半導體光刻膠行業(yè)研究破曉而生踏浪前行

半導體光刻膠行業(yè)研究：破曉而生，踏浪前行1.光刻膠：圖形轉移介質，在泛半導體產業(yè)廣泛應用光刻膠本質是一種感光材料，也稱光致抗蝕劑，主要用于微電子技術中微細圖形加工。在紫外光、電子束、離子束、X射線等照射或輻射下，光刻膠溶解度會發(fā)生變化，再經適當溶劑溶去可溶性部分，便可實現(xiàn)圖形從掩模版到待加工基片上的轉移。進一步，未溶解部分光刻膠作為保護層，在刻蝕步驟中保護其下方材料不被刻蝕，從而完成電路制作。產品分類上，按照下游應用領域，光刻膠可分為IC光刻膠、PCB光刻膠、LCD光刻膠。IC光刻膠根據曝光波長又可分g線光刻膠(436nm)、i線光刻膠(365nm)、KrF光刻膠(248nm)、ArF光刻膠(193nm)、EUV光刻膠(13.5nm)等，通常情況下曝光波長越短，分辨率越佳，適用IC制程工藝越先進。按照化學反應原理，光刻膠可分為正性光刻膠和負性光刻膠。正性光刻膠曝光部分在顯影液中溶解，負性光刻膠未曝光部分在顯影液中溶解。由于負性光刻膠顯影時易變形和膨脹，自1970s以后正性光刻膠逐漸成為主流。全球電子產業(yè)制造東移，光刻膠作為關鍵耗材需求景氣。在世界電子產業(yè)分工協(xié)作的大背景下，我國大陸憑借勞動力成本和終端市場需求等優(yōu)勢逐漸成為全球最大的電子信息產品制造基地，半導體、PCB、面板產能增長迅速，由此帶來上游材料光刻膠市場需求同步快速增加。根據ResearchAndMarkets和Cision預測數據，2020-2026年，全球光刻膠市場規(guī)模將從87億美元增長至120億美元以上，復合增長率約6%，中國大陸光刻膠市場規(guī)模將從84億元增長至140億元以上。復合增長率約10%，增速更快。產業(yè)鏈特征：1）下游需求引導產業(yè)發(fā)展。光刻膠整個產業(yè)進步是圍繞下游制造需求展開的，一方面下游廠商制造工藝進步倒逼光刻膠與原材料配套進行技術迭代，另一方面下游廠商國產替代與擴產規(guī)劃同步帶來光刻膠廠商替換與增量市場機會。2）中國大陸光刻膠產業(yè)鏈雛形漸顯：以IC光刻膠為代表，從上游原材料（樹脂、單體、感光劑、溶劑）到中游光刻膠成品制造，再到下游晶圓代工，以及配套設備供應，中國大陸全產業(yè)鏈均處于起步階段。乘中資晶圓廠崛起東風，中國大陸光刻膠全產業(yè)鏈正在逐步完善，目前產業(yè)完全自主化雖然較遠，但已經涌現(xiàn)了一批優(yōu)秀的本土企業(yè)。2.半導體景氣周期已傳遞至材料端，IC光刻膠需求穩(wěn)步向上卡位IC制造關鍵光刻工藝，光刻膠承載著半導體制造材料市場中不可或缺的6%。在芯片制造過程中，光刻環(huán)節(jié)耗時最長（約40-50%），成本占比最大（約1/3），而光刻膠是光刻工藝中重要的耗材，承載著微納電路圖形從掩模版到晶圓上的轉移作用，產業(yè)重要性十分突出。光刻膠市場規(guī)模在所有半導體材料中占比約6%，價值較高，國產化進程緩慢，不僅市場需求長期景氣，而且技術突破對于產業(yè)發(fā)展意義重大。2.1.當前全球“芯片荒”所帶來的產業(yè)鏈供需緊張正向材料端逐步蔓延產業(yè)升級下的算力需求提升帶來芯片用量持續(xù)提升，汽車成為拉動增長的重要新生力量。隨著半導體在各個產業(yè)應用領域的不斷深入，以及人工智能、物聯(lián)網等新興技術場景的出現(xiàn)，芯片市場需求持續(xù)快速增加。