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中金 | 国内光刻胶产业:百舸争流,剑指高端

2022-01-11 07:46:51 点击:65 来自:馨灵韵静

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光刻胶是现代微纳制造工艺的关键材料,广泛应用于集成电路、面板、PCB、LED等制造领域。光刻胶技术难度大、壁垒高,市场长期由少数日美厂商主导。近年来,随着市场、资金、人才、政策等多方面因素驱动,国内IC光刻胶及原材料厂商日益增多,我们认为,国产高端IC光刻胶突破在望。

摘要

光刻胶为半导体制造中的关键耗材,合成技术难度大、壁垒高。光刻工艺为半导体制造中的核心工艺,光刻胶为光刻工艺的关键耗材,决定芯片制造的关键尺寸。根据光源波长分类,光刻胶可分为紫外宽谱、g线、i线、KrF、ArF、EUV 6大品类,波长越短通常可制造的最小尺寸越小,技术难度越高。光刻胶的壁垒主要在于:1)配方和经验的长期积累,2)原材料的稳定供给;3)客户黏性和认证周期长;4)前期资金和人才投入大。

全球光刻胶市场规模大,IC光刻胶中EUV和KrF增速高。根据Research And Markets数据,2020年全球光刻胶市场为87亿美元。根据Techcet数据,2020年全球IC光刻胶市场约18.33亿美元,预计2025年达24.66亿美元,5年CAGR为6.11%;受益于先进逻辑制程及DRAM的应用,EUV光刻胶市场规模有望由2020年的0.27亿美元迅速增长至2025年的2.26亿美元;随着堆叠层数的提升,KrF光刻胶在3D NAND制程中的使用量同步增加,市场规模有望由2020年的6.12亿美元提升至2025年的9.1亿美元。

日美企业主导光刻胶市场,国内投入日益加大,有望改变核心原材料和高端IC光刻胶的全球格局。据Research And Markets的数据,2020年全球前五大光刻胶供应商占据全球87%的市场份额,行业集中度高。国内光刻胶产业发展不均衡,现状是厂商多而不强。光刻胶方面,国内供应商主要集中于PCB/面板/LED领域和g/i线等中低端市场;光刻胶原材料方面,成本占比高的树脂和光引发剂等对海外厂商依赖度高。随着国内半导体产业快速发展以及对国产核心半导体材料的重视,国内部分公司在KrF、ArF等高端IC光刻胶领域不断突破,我们认为,将来有望改变全球光刻胶产业供给格局。

风险

原材料供应风险、市场竞争加剧风险、国内研发转化不及预期。

正文

光刻胶是半导体制造关键材料

光刻胶的蝴蝶效应:品质决定性能

光刻胶(Photoresist,简称PR),是一种在光源照射下产生溶解度变化的耐刻蚀薄膜材料,广泛应用于微纳器件的光刻工艺中。光刻技术广泛应用于印刷电路板(Printed Circuit Board,简称PCB)、显示面板(Flat Panel Display,简称FPD)、集成电路(Integrated Circuit,简称IC)等领域的光刻工艺中。光刻工艺通常处于生产制造流程的前端部分,属于关键步骤,在集成电路产业,根据产品复杂程度不同,制造过程会涉及成百上千的工艺步骤。根据SEMI统计的相关数据,当IC制造工艺从65nm制程升级到5nm先进制程时,刻蚀步骤从20次增加到160次。而每一次的刻蚀、沉积等工艺前都要通过光刻进行材料表面图案化。

图表1:光刻胶广泛应用在光电器件的前端制造节点

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资料来源:SEMI,中金公司研究部

在光刻工艺中,光刻胶经过旋涂、前烘、曝光、后烘、显影等工序后,可以将光掩模板上的微纳图形转移到光刻胶上,再结合后续工艺,实现目标材料的图案化和阵列化,作为光刻工艺的核心材料,光刻胶的品质至关重要。2019年台积电因使用的一批光刻胶与过去的规格有误差,出现了不该有的聚合物成分,造成 Fab14生产线上多达10万片的12/16nm晶圆报废,受影响客户包括苹果、高通、NVIDIA、AMD、海思、联发科等,公司一季度营收减少5.5亿美元,毛利率降低2.6%,损失较大。

图表2:光刻工艺流程

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资料来源:《Handbook of Silicon Wafer Cleaning Technology》Karen A. Reinhardt & Werner Kern,2008,中金公司研究部

图表3:IC晶圆制造流程

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资料来源:《半导体制造技术导论》HongXiao(萧宏), 2013,中金公司研究部

按照下游市场需求,光刻胶可分为PCB光刻胶、FPD光刻胶、IC光刻胶三大类。在不同的应用场景,光刻胶的品种、组分和市场规模有较大差异。

图表4:按下游应用划分的光刻胶品种、组分和用途

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资料来源:庞玉莲,光刻材料的发展及应用.信息记录材料,2015,16(1),36-51,许箭 先进光刻胶材料的研究进展.影像科学与光化学,2011,29(6),417-429,中金公司研究部

