半导体光刻胶行业研究报告.docx

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半导体光刻胶行业研究报告

2021年半导体光刻胶行业研究报告

一、光刻胶：

利用化学反应转移图像的媒体

（一）图像转移的媒介，摩尔定律核心驱动力光刻胶是利用光化学反应，经光刻工艺将所需要的微细图形从掩膜版转移到待加工基片上的图形转移媒介。

作用原理是利用紫外光、准分子激光、电子束、离子束、X射线等光源的照射或辐射光刻胶,使其溶解度发生变化，最终得以在晶圆上刻蚀出需的图形。

光刻胶主要用于集成电路和半导体分立器件的微细加工，同时在平板显示、LED、PCB印刷线路板等制作过程中也有着广泛的应用。

光刻胶又称光致抗蚀剂，由主要成分和溶剂构成，当前光刻胶主要使用的溶剂为丙二醇甲醚醋酸酯（PMA），占光刻胶含量约为80%~90%。

光刻胶的主要成分包括树脂、单体、光引发剂及添加助剂四类，其中树脂含量约占主要成分的50%~60%，单体含量约占35%~45%。

树脂：

光刻胶的主要原料，具备光敏性和能力敏感的特殊聚合物，一般是由碳、氢和氧组成的大分子。

经光照后在曝光区能很快地发生固化反应，溶解性、亲和性等发生明显变化，用适当的溶剂处理就可以得到图像。

溶剂：

光刻胶中含量最大的成分，能够使光刻胶的各组成部分溶解在一起，同时也是后续光刻化学反应的介质。

单体：

又称为活性稀释剂，对光引发的光化学反应有调节作用。

光引发剂：

又称为光敏剂或光固化剂，是一类能从光中吸收一定波长的能量、经光化学反应产生具有引发聚合能力的活性中间体的分子。

该类化学反应的产物能与光刻胶中别的物质进一步反应，帮助完成光刻过程。

其他添加剂：

控制和改变光刻胶材料的特定化学物质，比如颜料等。

自20世纪50年代开始到现在，光刻技术经历了紫外全谱（300~450nm），G线（436nm），Ｉ线（365nm），深紫外（DeepUltraviolet，DUV，248nm和193nm），以及下一代光刻技术中最引人注目的极紫外（ExtremeUltraviolet，EUV,13.5nm）光刻，电子束光刻等6个阶段，对应于各曝光波长的光刻胶组分（树脂、光引发剂和添加剂等）也随着光刻技术的发展而变化。

光刻胶的发展是摩尔定律运行的核心驱动力，193nm光刻技术是当前主流光刻工艺。

半导体工业集成电路的尺寸越来越小，集成度越来越高，并能够按照摩尔定律向前发展，其内在驱动力就是光刻技术的不断深入发展。

当前，较先进的光刻技术是193nm浸没式光刻，配合双重曝光技术可以达到32nm节点，采用四重曝光技术可以达到14nm节点，缺点在于增加光刻的难度和步骤，增加成本，降低了生产能力。

利用13.5nm的极紫外光（EUV）光刻技术，可以达到22nm节点，甚至可以达到小于10nm的技术节点，是下一代光刻技术的研究重点。

由于EUV光刻技术中使用的光源、光刻胶、掩膜及光刻环境均与现有的光刻体系有很大差别，限制了EUV光刻技术的商业化进程，一定时间内193nm技术仍将会成为市场主流

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。

光刻胶的质量和性能是影响集成电路性能的关键因素。

光刻和刻蚀技术是精细线路图形加工中最重要的工艺，决定着芯片的最小特征尺寸。

根据晶瑞股份招股书披露，光刻工艺的成本约为整个芯片制造工艺的30%，并且耗费时间约占整个芯片工艺的40%-50%，因此光刻胶是半导体集成电路制造的核心材料。

光刻胶经预烘、涂胶、前烘对准、曝光、后烘、显影和蚀刻等环节，将掩膜版上的图形转移到硅片上，形成与掩膜版对应的几何图形。

（二）原材料合成难度大，光刻胶下游应用广泛

成膜树脂是合成光刻胶的重要原材料，技术壁垒高。

在光刻胶主要几种原材料中，成膜树脂的合成难度最高，如何保证高分子树脂每次制造出来的分子量分布和性能都相差无几，是核心难题。

随着光刻工艺的曝光波长从紫外g线的436nm、i线的365nm、缩短到KrF准分子激光的248nm、再到ArF准分子激光的193nm，相应光刻胶所需的主体成膜树脂也从环化橡胶类、聚乙烯醇肉桂酸酯类发展到线性酚醛树脂类，再发展到聚对羟基苯乙烯类、聚脂环族丙烯酸酯类和聚甲基丙烯酸酯类。

