/月，6英寸晶圆制造厂装机产能约230万片/月。根据当前国内94个晶圆厂项目规划及目标总计，预计至2024年，大陆区域12英寸目标产能达273.0万片/月，相比2019年增长超过2倍，8英寸目标产能达187万片/月，相比2019年增长90%。晶圆厂如期达产，将大幅拉动国产半导体设备和材料的需求。 根据中芯国际招股说明书披露的原料采购情况，我们测算2018、2019年生产单片晶圆（8英寸）约需研磨液2.132kg、2.139kg，合计77.40元，80.87元；生产单片晶圆（8英寸）约需研磨垫0.029件，合计56.66元，55.47元。 据目前晶圆厂的产能规划，我们预计，到2024年我国CMP抛光材料市场将超过130亿美元，五年复合增速30%。2024年我国晶圆产量如果达到800万片/月（12英寸*2.25换算成8英寸），在>=14nm技术节点基础上（不考虑技术的进步带来的单位消耗量的提升），抛光液消耗量约为1.71万吨/月，合计约6.47亿元/月，抛光垫消耗量为22.95万件/月，约4.44亿元/月，合计抛光材料10.91亿元/月。 从抛光液的披露数据来看，2018年安集科技向中芯国际销售抛光液及光刻胶去除液共计1.48亿元，约占中芯国际抛光液采购量的31%；从抛光垫的披露数据来看，2019年国内抛光垫龙头鼎龙股份抛光垫营收1230万元，中芯国际抛光垫采购金额为2.86亿元，占比及低，国产替代空间依旧广阔。 3. 竞争格局：海外寡头，国内崛起 抛光材料具有技术壁垒高、认证时间长的特点，一直以来为国外公司垄断。 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，在细分集成电路芯片和蓝宝石两个高端领域更是占据90%的市场份额，此外还有卡博特、日本东丽、ThomasWest、富士纺控（FOJIBO）等。国内具备生产抛光垫材料只有鼎龙股份和江丰电子，鼎龙股份推出的抛光垫产品具有完全独立自主的知识产权，而且公司及其子公司已经在抛光垫领域申请25项发明专利，成为国内研发实力和生产能力排名第一的厂商。江丰电子携手美国嘉柏微电子材料股份有限公司跨入抛光垫领域。 化学机械抛光液属于半导体晶圆制造材料中CMP抛光材料，无法获取国内外细分领域市场空间、市场占有率等公开数据。长期以来，全球化学机械抛光液市场主要被美国和日本企业所垄断，包括美国的Cabot、Versum和日本的Fujimi等。其中，Cabot全球抛光液市场占有率最高，但是已经从2000年约80%下降至2017年约35%。国内安集微电子率先实现高品质抛光液技术突破打破国外垄断，实现了进口替代，部分产品技术水平处于国际先进地位。 2020年，万华化学基于聚氨酯的上游材料优势计划建设抛光液1.5-2万吨/年，折合国内2024年市场需求量10%，CMP抛光垫产能60万片/年，折合国内2024年市场需求量的20%。万华的参与可能加速进口替代的进程。 3.1. Cabot：钨系抛光液绝对龙头 Cabot是全球市占率最高的化学机械抛光液供应商和第二大化学机械抛光垫供应商。但是其CMP抛光液市占率已经从2000年约80%下降至2017年约35%。公司2010-2018年营收CAGR为4.72%，净利润CAGR为10.64%，ROE维持在10~15%，ROA为~10%水平。 2011-2020年，公司主要客户为三星、台积电，英特尔、海力士、美光。其中三星采购额逐年增加，海力士和美光也是集中于存储芯片。2019年，公司完成对KMG化学收购，收购额为16亿美元。增加超高纯度湿电子化学品、管道功能材料业务，其中电子化学品包括半导体加工中用到的各种高纯度的酸碱、有机溶剂、复合溶剂、刻蚀剂、显影剂等。本轮并购对公司打开intel（集成电路）的销售规模有所帮助，2019年起，英特尔成为公司最大客户。 