► PCB光刻胶:印刷线路板的图案化工艺,已经从早期的丝网铜板印刷转变为更为精确和高效的光刻工艺,占比超过90%。PCB光刻胶主要分为干膜光刻胶、湿膜光刻胶、阻焊油墨。

•干膜光刻胶:由配置好的液态光刻胶均匀涂抹在载体PET薄膜上,经过烘干、冷却后,盖上PE薄膜,收卷而成的薄膜光刻胶。在使用时,将干膜光刻胶压在覆铜板上,经过曝光显影将电路图转移到光刻胶上。通过后续对覆铜板刻蚀加工,形成PCB上的铜线路,主要用于75-100µm制程。

•湿膜光刻胶:又称为感光线路油墨,分为抗电镀油墨和抗蚀刻油墨,与干膜工序相似,液态光刻胶均匀涂抹在覆铜板上,经过曝光、显影、刻蚀等工序形成铜线路,虽然材料成本比干膜要低,但是加工设备成本较高,主要用于25-75µm制程。

•阻焊油墨:用于在线路上形成永久的绝缘保护层,防止在焊锡过程中造成的短路,保证PCB在运输、存放、使用时安全性。进一步可以细分为UV固化阻焊油墨和液态感光阻焊油墨,UV固化油墨可用在对精度要求不高的PCB上,附着力较差;感光阻焊油墨则精密度较高。

图表5:用于PCB制造的湿膜光刻胶和阻焊油墨的光刻工艺

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资料来源:容大感光,中金公司研究部

► FPD光刻胶:用于平板显示、显示器、LCD彩色滤波片制作等光刻工艺中,使用的光刻胶品种根据应用工艺不同主要分为TFT-Array光刻胶、彩色和黑色光刻胶等。

• TFT-Array正性光刻胶:主要应用于TFT-LCD或AMOLED制造中的Array段,包括TFT的图案化光刻胶,保护绝缘层光刻胶,ITO图案化光刻胶,OLED Array中平坦层光刻胶,OLED中PDL像素界定层光刻胶和Yocta制程用光刻胶。

•彩色&黑色负性光刻胶:彩色滤光片由玻璃基板、黑色矩阵、颜色层、保护层、ITO导电层等构成,用于实现LCD面板的彩色显示,彩色光刻胶(RGB)分为红、绿、蓝三原色光刻胶,经过涂抹、曝光、显影等工序组成了颜色层;黑色光刻胶则用于形成黑色矩阵(BM),起到防止漏光的作用,其中彩胶在FPD光刻胶中占比超过50%。

图表6:彩色滤光片的结构和光刻工艺

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资料来源:强力新材,中金公司研究部

► IC光刻胶:按照光源波长的从大到小,光刻胶可分为紫外宽谱(300-450nm)、g线(436nm)、i线(365nm)、KrF(248nm)、ArF(193nm)、EUV(13.5nm)等6个主要品类;按照在光刻工艺中的显影效果,光刻胶可以分为正性光刻胶和负性光刻胶两种。正胶在曝光后可以被显影液溶解,留下的光刻胶薄膜的图像与掩模板相同。而负胶经过曝光过程,难以被显影液溶解,所成图像与光掩模板相反。从显影后薄膜阶梯性来看,负胶阶梯覆盖差,可以作为Lift-Off胶应用到沉积工艺中。同时,负胶具有良好的机械性能和抗湿法刻蚀能力,适用于线路保护。由于光刻中的光化学反应与曝光波长适配,所以化学反应体系的发展与曝光波长的发展相辅相成。从研发时间上看,化学体系的发展分为光交联、光分解、和化学放大三个主要体系。

图表7:正负性光刻胶对比以及光刻胶化学反应体系的发展

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资料来源:Handbook of Silicon Wafer Cleaning Technology,US Patent 2690966,US Patent 2852379,US Patent 3046120,中金公司研究部

光刻胶研发壁垒主要源于配方的调试及较长的认证

光刻胶作为半导体制造工艺中核心材料,研发难度较高,其工艺壁垒主要集中在配方的调试及较长的认证时间。

光刻胶的研发模式可以理解为一个不断进行配方调整的方法学过程,对经验的依赖性较大,且难以通过现有产品反向解构出其配方。厂商按照一定比例将原材料混合后进行光刻实验的验证,根据验证结果再进行配方调整,不断重复直至达到客户需要的性能指标。原材料比重的微调直接影响到光刻胶的各个性能指标:比如溶剂的多少会影响黏度;增稠剂能提高光刻胶成膜厚度;光引发剂的多少会影响光刻胶的灵敏度;碱性抑制剂的多少会影响光刻胶的线宽粗糙度;增感剂可以调节光刻胶的灵敏度和分辨率。此外,光刻胶在使用过程中也会使用一些配套辅助材料,如抗反射涂层用来吸收光刻过程中的反射光。

