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半导体产业链专题研究报告:光刻胶行业深度研究

2021-06-29 22:18:12 出版:方正证券

【半导体产业链专题研究报告:光刻胶行业深度研究】

     一、详解光刻胶:芯片之基,国之砝码

  光刻胶的构成:感光树脂、增感剂、溶剂、助剂的融合

  光刻胶又称光致抗蚀剂,是指通过紫外光、电子束、离子束、X射线等照射或辐射,其溶解度发生变化的耐蚀剂刻薄膜材料。光刻胶目前被广泛用于光电信息产业的微细图形线路加工制作,约占IC制造材料总成本的4% ,是重要的半导体材料。

  光刻胶由感光树脂(聚合剂)、增感剂(光引发剂)、溶剂与助剂构成。光引发剂是光刻胶的关键成分,对光 刻胶的感光度、分辨率起着决定性作用。感光树脂用于将光刻胶中不同材料聚合在一起,构成光刻胶的骨架, 决定光刻胶的硬度、柔韧性、附着力等基本属性。溶剂是光刻胶中最大成分,目的是使光刻胶处于液态,但溶 剂本身对光刻胶的化学性质几乎没影响。助剂通常是专有化合物,主要用来改变光刻胶特定化学性质。

  光刻胶的分类对比:下游应用、化学反应、化学结构

  光刻胶经过几十年不断的发展和进步,应用领域不断扩大,衍生出非常多的种类,根据应用领域, 光刻胶可分为半导体光刻胶、平板显示光刻胶和PCB光刻胶,其技术壁垒依次降低。相应地,PCB 光刻胶是目前国产替代进度最快的,LCD光刻胶替代进度相对较快,半导体光刻胶目前国产技术较 国外先进技术差距最大。

  光刻胶的不同化学结构:正性光刻胶与负性光刻胶对比。根据化学反应机理,光刻胶可分为负性光刻胶和正性光刻胶 两类。二者在PCB、面板、半导体中都有广泛应用,但是 ArF光刻胶和EUV光刻胶基本都是正胶。 正性光刻胶是指在光刻工艺中,涂层经曝光、显影后,曝光 部分在显影液中溶解而未曝光部分保留下来形成图像的光刻 胶。 负性光刻胶与正性光刻胶相反,其中被溶解的是未曝光部分 ,而曝光部分形成图像。 由于负性光刻胶显影时易变形和膨胀,分辨率通常只能达到 2微米,因此正性光刻胶的应用更为普及。

  光刻胶的不同化学结构:光聚合、光分解、光交联光刻胶对比。光聚合型光刻胶通 常是烯丙基单体, 当暴露于光线下时 它会产生自由基, 然后引发单体的光 聚合反应以生成聚 合物。光聚合型光 刻胶通常被用于负 性光刻胶,例如甲 基丙烯酸甲酯。 光分解型光刻胶是 一种在光下产生亲 水产物的光刻胶, 通常被用于正性光 刻胶。例如,叠氮 化物醌、重氮萘醌 (DQ)。光交联型光刻胶在 暴露于光下时,可 以将各链进行互联 ,产生一个不溶性 的网络。光交联光 刻胶通常被用于负 性光刻胶。

  以史为镜:分析半导体光刻胶的EUV未来

  “考古”光刻胶:光刻胶的发展历史。光刻胶自1959年被发明以来就成为半导体工业最核心的工艺材料之一。随后光刻胶被改进运用到 印制电路板的制造工艺,成为PCB生产的重要材料。二十世纪90年代,光刻胶又被运用到平板显示 的加工制作,对平板显示面板的大尺寸化、高精细化、彩色化起到了重要的推动作用。在微电子制造业精细加工从微米级、亚微米级、深亚微米级进入到纳米级水平的过程中,光刻胶起 着举足轻重的作用,目前全球光刻胶供应市场高度集中,核心技术掌握在日本和美国手中。

  半导体光刻胶发展史:技术不断迭代。半导体光刻胶随着市场对半导体产品小型化、功能多样化的要求,而不断通过缩短曝光波长提高极 限分辨率,从而达到集成电路更高密度的集积。随着IC集成度的提高,世界集成电路的制程工艺水 平已由微米级进入纳米级。 为适应集成电路线宽不断缩小的要求,光刻胶的波长由紫外宽谱向g线(436nm)i线 (365nm)KrF(248nm)ArF(193nm)F2(157nm)EUV(13.5nm)的方向转移,并通过分 辨率增强技术不断提升光刻胶的分辨率水平。 根据摩尔定律,光源波长与加工线宽呈线性关系,当采用低于248nm的深紫外光,将在单位面积 上实现更高的电子元件集成度,进而大幅提升芯片性能。