（三）光刻胶技术参数及发展难点

光刻胶的选择是一个复杂的过程，主要的决定因素是晶圆表面对尺寸的要求，光刻胶首先必须具有产生所要求尺寸的能力。

此外，在刻蚀过程中保持特定厚度的光刻胶层中不存在真空，与晶圆表面很好的粘结等。

衡量光刻胶性能优劣的主要参数为分辨率、对比度、感光速度、粘滞性/黏度、粘附性、抗蚀性、表面张力、存储和传送。

纵观半导体材料的国产化进程，光刻胶的国产化程度远远落后于靶材、电子特气、湿电子化学品等材料。

我们认为主要原因在于光刻胶的发展存在以下几大难点：

1.光刻胶的验证周期长，验证成本高，客户粘性大

光刻胶的认证过程通常包括匹配原有线上产品的参数、送样检验、信息反馈与技术研讨、样本改进、小批量试产、MSTR（中试）、大批量供应。

光刻胶批量测试的过程需要占用晶圆厂机台的产线时间，测试需要付出的成本极高。

此外，光刻胶需要与光刻机、掩膜版及半导体制程中的许多工艺步骤配合，客户极少愿意去主动改变光刻胶供应商，光刻胶下游厂商的客户粘性大。

光刻胶的验证周期长，通常面板光刻胶验证周期为1-2年，半导体光刻胶验证周期为2-3年。

2.原材料成膜树脂具有专利壁垒

成膜树脂的结构设计是光刻胶的生产的另一难点，树脂的合成难度高，并且对前后产品一致性的要求高。

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

针对不同应用需求，光刻胶的品类非常多，这些差异主要通过调整光刻胶的配方来实现，满足差异化的应用需求是光刻胶厂商核心的技术。

4.缺乏光刻机是光刻胶发展的瓶颈

光刻胶研发出来需要通过对应光刻机的验证，缺乏对应的光刻机，研制光刻胶就是纸上谈兵。

最新的EUV光刻机售价接近1亿美金，193nm光刻机售价也上千万美金，高昂的价格超出国内厂商所能承受的底线。

同时由于瓦森纳协定，外国对出口中国光刻机有限制，进一步增大了国内光刻胶的研发难度。

二、光刻胶技术壁垒高、市场增速快，进口替代有望加速

全球光刻胶市场空间广阔。

根据SEMI数据，全球光刻胶市场的主要构成包括PCB光刻胶、LCD光刻胶和半导体光刻胶，相应的市场份额占比为25%、27%和24%。

随着电子信息产业发展的突飞猛进，光刻胶需求不断释放。

2018年全球光刻胶市场规模约87亿美元，2010年至今年均复合增长率（CAGR）约5.4%，预计未来3年仍以年均5%的速度增长，2022年全球光刻胶市场规模将超过100亿美元。

中国光刻胶市场需求增速高于全球，低端PCB光刻胶生产比重高。

根据雅克科技（2020年2月27日）公告数据，2018年国内光刻胶市场规模约72.8亿元，2011-2018年均复合增长率（CAGR）达11.59%，远高于全球平均5%的增速。