光刻胶的性能主要通过灵敏度、对比度、抗刻蚀比、黏度、保质期等指标来衡量。

► 灵敏度:衡量在曝光过程中,溶解性改变所需要的曝光剂量(Exposure Energy)以及曝光过程中的响应速度,灵敏度太低会影响产出效率,太高可能会牺牲分辨率。

► 对比度:线宽粗糙度(Line Width Roughness,简称LWR)衡量显影之后,由于边缘粗糙导致光刻胶线宽的偏离程度。

►抗刻蚀比:衡量使用光刻胶与刻蚀材料在后续的刻蚀工艺下速率的快慢,耐刻蚀的光刻胶可以用来起到保护作用,确保覆盖区域不被刻蚀。

在实际生产过程中,光刻胶的性能指标往往需要根据具体的应用需求进行调整。比如在用作刻蚀保护时,需要光刻胶有一定的粘度和抗刻蚀比;在用于剥离工艺时,要考虑到光刻胶显影后的阶梯性;在先进制程中为了保证关键尺寸和剖面控制,对光刻胶的高刻蚀选择比要求高。因此,生产厂商往往会在一种型号的光刻胶目录下,有十个甚至几十个品种,以满足各方需求。在改进光刻胶性能时,则需要调整光刻胶的组成成分。

图表8:决定光刻胶性能的主要指标

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资料来源:崔铮《微纳米加工技术及其应用》2020,中金公司研究部

光刻胶的生产认证流程包括:原料设计购买、配方工艺研制、客户端验证三个主要环节,认证流程复杂且成本昂贵。光刻胶的品质对光刻工艺和最终电子器件的性能影响很大,下游厂商非常重视光刻胶的质量以及厂商供货能力。光刻胶的客户端验证会经过严格的筛选流程,根据前瞻产业研究院的数据,一般PCB、FPD光刻胶验证过程为1-2年,而IC光刻胶则是2-3年。光刻胶客户端验证要经过三个阶段,第一阶段是离线测试阶段,对标现有产品;第二阶段是小批量产品测试;第三阶段是大批量产品测试阶段,客户通常会测试50个批次以上。在小试之前往往还要经过信息反馈和配方改进等步骤,最终大批量产品测试成功后,才可以获得订单。

此外,光刻胶厂商需购置相关的光刻机来进行内部测试,随着光刻胶产品从低端向高端演进,用于测试配方的光刻机成本也越来越高,根据ASML年报计算,单台ArFi光刻机约需6000万欧元,EUV光刻机则需1.5亿欧元,由于全球仅ASML一家能批量供应EUV光刻机,其造价昂贵且供应数量有限,因此光刻胶供应商难以购买EUV光刻机进行内部验证,使得EUV光刻胶的研发成本及验证难度大幅提升。

图表9:光刻胶生产认证基本流程

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资料来源:上海新阳公司公告,中金公司研究部

光刻胶的发展:制程进化的助推器

作为光刻工艺的主要应用之一,IC制造的发展离不开晶圆加工制程的进化。摩尔定律指出:集成电路上晶体管的数量每18-24个月便会翻倍,相应的单个晶体管的成本则会减半。晶体管数量翻倍在性能得到提高的同时,还有效降低了器件的能耗。通过光刻胶和光刻技术的发展,提高光刻工艺的分辨率,是实现制程进化、延续摩尔定律的关键。

图表10:提高光刻分辨率的三个因素

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资料来源:崔铮《微纳米加工技术及其应用》 2020,中金公司研究部

影响分辨率的参数之间的关系可以由瑞利准则表征:

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公式中k1是光刻工艺因子;λ是光源波长,单位为纳米(nm);NA是物镜的数值孔径。由于工艺因子和数值孔径的浮动区间基本都不到1,所以减小波长是提高光刻分辨率最有效的手段。

图表11:IC集成度和光刻胶曝光光源的发展

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资料来源:ITRS,中金公司研究部

从上世纪中叶至今,光刻工艺中光源的发展历经了多个技术阶段,由汞灯、准分子激光器、激光等离子体的几个技术阶段。按照光源波长的从大到小,光刻胶可分为紫外宽谱(300-450nm)、g线(436nm)、i线(365nm)、KrF(248nm)、ArF(193nm)、EUV(13.5nm)等6个主要品类。

►紫外光刻(UV):主要光源为高压汞灯,其中的g线(436nm)、h线(405nm)、i线(365nm)都是主要线程,i线光刻胶在上世纪80年代开发并逐渐取代g线光刻胶成为主流。

►深紫外光刻(DUV):深紫外光刻因其波长短、衍射小,可以进一步提高分辨率。光源通常采用气体卤化物准分子激光器,如KrF(248nm)、ArF(193nm)、F2(157nm)。

