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国产半导体光刻胶迎发展良机

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本文来源 | 华泰证券、DT新材料

光刻胶是光刻工艺中关键材料,国产替代需求紧迫。光刻工艺是指在光照作用下,借助 光刻胶将掩膜版上的图形转移到基片上的技术,在半导体制造领域,随着集成电路线宽缩 小、集成度大为提升,光刻工艺技术难度大幅提升,成为延续摩尔定律的关键技术之一。同时,器件和走线的复杂度和密集度大幅度提升,高端制程关键层次需要两次甚至多次曝 光来实现。其中,光刻胶的质量和性能是影响集成电路性能、成品率及可靠性的关键因素。目前,日本和美国光刻胶巨头完全主导了高端光刻胶市场。2019 年 7 月的日韩贸易摩擦 中,日本通过限制对韩出口光刻胶,引发韩国半导体产业链震荡。中美贸易摩擦大背景下, 光刻胶也成为深刻影响中国半导体产业链安全的关键材料。

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光刻胶是光刻工艺的核心材料

光刻胶又称光致抗蚀剂,它是指由感光树脂、增感剂和溶剂三种主要成分构成的对光敏感 的混合液体。在紫外光、电子束、离子束、X 射线等辐射的作用下,其感光树脂的溶解度 及亲和性由于光固化反应而发生变化,经适当溶剂处理,溶去可溶部分可获得所需图像。生产光刻胶的原料包括光引发剂(包括光增感剂、光致产酸剂)、光刻胶树脂、单体及其 他助剂等。根据 2020 年前产业研究院报告《2020-2025 年中国光刻胶行业市场前瞻与投 资规划分析报告》数据显示,树脂占光刻胶总成本的 50%,在光刻胶各成分的中占比最大, 其次是占 35%的单体和占 15%的光引发剂及其他助体。

半导体光刻胶行业壁垒明显,市场遭遇国外垄断

半导体光刻胶属高精尖材料,随光刻工艺演进细分种类繁多

光刻胶所属产业链覆盖范围广泛,从上游的基础化工材料行业和精细化学品行业,到中游 光刻胶制备,再到下游电子加工商和电子产品应用终端。光刻胶是微电子领域微细图形加 工核心上游材料,占据了电子材料至高点。

光刻胶专用化学品具有市场集中度高、技术壁垒高、客户壁垒高的特点。相同用途的光刻 胶需要大量投资,行业退出壁垒较大,同时光刻胶专用化学品相似特征较多,例如品种多, 用量少,品质要求高等特点。又由于市场相比下游行业的市场份额小,因此行业的集中度 高;光刻胶用于微小图形的加工,生产工艺复杂,技术壁垒较高。多重技术因素综合考虑 使光刻胶的技术壁垒较高;光刻胶的客户壁垒较高,市场上光刻胶产品的更新速度较快, 光刻胶厂家为了实现技术保密性,从而会与上游的原料供应商保持密切合作关系,共同 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,使得客户的进入壁垒较高。

为了匹配集成电路对密度和集成度水平,制备光刻胶的分辨率水平由紫外宽谱逐步至 g 线 (436nm)、i 线(365nm)、KrF(248nm)、ArF(193nm)、F2(157nm),以及最先进 的 EUV(<13.5nm)线水平。同时,双重曝光(Double-Patterning)在 16nm 制程被台积电 引入,多重曝光(Multiple-Patterning)在之后的先进制程被相继采用实现更小的线宽, 先进制程需要更多的曝光层数为光刻胶用量提供增长空间。

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全球半导体技术持续演进,光刻胶发展空间扩大

随着半导体制程技术发展,半导体光刻胶市场规模持续扩大,技术上发展出了适配 EUV 光刻的光刻胶。根据 SEMI 数据,2016 年全球半导体用光刻胶及配套材料市场分别达到 14.5 亿美元和 19.1 亿美元,分别较 2015 年同比增长 9.0%和 8.0%。2017 和 2018 年全 球半导体用光刻胶市场已分别达到 16.0 亿美元和 17.3 亿美元,2019 年,全球半导体光 刻胶市场达到 17.7 亿美元。从半导体光刻胶细分市场分析,根据美国半导体产业协会的 统计,2018 年高端的干法和湿法 ArF 光刻胶占据 42%市场份额,KrF 和 g 线/i 线分别占 据 22%和 24%市场份额。我们认为随着 12 寸先进技术节点生产线的兴建和多次曝光工艺 的大量应用,193nm ArF 及其它先进光刻胶的需求量将快速增加。