以汽車和手機市場為例：相比之前，智能汽車帶來汽車產業(yè)變革，其自動駕駛、車身控制、娛樂系統(tǒng)等功能帶來大量芯片新需求；智能手機年出貨量已經超10億部，單手機芯片用量超百顆，在5G支持和新功能需求刺激下，用量增長可觀?？傮w來看，產業(yè)升級發(fā)展對于算力、電能轉換、信號處理等需求有長期持續(xù)性拉動作用，而工藝進步速度和空間越來越有限，必然帶來數量的指數級增加。根據麥肯錫預測數據，到2030年，半導體市場規(guī)模將保持7%的年復合增長率，計算和數據存儲、無線通信、汽車電子是前三大主要增速貢獻市場，其中汽車電子領域單車用量增幅大，且單車價值高，對應芯片市場規(guī)模增速最快。供給跟進滯后需求，市場缺芯潮如火如荼。智能汽車行業(yè)的快速發(fā)展以及疫情催化下各產業(yè)數字化轉型的加速，導致芯片需求近兩年加速增長。而供給端方面，過往晶圓廠通常會提前鎖單靈活安排產能，但本輪需求增加超出市場預期，且中美貿易摩擦下造成政策不確定性增加，手機市場芯片囤貨普遍，占據了大量汽車芯片晶圓代工產能。晶圓廠新產線投產需要較長周期讓此次芯片供需缺口近兩年一直存在。本輪全球芯片短缺始于汽車芯片，到其他產業(yè)，向上再傳遞至晶圓代工，再到設備、材料等，現(xiàn)階段已經蔓延至全產業(yè)鏈。從芯片交期和晶圓代工價格驗證來看，2022年2月，芯片平均交貨周期已達26.2周，相比2019年正常水平增長近4倍，同時，臺積電、聯(lián)電、中芯等代工廠普遍上調價格，產能仍然緊缺，供不應求。晶圓廠為解決缺芯難題新建的產能將于2022年開始迎來落地，半導體材料成長空間明確。基于缺芯背景下的產能供給壓力和對產業(yè)的長期增長預期，從2020年下半年開始，全球各大晶圓廠進入了瘋狂擴產模式。ICInsights數據顯示，2021年全球半導體資本開支大幅增長36%總額達1539億美元，其中晶圓代工資本開支同比增40%以上，占比三分之一。參考晶圓廠建設投產周期，2022年下半年晶圓廠擴產產能將逐步開始建成投產，半導體材料行業(yè)作為芯片制造過程的基礎支撐產業(yè)，市場成長空間十分明確。2.2.區(qū)域結構：中國晶圓代工增長迅速，IC光刻膠市場潛力大受益半導體產業(yè)東移，未來五年中國市場晶圓代工產能大幅增長?；谥袊袌鳊嫶蟮陌雽w產業(yè)終端消費需求以及勞動力成本等優(yōu)勢，中國市場晶圓廠擴建速度領先全球，一方面來自于國外半導體企業(yè)大量晶圓產能涌入中國，另一方面也是國產替代趨勢下本土晶圓廠快速崛起的貢獻。根據ICInsight數據，截至2020年12月末，中國大陸市場晶圓代工產能約318萬片/月，占全球晶圓廠產能15.3%。并預計2020—2025年期間，隨著外資晶圓廠產能進入和中資晶圓廠新建，中國大陸將是唯一一個能夠獲得晶圓代工產能份額百分比提升（增長3.7個百分點）的地區(qū)。晶圓擴產為光刻膠市場需求提供長期增長動力，我國大陸IC光刻膠市場增速更快。伴隨晶圓廠的逐步擴產投建，我國大陸IC光刻膠市場需求量將穩(wěn)步增加，且呈現(xiàn)出更快的增長潛力。根據TECHCET預測數據，2020—2025年，全球半導體光刻膠市場規(guī)模將從約17億美元增長至24億美元，復合增長率約6%；根據SIA統(tǒng)計數據2015—2020年我國大陸半導體光刻膠市場規(guī)模從1.3億美元增長至3.5億美元，CAGR達22%。假設2025年我國大陸晶圓廠產能占全球比19%，產能利用率超全球平均水平30%，在暫不考慮區(qū)域光刻膠產品結構差異的情況下，粗略測算我國大陸IC光刻膠2025年市場規(guī)模約40億元，2020—2025復合增長率為11%。