•1980年代KrF光刻胶最早由IBM提出,于1990年实现商业化,这一时期,JSR、TOK等日系厂商逐渐崛起,TOK在1995年商业化KrF光刻胶,率先打破美系厂商的垄断,而在光刻机市场,尼康和佳能等日系厂商也取代美系厂商成为了龙头。

• 1990年开始由日系厂商主导ArF光刻胶发展,2000年IMEC将JSR的ArF光刻胶用于130nm制程的光刻工艺,2001年TOK实现ArF光刻胶商业化,在光刻工艺上,通过增大物镜数值孔径和降低工艺因子,使ArF光刻的分辨率进一步提升。2002年由台积电和ASML联手发展了ArF浸润式光刻技术,通过改变光传播介质的方法,增大数值孔径,使ArF光刻极限延伸到10nm制程。

•由于ArF干法无法满足65nm以下制程,F2光刻体系被认为是衔接ArF与下一代光刻体系的桥梁。随着ArF浸没技术可以实现65-14nm制程,并且F2物镜材料的吸收问题一直得不到解决,F2技术的研发被搁置。

► 极紫外光刻(EUV):采用激光等离子体为光源,在上世纪八十年代提出,目前EUV光刻技术已在7nm以下先进制程规模化应用。ASML在EUV光刻机市场占据主导地位,日本的JSR、TOK、Shin-Etsu则在EUV光刻胶市场占据主导地位。

展望:全球光刻胶市场结构性增长,国内市场潜力大

全球及中国光刻胶受益于下游晶圆厂产能扩建呈快速增长,根据Research And Markets数据,2020年全球光刻胶市场为87亿美元,预计2026年有望达127亿美元,年复合增长率达6.5%;伴随着PCD、FPD、IC等产业的制造基地向国内转移,带动了国内上游材料产业的发展,2011-2019年国内的光刻胶市场保持11%的年复合增长率,于 2019年达到12亿美元,约占全球的14%,预计2026年国内光刻胶市场有望提升到18%的市占率,达23亿美元。按下游分类应用领域,2020年全球PCB、FPD、IC光刻胶分别占市场总额的23.6%、25.9%和23.3%,对应市场空间分别为20.5、22.5和20.4亿美元。

图表12:2010-2026年全球光刻胶市场和市场结构

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资料来源:Research AndMarkets,中金公司研究部

图表13:2011-2026年国内光刻胶市场

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资料来源:Research AndMarkets,中金公司研究部

IC光刻胶:在半导体材料中占比5%,国内市场有望显著增长

半导体材料主要包含晶圆、掩模板、光刻胶、光刻胶配套试剂、电子特气、溅射靶材、CMP抛光垫等,根据 SEMI 数据,2014-2020年全球半导体材料市场从 440.4 亿美元提升至 553.1 亿美元,年均复合增长率约为 4%;国内材料市场从 32.6 亿美元提升至 97.6 亿美元,年均复合增长率达 20%,国内材料市场全球占比从 7.41%上升至17.65%,其中2020年光刻胶和光刻胶配套试剂分别成本占比为5%和7%,市场规模约17/24亿美元。

在全球半导体材料市场分布中,前四名均为亚洲地区。中国台湾和中国大陆地区分别以22%和18%分列前两位,韩国和日本分别以17%和14%的市场占比位列三、四名。2020年中国大陆地区的半导体材料市场规模达到97.6亿美元,同比增长12%,居全球增幅首位。我们认为,随着全球晶圆制造的重心和产能分布逐渐移向东亚地区转移,国内IC光刻胶市场规模有望持续快速增长。

图表14:晶圆制造材料市场2020年占比、2019-2020年各地域增长趋势

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资料来源:SIA,SEMI,中金公司研究部

晶圆产能扩建拉动光刻胶市场需求,中国大陆晶圆产能增速最快

在5G、物联网、智能汽车、云服务等下游旺盛需求的驱动下,全球晶圆厂积极扩产。根据SEMI数据,半导体制造厂商将在2021年新建19座晶圆厂,并在2022年再建成10座,以满足不断增长的芯片市场需求;2024年全球8英寸晶圆月产能预计将达到660万片,相较于2020年的565万片,增长17%;2024年全球12英寸晶圆厂数量相比2020年将至少新增38家,达到161家,同时12英寸晶圆月产能也将增加约180万片,达到700万片以上。

同时,中国大陆晶圆产能大幅提升,国产化进程快速推进。根据SEMI预测,从2019年到2024年,全球至少新增38座12英寸晶圆厂,其中中国新增19座,占新建总数的一半;中国12英寸晶圆产能的全球份额,也将从2015年的8%提高到2024年的20%,预计产能将达到月产150万片。国内厂商在巩固成熟制程的市场同时,通过自身技术升级来争取广大的先进制程市场。而无论是成熟制程还是先进制程的产能扩建,都对全球和中国光刻胶市场具有强力的拉动作用。

