光刻胶行业投资价值分析及发展前景预测

光刻胶行业投资价值分析及发展前景预测中国下游集成电路行业快速发展中国作为全球最大的电子产品生产和消费市场，助力集成电路市场规模快速发展。随着经济的不断发展，中国已成为全球最大的电子产品生产及消费市场，衍生出了巨大的半导体器件需求，根据ICInsights统计，从2013年到2018年仅中国半导体集成电路市场规模从820亿美元扩大至1550亿美元，年复合增长率13．58%。随着互联网、大数据、云计算、物联网、人工智能、5G等高新技术产业快速发展，中国将成为全球半导体最具活力和发展前景的市场区域。光刻胶：光刻工艺所需核心材料，助力制程持续升级光刻胶百年发展史，是光刻工艺所需关键材料。光刻胶被应用于印刷工业已经超过一个世纪。到20世纪20年代，开始被用于PCB领域，到20世纪50年代，开始被用于生产晶圆。20世纪50年代末，eastmankodak（伊士曼柯达公司）和Shipley（已被陶氏收购）分别设计出适合半导体工业所需的正胶和负胶。光刻胶用于光刻工艺，帮助将设计好的电路图形由掩膜版转移至硅片，从而实现特定的功能。光刻胶的质量和性能直接影响制造产线良率。以集成电路为例，光刻工艺步骤和光刻胶的使用场景：1）气体硅片表面预处理：在光刻前，硅片会经历一次湿法清洗和去离子水冲洗，目的是去除沾污物。在清洗完毕后，硅片表面需要经过疏水化处理，用来增强硅片表面同光刻胶（通常是疏水性的）的黏附性。2）旋涂光刻胶，抗反射层：在气体预处理后，光刻胶需要被涂敷在硅片表面。涂敷的方法是最广泛使用的旋转涂胶方法，光刻胶（大约几毫升）先被管路输送到硅片，然后硅片会被旋转起来，并且逐渐加速，直到稳定在一定的转速上（转速高低决定了胶的厚度，厚度反比于转速的平方根）。3）曝光前烘焙：当光刻胶被旋涂在硅片表面后，必须经过烘焙。烘焙的目的在于将几乎所有的溶剂驱赶走。这种烘焙由于在曝光前进行叫做曝光前烘焙，简称前烘，又叫软烘（softbake）。前烘改善光刻胶的黏附性，提高光刻胶的均匀性，以及在刻蚀过程中的线宽均匀性控制。4）对准和曝光：在投影式曝光方式中，掩膜版被移动到硅片上预先定义的大致位臵，或者相对硅片已有图形的恰当位臵，然后由镜头将其图形通过光刻转移到硅片上。对接近式或者接触式曝光，掩膜版上的图形将由紫外光源直接曝光到硅片上。5）曝光后烘焙：曝光完成后，光刻胶需要经过又一次烘焙。后烘的目的在于通过加热的方式，使光化学反应得以充分完成。曝光过程中产生的光敏感成分会在加热的作用下发生扩散，并且同光刻胶产生化学反应，将原先几乎不溶解于显影液体的光刻胶材料改变成溶解于显影液的材料，在光刻胶薄膜中形成溶解于和不溶解于显影液的图形。由于这些图形同掩膜版上的图形一致，但是没有被显示出来，又叫潜像（latentimage）。6）显影：由于光化学反应后的光刻胶呈酸性，显影液采用强碱溶液。一般使用体积比为2．38%的四甲基氢氧化铵水溶液。光刻胶薄膜经过显影过程后，曝过光的区域被显影液洗去，掩膜版的图形便在硅片上的光刻胶薄膜上以有无光刻胶的凹凸形状显示出来。7）坚膜烘焙：在显影后，由于硅片接触到水分，光刻胶会吸收一些水分，这对后续的工艺，如湿发刻蚀不利。于是需要通过坚膜烘焙（hardbake）来将过多的水分驱逐出光刻胶。由于现在刻蚀大多采用等离子体刻蚀，又称为干刻，坚膜烘焙在很多工艺当中已被省去。8）测量：在曝光完成后，需要对光刻所形成的关键尺寸以及套刻精度进行测量。