半導體材料行業(yè)競爭格局分析

半導體材料行業(yè)競爭格局分析半導體材料行業(yè)競爭格局全球光刻膠市場基本被日本和美國企業(yè)所壟斷，2020年數(shù)據(jù)顯示，東京應化排名第一，份額為26%，杜邦排名第二，份額為17%，加之JSR和住友化學，全球前四大廠商累計市占率接近70%，行業(yè)集中度較高。從細分品類來看，目前國內(nèi)廠商主要以紫外寬譜、g線、i線等產(chǎn)品為主，國內(nèi)廠商在該等產(chǎn)品領(lǐng)域已經(jīng)占據(jù)了一定的市場份額，而在KrF、ArF、EUV等中高端光刻膠領(lǐng)域，目前仍主要依賴于進口，技術(shù)、產(chǎn)品、產(chǎn)能方面均與國外存在較大差距，仍處于被國外生產(chǎn)廠商壟斷的現(xiàn)狀。光刻膠是發(fā)展半導體行業(yè)不可或缺的產(chǎn)品組成結(jié)構(gòu)復雜，產(chǎn)品壁壘高企。光刻膠（photoresist）又稱光致抗蝕劑，是指通過紫外光、電子束、離子束、X射線等的照射或輻射，其溶解度發(fā)生變化的耐蝕劑刻薄膜材料，主要由光刻膠樹脂、增感劑（光引發(fā)劑+光增感劑+光致產(chǎn)酸劑）、單體、溶劑和其他助劑組成。由于應用場景頗多，不同用途的光刻膠在曝光光源、制造工藝、成膜特性等性能要求不同，對材料的溶解性、耐蝕刻性和感光性能等要求不同，不同原料的占比會有很大幅度變化，其中光刻膠樹脂是光刻膠主要成分，成本占比達到50%。光刻膠為集成電路中極為重要的材料，作為圖形媒介物質(zhì)，用于芯片制造的光刻環(huán)節(jié)，是必不可缺的關(guān)鍵材料。正性和負性光刻膠由于曝光反應存在差異：正性光刻膠在曝光后，曝光部分會溶于顯影液，未曝光部分顯影后會留存，正性光刻膠分辨率對比度高，更適用于小型圖形，也因此高端光刻膠以正性為主。負性光刻膠則相反，曝光后曝光部分形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)，硬化并留存在基底形成圖形，未曝光部分將溶解。負性光刻膠擁有更好的粘滯性和抗蝕性，因其具有更好感光性所以添加的感光劑更少，成本更低，也更適用于低成本低價質(zhì)量的芯片。半導體光刻膠市場中正性膠占比為絕大多數(shù)，負性膠占比極低。光刻膠按應用領(lǐng)域分為PCB、面板和半導體光刻膠。PCB光刻膠主要分為干膜光刻膠、濕膜光刻膠和阻焊油墨；面板光刻膠主要分為TFT-LCD正性光刻膠、彩色&黑色負性光刻膠;半導體集成電路制造行業(yè)主要使用G/I線光刻膠、KrF光刻膠、ArF光刻膠和EUV光刻膠等。根據(jù)Cision，2019年全球光刻膠市場規(guī)模約91億美元，至2022年市場規(guī)模將超過105億美元，年化增長率約5%，其中，面板光刻膠，PCB光刻膠和半導體光刻膠的應用占比分別為27．8%、23．0%和21．9%。半導體光刻膠將成為光刻膠市場主要增長因素。在下游PCB和面板二者復合增速緩慢的情況下，半導體光刻膠將在半導體市場的快速增長下，疊加其單位價值量相較于PCB光刻膠和面板光刻膠更高的特性，有望成為全球光刻膠市場增長的主要因素。隨著IC制程的不斷提高，為了滿足集成電路對電路密度和集成水平更高要求，光刻膠通過不斷縮短曝光波長，不斷提升圖形的分辨率。經(jīng)過幾十年的研發(fā)，按照曝光波長，目前光刻膠的波長由紫外寬譜逐步至G線（436nm）、I線（365nm）、KrF（248nm）、ArF（193nm）（KrF和ArF合計稱為DUV光刻膠）、以及最先進的EUV（<13．5nm）水平。半導體光刻膠存差異，應用于不同芯片制程。隨著曝光波長縮短，光刻膠達到的極限分辨率不斷提高，得到的精密度更佳。