图表15:2013-2024年全球8英寸晶圆产能扩建

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资料来源:SEMI,中金公司研究部

图表16:2015-2024年全球12英寸晶圆产能扩建

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资料来源:SEMI,中金公司研究部ss

IC光刻胶全球呈结构性增长,EUV及KrF光刻胶增长显著

受益于全球半导体产能扩建及先进制程的推进,光刻胶整体消耗量呈增长趋势。根据Techcet数据,2020年全球光刻胶市场规模约18.33亿美元,预计2021年达19.88亿美元,同比增长8.48%,2025年有望达24.66亿美元,5年CAGR达6.11%。其中受先进制程及存储器资本开支增加,EUV及KrF光刻胶呈显著增长趋势,g/i线光刻胶的市场空间则趋于饱和,未来占比将逐年减少,整体结构性变化较大。

►EUV光刻胶主要用于7nm或更小逻辑制程节点的关键制造工序中,根据Techcet 统计,7nm节点下,逻辑芯片代工使用EUV工序为5-6步,未来3nm节点下,该工序数有望超过20步,使得EUV光刻胶的消耗量大幅提升。此外EUV未来将应用于先进存储制程的制造中,据三星及SK海力士披露,其未来将在1-αnm的DRAM芯片中全面使用EUV工艺。我们认为未来随着Logic和DRAM芯片关键层上EUV工艺用量的增加,EUV光刻胶市场将迅速增长,根据Techcet数据,2020年全球EUV光刻胶市场规模为0.27亿美元,2021年预计增长至0.51亿美元,同比增长约89%,至2025年其市场规模有望达2.26亿美元,5年CAGR达53%,呈迅速增长趋势。

►ArF/ArFi光刻胶用于193nm光刻工艺中,由于在先进制程中EUV工序的增加,193nm产品消耗量整体增速放缓。其中由于ArFi光刻胶主要用于先进制程中的多重曝光过程,因此其需求量为普通光刻胶的2-4倍。根据Techcet数据,2020年全球ArFi光刻胶市场规模为7.1亿美元,2021年预计增长至7.6亿美元,同比增长6.3%,2025年有望达8.84亿美元,CAGR达4.4%;ArF光刻胶则呈缓慢下降趋势,2020年全球市场规模1.9亿美元,未来预计在此上下小幅波动。

►KrF光刻胶用于248nm光刻工艺中,主要应用于3D NAND堆叠架构中,随着堆叠层数的增加,将大幅提高KrF光刻胶的消耗量。根据Techcet数据,2020年KrF光刻胶全球市场规模约6.12亿美元,2021年预计达6.9亿美元,同比增长12.7%,至2025年有望增长至9.07亿美元,CAGR达8.19%。

► g线/ i 线光刻胶则用于435nm及365nm光刻工艺中,目前已成熟应用于汽车电子、MEMS、平板等领域。根据Techcet数据,2020年g线/ i 线光刻胶全球市场规模约2.9亿美元,未来预计变化较为平缓。

图表17:2020-2025年IC光刻胶市场

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资料来源:TECHCET,中金公司研究部

图表18:2020-2025年IC光刻胶市场比重变化

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资料来源:TECHCET,中金公司研究部

根据光刻胶龙头厂商TOK和光刻机龙头厂商ASML的年度报告,2019-2020年KrF光刻胶和KrF光刻机的销售额增长率都是各类产品中增速最快的,在ASML对2021年度业绩预测中,KrF光刻机的占比将有进一步的提升,将达到销量的45%,而TOK也预测KrF光刻胶将占到其IC光刻胶产值的32%,因此我们认为当前具备KrF光刻胶量产能力的国产供应商有望迎来发展机遇。

图表19:2019-2021年东京应化IC光刻胶品种变化

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资料来源:TOK,中金公司研究部

图表20:2019-2021年ASML光刻机品种变化

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资料来源:ASML,中金公司研究部

FPD光刻胶:受益产业转移国内市场增速快,光刻胶同步受益提升

FPD光刻胶可以分为彩色光刻胶(RGB)、黑色光刻胶(BM)、TFT-Array光刻胶三种。自2010年以来,以京东方为首的国内LCD厂商迅速崛起,加上韩国厂商将部分重心转移到OLED,中国LCD面板产能达到全球第一。根据Omdia数据, 2020年全球FPD产值为1200亿美元,预计2021年增长25%到1500亿美元;中国大陆在2020年FPD产值为389亿美元,以32%全球占比位于第二。预计2021年大陆产值将增长54%到600亿美元,全球占比40%,有望超越韩国成为第一。根据Absolute Reports数据,2020年全球LCD光刻胶市场规模为12.16亿美元,预计2027年将达到14.16亿美元,年复合增长率达2.2%。中国占据当前LCD制造业主导地位,LCD光刻胶市场合计占比60%。

