光刻胶发展至今已有百年历史,现已广泛用于集成电路、显示、PCB等领域,是光刻工艺的核心材料。
高壁垒和高价值量是光刻胶的典型特征。
光刻胶属于技术和资本密集型行业,全球供应市场高度集中。
而目前,我国光刻胶自给率较低,生产也主要集中在中低端产品,国产替代的空间广阔。
随着国内厂商在高端光刻胶领域的逐步突破,未来国产替代进程有望加速。
下面我们通过对光刻胶概述、发展壁垒、相关政策、产业链及相关公司等方面进行深度梳理,试图把握光刻胶未来发展。
01光刻胶行业概述1.光刻是光电信息产业链中核心环节光刻技术是指利用光学-化学反应原理和化学、物理刻蚀方法,将图形传递到介质层上,形成有效图形窗口或功能图形的工艺技术,是光电信息产业链中的核心环节之一。
以芯片制造为例,在晶圆清洗、热氧化后,需通过光刻和刻蚀工艺,将设计好的电路图案转移到晶圆表面上,实现电路布图,之后再进行离子注入、退火、扩散、气相沉积、化学机械研磨等流程,最终在晶圆上实现特定的集成电路结构。
2.光刻胶是光电工艺核心材料光刻胶,又称光致抗蚀剂,是一种对光敏感的混合液体,是光刻工艺中最核心的耗材,其性能决定着光刻质量。
作为图像转移“中介”,光刻胶是通过曝光显影蚀刻工艺发挥转移作用,首先将光刻胶涂覆于有功能层的基底上,然后紫外光通过掩膜版进行曝光,在曝光区促使光刻胶发生溶解度变化反应,选择性改变其在显影液中的溶解度,未溶解部分最后在蚀刻过程中起保护作用,从而将掩模版上的图形转移到基底上。
3.光刻胶分类(1)按反应机理可分为正性和负性光刻胶根据化学反应机理不同,光刻胶可分正性光刻胶和负性光刻胶。
正性光刻胶受光照射后,感光部分发生分解反应,可溶于显影液,未感光部分显影后仍留在基底表面,形成的图形与掩膜版相同。
负性光刻胶正好相反,曝光后的部分形成交联网格结构,在显影液中不可溶,未感光部分溶解,形成的图形与掩膜版相反。
(2)按应用领域可分为PCB、LCD、半导体光刻胶根据应用领域不同,光刻胶可分为PCB光刻胶、LCD光刻胶和半导体光刻胶,技术门槛逐渐递增。
4.行业现状(1)全球光刻胶供给高度集中,海外龙头已实现高端制程量产光刻胶属于技术和资本密集型行业,目前核心技术主要掌握在日、美等国际大公司手中,全球供应市场高度集中,日本JSR等五家龙头企业占据全球光刻胶市场87%的份额。
同时,海外龙头已实现高端制程量产,其中日本主要厂商已实现领域内最先进的EUV光刻胶的量产,以陶氏、德国默克、锦湖石化为代表的其他光刻胶厂商也已实现ArF光刻胶的量产。
(2)国内光刻胶以中低端产品为主,高端领域逐步突破我国光刻胶行业起步较晚,生产能力主要集中在PCB光刻胶、TN/STN-LCD 光刻胶等中低端产品,其中PCB光刻胶占比达94%。
先进制程半导体光刻胶方面,g/i线胶自给率约10%,KrF胶自给率不足5%,ArF胶基本依靠进口,而EUV胶还仍处研发阶段。
(3)国内企业产能持续扩张目前,光刻胶专用电子化学品主要被日本、欧美企业占据较大市场份额。
但经过多年技术积累,国内已形成一定光刻胶用电子化学品产能,国内相关公司市场份额逐步提升,国产替代正持续进行。
02光刻胶行业壁垒高1.工艺技术壁垒高光刻胶生产工艺复杂,技术壁垒高,其研发和量产需要企业的长期技术积累,对企业研发人员的素质、行业经验、技术储备等都具有极高要求,新进入者需要极大的研发投入。
光刻胶的研发是不断进行配方调试的过程,配方研发是通过几百个、几千个树脂、光酸和添加剂的排列组合尝试出来,且难以通过现有产品反向解构出其配方,这对技术及经验积累有非常高的要求。
