芯片制造也需要磨刀石？CMP工艺究竟是什么？
无论是不是半导体行业从业者，应该都听过这么一段话：
芯片已经成为当今信息社会的基础，一个小如指甲盖大小的芯片里就可以包含数亿个晶体管......
俗话说得好：“没有金刚钻，别揽瓷器活"。
对于芯片而言，这里的金刚钻当然不止光刻机一种，被称为现代电子工业灵魂的CMP工艺也是其中之一：
芯片制程越先进，对硅片质量的要求就越高，晶圆制造就需要对硅片表面进行平坦化处理，CMP是目前最有效实现晶圆平坦化的超精密抛光技术。
可以说：随着集成电路制造踏着摩尔定律的节奏快速发展，CMP对于集成电路制造的作用就越大；当前制造每片晶圆片，都需历经几道至几十道不等的CMP工艺步骤，精度要求至纳米级。
来自：电子元器件；IC前道工艺中的EMP
开宗明义，定义先行。首先我们要知道的是：什么是CMP？
CMP全称：Chemical-Mechanical Planarization，翻译来就是：化学机械抛光。
它是半导体器件制造工艺中的一种技术，使用化学腐蚀及机械力对加工过程中的硅晶圆或其它衬底材料进行平坦化处理。
其次，我们要知道：为什么要使用CMP技术进行硅晶圆的平坦化处理？
在当代超大规模集成电路制造过程中，已经非常普遍利用多层金属交联垂直叠层方式来形成金属绕线电路：
这是因为：多层制造技术已经变成一种有效方式来提高电路性能与电路功能的复杂性。
而多层金属交联技术也有其缺点，其中之一就是：由于层层叠加效应因而丧失芯片平坦度。
所谓平坦度差的芯片是指芯片上呈现高低起伏不平较大的表面。
在高凸区域附近，这些导电或绝缘薄膜容易受到热、电流或机械应力而造成图形不连续；这种图形不连续性会引起组件某些特定功能失效。
再者，不平坦表面在黄光光刻工艺处理中，无法被精确地对焦；因为传统黄光光刻步距机的对焦深度会因芯片表面不同高度而偏离，这种无法对焦问题相对小组件更为严重。
那么从技术层面上而言，我们又是如何使用CMP工艺进行硅晶圆的平坦化处理呢？
来自：广发证券，CMP设备工作原理
CMP抛光过程可以分为化学过程和物理过程：
化学过程指：研磨液中化学成分与硅片表面材料产生化学反应，通过将不溶物转化为易溶物或软化高硬度 物质，生成比较容易去除的物质。
物理过程指：研磨液中的磨粒与硅片表面材料发生机械物理摩擦，从硅片表面去除这些化学反应物，溶入流动的液体中带走。
其中，CMP 设备是 CMP 技术应用的载体，集摩擦学、表/界面力学、分子动力学、精密制造、化学化工、智能控制等多领域最先进技术于一体，是集成电路制造设备中较为复杂和研制难度较大的设备之一。
特别是：在CMP工艺的每一个环节，其相关设备及材料对工艺效果有关键影响：
CMP材料主要包括抛光液、抛光垫、钻石碟、清洗液等。
CMP抛光垫：主要作用是储存和运输抛光液、去除磨屑和维持稳定的抛光环境等；
CMP抛光液：是研磨材料和化学添加剂的混合物，可使晶圆表面产生一层氧化膜，再由抛光液中的磨粒去除，达到抛光的目的。
CMP钻石碟：是 CMP 工艺中必不可少的耗材，用于维持抛光垫表面一定的粗糙状态，通常与 CMP 抛光垫配套使用。
CMP清洗液：主要用于去除残留在晶圆表面的微尘颗粒、有机物、无机物、金属离子、氧化物等杂质，满足集成电路制造对清洁度的极高要求，对晶圆生产的良率起到了重要的作用。
或许，对于国内半导体产业而言，作为“金刚钻”的核心技术和材料总是处于被国外巨头垄断的境地。
来自： Gartner ，CMP设备市场
正如上文提到的一样：CMP工艺与光刻机一样都为多学科交叉，行业进入壁垒较高的多技术复合体，整体产业呈现出日美企业垄断的格局。
在 14nm 以下最先进制程工艺的大生产线上所应用 CMP 设备仅由美国应用材料和日本荏原两家国际巨头提供。
根据 Gartner 研究数据：2019 年美国应用材料和日本荏原的 CMP 设备销售额 分别为 10.43 亿美元、3.725 亿美元，各占 70%、25%的全球市场份额。
2017、2018、 2019 三年，两家公司合计占有的市场份额分别为 98%、90%、95%，CMP 设备市场呈现 出高度垄断的竞争格局。
除此之外，日美企业技术垄断的关键还在于其早已部署的强大的专利壁垒，使得国内企业在一开始入局时就举步维艰：
以抛光垫为例：其是 CMP 工艺中重要耗材之一，但由于国内企业在化学机械抛光领域起步较晚，专利技术积累相对较浅。现今主流的 12 英寸晶圆用的开窗口抛光垫专利被美国公司占有， 国内仅有 DOW（陶氏）获得授权生产销售。
又因为：2013 年之后，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。
当然，我们的CMP工艺的国产化进程中的核心驱动力已经显现；我们也必将实现国产化CMP工艺的单点突破，由一而发前进。
核心驱动力在于：
以CMP抛光垫和抛光液为例：其作为一种晶圆制造材料，需求量和晶圆产能直接相关：
未来 3-5 国内晶圆制造产能将翻番，国内半导体产业链上下游迎来重要契机。
2022年上半年相关CMP行业数据显示：目前大概有 54 个运营主体，共计 94个晶圆厂或产线项目，目前产能平稳运行的有 17 个晶圆厂及产线项目，正在产能爬坡的有 37 个，未来 3-6 个试生产的 11 个，正在项目基础建设的 9 个，另外正在规划的约 11 个。
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%。若这些晶圆厂如期达到产能目标，将大幅拉动对国产半导体设备和材料的需求。
随着晶圆厂产能增长，预计至2023年CMP抛光垫全球市场规模约9.9亿美金：
其中中国市场有望达到4.40亿美金，具有较大的发展前景。
预计未来全球CMP市场复制增长率约6%；随着未来国内晶圆厂大幅投产，测算预计未来5年中国CMP抛光垫市场规模增速可超10%，至2023年可达约4.40亿美金。
其实，近十年来我国就CMP工艺的研究从未停止，且也将单点突破，由一而发：
2009年，我们国家研发的“二氧化铈微球粒度标准物质及其制备技术”试验效果和当前的国际上传统的超精密抛光水平相差无几，填补了该领域空白；
2013年，国防科大精密工程团队自主研制出磁流变、离子束两种超精抛光装备，创造出我国光学零件加工领域的亚纳米精度；
2015年，国防科大机电工程与自动化学院自主研制的新一代超精密光学零件加工设备，其光学零件面形精度RMS值达到0.361纳米，标志我国超精密光学零件加工技术跨入世界领先行列。
随着一个个技术壁垒的突破，相信在不久的将来：中国的半导体从业者也可以将国产化CMP工艺的一个个关键技术节点串联、实现及不断创新，融合发展成我们自己的半导体核心技术之一。
本次的CMP工艺我们就先讲到这儿~
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最后的最后，借用列宁同志的名言：
你怕狼,就别到树林里去。
愿每一位半导体从业者可以——
大无畏，勇探索！