关键尺寸的测量通常使用扫描电子显微镜，而套刻精度的测量由光学显微镜和电荷耦合阵列成像探测器承担。制程升级是确定发展方向，光刻设备和光刻胶是核心因素。随着高集成度、超高速、超高频集成电路及元器件的开发，集成电路与元器件特征尺寸呈现出越来越精细的趋势，加工尺寸达到百纳米直至纳米级，光刻设备和光刻胶产品也为满足超微细电子线路图形的加工应用而推陈出新。光刻胶的分辨率直接决定了特征尺寸的大小，通常而言，曝光波长越短，分辨率越高，因此为适应集成电路线宽不断缩小的要求，光刻胶的曝光波长由紫外宽谱向ｇ线（436nm）→ｉ线（365nm）→KrF（248nm）→ArF（193nm）→F2（157nm）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。光刻胶及光刻胶配套试剂细分领域（一）半导体光刻胶行业概况随着高集成度、超高速、超高频集成电路及元器件的开发，集成电路与元器件特征尺寸呈现出越来越精细的趋势，加工尺寸达到百纳米直至纳米级，光刻设备和光刻胶产品也为满足超微细电子线路图形的加工应用而推陈出新。光刻胶的分辨率直接决定了特征尺寸的大小，通常而言，曝光波长越短，分辨率越高，因此为适应集成电路线宽不断缩小的要求，光刻胶的曝光波长由紫外宽谱向g线（436nm）→i线（365nm）→KrF（248nm）→ArF（193nm）→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，而紫外宽谱光刻胶更多应用于分立器件。2014年6月，《国家集成电路产业发展推进纲要》指出，集成电路产业一直是我国的问题之一，其中核心耗材半导体光刻胶等产品领域存在明显受制于人的问题。光刻胶是集成电路最核心的材料之一，光刻胶的作用如同集成电路的模具，在光刻工艺中为铺设电路预留空间，其质量和性能与电子器件良品率、器件性能以及器件可靠性直接相关。（二）显示面板光刻胶行业概况光刻工艺同样也是液晶面板制造的核心工艺，通过镀膜、清洗、光刻胶涂覆、曝光、显影、蚀刻等工序，将掩膜版上的图形转移到薄膜上，形成与掩膜板对应的几何图形，从而制得TFT电极与彩色滤光片。显示面板光刻胶主要分为TFT-LCD光刻胶、彩色光刻胶和黑色光刻胶及触摸屏光刻胶。三类显示面板光刻胶被应用在显示面板制造过程的不同工序中。TFT-LCD光刻胶用于加工液晶面板前段Array制程中的微细图形电极；彩色光刻胶和黑色光刻胶用于制造显示面板中的彩色滤光片；触摸屏光刻胶用于制作触摸电极。平板显示器中TFT-LCD是市场的主流，彩色滤光片是TFT-LCD实现彩色显示的关键器件。从2009年开始，显示面板产业链逐渐向中国转移。经过十年的快速扩张，中国显示面板行业后来居上。尽管国内市场对于显示面板光刻胶的需求量不断增长，但我国显示面板光刻胶生产能力仍严重不足。目前显示面板光刻胶的生产主要被日韩厂商垄断，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%。（三）PCB光刻胶行业概况PCB的加工制造过程涉及图形转移，即把设计完成的电路图像转移到衬底板上，因而在此过程中会使用到光刻胶。PCB光刻胶主要包括干膜光刻胶、湿膜光刻胶和光成像阻焊油墨。自20世纪90年代中期开始，PCB产业开始转移，2002年开始，外资PCB光刻胶企业陆续在华建厂。至2017年，我国PCB产值占全球份额达50．