揭秘中国光刻胶产业国产水平到底如何?
发布时间:2021-08-08 00:50

  光刻胶的性能决定了集成电路的集成度,进而决定了芯片的运行速度、功耗等关键参数,是集成电路制造工艺中最关键的材料。根据 SEMI 对于半导体光刻胶市场的统计,2015 年全球市场规模约为 13 亿美元,至 2020年已经达到了 21 亿美元,同比增长超过 20%;在此之中中国半导体光刻胶市场从 2015 年的 1.3 亿美元增长至 2020 年的 3.5 亿美元,同比增长约为40%。中国晶圆代工厂近年来飞速发展直接造就了全球,特别是中国光刻胶市场的高速发展。

  光刻胶由树脂,感光剂,溶剂,光引发剂等组成的混合液态感光材料。原理是利用光化学反应,经光刻工艺将所需要的微细图形转移到加工衬底上,来达到在晶圆上刻蚀出需的图形的目的。

  从光刻胶的发展历程看,从 20 世纪 50 年代至今,光刻技术经历了紫外全谱(300-340nm),G 线nm),I 线nm),深紫外(Deep Ultraviolet,DUV,248nm 和 193nm),以及目前最引人注目的极紫外(EUV,13.5nm)光刻,电子束光刻等六个阶段,随着光刻技术发展,各曝光波长的光刻胶组分(成膜树脂、感光剂和添加剂等)也随之变化。

  根据反应机理和显影原理,可以将光刻胶分为正性光刻胶和负性光刻胶。正性光刻胶形成的图形与掩膜版(光罩)相同,负性光刻胶显影时形成的图形与掩膜版相反。根据感光树脂的化学结构,光刻胶可分为光聚合型,光分解型和光交联型。根据应用领域,光刻胶可以分为 PCB 光刻胶、面板光刻胶和半导体光刻胶。

  从光刻胶全球市场来看,根据 Cision 的统计,2019 年约有 91 亿美元的市场规模,且至2022 年预计将达到 105 亿美元,实现复合增长 5%。而其中半导体、LCD、PCB 这三类主要的应用场景分别占据了市场空间的 24.10%、26.6%、及 24.5%,分别对应 2019年的市场规模 22 亿美元、24 亿美元、及 22 亿美元。

  Cision 同时也统计了中国光刻胶市场的规模,在 2019 年约为 88 亿元人民币,至 2022年预计将达到 117 亿元人民币,实现复合增长 15%。如若我们根据全球光刻胶的应用场景分布来看,在中国大陆所需要的半导体、LCD、及 PCB 的市场需求分别将达到 21、23、22 亿元人民币。

  同时参考 SEMI 对于全球光刻胶市场的统计来看:2015 年约有 13 亿美元的市场规模,至 2020 年全球光刻胶(不包含 EUV 光刻胶)的市场规模已经达到约 21 亿美元,从 2019 年至 2020 年增速超过 20%。

  再看到中国半导体光刻胶市场,在 2015 年光刻胶市场约为 1.3 亿美元,而至 2020 年中国半导体光刻胶市场整体已经增长至约 3.5 亿美元,且 2019 年至 2020 年中国市场的增速约为 40%, 远超全球光刻胶市场的增速。

  从半导体材料来看,至 2020 年全球市场规模在 539.0 亿美元,较 2019 年同比增长 2.2%。从长期维度来看半导体材料的市场一直随着全球半导体产业销售而同步波动。虽然半导体芯片存在较大的价格波动,但是作为上游原材料的价格相对较为稳定,因此我们也可以看到半导体材料整体并无巨幅波动,且保持稳定增长的趋势。

  此外看到当前半导体市场由于 5G 时代到来,进而推动下游电子设备硅含量的大增,带来的半导体需求的快速增长,直接推动了各个晶圆厂商的扩产规划。而芯片的制造更是离不开最上游的材料环节,因此我们有望看到全球以及中国半导体材料市场规模的飞速增长。