器件尺寸随摩尔定律缩小,光刻胶不断革新,多重曝光带来用量提升

逻辑制程跟随摩尔定律,器件线宽由原来的微米级水平进入纳米级水平,带动光刻胶不断 革新来适配更短的曝光光源。2019 年台积电在 N7+引入了四层 EUV 光罩,而在 N5 将 EUV 层数提升到 14-15 层,EUV 光刻胶随之进入商用。

随着芯片集成度提升,电路层数不断增加,光刻层数不断增加,光刻胶用量随之提升。同 时,多重曝光也被引入制造关键层。2014 年,台积电将双重曝光(double patterning)引 入 20nm 制程,通过两次曝光制造一层电路,之后多重曝光被引入更先进工艺,台积电在 14nm 至第一代 N7 制程使用 DUV 进行多重曝光。

DRAM 工艺演进方向类似逻辑制程,同样推动光刻胶革新。DRAM 由于芯片设计相对简 单、标准化程度高、工艺制程转变快,如同逻辑制程一样紧跟摩尔定律,通过构件缩小增 加器件密度以提高存储容量。目前,随着处理图形的尺度不断缩小,线宽减少越来越困难, 需要通过 193nm 浸没式光刻多重曝光满足需求。2019 年美国 DRAM 巨头美光科技的 DRAM 技术路线图公布该公司所有 10nm 级节点都依赖于双重、三重或四重 patterning 的 深紫外光刻技术(DUVL)。2020 年 3 月,全球 DRAM 龙头三星电子宣布,该公司已成功交 付基于紫外光刻 (EUV) 技术的 10 纳米级 (D1x) DDR4(第四代双倍数据速率)DRAM 模块,将 EUV 光刻引入 DRAM 生产。

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NAND Flash 堆叠层数大幅增加,为光刻胶用量带来增长机会

为了增加器件密度以提高存储容量,NAND Flash 工艺从 2D 架构转向 3D 堆叠架构,由 于堆叠层数不断增加以提高存储容量,光刻工艺次数增加,光刻胶用量随之增加。截至 2020 年,三星、铠侠、美光、英特尔、西部数据、SK 海力士、长江存储已经推出或量产 3D NAND 产品。128 层是目前已经量产的高层数,三星、SK 海力士已经实现量产,并 且三星计划 2021 年量产 176 层 3D NAND Flash,而 SK 海力士也正在研发 176 层 3D NAND Flash。

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日企垄断半导体光刻胶市场,高端市场头部聚集效应越发明显

全球半导体光刻胶市场主要被日本企业高度垄断,并且在越高端市场垄断地位越明显。目 前,全球半导体光刻胶主要龙头是 TOK(东京应化)、信越化学、JSR(日本合成橡胶)、 住友化学、富士胶片等日本公司和美国的陶氏化学,这些龙头企业总计占据各半导体光刻 胶细分领域超过 85%市场份额,其中头部日企在各个细分领域都占据主导地位。根据前瞻 产业研究院整理统计,2019 年 g/i 线光刻胶市场上,来自日本的 TOK、JSR、住友化学和 富士胶片分别占据 26%、15%、15%、8%的份额,总计达到 64%的全球 g 线和 i 线光刻 胶市场份额。而来自美国的陶氏化学、韩国的东进半导体和其他公司分别占据 18%、13% 和 5%的市场份额。

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全球 KrF 光刻胶市场份额向日本头部企业集聚效应较 g/i 线光刻胶更加明显。根据前瞻产 业研究院整理统计,2019 年日本龙头企业 TOK、信越化学和 JSR 在全球 KrF 光刻胶细分 市场分别占据 34%、22%和 18%份额,总计达到 74%。美国的陶氏化学和其他厂商分别 占据 11%和 15%的市场份额。在其他企业中,韩国企业占据 5%的市场份额。