目前市場上能得到分辨率最高的是EUV光刻膠，用于14nm以下先進制程，由于整體較高的壁壘，僅G/I線有少量國產(chǎn)份額，KrF和ArF國產(chǎn)化率極低，EUV方面僅荷蘭的ASML能制造EUV光刻機，國內(nèi)尚無企業(yè)擁有先進制程芯片產(chǎn)能，因此國內(nèi)并沒有EUV光刻膠市場，目前國內(nèi)市場大多集中在G線/I線KrF/ArF等用于28nm以上成熟制程的半導體光刻膠。半導體光刻膠并不完全僅用于其對應電路尺寸。以KrF膠為例，雖然其對應的最精細工藝范圍為0．13-0．35μm，但是KrF膠仍然可以用于0．13μm以下節(jié)點，包括28nm，原因在于28nm制程的芯片并不是每處都達到了精細度極限，由于ArF膠價格是KrF膠的幾倍，下游客戶出于節(jié)省成本目的，在芯片精細度較低的區(qū)域仍將使用用于低制程的光刻膠，也因此KrF膠成為全種類半導體光刻膠中，消耗量極高的膠種類，肩負起承上啟下的作用。半導體光刻膠：技術(shù)難度最高，增速最快全球半導體光刻膠市場增速遠高于全球光刻膠平均水平，占比不斷提升。據(jù)SEMI統(tǒng)計，2021年全球半導體光刻膠市場規(guī)模達24．71億美元，較上年同期增長19．49%，2015-2021年CAGR為12．03%。2019年全球半導體光刻膠市場規(guī)模分別為約為18億美元，半導體光刻膠占整體光刻膠比重約21．9%，到2021年占比提升至26．85%。大陸半導體光刻膠增速超全球兩倍。分地區(qū)看，中國大陸半導體光刻膠市場依舊保持著最快增速，2021年市場規(guī)模達到4．93億美元，較上年同期增長43．69%，超過全年半導體光刻膠增速的兩倍；中國占比全球半導體光刻膠市場比重也將從2015年約10．4%提升到2021年接近20%。中國半導體光刻膠的快速崛起離不開中國整體半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。受益于5G大規(guī)模建設(shè)，以及2020年新冠疫情導致遠程辦公、網(wǎng)絡直播等應用普及，全球集成電路行業(yè)發(fā)展迅猛，根據(jù)Frost&Sullivan數(shù)據(jù)，2013年集成電路市場規(guī)模為2518億美元，到2019年集成電路市場規(guī)模高達3334億美元，年復合增長率為4．79%。2019年全球集成電路市場規(guī)模有所下滑，主要系全球貿(mào)易摩擦、存儲供需變化以及智能手機、服務器等產(chǎn)品需求下滑因素影響。預計到2025年，全球集成電路市場規(guī)模將達到4750億美元，2020-2025年CAGR為6．02%。我國集成電路行業(yè)起步較晚，但發(fā)展迅速。根據(jù)中國半導體行業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)，2013年中國集成電路銷售收入為2508億元，2019年達到7562億元，年均復合增速達到20．2%，在5G和新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶動下，如汽車電子行業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)的推動下，中國集成電路行業(yè)市場規(guī)模將不斷擴大，預計到2025年，我國集成電路市場規(guī)模將達到18932億元，2020-2025年CAGR為16．22%。按曝光波長分，全球ArF/EUV光刻膠占比超50%，為國際主流。半導體光刻膠按照曝光波長不同可分為g線（436nm）、i線（365nm）、KrF（248nm）、ArF（193nm）以及新興起的EUV光刻膠5大類，高端光刻膠指KrF、ArF和EUV光刻膠，等級越往上其極限分辨率越高，同一面積的硅晶圓布線密度越大，性能越好。