产品构成方面，国内市场主要以PCB用光刻胶为主，占比超过90%，LCD和半导体光刻胶供应量占比较低。

（一）半导体光刻胶市场：

技术壁垒高，进口替代空间大

根据加工芯片的制程的不同，半导体光刻胶分为g线/i线光刻胶、Krf光刻胶、Arf光刻胶（干法及湿法）和EUV光刻胶。

各类光刻胶中虽然各组分含量存在差异，但树脂含量一般在20%以下。

总体来说，波长越短的光刻胶，其树脂含量越低，溶剂含量越高。

根据SEMI数据，2018年全球半导体用光刻胶市场17.3亿美元，2011-2018年的年均复合增长率（CAGR）5.12%。

中国大陆光刻胶市场规模约为15-20亿元，占全球光刻胶市场的15%左右。

细分产品来看，g线/i线光刻胶用量较高，占比高达50%以上，预计2022年需求量将达450立方米，KrF、ArF光刻胶需求量分别为200立方米和104立方米。

销售额方面，ArF光刻胶由于技术难度高，价格昂贵，整体市场份额最高，2018ArF销售额约为6亿美元。

根据富士经济数据，预计2022年ArF销售额将达6.74亿美元，g线/i线光刻胶和KrF光刻胶销售额预计可达3.80亿美元和3.88亿美元。

价格方面，不同类型的半导体光刻胶价格差距较大，EUV光刻胶价格超过3000美元/加仑，ArF胶价格在2000美元/加仑左右，KrF胶价格约为500-600美元/加仑，g/i线胶价格最低，约为200-300美元/加仑。

目前EUV光刻技术尚未普及，仅台积电和三星掌握，市场规模尚小，但预计未来几年随着晶圆制程的精细化，EUV光刻胶会迎来较快的发展增速。

1.中国大陆晶圆厂进入投产高峰期，拉动半导体光刻胶需求增长

伴随全球半导体产业东移，加上我国持续增长的下游需求和政策支持力度，推动半导体光刻胶市场快速增长。

2017年以来，中国大陆晶圆厂进入资本开支高峰期，根据SEMI数据显示，2017-2020年全球投产的62座晶圆厂，其中26座设于中国大陆，占全球总数的42%。

据中国电子材料行业协会，伴随多座12英寸晶圆厂投产，中国大陆12英寸晶圆产能将从2018年的80.4万片/月，增长至2020年的150万片/月。

由于半导体光刻胶与下游晶圆厂具有伴生性特点，中国大陆地区光刻胶厂商将直接受益于中国大陆晶圆厂制造产能的大幅扩张。

2.芯片制程缩减+堆叠层数增加，半导体光刻胶市场持续扩容芯片结构迭代是影响光刻胶材料的重要因素，芯片结构越复杂，对应尺寸更小并且需要更多的堆叠层数。

一方面要求光刻工艺步骤数增加，另一方面要求光刻胶向高端发展，具备更短的曝光波长和更高的分辨率。

目前逻辑芯片正在向7nm以下发展，存储芯片正在经历2DNAND向3DNAND的革新，两者均会为光刻胶市场需求持续贡献增量。

逻辑芯片方面，制程越先进，芯片内部的金属层数越多，需要进行光刻的次数就越多，对应的光刻胶性能也需要同步提升。

据三星预测，2022-2022年7nm以下先进制程的市场规模将以约30%的速度快速增长，预计2021年将达180亿美元左右。

2011年全球主流逻辑芯片特征尺寸为65nm，目前已发展至28nm,每块芯片的光刻次数也相应增加。

在最前沿领域，台积电5nm产品将于2020年下半年实现量产出货，3nm技术有望在2022年前后进入市场。

三星预计也会推出其5nm工艺。

存储芯片方面，由于2DNAND很难突破128GB容量，且成本优势开始减弱，目前各大厂商都积极推出3DNAND，根据SEMI预测，2020-2025年3D-NAND将逐渐取代2DNAND成为市场主流技术。

3DNAND主要依靠堆叠层数增加储存容量，同时减小每层的厚度保证芯片小型化，相应光刻胶的用量随着光刻次数的增加大幅增长。

目前3D-NAND以64层为主流技术产品，根据trendforce统计，三星、海力士、东芝、英特尔、长江存储等企业均会在2020年将3-DNAND堆叠层数升级至128层，预计2021年可达140层以上。