同时,产品纯度、金属离子杂质控制等也是光刻胶生产工艺中需面临的技术难关,光刻胶纯度不足会导致芯片良率下降。
而从实验室到稳定量产也是光刻胶行业中的关键壁垒。
此外,高端光刻胶生产的大量专利掌握在海外龙头企业中,这在光刻胶技术上已构建了专利壁垒,阻碍后来者进入。
以EUV光刻胶为例,全球专利申请量前十名中日本占据7席,富士胶片以422件排在第一;美国罗门哈斯和陶氏化学占据两席;韩国三星电子占据一席。
2.设备壁垒高除项目研发需要持续资金投入外,送样前,光刻胶生产商需要购置光刻机用于内部配方测试,根据验证结果调整配方。
光刻机设备昂贵,数量有限且供应可能受国外限制,尤其是EUV光刻机目前全球只有ASML能批量供应。
而光刻机造价高昂,且价格持续上升。
除成本高昂外,受《瓦森纳协定》限制,中国大陆企业较难购买最先进的光刻机。
3.客户壁垒高光刻胶具有高客户壁垒,由于芯片制造所需光刻过程复杂多样,不同光刻过程、同一光刻过程的不同厂家对光刻胶的需求也有差异,因此光刻胶生产商需要调整光刻胶配方以满足差异化需求。
而光刻胶达到下游客户要求的技术指标后,还需要进行较长时间验证测试(1-3年)。
因此,一旦达成合作,光刻胶厂商和下游集成电路制造商会形成长期合作关系。
此外,光刻胶更新换代较快,光刻胶厂家出于技术保密考虑,一般会和上游原料供应商进行密切合作,共同开发新技术,增大了客户的转换成本。
因此,光刻胶行业的上下游合作处于互相依赖互相依存的关系,市场新进入者很难与现有企业竞争,签约新客户的难度高。
4.原材料壁垒高国内产业链尚不完善,上游原材料是影响光刻胶品质的重要因素,目前我国光刻胶原材料市场基本被国外厂商垄断,尤其是树脂和感光剂高度依赖于进口,国产化率很低,由此增加了国内光刻胶生产成本以及供应链风险。
03光刻胶国产化前景1.政策扶持,进口替代加速近年来,我国政府大力扶持半导体与原料产业发展,陆续出台了多项政策支持光刻胶行业发展,推动产业大力研发,国产光刻胶也有望加速验证,获得更多国内市场份额,突破“卡脖子”技术,早日实现产业链核心技术国产化替代。
2.光刻胶下游结构分布均衡,市场规模持续增长光刻胶下游应用分布较为较为均衡,其中LCD用光刻胶占光刻胶总消费量的比例达27%,半导体用光刻胶、PCB用光刻胶占比均为24%,其他类光刻胶占比达25%。
近年,电子信息产业更新换代速度不断加快,同时,随着半导体、显示面板、光刻胶产业的东移,国内光刻胶需求快速提升,我国光刻胶市场规模从2015年的100亿元,快速增长至2020年的176亿元,年均复合增速高达11.97%。
3.国内面板光刻胶需求快速增长,半导体光刻胶市场稳中有升近年PCB光刻胶市场需求增长稳定。
受益于LCD产业由日韩加速向国内转移,同时大尺寸面板需求快速增长,国内面板光刻胶需求高速提升。
而光刻胶作为关键半导体材料之一,近年市场规模也稳定增长。
半导体光刻胶主要用于晶圆制造环节,未来随着国内晶圆厂的高速建设,半导体光刻胶市场空间广阔。
4.国外断供,有望推动国产替代进程2021年2月,日本福岛东部海域发生7.3级地震,导致信越化学在当地的产线遭受破坏,因此信越化学向中国大陆多家晶圆厂限制供应KrF光刻胶,并向小规模晶圆厂通知停止供应,之后,KrF光刻胶供需也一致处于进展状态。
2022年3月,日本福岛外海再次发生规模7.3级地震,信越化学工厂再次受到影响。
当前,日美厂商占据了全球光刻胶市场绝大份额,半导体光刻胶的进口比例高达九成。
同时,高端光刻胶保质期较短,且保存较为困难,芯片制造商通常不会大量囤货。
一旦日美厂商限供,中国芯片制造厂商难免陷入“无胶可用”的困境。