在目前先进逻辑制程和先进存储器的主力 ArF 光刻胶市场,日本企业垄断地位进一步增 强。根据前瞻产业研究院整理统计,2019 年日本龙头企业 JSR、信越化学、TOK 和住友 化学包揽前四,分别占据全球 ArF 光刻胶细分市场 25%、23%、20%和 15%市场份额, 总计市场份额达到 83%。而第五名的美国陶氏化学在 ArF 光刻胶领域只占据 4%的市场份 额。

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最先进的 EUV 光刻胶领域则完全被日本企业所主导,日本的 JSR、TOK、信越化学成为 EUV 光刻胶市场上仅有的实现量产厂商。目前引入 EUV 工艺的仅有三星电子和台积电两 家公司,日本企业将工厂布局到韩国和中国台湾,以便保证以地理优势的保持市场份额。2020 年 7 月,TOK 宣布在韩国仁川松岛工厂开始生产 EUV 光刻胶,方便供应三星和 SK 海力;2020 年 10 月 15 日,日经新闻报道信越化工计划在中国台湾云林县和日本江津兴 建厂房,借此提升中国台湾工厂产能 5 成和日本工厂产能 2 成,并利用中国台湾工厂生产 EUV 光刻胶,来应对台积电对 EUV 光刻胶持续增长的需求。根据该报道,富士胶片和住 友化学也计划进军 EUV 光刻胶市场。

由此可见,日本这些头部企业在全球半导体光刻胶市场上,不仅在总体市场份额和技术层 面领先行业,并且各自在不同细分领域占据广泛市场,建立起完善的产品线。例如东京应 化,产品涵盖从橡胶类光刻胶到 g 线到 i 线、KrFArF 到 EUV,以及离子束光刻胶;信 越化学产品线同样全面涵盖主流半导体光刻胶。

国产光刻胶产品结构不平衡,高端半导体光刻胶依赖进口

近几年全球光电产业、消费电子产业向我国转移的趋势愈加明显,下游产品 PCB、LCD、 半导体等产业链迅速发展。中国的光刻胶产品需求格局与全球光刻胶市场类似,PCB、LCD、 半导体和其他光刻胶市场份额占比平衡。然而,由于我国光刻胶行业发展和起步时间较晚 以及高端光刻胶行业壁垒高企,造成国产光刻胶应用结构较为单一,主要集中于 PCB 光 刻胶、TN/STN-LCD光刻胶中低端产品。高端产品则需要从国外大量进口,例如TFT-LCD、 半导体光刻胶等。根据中国产业信息网数据,从下游市场应用结构来看,2018 年我国 PCB 光刻胶产值占比为 94.4%,而 LCD 和半导体用光刻胶产值占比分别仅为 2.7%和 1.6%。

半导体光刻胶作为光刻胶中最高端的组成部分,我国本土企业目前仅占有较低的市场份额。 根据中国产业信息网数据,2017 年我国是全球最大的半导体光刻胶市场,份额占全球 32%, 我们认为随着国内半导体制造份额提升,我国半导体光刻胶需求将持续提升。然而半导体 光刻胶自给率低,适用于 6 英寸硅片的 g 线和 i 线光刻胶的自给率约为 20%,适用于 8 英 寸硅片的 KrF 光刻胶的自给率不足 5%,而适用于 12 寸硅片的 ArF 光刻胶则完全依靠进 口。目前国内半导体光刻胶的市场主要被日本、美国企业所占据,主要体现在高分辨率的 KrF 和 ArF 光刻胶核心技术基本被垄断,产品也出自垄断公司。

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以史为鉴,半导体产业转移激发中国光刻胶产业机遇

半导体产业转移和分工,日本光刻胶崛起

1970 年代,日本成为全球电子产业和半导体市场中心,日本企业抓住本土产业机遇切入 光刻胶市场。1990 年代,持续投入的日本企业成功取代欧美厂商成为半导体光刻胶主导, TOK、信越化学、JSR、住友化学富士胶片等企业在 g 线、i 线、KrFArF 和 EUV 光刻 胶市场都占据主导。