根據(jù)TECHCET數(shù)據(jù)，從市場分布看，2021年ArFi+ArF光刻膠占全球光刻膠市場規(guī)模的比例為48．1%，KrF占比34．7%，G/I線占14．7%。ArF（包括ArFi）光刻膠已是集成電路制造需求金額最大的光刻膠產(chǎn)品，隨著集成電路產(chǎn)業(yè)超先進制程持續(xù)發(fā)展，ArF光刻膠持續(xù)迎來廣闊市場機遇。隨著全球半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，制造工藝技術(shù)節(jié)點的不斷縮小，KrF和ArF光刻膠市場需求量更大，增速更快，是推動當下光刻膠市場快速增長的主要因素。從市場規(guī)模增速來看，EUV光刻膠發(fā)展最快，但處于發(fā)展初期體量較小，2021年僅約0．51億美元，預計到2025年達到1．97億美元，2020-2025CAGR達48．8%；增速第二快的是KrF光刻膠，其2021年全球市場規(guī)模為6．9億美元，預計到2025年達到9．07億美元，2020-2025年CAGR為8．2%。ArF光刻膠（ArF+ArFi）2021年全球市場規(guī)模為9．55億美元，預計到2025達到10．72億美元，2020-2025CAGR為3．5%；較為低端的g/i線光刻膠預計市場規(guī)模變化不大，占比縮小。從應用產(chǎn)品看，2021年邏輯占比超63．5%，是第一大應用領(lǐng)域。非易失性存儲器（NVM）是一種計算機即使關(guān)閉電源也能夠保存已保存數(shù)據(jù)的存儲器，增速最快。根據(jù)TECHCET數(shù)據(jù)，2021年邏輯用光刻膠需求超過595萬升，占比超過63．5%，到2025年需求量提升到約677萬升，2021-2025年CAGR為3．3%，由于NVM對光刻膠需求的快速提升（2021-2025CAGR12．8%），預計2025年邏輯占比略降低到59．5%，NVM占比提升到26．4%。對非易失性存儲器（NVM）的需求是主要由于移動設(shè)備所需要的存儲容量大幅提升，尤其是相機、智能手機和平板電腦。光刻膠發(fā)展迎來國產(chǎn)化機遇期客戶壁壘極高，客戶導入新供應商意愿不高，過程繁瑣，耗時長。企業(yè)在研發(fā)成功后需要不斷進行送樣、問題反饋和技術(shù)改進等循環(huán)過程，此過程多達50次以上，完成整個客戶導入過程也因此需要2-3年時間。光刻膠廠商購買原材料后通過調(diào)配進行光刻驗證，得到大致實驗結(jié)果后再進行微調(diào)，不斷重復實驗過程以達到客戶要求的性能數(shù)據(jù)，并適配客戶的產(chǎn)線，也因此光刻膠企業(yè)與客戶產(chǎn)生的粘性較高，客戶不愿意花費時間導入其它供應商。而為了加速驗證過程及擁有自我驗證能力，部分光刻膠企業(yè)選擇自購光刻機。光刻機購置成本極高，并且開機成本幾乎與購置成本相同，由于光刻機本身無法對光刻膠企業(yè)帶來任何利潤，由此帶來的資金成本投入也是極高的。全球百億美金市場，顯示+PCB+IC三大應用推動發(fā)展全球市場持續(xù)擴容，2023年有望突破百億美金。光刻膠作為制造關(guān)鍵原材料，隨著未來汽車、人工智能、國防等領(lǐng)域的快速發(fā)展，全球光刻膠市場規(guī)模將有望持續(xù)增長。根據(jù)Reportlinker數(shù)據(jù)，全球光刻膠市場預計2019-2026年復合年增長率有望達到6．3%，至2023年突破100億美金，到2026年超過120億美元。大陸市場增速高于全球，2022年有望超過百億人民幣。疊加產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移因素，中國光刻膠市場的增長速度超過了全球平均水平。根據(jù)相關(guān)研究機構(gòu)數(shù)據(jù)，2021年中國光刻膠市場達93．