受半导体行业发展影响，CMP抛光材料16-18年收入增长较快，18-20年增长放缓，整体稳定增长。2010-2020年，公司抛光材料业务营收CAGR为4.32%。公司CMP抛光液业务按照抛光对象的不同分为钨、电介质（硅、氧化物）及其他金属抛光液（铜、钴等）。其中，毛利率较高的钨抛光液营收增速较快，且占比逐年提升。 3.2. Versum：先进材料业务盈利能力提升 公司先进材料的收入占比35%，cmp材料是先进材料事业部主要产品之一。2013-2018年，先进材料业务营收由3.03亿美元增长至4.78亿美元，CAGR为9.55%，盈利能力大幅提升。2019年公司被德国Mock公司收购。 3.3. Fujimi：抛光材料17-20年CAGR为5.90% Fujimi是合成精密研磨剂制造商，产品线包括硅晶圆及其他半导体衬底的抛光研磨剂、半导体芯片上多层电路所需的化学机械抛光产品、电脑硬盘研磨剂，并正在培育金属陶瓷、热喷涂材料等新领域。据公司年报，至2019年3月，Fujimi年度销售总收入384.08亿日元，其中半导体器件CMP研磨剂销售收入173.61亿日元，占比45%。2010-2020年间，公司CMP抛光营收波动增长，复合增速与全球CMP市场6%增速相当。 3.4. 安集科技：国内CMP抛光液龙头 公司主营业务为关键半导体材料的研发和产业化，目前产品包括不同系列的化学机械抛光液和光刻胶去除剂，主要应用于集成电路制造和先进封装领域。公司成功打破了国外厂商对集成电路领域化学机械抛光液的垄断，实现了进口替代，使中国在该领域拥有了自主供应能力。公司化学机械抛光液已在130-28nm技术节点实现规模化销售，主要应用于国内8英寸和12英寸主流晶圆产线；14nm技术节点产品已进入客户认证阶段，10-7nm技术节点产品正在研发中。 2016-2019营收与净利润逐年增长，CAGR分别为13.22%和29.99%，2020年Q3营收3.09亿元(同比+50.39%)，主要系CMP抛光液产品加速放量。2016-2019年，公司毛利率维持在55%左右，波动较小，净利率稳定增长，综合毛利率高于同行业可比公司。化学机械抛光液为公司核心业务，2016-2018年公司CMP抛光液销售额占全球销售额的2.4%。 公司深耕铜及铜阻挡层系列化学机械抛光液产品，拥有完全自主知识产权，部分产品技术水平处于国际先进地位，2019年实现销售额1.67亿元，与18年同期基本持平；其他系列化学机械抛光液实现销售额0.69亿元，较2018年增长69.47%。 目前，公司已成为中芯国际、长江存储等国内领先芯片制造商的主流供应商，并成为台湾地区台积电、联电等全球领先芯片制造商的合格供应商；同时，公司与英特尔等全球知名芯片企业密切合作，积极拓展全球市场。18年，公司向中芯国际销售抛光液及光刻胶去除液共计1.48亿元，按2018年安集科技抛光液与光刻胶去除剂销售额占比，计算抛光液销售金额为1.23亿元，约占中芯国际抛光液采购量的31%，国产替代空间依旧广阔。 3.5. 鼎龙股份：国内CMP抛光垫龙头 公司于2013年开始CMP抛光垫业务相关技术的研发和产品的制造。2018年，公司6316.82万元受让成都时代立夫73.16%股权，整合行业资源。通过自身技术的积累和对行业内领先厂商时代立夫的收购，抛光垫生产主要指标已达到市场主流产品要求。目前，子公司鼎汇微电子成为国内CMP抛光垫仅有少数技术领先同时具有先进制程技术突破的经验和能力的企业。公司武汉本部工厂一期产能规模2万片/月基本满产，二期产能正在做安装。未来会根据客户需求来考虑三期的建设。 2020H1，公司抛光垫业务营收2102.40万元，同比增长2145.96%，主要由于国内半导体抛光材料需求旺盛，公司存储器客户的先进制程的产品验证顺利导入，产品销量增加。