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在集成电路产业发展史上,欧美厂商领导了前期光刻胶产品的研发

1950 年代贝尔实验室尝试开发全球首块集成电路的过程中,采用了重铬酸盐明胶体系, 半导体光刻胶由此诞生。柯达寻找具备强附着力的材料,并最终开发出环化橡胶-双叠氮体 系:该体系由环化聚异戊二烯橡胶与双叠氮 2,6-二(4-叠氮苯)-4-甲基环己酮混合而成。 达将此光刻胶命名为 Kodak Thin Film Resist(柯达薄膜抗蚀剂),也即 KTFR 光刻胶。该体系在 1957-1972 年间一直为半导体工业的主力体系,为半导体工业的发展立下了汗 马功劳。直至 1972 年,半导体工艺制程节点发展到 2μm,触及 KTFR 光刻胶分辨率的 极限。

1970 年代,美国 Azoplate 发明重氮萘醌-酚醛树脂光刻胶,并命名为“AZ 光刻胶”。AZ 光刻胶在 1972 年已经基本占据全部市场,并在此后 25 年间维持了 90%以上的市场份额。伴随着光刻技术的发展,重氮萘醌系光刻胶的性能也在不断提升,其曝光光源可以采用 g 线、i 线。

半导体产业转移与分工细化,日本光刻胶借机崛起

1970 年代,随着日本电子产业领头的半导体产业全面崛起,日本厂商在光刻胶研发方面 开始起步。1968 年,东京应化研发出首环化橡胶系光刻胶产品 MOR-81,1972 年其 开发出日本首个重氮类光刻胶 OFPR-2。1980 年代东京应化进入到 g 线/i 线光刻胶业 -TSMR 产品。JSR 于 1979 年进入半导体材料业务,开始销售首个光刻胶产品 CIR。

1980 年代到 1990 年代,日本半导体产业在日美贸易摩擦影响下开始没落。然而,日本的 光刻胶产业抓住制程发展的机遇以及与韩国和中国台湾区位优势,成为市场霸主。IBM 在 1980 年代早期就突破了 KrF 光刻,并在 1980 年代早期至 1995 年的十余年时间一直保 持 KrF 光刻胶技术垄断地位。由于此期间,半导体工艺节点主要集中在 1.5μm-0.35μm, 这一范围的工艺可以用 i 线光刻实现,因此 KrF 光刻胶的市场增速缓慢,并未大规模放 量。1995 年日本 TOK 成功突破了高分辨率 KrF 正性光刻胶并实现了商业化销售,打破 了 IBM 对于 KrF 光刻胶的垄断,而当时的半导体工艺节点发展到了 0.25-0.35μm,逼 近了 i 线光刻的极限。

虽然伴随半导体第二次产业转移,芯片制造中心迁往韩国和中国台湾,但是日本凭借先发 的材料和设备优势,以及与韩、台地理近的优势,日本的 KrF 光刻胶迅速放量占据市场。此外,1986 年的半导体行业大衰退导致美国光刻机厂商遭受重创,光刻机市场由美国厂 商主导逐步演变为佳能和尼康为龙头的时代。半导体光刻胶市场由此进入日本厂商作为霸 主的时代。

如今,日本半导体产业持续衰退,光刻机龙头已经旁落荷兰光刻机公司 ASML。失去本土 半导体制造市场和光刻机设备市场协同的日本光刻胶产业凭借高度的技术壁垒和市场壁 垒,在半导体产业全球化分工浪潮中依然占据高端市场的垄断地位。日本光刻胶在高端的 ArF 和 EUV 光刻胶市场,日本厂商进一步巩固霸主地位。