  在全球半导体材料的需求格局之中,中国大陆从 2011 年的 10%的需求占比,至 2019年已经达到占据全球需求总量的 16.7%,仅次于中国台湾(21.7%)及韩国(16.9%),位列全球第二。随着整个半导体产业的持续增长,以及中国大陆不断新建的代工产能,我们有望看到中国大陆半导体材料市场规模增速将会持续超越全球,荣登第一。

  在 2019 年期间,整个半导体材料 521 亿美元的市场规模之中,半导体晶圆制造材料占据了约 63%,达到了 328 亿元。晶圆制造材料的持续增长也是源自于当前制造工艺不断升级带来的对于材料的更大的消耗所致。

  半导体晶圆制造过程繁琐且复杂,对于的材料大类的设计也超过了 9 种。其中光刻胶占比约为 5.3%,光刻胶辅助材料 6.9%,合计占整体晶圆制造环节材料成本的 12.2%。

  根据智研产业研究院,和 Cision 的统计,中国及全球 IC 用光刻胶的市场规模分别约为25 亿人民币、25 亿美金,整体体量并不大。但是随着中国及全球的晶圆产能持续扩张,以及集成电路制程的不断提升,因此中国 IC 光刻胶市场有望向着 100 亿人民币规模发展,而全球 IC 光刻胶的市场规模有望向着超过 50 亿美金的市场规模发展。

  此外不仅市场规模在不断的提升,看到全球 12 寸晶圆的产能的增长情况,根据 SEMI 在2020 年 10 月的《300mm Fab Outlook to 2024》报告所述,在 2019 年全球 12 寸晶圆的产能超过 540 万片/月,至 2024 年之时,全球 12 寸晶圆产能将会超过 720 万片/月。

  全球半导体制造商在 2020 年至 2024 年将持续提高 8 寸晶圆厂产能,预计增加95 万片/月,复合增速将达到 17%,至 2024 年将会达到 660 万片/月的最高历史记录。而这其中,中国占据大多数产能,在 2021 年已经达到了 18%,在未来的产能不断扩张的情况下,有望占比持续提高。

  从全球角度我们看到了晶圆产能无论是 8 寸或者 12 寸均处于高速增长的趋势之中,再聚焦至中国大陆的晶圆产能增长情况来看,更是呈现了较全球产能增长更高的增速,这也将给国产半导体材料带来更大替代契机以及可渗透空间。

  中国晶圆代工厂商在未来的扩产规划将会十分巨大,8 寸的产能将在未来实现从当前 74 万片/月增长至 135 万片/月,12 寸产能将从当前 38.9 万片/月增长至 145.4 万片/月,分别将实现 82%及 274%的增长,将会直接带动半导体的材料需求之外,从产能的扩张的结构来看,12 寸晶圆的增速将会远超过 8 寸晶圆,并且未来中国的产能制程结构将会逐步升级,带动更大的半导体材料用量的弹性增长。

  从 Logic 芯片的角度来看,看到台积电从 20Q1 开始至 21Q1 的各制程占收入之比,可以看到在 28nm 及其以上的制程收入占比从 45%降低至 37%,其中 5nm 制程从 0%提升至 14%(20Q4 达到 20%)。

  由此可见整体芯片制程不断的向更先进制程的方向发展,而其中将会带动各类集成电路晶圆制造材料的使用量不断地提升。

  根据 IC 光刻胶所能使用到的制程节点来看,可以看到随着制程的逐步增长,所用的IC 级光刻胶品种将会逐步发生变化,并且随之带来的 IC 光刻胶的价值量也将会发生巨大的变化(单位价值量:ArFKrFIG)。

  对于国产替代环境的过去与现在的对比,可以看到中国内资厂商将迎来一个国产替代的机会窗口。除此之外,在未来随着产品在新晶圆产线上的稳定使用,有望将加速在老产线上的替代,实现对于国产晶圆产线的全面替代。