  光刻胶供需分析:3大下游应用驱动力

  光刻胶的半导体需求。2019年全球半导体市场销售额4123亿美元,同比下降12%,主要由于存储市场的周期性导致。根 据2020年6月由WSTS(全球半导体交易统计)发布的资料,2020年全球半导体销售额将达到 4260亿美元,表现不及预期。这主要归咎于新冠疫情对全球经济和供应链的负面作用。WSTS预测 ,2021年的半导体销量将反弹至4520亿美元。据SEMI的统计数据显示,2016-2019年,全球半导体光刻胶的市场规模从15亿美元增长至2019 年的18亿美元,年复合增速达6.3%,据此预测,2020年,全球半导体光刻胶市场规模约为19亿 美元。

  光刻胶的面板需求。全球面板产业链产能转移经历了3个时期。2000年前是由日本和韩国主导的全球TFT-LCD产业发展 ,但同时期全球出货量第一是三星;2000-2010年,日本向中国台湾技术转移,以京东方为代表的 企业通过并购开始快速发展液晶面板;2010年后,日本多家厂商退出LCD产业,韩国则将重心转移 至OLED,中国的LCD面板产能占据全球第一。 近年来随着多条G8.5/G8.6以及G10.5代线的先后量产,中国LCD产能保持高位增长,2019年 LCD总产能达到1.1万亿平方米,稳居全球第一。伴随着前几年LCD面板产能的快速建设,LCD光刻胶用量大幅提升,以RGB光刻胶和BM光刻胶为 例,其用量总计从2013年的17.3万吨,提升到2019年的28万吨。从市场规模上来看,当前全球 LCD光刻胶市场规模约百亿元,未来几年预计维持稳定。

  光刻胶的PCB需求。PCB的制造品质不仅直接影响电子产品的可靠性,而且影响芯片与芯片之间信号传输的完整性,其 产业的发展水平可在一定程度上反映一个国家或地区消费电子产业的发展速度与技术水平。 PCB应用市场广泛,主要包括通信,计算机,消费电子,汽车电子,工控医疗,航空航天等。受益 于3C及汽车电子等蓬勃发展,它们已经成为PCB应用的主要领域。 在全球PCB产业向亚洲转移的背景下,中国以巨大的内需市场和较为低廉的生产成本承接了大量 PCB产能投资。中国已成为全球最大PCB生产国,占全球PCB行业总产值的比例已由2008年的 31.18%上升至2017年的50.53%。除了拥有全球最大的PCB产能,中国也是PCB产品品类最为齐 全的地区之一。

  二、光刻胶的全球格局与行业龙头:日系寡头垄断

  光刻胶市场规模和格局:寡头垄断下的稳健增长

  光刻胶属于高技术壁垒材料,需要与光刻机配合使用,生产复杂,纯度要求高,需要长期技 术积累。光刻胶产业是典型的技术和资本双密集型产业,其中,半导体光刻胶的生产难度最 大。光刻胶市场主要由日本和美国垄断,其中日本占比72%,而大陆企业市占率不足13%。2019年,全球光刻胶整体市场约82亿美元。根据Reportlinker机构的预测数据,2019- 2026年全球光刻胶消费量的复合年增长率为6.3%,至2026年,全球光刻胶市场规模将突破 120亿美元。据SEMI的数据,2019年全球半导体光刻胶的市场规模为18亿美元,2016-2019年复合增速 达6.3%。据此预测,2020年全球半导体光刻胶市场规模约19亿美元。

  详解光刻胶寡头:JSR、TOK、信越化学、富士材料

  全球半导体光刻胶领域主要被JSR、TOK、罗门哈斯、信越化学、富士材料等头部厂商垄断,尤其是高端 EUV和ArF光刻胶几乎完全被美国和日本控制。国产光刻胶企业无论是技术水平还是市场份额均远落后世 界先进厂商。

  以日本为鉴:看光刻胶的“天时”、“地利”、“人和”