2.3.產品結構：KrF與ArF光刻膠占據市場主流，EUV市場將逐步打開與工藝、設備相配套，光刻膠技術迭代推動制程進步。在性能提升、成本功耗降低，以及更大算力需求等多因素驅動下，長期以來芯片技術一直沿著摩爾定律向前發(fā)展。而制程的進步離不開材料、設備和工藝三方面共同的推進。根據瑞利公式：分辨率R=K1*/NA，光刻工藝制程進步可通過改變工藝因子（K1）、曝光波長（）、物鏡數值孔徑（NA）三條路徑實現(xiàn)，其中降低光源曝光波長是提高光刻分辨率的重要手段?；仡櫣饪碳夹g發(fā)展歷史，集成電路主流工藝尺寸與曝光波長呈現(xiàn)出同步縮小的趨勢，而不同波長的光源正對應不同的光刻設備和光刻膠材料。芯片制程分庭抗禮，各制程市占率均衡發(fā)展。以28nm為界，芯片工藝可分為先進制程與成熟制程。先進制程代表著技術進步的方向，可以為芯片提供更好的性能和功耗比，但是其代際設計費用增速越來越高。相比之下，成熟制程設備支出和研發(fā)投入更小在成本控制方面具備一定優(yōu)勢。需求側，成熟制程主要用來制造中小容量的存儲芯片、模擬芯片、MCU、電源管理(PMIC)、模數混合、傳感器、射頻芯片等，隨著汽車電子、5G、云計算市場爆發(fā)，產能持續(xù)緊缺。根據ICInsights統(tǒng)計預測，到2024年，10nm以下，10nm-20nm，以及40nm以上制程各占市場約三分之一，成熟與先進制程各有所需，同臺共舞。光刻膠市場ArF與KrF占據主流，EUV增長最快。對比來看，KrF光刻膠主要應用于3DNAND堆疊架構中，隨著堆疊層數的增加，用量將大幅提升；ArFi（ArF濕法）光刻膠則主要應用于先進制程中的多重曝光過程，需求比ArF（ArF干法）更多，隨著技術節(jié)點向前推進ArFi用量增長很快。整體上，KrF與ArFi基本覆蓋主流芯片制程和應用需求，且在單芯片制作過程中用量相比更多，因而成為了光刻膠市場上需求最大的兩類。此外，EUV光刻膠的應用范圍也正在從邏輯芯片擴展到存儲芯片中，隨著先進制程滲透率提升以及工序步驟的增加，EUV光刻膠市場需求將快速提升，占比預計將從2020年的1%提升到2025年的10%。3.全球市場日美壟斷競爭，國產替代迎來最佳機遇期中國大陸正在承接全球第三次大規(guī)模的半導體產業(yè)轉移，疊加核心領域自主化需求迫切，IC光刻膠迎來最佳的國產替代機遇窗口期。從半導體產業(yè)發(fā)展歷史看，每一次半導體產業(yè)轉移都在新興終端市場需求崛起下，國家政策強力扶持，再配合區(qū)域經濟特點和產業(yè)分工縱化實現(xiàn)后來者趕超。第一次半導體產業(yè)轉移發(fā)生在二十世紀七十年代，家電需求崛起，半導體產業(yè)從美國轉向日本；第二次發(fā)生在二十世紀九十年代，個人電腦興起，半導體產業(yè)從美日向韓國、中國臺灣轉移；

目前伴隨著智能終端物聯(lián)網市場快速發(fā)展，中國大陸正在承接半導體產業(yè)的第三次轉移。2021年，我國大陸半導體產業(yè)銷售額已達10458億元，全球占比超30%，在整體產業(yè)鏈快速發(fā)展的帶動下，IC光刻膠作為上游關鍵制造材料，國產替代已然衍化為該領域內未來幾年的主旋律。3.1.全球IC光刻膠CR5超80%，中國大陸高度依賴進口全球IC光刻膠市場高度集中，日美企業(yè)領跑。光刻膠行業(yè)需要長期的技術積累和產業(yè)協(xié)作研發(fā)，一直以來由日美企業(yè)牢牢掌握，尤其是在高端的KrF、ArF、EUV光刻膠市場，壟斷格局更為明顯。