图表21:2020年全球LCD光刻胶市场

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资料来源:Omdia,Absolute Reports,中金公司研究部

图表22:2020-2027年全球LCD光刻胶市场

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资料来源:Absolute Reports,中金公司研究部

PCB光刻胶:随着高端PCB需求增加,光刻胶市场稳步增长

PCB市场稳步增长,中国大陆增速高于全球。根据Prismark预测,2020年全球PCB市场年增长率为8.6%,达到652.1亿美元,预计2020-2025年的年复合增长率为5.8%,2025年有望达863.3亿美元。从产值分布来看,2020年全球除欧洲以外,其他区域产值保持稳定增长,其中中国大陆、日本、亚洲(除中国和日本)的产值增长分别为6.4%、9.1%、7.5%;中国大陆在2020年PCB产值达到350.5亿美元,未来五年的年复合增长率约5.6%,预计在2025年达到461.2亿美元。亚洲地区成为全球PCB产值增速最快的区域,未来五年的年复合增长率为6.5%。

随着封装基板、高阶HDI板、高多层板等高端PCB板的市场占比提高,对PCB光刻胶分辨率等品质的要求也会越来越高,驱动PCB光刻胶市场增长。据Reportlinker预测,全球PCB光刻胶市场规模将从2020年的20.5亿美元增长到2025年的27.2亿美元,年均复合增长率为5.8%,中国大陆PCB光刻胶的市场规模也将从2020年的13.1亿美元增长到2025年的17.2亿美元,年均复合增长率为5.6%。

图表23:2019-2025年各区域PCB市场增长趋势

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资料来源:Prismark,中金公司研究部

图表24:2019-2025年PCB光刻胶市场规模预测

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资料来源:产业信息网,Reportlinker,中金公司研究部

机遇:国内IC高端光刻胶和上游原材料亟待发展

上游原材料国产化水平不足,制约本土光刻胶产业发展

树脂占光刻胶原材料的60%-70%,对海外企业依赖性高

光刻胶由溶剂和溶质两部分组成,溶质主要为树脂、光引发剂、和其他助剂;溶剂主要为可以溶解溶质的有机化学溶液。从成本而言,树脂占比约为60-70%,光引发剂占比10-20%,而质量占比最大的溶剂,成本仅占10%左右。目前我国光刻胶原料市场基本被国外厂商垄断,其中树脂和光引发剂国产化能力不足,对海外厂商依赖度高,增加了国内光刻胶生产厂商的原料成本,以及原料端的供应风险。

►溶剂通常为丙二醇甲醚醋酸酯(PGMEA),用于溶质的溶解和光化学反应。在KrF、ArF、EUV光刻胶中质量占比可达90%-95%。

►树脂为有机聚合物,由单体聚合而成,为光刻胶提供机械性能和化学性质,在溶质里质量占比80%-90%以上。在目前商业化的光刻胶中,树脂本身并非感光材料,而是与发生光化学反应后的光引发剂中间体反应,改变了自身在显影液中的溶解性。

► 光引发剂为光敏感化合物,是光刻胶重要组成成分。光引发剂会对特定波长的光源发生光化学反应,然后作用到溶液中的树脂上。根据光刻胶体系,光引发剂分为感光化合物(PAC)和光致酸剂(PAG)。其质量占比同样取决于光刻胶体系,以化学放大体系KrF和ArF为例,光致酸剂占比不足5%。

►其他助剂包括碱性抑制剂、表面活性剂、染色剂、增稠剂、增感剂等,虽然含量微乎其微,但是会在光刻胶体系中发挥重要作用。碱性抑制剂能有效降低光致酸剂的化学放大效果,表面活性剂能降低光刻胶的显影后黏连,染色剂是FPD光刻胶的重要组成成分。

图表25:光刻胶的主要组成成分

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资料来源:韦亚一《超大规模集成电路先进光刻理论与应用》 2016,中金公司研究部

海外龙头企业通常采用原材料外包的形式协助生产

由于海外光刻胶龙头厂商大部分掌握原材料的专利技术,会把单体、树脂、引发剂的生产外包给专业的树脂、中间体合成厂商,例如日本的三菱化学、丸善石化、旭有机材,韩国的美源商社,德国的巴斯夫、贺利氏等。这些负责原料生产的厂商均为化工龙头厂商,具有完备的生产线和技术支持,可以大幅降低光刻胶厂商的原料成本。由于光刻胶的生产技术壁垒极高,光刻胶厂商并不会担心外包中技术泄露,在配方调配中,树脂和光引发剂的品类较多,需要多种搭配,因此将原材料分散给多家厂商生产可以规避技术方面的风险。