  光刻胶主要分为三大类,分别为:1)集成电路半导体;2)面板;3)PCB。从全球的格局上来看此三类光刻胶分别占据了全球光刻胶市场均约 25%,但是反观中国光刻胶产业链,中国半导体光刻胶的占比仅有 2%,LCD 仅为 3%,而最为简单 PCB 光刻胶占比高达 94%。

  从上图可得中国光刻胶自产光刻胶整体平均仍然处于较为低端的位置,而其中半导体及面板光刻胶虽然有一定的占比,但是也同样处于低于行业技术水平的位置,而纵观全球无论是 PCB、面板、及半导体的光刻胶供应格局,均还是以海外及中国台湾供应商为主其中日本占据了绝对龙头。

  在光刻胶领域相对较为容易的 PCB 光刻胶,中国均有厂商在各个领域实现了突破,但是根据前瞻产业研究院的整理,全球的主要 PCB 供应商还是以日本为主导;

  整体来看,全球光刻胶行业主要被 JSR、东京应化、罗门哈斯、信越化学、及富士合理占据,前五大家占据了全球光刻胶领域的 86%;如若聚焦到全球半导体用光刻胶领域,前六大家(主要以日本为主)实现了对于市场的 87%的占据。

  对于光刻胶中的 KrF、ArF、i 线、g 线,其市占率情况如下,仍然是全球几大龙头形成了寡头垄断之势,而中国供应商尚未登榜。

  1. 光刻胶的验证周期长。光刻胶批量测试的过程需要占用晶圆厂机台的产线时间,在产能紧张的时期测试时间将会被延长。测试的过程需要与光刻机、掩膜版及半导体制程中的许多工艺步骤配合,付出成本极高。通常面板光刻胶验证周期为 1-2 年,半导体光刻胶为 2-3 年。但验证过之后便会形成长期供应关系,甚至在未来会推动企业之间的联合研发。

  2. 原材料成膜树脂具有专利壁垒。树脂的合成难度高,通常光刻胶厂商在合成一种树脂后会申请相应的专利,目前树脂结构上的专利主要被日本公司占据。

  3. 光刻胶产品品类多,配方需要满足差异化需求。根据产品需求来调配适合的树脂来满足差异化需求对于光刻胶企业是一大难点,也是光刻胶制造商最核心的技术。

  4. 材料替代的挑战。所有性能必须与晶圆产线上的 Baseline 一致,不能比其差,但在某些领域也不能比 Baseline 好。

  在外资供应商统治了全球光刻胶行业的基础下,中国内资厂商耗费十多年的时间,在当前已经实现了各大类(除 EUV)光刻胶的突破,实现了厚积薄发的现状,而其中的代表公司分别有:彤程新材、上海新阳、徐州博康、晶瑞股份等等。

  随着中国半导体光刻胶逐步突破技术壁垒,实现部分产品种类上对于海外领先者们的替代;此外,随着中国晶圆厂不断扩产新线,我们有望看到中国光刻胶企业产品加速导入新产线,从过去的 Baseline 规则的追逐者向着 Baseline 制定者的身份转变,在巨大的国产替代空间内实现成长的巨大动力。

  光刻胶作为半导体、平板显示器和PCB制造环节中的关键材料,经过多年的发展,中国光刻胶技术已有突破性进展。在国家出台相关利好政策的背景下,中国光刻胶制造商在光刻胶研发技术上积极性革新,当前中国光刻胶的研发技术水平逐渐提高,在制造工艺技术和配方工艺领域积累了丰富经验,中国光刻胶行业正加速发展。未来,随着中国光刻胶企业对光刻胶的研发投入持续上升,光刻胶企业的技术水平将不断提高,中国有望打破国外企业在光刻胶市场的垄断格局,国产光刻胶有望迎来发展新机遇。

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