  纵观光刻胶的历史,美国柯达的KTFR光刻胶是光刻技术的开天辟地之作。直到1980s,IBM依然在KrF光 刻胶技术方面遥遥领先,日本企业在90年代才实现KrF光刻胶的量产,落后IBM至少十年。但是,如今的 光刻胶企业主要是日系厂商。这说明,光刻胶技术必须要与光刻机和制程工艺相匹配才能开启成功之路。 我们认为,日本光刻胶企业的成功离不开半导体产业的天时、地利、人和。 在1997年之前,半导体龙头英特尔的制程主要还集中在微米级。对于这一级别的制程,i线光刻胶足够胜 任,采用更先进、成本更高的KrF光刻胶完全没有必要。因此,IBM的KrF光刻胶相较于日本KrF光刻胶生 不逢时。

  三、国产光刻胶自主之路:详解国产光刻胶

  中国光刻胶行业规模和市场格局

  近年来,随着半导体行业的蓬勃发展,半导体材料需求旺盛,光刻胶市场需求保持了良好的增长态势。根据工信部 及研究机构Cision的报告显示,十三五期间,国内光刻胶市场实现年均14.5%增长,五年平均复合增长率为12.12% ,2020年全国光刻胶整体的市场规模达到176亿元,其中半导体光刻胶市场规模达到24.8亿元。

  ArF光刻胶成为集成电路制造领域需求量最大的光刻胶产品,随着未来集成电路产业的进一步发展,ArF光刻胶面临 广阔的市场机遇。根据美国半导体产业协会SIA的统计,2018年高端ArF干式和浸没式光刻胶占据了42%的市场份 额,KrF和g 线/i线光刻胶分别占据22%和24%的市场份额。根据富士经济预测,未来ArF、KrF光刻胶将有稳健的增 长趋势,2023年全球ArF光刻胶产能有望达到1870吨,市场规模近49亿元。

  从国内市场看,中国大陆晶圆厂建设将迎来高速增长期,光刻胶作为晶圆生产的关键材料,市场需求也将持续增加 。根据主要晶圆厂商官网披露的数据统计,未来五年在中国大陆新建至少29座晶圆厂。SEMI预计,到2020年,中 国大陆晶圆厂装机产能达到每月400万片8寸等效晶圆,年复合增长率为12%,增长速度远远高于其他地区,而 2015年该产能仅为230万片。具体到ArF光刻胶应用的12英寸晶圆来看,根据IDC及芯思想研究院(Chipinsights )统计:截至2019年,我国12英寸晶圆制造厂装机产能约90万片/月,预计至2024年,我国12英寸晶圆厂在满产 情况产能将达到273万片/月,相比2019年增长超过200%。

  国内光刻胶相关产业政策

  2014年,国务院出台《国家集成 电路产业发展推进纲要》,着力推动我国集成电路产业的发展,在关键材料领域形成突破,开发光刻胶、大 尺寸硅片等关键材料,加强集成电路制造企业和装备、材料企业的协作,加快产 业化进程,增强产业配套能力。

  2016年9月,工信部颁布石化和化学 工业发展规划(2016- 2020年),指出要发展集成电路用电子化学品,重点发展KrF(248nm)和ArF(193nm) 光刻胶,推进中国电子化学品行业发展。

  2017年4月,科技部《“十三五”先 进制造技术领域科技创 新专项规划》,重点任务“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”之“关键材料”的发展规划 内容:面向45-28-14纳米集成电路工艺,重点研发300毫米硅片、深紫外光刻胶、 抛光材料、超高纯电子气体、溅射靶材等关键材料产品,通过大生产线应用考核 认证并实现规模化销售;研发相关超高纯原材料产品,构建材料应用工艺开发平台,支撑关键材料产业技术创新生态体系建设与发展。

  2017年12月,发改委颁布新材料关键 技术产业化实施方案,指出要发展高端专用化学品,包括KrF(248nm)光刻胶和ArF光刻胶 (193nm),为大型和超大型集成电路提供设备,且单套装置规模达到10吨/年。

  2020年9月,国家发展改革委、科技 部、工业和信息化部、 财政部联合印发《关于 扩大战略性新兴产业投 资培育壮大新增长点增 长极的指导意见》,加快新材料产业强弱项。围绕保障大飞机、微电子制造、深海采矿等重点领域产 业链供应链稳定,加快在光刻胶、高纯靶材、高温合金、高性能纤维材料、高强 高导耐热材料、耐腐蚀材料、大尺寸硅片、电子封装材料等领域实现突破。

  2020年11月 ,国家“十四五规划” ,发展战略性新兴产业,加快壮大新一代信息技术、生物技术、新能源、新材料、 高端装备、新能源汽车、绿色环保以及航空航天、海洋装备等产业。


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供稿:方正证券

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