目前，IC光刻膠領域前五大廠商占據全球87%的市場份額，其中日本合成橡膠（JSR）、東京應化（TOK）、美國杜邦、信越化學、富士電子市占率分別為28%、21%、15%、13%、10%。日本JSR：全球光刻膠龍頭，規(guī)模與技術均處于最頭部。公司產品線豐富，包括i線、KrF、ArF、ArFi、EUV等，全球光刻膠行業(yè)發(fā)展的引領者，其光刻膠產品在泛半導體領域內均有覆蓋，在IC領域更是市場份額領先。公司主要客戶包括主要晶圓代工廠Intel、三星和臺積電等，2020年營業(yè)總收入達266億元。日本TOK：專業(yè)光刻膠及配套試劑廠商，產品線包括g、i線，KrF、ArF和EUV光刻膠。公司產品技術水平和品質都居于行業(yè)前列，客戶橫跨半導體、液晶等行業(yè)，主要客戶包括臺積電，中芯，華宏NEC等。美國杜邦：世界排名第二大美國化工公司，光刻膠是其事業(yè)部之一，產品線包括g/i線、KrF、ArF光刻膠，其中在g/i線和KrF全球市場中占有一定份額。作為美國公司，其客戶以美國、新加坡和中國臺灣地區(qū)為主，包括Intel、IBM等，在大陸市場占有率較低。日本信越化學：最初以氮肥料為主營業(yè)務，二戰(zhàn)后在日本政府的支持下開始向半導體材料領域拓展。目前光刻膠領域的主要產品包括g/i線、KrF、ArF光刻膠。2020年公司營業(yè)總收入達891億元。日本富士電子：長期以來富士都是照相機膠卷和相關沖印化學產品的世界龍頭，基于長期的相關技術經驗積累，光刻膠也成為其重要的業(yè)務部分，產品線包括g/i線、KrF、ArF、電子束、EUV光刻膠。在IC光刻膠領域富士電子市占率不高，但正在加碼布局。日本光刻膠企業(yè)的成功離不開市場支持、基礎化工領域的經驗積累和長期持續(xù)的技術投入等多因素共振。在產業(yè)早期，歐美企業(yè)領導光刻膠產品研發(fā)。二十世紀八十年代，伴隨著全球半導體產業(yè)向日本轉移，日本政企緊抓市場機遇，其龍頭化工企業(yè)基于自身在基礎化工領域的經驗積累和政府的大力扶持，實現(xiàn)先進光刻膠產品的不斷研發(fā)突破。同時，日本光刻膠產品的推出正好契合當時芯片制造工藝制程需求，為商業(yè)化落地提供了有力保障。在確立光刻膠領先地位后，日本繼續(xù)采取產官學一體化進行國家級基礎攻關研究，持續(xù)積累光刻膠技術經驗，領先地位不斷鞏固。中國大陸半導體光刻膠高度依賴進口，本土企業(yè)在低端產品上有所突破。我國大陸光刻膠產業(yè)起步較晚，生產研發(fā)水平與國外大廠有一定差距。并且，中國大陸光刻膠企業(yè)主要集中在PCB、LCD光刻膠產品上，半導體光刻膠技術壁壘較高，高度依賴進口。根據新材料在線數據統(tǒng)計，2020年中國大陸光刻膠市場外資企業(yè)供給占比超過70%，內資企業(yè)主要在低端g/i線光刻膠產品上有些突破，6英寸硅片自產占比約20%，KrF、ArF、EuV光刻膠國產替代任重道遠。3.2.參考韓國經驗，光刻膠自主化是國家戰(zhàn)略安全考量下的必然選擇日本突發(fā)“貿易戰(zhàn)”，2019年限制對韓光刻膠出口，半導體產業(yè)依賴性風險浮出水面。2019年7月1日，由于日韓間勞工賠償等歷史遺留問題，日本經濟產業(yè)省宣布限制向韓國出口“氟聚酰亞胺”、“光刻膠”和“高純度氟化氫”3種半導體材料，之后經協(xié)商談判才解除禁售。作為韓國支柱型產業(yè)，韓國電子產業(yè)2018年生產額達1711.01億美元，但是原材料和設備較為