另外一个明显特点是,由于海外原材料厂商都拥有几十年的技术积累,产品覆盖面广,在光刻胶原材料市场竞争中优势明显。比如成立于1950年的三菱化学,可覆盖全部光刻胶原材料的生产业务。韩国的美源商社也有多年单体、低聚物的生产研发积累,可覆盖除溶剂以外所有品类的光刻胶原材料。作为化学材料龙头,光刻胶原材料业务并非公司的主要盈利来源。此外,一些光刻胶生产厂商也在积极布局原材料供给能力,以增强自身的市场竞争力。例如龙头厂商杜邦自身就可以生产光刻胶单体和树脂聚合,富士胶片收购了IC光刻胶引发剂厂商和光纯药,TOK、JSR也投资了EUV光刻胶原材料厂商Inpria。

图表26:光刻胶主要原材料国产化程度以及国内外主要厂商

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资料来源:各公司官网和公告,中金公司研究部

国内原材料厂商逐渐崛起,具备较强成长性

近几年,国内厂商也开始布局和发展光刻胶原材料市场。从PGMEA厂商实现量产电子级产品开始,国内厂商逐步提高材料生产水平和产品品质,将产业布局从传统化工材料领域往纯净度要求更高的电子领域延伸,呈现逐步崛起的姿态。

目前国内厂商在光刻胶单体、树脂、光引发剂方面均有布局。溶剂的品种单一,生产技术壁垒相对较低,因此国产化程度最高。溶质部分,树脂和光引发剂的国产化程度较低,生产厂商较少,产品主要应用于PCB光刻胶和FPD光刻胶。IC高端光刻胶的树脂和引发剂在国内还存在较大空白。单体的国产化程度高于树脂,国内厂商已经实现用于KrF和ArF光刻胶的单体的小规模量产。

国内光刻胶发展不均衡,IC光刻胶的发展为重中之重

IC光刻胶市场被日美厂商垄断,国内仍聚焦于中低端市场

光刻胶日美厂商高度垄断,国产化率低。全球光刻胶市场被日美厂商垄断,我国厂商无论是从产品种类还是产能规模都存在较大差距。据Research And Markets的数据,长期以来,日本合成橡胶、东京应化、杜邦、信越化学、富士电子五大厂商垄断了85%的市场份额,日本的四家占据超过70%,而国产光刻胶在全球市场占比不到5%。

国内在高端半导体光刻胶领域与国际领先厂商有较大差距。海外龙头厂商JSR、TOK、信越化学三家可以覆盖全部的IC光刻胶品种,基本实现了对高端IC光刻胶的垄断,与下游大客户例如台积电、英特尔、三星建立了长期的供应关系,例如在EUV光刻胶市场呈日本JSR,TOK,信越化学垄断格局,在ArF光刻胶市场中日本厂商占据80%市场份额。美国厂商杜邦是目前IC光刻胶市场中唯一可以与日本厂商竞争的非日系厂商,在g/i光刻胶和KrF光刻胶的市场中占有较大份额。近日韩国三星电子联合东进半导体成功开发出EUV光刻胶,率先打破日本厂商的垄断,这也为我国未来EUV的自主研发、国产化的早日实现带来激励。

图表27:2020年IC光刻胶各品种市场主要厂商占比

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资料来源:南大光电公司公告,上海新阳公司公告,中金公司研究部

目前国内厂商主要聚焦于紫外宽谱、g/i线等低端市场。高端光刻胶领域,北京科华作为国内IC光刻胶的龙头厂商、可以批量供应部分KrF光刻胶产品,ArF和EUV光刻胶则尚未有公司可以实现量产,南大光电ArF光刻胶通过国家验收,正在进行试生产,尚未开始规模量产。

光刻胶生产厂商需要不断研发新的光刻胶体系并改良配方,以满足客户需求,高端光刻胶生产工艺则更为复杂、配方调配更加困难,所以生产厂商必须有足够的硬实力和软实力来确保研发顺利推进。我们认为,光刻胶研发的硬实力主要体现在高端光刻设备和配套验证设备上,软实力主要体现在研发团队和专利积累。

图表28:IC光刻胶海外和大陆主要厂商

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资料来源:各公司官网和公告,中金公司研究部

FPD光刻胶国产化:布局良好,众多厂商稳步推进

根据Absolute Reports数据,全球LCD光刻胶的领跑者为日本厂商,JSR、东洋油墨、住友化学排名前三并占据了全球彩色光刻胶市场约55%的份额,剩下的市场主要被韩国的三星SDI、LG化学和中国台湾的奇美化学、达兴材料承包。在TFT Array光刻胶方面,约90%的市场被德国的默克、日本的TOK、韩国的东进半导体占据,三者均是IC光刻胶紫外宽谱和g/i线的主要生产厂商。德国默克的AZ系列光刻胶备受学界和业界的青睐,其光刻胶业务得益于收购的Azoplate公司。在黑色光刻胶方面,日本的三菱化学和TOK占据约2/3的市场,韩国的三星SDI以及中国台湾的奇美化学和达兴材料均占有一定的市场份额。