8%，PCB光刻胶产值占全球份额也超70%，到2019年的市场份额达到93．35%，主要集中在中低端产品市场。（四）其他光刻胶行业概况其他光刻胶主要包括电子束光刻胶、感光聚酰亚胺（PSPI）、光敏聚苯并噁唑树脂（PSPBO）等特殊工艺光刻胶。因其工艺特殊性，全球其他光刻胶呈现生产厂商数量较少、供应量较少、产品单价较高等特点。（五）光刻胶配套试剂行业概况光刻胶配套试剂主要是由基础化工原料（包括N-甲基吡咯烷酮、醋酸丁酯、四甲基氢氧化铵、石油醚、正庚烷等）调配制造的产品，包括显影液、剥离液、增粘剂、边胶剂等，与光刻胶配套使用。因此同光刻胶应用范围相同，主要应用于显示面板、集成电路和半导体分立器件等细微图形加工作业。半导体光刻胶市场格局对于技术壁垒最高的半导体光刻胶市场，ArF光刻胶与其他浸没式光刻胶合起来占据了整个市场的52%。日本企业在半导体光刻胶市场占据主导地位。根据东京应化公布的数据，2019年日本企业合计市场份额为69%，东京应化（TOK）占比为25%。海外龙头断供提供良机日本信越化学光刻胶断供产生供给缺口，为国产企业导入提供机会。由于2021年日本福岛地震事件，信越化学光刻胶工厂暂停生产，引发新合约涨价事件。受地震影响，信越化学KrF光刻胶产线受到很大程度的破坏，2021年2月至今尚未完全恢复生产，虽然东京应化（TOK）填补了信越化学海外大部分缺失的KrF光刻胶产能，但目前仍存在不小的缺口。另外，除了台积电、三星、英特尔、联电等晶圆厂积极扩产外，SMIC、华虹宏力、广州粤芯等多家本土晶圆厂积极扩产和产能释放，这也就导致国内光刻胶需求量激增，供应不足。2020年底美国商务部将SMIC列入实体清单，对SMIC实施出口限制，导致美国陶氏化学无法向SMIC供应任何半导体材料，其中包括光刻胶。在国外厂商无法供应的情况下，晶圆厂对导入新半导体材料供应商的要求提升，利好国产光刻胶产业。原材料掐脖子对企业正常生产有潜在威胁。2019年日韩贸易战中，日本对韩国半导体材料断供，由于韩国对日本光刻胶依赖程度达84．5%，此举让韩国企业遭受巨大损失。2019年三季度，三星电子营业利润从二季度12．8万亿韩元，下降至7．7万亿韩元，环比下降39．8%；SK海力士营业利润从6316亿韩元，下降至4100亿韩元，环比下降35．1%。我国光刻胶对外依赖程度更为明显，半导体光刻胶目前国产化率仅5%，因此我国存在极大的供应链政策风险。我国光刻胶企业大部分供给G/I线光刻胶，仅彤程新材实现了KrF光刻胶商业化。我国的G/I线光刻胶已处于成熟量产阶段，各企业仍处于扩张KrF胶种类以及打入客户验证周期，仅产生极少量KrF胶收入。由于口径不同原因，晶瑞电材将辅材并入光刻胶板块收入，其光刻胶纯胶收入基本由G/I线贡献。光刻胶是图形复刻加工技术中的关键性材料。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模版转移到待加工基片上的图形转移介质，由成膜剂、光敏剂、溶剂和添加剂等主要化学品成分和其他助剂组成，在紫外光、深紫外光、电子束、离子束等光照或辐射下，其溶解度发生变化，经适当溶剂处理，溶去可溶性部分，最终得到所需图像。在光刻工艺中，光刻胶被均匀涂布在硅片、玻璃和金属等不同的衬底上，经曝光、显影和蚀刻等工序将掩膜版上的图形转移到薄膜上，形成与掩膜版完全对应的几何图形。虽然不同光刻胶的成分百分比有差异，但半导体光刻胶中的树脂的含量一般在20%以下。