3.日本企业占据半导体光刻胶市场，进口替代空间大日本企业占据光刻胶主要市场。

在半导体光刻胶领域，日本厂商一家独大，前五大生产企业包括JSR、日本东京应化、住友化学、信越化学、美国杜邦等企业，其中日本企业占据光刻胶约占70%市场份额。

高端品种垄断格局显著。

细分产品来看，在g线/i线和Krf光刻胶领域，东京应化 占居龙头地位，市场份额分别达到27.5%和32.7%。

JSR在Arf光刻胶领域市占率最高，为25.6%，同时日本企业在Arf光刻胶上，占据约93%市场份额，呈现高度寡头垄断格局。

（二）面板光刻胶市场：

受益国内面板厂商扩容，部分彩色光刻胶实现进口替代

面板光刻胶主要包括TFT配线用光刻胶、LCD/TP衬垫料光刻胶、彩色光刻胶及黑色光刻胶四大类别。

其中TFT配线用光刻胶用于对ITO布线，LCD/TP沉淀料光刻胶用于使LCD两个玻璃基板间的液晶材料厚度保持恒定。

彩色光刻胶及黑色光刻胶可赋予彩色滤光片显色功能

面板光刻胶市场需求构成稳定，彩色光刻胶需求量相对领先，预计2022年全球销售量将达22900吨，销售额将达8.77亿美元。

TFT面板光刻胶、LCD/TP衬垫料光刻胶以及黑色光刻胶销售额2022年预计分别达到3.21亿美元、2.51亿美元和1.99亿美元。

1.面板厂商加速产能投建，中国成为全球面板最大生产地区全球面板市场保持平稳增长。

受益于电视平均尺寸增加，大屏手机、车载显示和公共显示等电子产品需求的拉动，根据IHS预测，2016年-2025年全球新型显示面板需求面积的复合年增长率（CAGR）预计将达4%，从1.88亿平方米增长到2.66亿平方米。

面板厂商加速产能投建，中国成为全球面板最大生产地区。

随着我国集中建设高精度、高世代面板线陆续建设投产，全球平板显示产业布局向中国转移的进程明显加快。

根据IHS统计，中国大陆平板显示面板全球占比由2018年39%增长到2020年52%，其中中国大陆AMOLED全球占比由2018年12%增长到2021年38%。

多条AMOLED/LTPS生产线建设进展顺利，京东方、华星光电、天马、维信诺、和辉光电等企业在AMOLED/LTPS高分辨率、折叠屏、全面屏、高饱和度等新技术上加大投入。

本土产业链不断完善，配套体系逐步形成，平板显示产业上游设备和材料领域国产化率进一步提升。

TV显示面板是彩色光刻胶和黑色光刻胶主要应用领域，需求有望同步提升。

根据富士经济数据，2018年在TV显示领域，彩色光刻胶和黑色光刻胶的领域占比分为高达74.6%、74.8%。

随着面板产线的陆续建设投产，光刻胶用量有望同步提升。

2.TFT面板光刻胶被国外巨头垄断，彩色光刻胶已实现部分进口替代从竞争格局来看，TFT面板用光刻胶市场主要被默克、东进和东京应化占据，合计占比超过90%。

LCD/TP衬垫料市场则被三阳光学、JSR和三菱化学把持。

彩色光刻胶市场主要生产厂商包括住友化学、JSR、LG化学，CR3合计占比超过55%，其中，LG化学彩胶业务于2020年2月25日出售给雅克科技。

黑色光刻胶方面，三菱化学、新日铁化学东京应化认可度较高，CR3合计占比超过60%

（三）PCB光刻胶：

PCB产能东移趋势显著，国产化率高

PCB光刻胶分为干膜光刻胶、湿膜光刻胶（线路油墨）和光成像阻焊油墨，2018年全球PCB光刻胶市场约为20亿美元。

干膜抗蚀剂是用基膜（PET薄膜）和保护薄膜（PE薄膜）夹着被薄膜化的感光层的3层构造，感光层以丙烯酸酯聚合物、光聚合引发剂、交联剂、稳定剂、着色剂等为材料，均匀分散在粘合剂聚合物中。

阻焊油墨根据膜的硬化方法分为显影型（UV硬化、热硬化并用）、UV硬化型、热硬化型，以具有（甲基）丙烯酸酯基和羧酸的基础树脂、环氧树脂、光聚合引发剂、无机填料、颜料等为原料。