3億元，16-21年CAGR為11．9%，21年同比增長11．7%，高于同期全球光刻膠增速5．75%。隨著未來PCB、LCD和半導體產(chǎn)業(yè)持續(xù)向中國轉(zhuǎn)移，中國光刻膠市場有望不斷擴大，占全球光刻膠市場比例也將持續(xù)提升，預計到2026年占比有望從2019年的15%左右提升到19．3%。顯示、PCB、IC是三大應用領(lǐng)域，合計占比超70%。根據(jù)應用領(lǐng)域的不同，光刻膠可分為印刷電路板（PCB）用光刻膠、液晶顯示（LCD）用光刻膠、半導體用光刻膠和其他用途光刻膠。根據(jù)Reportlinker數(shù)據(jù)，2019年P(guān)CB、半導體和平板顯示光刻膠占比分別為27．8%、21．9%、23．0%，為前三大應用領(lǐng)域。按顯影過程中曝光區(qū)域的去除或保留分，分成正性光刻膠（正膠）和負性光刻膠（負膠），正負膠各有優(yōu)勢，但正膠分辨率更高，是主流光刻膠。1）正性光刻膠：正性光刻膠在紫外線等曝光源的照射下，將圖形轉(zhuǎn)移至光膠涂層上，受光照射后感光部分將發(fā)生分解反應，可溶于顯影液，未感光部分不溶于顯影液，仍然保留在襯底上，將與掩膜上相同的圖形復制到襯底上。正性光刻膠響應波長為330～430納米，膠膜厚為1～3微米，正性光刻膠的分辨率更高，無溶脹現(xiàn)象。因此，正性光刻膠的應用比負性光刻膠更為普及。2）負性光刻膠：負性光刻膠在紫外線等曝光源的照射下，將圖形轉(zhuǎn)移至光膠涂層上，在顯影溶液的作用下，負性光刻膠曝光部分產(chǎn)生交聯(lián)反應而不溶于顯影液；未曝光部分溶于顯影液，將與掩膜上相反的圖形復制到襯底上。負性光刻膠響應波長為330～430納米，膠膜厚0．3～1微米，負性光刻膠的分辨率比正性光刻膠低。負膠占總體光刻膠比重較小，多用于特殊工藝。由于負膠耐熱性強，多應用于高壓功率器件、高耗能器件等，此外也常用于一些特殊工藝，因為負膠難以去除的特性，在芯片最后的封裝階段可以使用負膠，能起到絕緣、保護芯片的作用?？偟膩碚f，正膠有以下主要優(yōu)點：①高分辨率，高對比度；②使用暗場掩模減少了曝光圖形的缺陷率，因為掩模大部分區(qū)域都是不透光的。③使用水溶性顯影液；④去膠容易。因此，正膠普及率大于負膠。光刻膠：光刻工藝所需核心材料，助力制程持續(xù)升級光刻膠百年發(fā)展史，是光刻工藝所需關(guān)鍵材料。光刻膠被應用于印刷工業(yè)已經(jīng)超過一個世紀。到20世紀20年代，開始被用于PCB領(lǐng)域，到20世紀50年代，開始被用于生產(chǎn)晶圓。20世紀50年代末，eastmankodak（伊士曼柯達公司）和Shipley（已被陶氏收購）分別設(shè)計出適合半導體工業(yè)所需的正膠和負膠。光刻膠用于光刻工藝，幫助將設(shè)計好的電路圖形由掩膜版轉(zhuǎn)移至硅片，從而實現(xiàn)特定的功能。光刻膠的質(zhì)量和性能直接影響制造產(chǎn)線良率。以集成電路為例，光刻工藝步驟和光刻膠的使用場景：1）氣體硅片表面預處理：在光刻前，硅片會經(jīng)歷一次濕法清洗和去離子水沖洗，目的是去除沾污物。在清洗完畢后，硅片表面需要經(jīng)過疏水化處理，用來增強硅片表面同光刻膠（通常是疏水性的）的黏附性。2）旋涂光刻膠，抗反射層：在氣體預處理后，光刻膠需要被涂敷在硅片表面。涂敷的方法是最廣泛使用的旋轉(zhuǎn)涂膠方法，光刻膠（大約幾毫升）先被管路輸送到硅片，然后硅片會被旋轉(zhuǎn)起來，并且逐漸加速，直到穩(wěn)定在一定的轉(zhuǎn)速上（轉(zhuǎn)速高低決定了膠的厚度，厚度反比于轉(zhuǎn)速的平方根）。3）曝光前烘焙：當光刻膠被旋涂在硅片表面后，必須經(jīng)過烘焙。烘焙的目的在于將幾乎所有的溶劑驅(qū)趕走。