国内FPD光刻胶领域以TFT正胶为主,彩胶及黑色光刻胶壁垒仍较高。由于TFT正性光刻胶与IC低端光刻胶分辨率和显影效果类似,因此国内一部分布局IC低端光刻胶业务的厂商可以给FPD厂商供货,PCB光刻胶厂商也逐渐向较高分辨率的TFT光刻胶领域渗透。彩色光刻胶经历了从颜料基到染料基的更新换代,使其研发生产的技术壁垒相对较高,目前国内彩色光刻胶厂商数量明显少于TFT光刻胶厂商,主要厂商也通过自研或收购的方式提高产品水平。

图表29:FPD光刻胶海外和大陆主要厂商

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资料来源:各公司官网和公告,中金公司研究部

国内PCB光刻胶厂商较多,国产化率较高

全球PCB光刻胶市场主要由日本和中国台湾厂商占据,其中日本厂商覆盖面较齐全,台湾厂商则以生产干膜光刻胶为主,国内PCB光刻胶企业以生产感光阻焊油墨和湿膜光刻胶(感光线路油墨)为主,布局干膜光刻胶的公司较少,目前部分PCB光刻胶厂商的产品结构也逐渐从低廉的阻焊油墨往技术壁垒更高的线路油墨、FPD、甚至IC低端光刻胶领域延伸。

图表30:PCB光刻胶海外和大陆主要厂商

中金 | 国内光刻胶产业:百舸争流,剑指高端

资料来源:各公司官网和公告,中金公司研究部

投资建议和风险

我们认为,未来5-10年将是国内光刻胶产业发展机遇期,龙头厂商将会不断拓宽自己的产品线和应用面,积极开发新产品和扩建产能;新厂商则会聚力于一点,攻关某一种光刻胶产品,使得整个国内IC光刻胶行业呈现百舸争流的景象。用于先进制程和成熟制程的高端光刻胶市场空间较大,国内需求增长较快,建议关注在中高端IC光刻胶研发方面进展较快的光刻胶厂商,以及掌握核心技术的光刻胶原材料厂商。

风险提示

► 上游原材料供应的风险

光刻胶制造属于光刻胶产业链的中游,对于光刻胶厂商来说,无论是光刻胶品种的研发,还是维持量产的规模,都很依赖上游原材料厂商的供应。光刻胶厂商往往拥有光刻胶原材料(树脂和光引发剂)的研发专利,可以使用类似医药CRO的委外加工模式,让上游专业的树脂合成厂商或者中间体合成厂商按技术要求进行产品定制。这样一来,光刻胶厂商在树脂、光引发剂等核心材料的采购成本大大减少,成本向质量比高的溶剂倾斜,以赚取较高利润。前文讲到,我国光刻胶上游原材料的国产率较低,且偏科严重,自给率甚至不如光刻胶本身。由于成本占比最重的树脂和光引发剂基本依赖进口,加上采购的规模小,因此目前国内光刻胶厂商在原材料的成本上并无明显优势

► 市场竞争的风险

我国厂商目前的产品主要以紫外宽谱、g/i线等IC光刻胶为主,未来该品类市场占比越来越少,竞争较为激烈。除此之外,光刻胶厂商与客户的粘性大也是市场竞争的潜在风险之一。客户粘性类似先到先得,为了保证光刻工艺的稳定,下游制造业的客户一般不会轻易变更建立好的供应关系。再加上反馈机制可以满足客户定制的需求,占得先机的龙头光刻胶厂商与客户的粘性会越来越大。而国产光刻胶厂商作为后来者,如果想要让厂商改变供应关系,需要从性能有所突破或者价格上有所让步,是新入行的国产厂商面临的挑战。

►研发转化不及预期

光刻胶的客户端验证周期长达1-3年,研发的大量投入难以获得短期回报。由于投入回报的时间被拉长,会影响到上市公司财报上的数值。而股东如果不了解这一情况,会因为财报上直观的数字对公司的盈利能力产生怀疑,造成负面影响。而一旦客户端验证受阻,那么验证周期将更长,并且在业内也会产生负面影响。此外,未来5-10年的下游产能扩张是拉动国内光刻胶市场以及推动光刻胶国产化的源动力。如果产能扩建不及预期,将直接影响光刻胶的市场规模,投资回报也将不及预期。

本文摘自:2022年1月9日已经发布的《半导体材料系列二:国产光刻胶百舸争流,剑指高端》

李学来 SAC 执证编号:S0080521030004 SFC CE Ref:BRH417

贾雄伟 SAC 执证编号:S0080518090004 SFC CE Ref:BRF843

江磊 SAC 执证编号:S0080121100009

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