据公司公告，截至2020年8月31日，鼎汇微电子公司全部股权评估值为78,102.39万元，增值69,015.27万元，增值率759.48%。 长江存储、合肥长鑫、中芯国际对公司产品的评价较高。在存储和先进逻辑领域持续突破。客户端28nm全制程测试进展顺利，部分制程已获得订单，抛光垫的技术研发已全面进入14nm阶段。产品方面目前成熟制程的量产产品已达到六大系列，先进制程量产产品达到三大系列。 员工股权激励的完成给抛光材料业务的持续增长带来了新的动能。2020年11月24日，公司通过《关于转让控股子公司部分股权给员工持股平台暨关联交易的议案》，子公司鼎汇微电子2,080万元的注册资本以单价5元即合计人民币10,400万元的价格转让给五家员工持股平台以实施员工持股，价格为评估价值的6.67折。本次交易完成后，公司持有鼎汇微电子的股权比例下降至76.15%。 本公司具有中国证监会核准的证券投资咨询业务资格 分析师声明 作者具有中国证券业协会授予的证券投资咨询执业资格或相当的专业胜任能力，保证报告所采用的数据均来自合规渠道，分析逻辑基于作者的职业理解，本报告清晰准确地反映了作者的研究观点，力求独立、客观和公正，结论不受任何第三方的授意或影响，特此声明。 免责声明 本报告仅供国泰君安证券股份有限公司（以下简称“本公司”）的客户使用。本公司不会因接收人收到本报告而视其为本公司的当然客户。本报告仅在相关法律许可的情况下发放，并仅为提供信息而发放，概不构成任何广告。 本报告的信息来源于已公开的资料，本公司对该等信息的准确性、完整性或可靠性不作任何保证。本报告所载的资料、意见及推测仅反映本公司于发布本报告当日的判断，本报告所指的证券或投资标的的价格、价值及投资收入可升可跌。过往表现不应作为日后的表现依据。在不同时期，本公司可发出与本报告所载资料、意见及推测不一致的报告。本公司不保证本报告所含信息保持在最新状态。同时，本公司对本报告所含信息可在不发出通知的情形下做出修改，投资者应当自行关注相应的更新或修改。 本报告中所指的投资及服务可能不适合个别客户，不构成客户私人咨询建议。在任何情况下，本报告中的信息或所表述的意见均不构成对任何人的投资建议。在任何情况下，本公司、本公司员工或者关联机构不承诺投资者一定获利，不与投资者分享投资收益，也不对任何人因使用本报告中的任何内容所引致的任何损失负任何责任。投资者务必注意，其据此做出的任何投资决策与本公司、本公司员工或者关联机构无关。 本公司利用信息隔离墙控制内部一个或多个领域、部门或关联机构之间的信息流动。因此，投资者应注意，在法律许可的情况下，本公司及其所属关联机构可能会持有报告中提到的公司所发行的证券或期权并进行证券或期权交易，也可能为这些公司提供或者争取提供投资银行、财务顾问或者金融产品等相关服务。在法律许可的情况下，本公司的员工可能担任本报告所提到的公司的董事。 市场有风险，投资需谨慎。投资者不应将本报告作为作出投资决策的唯一参考因素，亦不应认为本报告可以取代自己的判断。在决定投资前，如有需要，投资者务必向专业人士咨询并谨慎决策。 本报告版权仅为本公司所有，未经书面许可，任何机构和个人不得以任何形式翻版、复制、发表或引用。如征得本公司同意进行引用、刊发的，需在允许的范围内使用，并注明出处为“国泰君安证券研究”，且不得对本报告进行任何有悖原意的引用、删节和修改。 若本公司以外的其他机构（以下简称“该机构”）发送本报告，则由该机构独自为此发送行为负责。通过此途径获得本报告的投资者应自行联系该机构以要求获悉更详细信息或进而交易本报告中提及的证券。本报告不构成本公司向该机构之客户提供的投资建议，本公司、本公司员工或者关联机构亦不为该机构之客户因使用本报告或报告所载内容引起的任何损失承担任何责任。

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