细分产品来看，根据富士经济数据，2018年全球阻焊油墨销售量为4.33万吨，销售金额达6.43亿美元。

不同类型的PCB光刻胶价格差距较大，阻焊油墨普遍价格约为1.5万美元/吨。

1.全球PCB产能东移趋势显著，中国PCB市场规模持续增长全球PCB产能东移趋势明确，中国大陆产值占比超50%。

上世纪80年代是以美国为主导，其PCB产值占全球总产值的比例达30%-40%。

进入90年代后，日本企业超过美国成为新的制造中心。

从2001年开始，中国台湾PCB市场开始迅速崛起，而西方国家和日本迫于环保政策和成本增长的压力，其PCB产值不断收缩。

到2005年，中国大陆产值超越日本，首次成为全球最大的PCB生产基地，主要得益于中国大陆劳动力成本低廉、内需市场巨大且具备完善的产业配套资源。

根据Prismark数据显示，2008年-2018年，我国PCB产值已由全球的31%增至52%。

受益5G基站和数据中心建设推动，多层板PCB用量提升，PCB光刻胶需求旺盛。

一方面由于5G宏基站数量多于4G基站，另一方面由于5G基站中引入MassiveMIMO，5G基站PCB用量显著提升；此外，5G信号高频化和传输数据量的提升会增加对高频高速PCB的需求，基站用PCB价值量提升明显。

服务器方面，长期来看数据流量和云计算的增长快速带动数据中心的建设以及服务器的放量。

2019年，中国的PCB产值达到329.42亿美元，据Prismark预测，2024年将继续上升至417.7亿美元，占全球的55.07%。

预计2019-2024年CAGR为4.9%，超过美洲、欧洲、日本和亚洲其他地区增长水平。

受益PCB电路板市场的持续增长，PCB光刻胶有望迎来新的发展机遇。

2.PCB光刻胶国产化渗透率较高中国成为PCB光刻胶消费最大地区。

根据富士经济数据披露，2018年中国大陆占全球干膜光刻胶消费比重为59%，占全球阻焊油墨消费比重为72.6%，成为PCB光刻胶消费最大地区。

PCB光刻胶全球市场行业集中度较高。

干膜光刻胶方面，根据富士经济数据，中国台湾长兴化学、日本旭化成、日本日立化成三家公司就占据了全球80%以上的市场份额；光成像阻焊油墨方面，日本太阳油墨占据全球55%左右的市场份额，CR4合计占据全球80%以上的市场份额。

国内市场中，PCB光刻胶的国产化渗透率较高。

PCB光刻胶技术壁垒较低，容大感光、广信材料、东方材料、北京力拓达等内资企业已占据国内50%左右的湿膜光刻胶和光成像阻焊油墨市场份额。

飞凯材料、容大感光、广信材料等已有相应PCB光刻胶产品投产。

三、日本巨头垄断高端品种，低端市场进口替代率先打开缺口

全球半导体光刻胶市场基本被国外巨头所垄断。

光刻胶属于高技术壁垒材料，生产工艺复杂，纯度要求高，需要长期的技术积累。

日本合成橡胶（JSR）与比利时微电子研究中心（IMEC）的合资企业以及东京应化已经有能力供应面向10nm以下半导体制程的EUV极紫外光刻胶。

而主要面向45nm以下制程工艺的浸没法ArF光刻胶在国际上已经成主流，为主要市场参与者所掌握。

在技术积累，产能建设，品牌形象等多个领域，目前中国厂商与国际竞争对手目前均有较大差距。

LCD光刻胶的全球供应集中在日本、韩国、中国台湾等地区，海外企业市占率超过90%。

彩色滤光片所需的高分子颜料和颜料分散技术主要集中在Ciba等日本颜料厂商手中，因此彩色光刻胶和黑色光刻胶的核心技术基本被日本和韩国企业垄断。

PCB光刻胶的国产化渗透率较高。

以容大感光、广信材料为首的内资企业已在国内PCB市场中占据50%以上的市场份额。