04产业链分析1.产业链概述上游主要依托基础化工原料,生产树脂、光引发剂、溶剂、单体等电子化学品。
中游为光刻胶成品制造,包括PCB光刻胶、面板光刻胶和半导体光刻胶的制备。
下游为印刷电路板、显示面板和电子芯片,广泛应用于消费电子、航空航天、军工等领域。
2.上游从含量来看,根据Trendbank数据,光刻胶主要原材料占比从大到小分别是溶剂(50%-90%)、树脂(10%-40%)、光引发剂(1%-6%)以及添加剂(<1%)。
从成本来看,高端光刻胶中树脂占成本比重较大。
根据南大光电公告,ArF光刻胶树脂质量占比仅5%-10%,但成本占光刻胶原材料总成本的97%以上。
经过多年技术积累,国内已形成一定光刻胶用电子化学品产能,相关公司市场份额逐步提升,国产替代正持续进行。
(1)树脂:海外垄断市场,大陆企业需取得技术突破树脂是光刻胶的主要成分,对整个光刻胶起到支撑作用,使光刻胶具有耐刻蚀性能,对光刻胶的性能有重要影响。
树脂的合成技术可分为自由基聚合,阴离子聚合和活性自由基聚合等,目前最常用的是自由基聚合,活性自由基聚合还未实现工业化。
各类光刻胶所需树脂几乎全部由海外垄断,技术壁垒高依然是海外垄断的根本原因。
目前,全球范围内光刻胶树脂大厂分为两类:一类是自产树脂的光刻胶厂商,如信越化学、杜邦,它们通常掌握着树脂合成、光刻胶配方的技术专利。
另一类是专门生产树脂的生产商,如东洋合成、住友电木、三菱化学等,为光刻胶厂商提供定制化的树脂。
国内强力新材、圣泉、彤程新材等目前开始逐步布局。
(2)单体:日本和美国企业占大头份不同光刻胶类型都有相应的光刻胶单体。
单体又称活性稀释剂,是含有可聚合官能团的小分子,一般参与光固化反应,降低光固化体系黏度,同时调节光固化材料的各种性能。
光刻胶单体的性能指标包括纯度,水份,酸值,单杂,金属离子含量等指标。
各类单体中半导体级光刻胶单体相比普通单体壁垒更高:合成技术难度更大,要求质量更稳定,金属离子杂质更少。
单体国外企业有:陶氏化学、巴斯夫、道达尔等。
国内企业包含:微芯新材、徐州博康、万润股份。
(3)溶剂:目前光刻胶溶剂主要为PGMEA(PMA,丙二醇甲醚酸醋酯),大陆自给率较高溶剂使光刻胶具有流动性,并使光刻胶能通过旋转涂在晶圆表面形成薄层,对于光刻胶的化学性质几乎没有影响。
根据新思界产业研究中心数据,我国是全球最大的PGMEA生产国家,产能占据全球总产量的35%左右,生产企业有百川股份、瑞佳化学、怡达化学、华伦、德纳国际等。
在全球市场中,PGMEA生产企业有陶氏化学、壳牌化学品公司、利安德巴塞尔工业、伊士曼化工等,以上四家企业占据全球市场一半以上份额。
根据容大感光公告,溶剂平均采购价格20H1为8.22元/kg,相比18、19年有所降低。
(4)光引发剂:集中趋势日益明显,历史采购价呈下滑趋势光引发剂又称光固化材料(主要包括UV涂料、UV油墨、UV胶粘剂等)是光刻胶材料中的光敏成分,能发生光化学反应,即能够在紫外光区或可见光区吸收一定波长的能量,产生自由基、阳离子等,从而引发单体聚合交联固化的化合物。
包括光增感剂、光致产酸剂等。
UV涂料制造业是对光引发剂需求最大的产业。
光固化材料是传统溶剂型涂料、油墨、胶粘剂的重要替代产品。
2020年,全球光引发剂市场销售额达到了6.8亿美元,预计2027年将达到约11亿美元,2020-2027年CAGR为4.57%。
光引发剂领域主要的企业有IGM Resins,天津久日新材料,常州强力和阿科玛;其中,IGM Resins是全球市场的领导者,天津久日新材料是国内市场的领导者。