总体来说适用于波长越短的光刻胶，树脂的含量越低，溶剂的含量越高，溶剂含量高的能到80%。例如G线和I线光刻胶的树脂含量在10-20%，KrF光刻胶树脂含量10%以下，ArF及EUV光刻胶树脂含量在5%以下。光刻胶历经七十年发展历史。光刻胶起源于美国，柯达KTFR光刻胶为光刻胶工业的开创者；1950s贝尔实验室尝试开发首块集成电路，半导体光刻胶由此诞生；光刻胶不断推进产业演进，i线/g线光刻胶的产业化始于上世纪70年代，KrF光刻胶的产业化也早在上世纪80年代就由IBM完成。光刻胶是光刻工艺中最重要的耗材，其品质决定了成品的精度和良率。微小的误差即可能付出成本高昂的代价。因此，半导体制造商更关注光刻胶的品质、性能、不同批次间的一致性而非价格。正光刻胶是指在光刻过程中，暴露在光线下的部分可溶于光刻胶显影剂，而未曝光部分仍然溶于显影剂。负光刻胶刚好和正光刻胶相反，是指在光刻工艺中，暴露在光线下的部分不溶于显影剂，未曝光部分则可以被光刻胶显影剂所溶解。由于负光刻胶在曝光和显影过程中容易发生变形，导致其分辨率精度不如正光刻胶。因此正光刻胶在高端半导体光刻胶，如ArF光刻胶及EUV光刻胶中应用更为普遍。一直以来半导体工业使用的光刻胶均为聚合物光刻胶，这些光刻胶也被称为化学增幅型光刻胶（ChemicallyAmplifiedResists:CAR），其原理是吸收光并产生质子（酸），从而改变聚合物在蚀刻溶液中的溶解度。然而，聚合物光刻胶在10nm级别时遇到了问题。到目前为止，几十nm级的线条图案规则都是基于使用发射波长为160nm左右的浸入式ArF光源的光刻技术，这在聚合物材料的光吸收和反应范围内。然而，在EUV下，波长是13．5nm，传统的有机聚合物对这些超短波难以产生良好的反应。另外，当线宽幅度达到10nm左右时，即使做出图案，也会发生抗蚀墙壁面塌陷或者粘连不稳定等问题。直观地讲，在纳米水平上，要在缓慢溶解的系统中保持半导体内的LWR、LER等互连相关值的稳定性和低变异性极为困难。晶圆制造产能扩张，光刻胶需求高增长半导体光刻胶作为关键材料，晶圆厂产能变化预示光刻胶需求变化。SMIC的8寸晶圆出货量与我国整体半导体材料销售额呈现高度正相关，因此晶圆产能的扩张节奏，可以作为整个半导体材料的景气度风向标。我国在世界晶圆产能占比逐步提高，半导体光刻胶需求随之提升。未来随着我国积极推动芯片自主化政策，晶圆厂产能大幅提升，2010、2019年分别超越欧洲、北美，2020年接近日本，月产能约318．4万片（折合8寸晶圆），全球市占率约15．3%，排名全球第四。此外，2020~2025年间受惠当地业者不断投资，以及三星、SK海力士等内存大厂进驻，中国大陆晶圆厂月产能将持续增加，预计将增加3．7个百分点，达到世界占比接近20%，有望升至全球第二。新增晶圆厂将极大提升KrF和ArF光刻胶需求量。根据Gartner预测，预计2022年20nm及以下占比12%，28nm至90nm占比41%，0．13μm及以上的微米级制程占比47%。目前，90nm以下主要使用12寸晶圆，90nm以上使用8寸或更小尺寸晶圆。由于KrF和ArF胶主要应用于0．35μm以下，应用晶圆为8寸或12寸，随着未来我国整体晶圆新增产能集中在12寸线，相比于g/i线价值量更高的KrF和ArF光刻胶将成为未来我国光刻胶需求增长的绝对主流。未来我国半导体光刻胶市场KrF和ArF胶的占比将继续提升。根据TrendBank数据，2020年我国ArF和KrF胶占比分别为44．0