以日本为鉴,中国已成全球最大半导体市场,为光刻胶自主发展提供空间

如同 1980 年代的日本,今日的中国已成为世界电子产业的核心。21 世纪起,随着个人计 算机产业向手机产业迈进,终端产品更加复杂多样,中国大陆的半导体产业经历了低端组 装和制造承接、长期的技术引进和消化吸收、高端人才培育等较长的时间周期,逐步完成 了原始积累,并以国家战略及政策为驱动力,推动了全产业链的高速发展。根据中国半导 体行业协会统计,2020 年上半年中国制造的计算机、手机、彩电和汽车产量分别占据全 球 90%、90%、70%和 32%。随着 5G、智慧物联网时代的到来,以及产业发展环境完善、 人才回流、政策支持、资本青睐等众多因素,中国大陆的半导体产业得以在众多领域实现 快速与全面布局,正逐步驱使全球半导体产业从韩国、中国台湾向中国大陆转移。

伴随着成为世界电子产业核心,中国目前已经成为最大的半导体市场,并且继续保持最快 的增速。根据美国半导体产业协会(SIA)统计的数据,2019 年全球半导体市场规模为 4120 亿美元,因为中美贸易摩擦和终端市场疲软,较 2018 年的 4687 亿美元同比下降 12.11%。根据中国半导体行业协会(CSIA)统计,2019 年中国集成电路产业销售额为 7562 亿元人民币,较 2018 年增长 16%。另据 CSIA 统计在 2020 年上半年,全球遭遇新 冠疫情反复和中美贸易摩擦的背景下,中国集成电路产业销售额达到 3639 亿元,逆势同 比增长 16.1%,成为全球产业最大增长引擎。随着 5G、消费电子、汽车电子等下游产业 的进一步兴起,预计中国半导体产业规模将会进一步增长。

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中国晶圆制造产能持续扩张,半导体光刻胶迎历史机遇

中国已进入晶圆产能提升周期,半导体光刻胶需求有望持续扩大。根据 SEMI《2018 年中 国半导体硅晶圆展望报告》,预计到 2020 年中国晶圆制造厂产能将达到每月 400 万片。另据 SEMI 在 2020 年 10 月的报告预计,到 2024 年至少有 38 新的 300mm 晶圆厂投 产,其中中国大陆预计将建立八个新的 300mm 晶圆厂,并在 2024 年底之前将其 300mm 晶圆厂的市场份额大幅提高至 20%,而在 2015 年这数字仅为 8%。根据 IC Insights 预计, 2020 年中国纯晶圆代工市场规模同比实现 26%增长,达到 148.64 亿美元,本土企业中芯 国际、华虹半导体和武汉新芯总计仅占 25%市场份额,提升空间依旧很大。根据智咨询 预测,2022 年大陆半导体光刻胶市场空间将会接近 55 亿元,是 2019 年的两倍。

中国半导体制造项目遍及多个细分领域,多元化需求给予国产光刻胶充分的市场空间。近 些年在逻辑制程上,中国从成熟制程到先进制程产能全面铺开,如国内代工龙头中芯国际 既针对成熟制程在天津8寸线进行扩产、在深圳进行12寸成产能建设,又在上海建设14nm 以下工艺生产线的中芯南方;在存储器方面,长江存储持续推近 NAND 量产、合肥长推 进 DRAM 生产,涵盖最大两块存储器领域;以功率半导体、MEMS、射频、CMOS 等为 代表特色工艺 8 寸和 12 寸项目更是在全国广泛铺开。另外,以 SiCGaN 等化合物半导 体为代表的第三代半导体也成为行业热点。国内越加多元化的产品制造领域,激发多元化 的半导体光刻胶的需求,为国内半导体光刻胶企业提供了多样的技术和市场发展路径。

外部环境复杂多变,政策和大基金共同助力,半导体光刻胶国产替代正当时

日韩贸易摩擦启示中国在中美贸易摩擦下急需半导体光刻胶自主可控,为鼓励光刻胶产业 发展、突破产业瓶颈,我国出台了多项政策支持半导体行业发展,为光刻胶产业的发展提 供了良好的环境氛围。为应对国外技术出口管制风险,多家中国半导体企业也增加了材料 国产化率要求,增加国产半导体光刻胶进入量产线进行测试验证的机会,加快了国产半 导体光刻胶研发进度。

 

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