這種烘焙由于在曝光前進行叫做曝光前烘焙，簡稱前烘，又叫軟烘（softbake）。前烘改善光刻膠的黏附性，提高光刻膠的均勻性，以及在刻蝕過程中的線寬均勻性控制。4）對準和曝光：在投影式曝光方式中，掩膜版被移動到硅片上預先定義的大致位臵，或者相對硅片已有圖形的恰當位臵，然后由鏡頭將其圖形通過光刻轉(zhuǎn)移到硅片上。對接近式或者接觸式曝光，掩膜版上的圖形將由紫外光源直接曝光到硅片上。5）曝光后烘焙：曝光完成后，光刻膠需要經(jīng)過又一次烘焙。后烘的目的在于通過加熱的方式，使光化學反應得以充分完成。曝光過程中產(chǎn)生的光敏感成分會在加熱的作用下發(fā)生擴散，并且同光刻膠產(chǎn)生化學反應，將原先幾乎不溶解于顯影液體的光刻膠材料改變成溶解于顯影液的材料，在光刻膠薄膜中形成溶解于和不溶解于顯影液的圖形。由于這些圖形同掩膜版上的圖形一致，但是沒有被顯示出來，又叫潛像（latentimage）。6）顯影：由于光化學反應后的光刻膠呈酸性，顯影液采用強堿溶液。一般使用體積比為2．38%的四甲基氫氧化銨水溶液。光刻膠薄膜經(jīng)過顯影過程后，曝過光的區(qū)域被顯影液洗去，掩膜版的圖形便在硅片上的光刻膠薄膜上以有無光刻膠的凹凸形狀顯示出來。7）堅膜烘焙：在顯影后，由于硅片接觸到水分，光刻膠會吸收一些水分，這對后續(xù)的工藝，如濕發(fā)刻蝕不利。于是需要通過堅膜烘焙（hardbake）來將過多的水分驅(qū)逐出光刻膠。由于現(xiàn)在刻蝕大多采用等離子體刻蝕，又稱為干刻，堅膜烘焙在很多工藝當中已被省去。8）測量：在曝光完成后，需要對光刻所形成的關(guān)鍵尺寸以及套刻精度進行測量。關(guān)鍵尺寸的測量通常使用掃描電子顯微鏡，而套刻精度的測量由光學顯微鏡和電荷耦合陣列成像探測器承擔。制程升級是確定發(fā)展方向，光刻設(shè)備和光刻膠是核心因素。隨著高集成度、超高速、超高頻集成電路及元器件的開發(fā)，集成電路與元器件特征尺寸呈現(xiàn)出越來越精細的趨勢，加工尺寸達到百納米直至納米級，光刻設(shè)備和光刻膠產(chǎn)品也為滿足超微細電子線路圖形的加工應用而推陳出新。光刻膠的分辨率直接決定了特征尺寸的大小，通常而言，曝光波長越短，分辨率越高，因此為適應集成電路線寬不斷縮小的要求，光刻膠的曝光波長由紫外寬譜向ｇ線（436nm）→ｉ線（365nm）→KrF（248nm）→ArF（193nm）→F2（157nm）的方向轉(zhuǎn)移，并通過分辨率增強技術(shù)不斷提升光刻膠的分辨率水平。國內(nèi)光刻膠進口替代趨勢明顯國內(nèi)光刻膠進口替代趨勢明顯。隨著電子信息產(chǎn)業(yè)向中國轉(zhuǎn)移，美國對中國科技技術(shù)的打壓和配套產(chǎn)業(yè)鏈的完善，進口替代是趨勢所向，其中大部分中低端產(chǎn)品已經(jīng)實現(xiàn)進口替代，部分國內(nèi)企業(yè)已在光刻膠等高端產(chǎn)品進口替代取得突破。下游需求推動國內(nèi)光刻膠市場規(guī)模持續(xù)加大。國內(nèi)光刻膠市場規(guī)模自2015年以來增速加快，2019年國內(nèi)光刻膠市場規(guī)模達159億元，增速15．22%。隨著下游需求發(fā)展，帶動光刻膠行業(yè)快速發(fā)展，光刻膠市場規(guī)模逐步擴大。從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)來看，中國本土光刻膠以PCB用光刻膠為主，平板顯示、半導體用光刻膠供應量占比極低。中國是PCB光刻膠主要生產(chǎn)國。1990年以前，全球PCB市場由歐美主導，自20世紀90年代中期開始，PCB產(chǎn)業(yè)開始轉(zhuǎn)移，2002年外資PCB光刻膠企業(yè)陸續(xù)在華建廠，至2017年，我國PCB產(chǎn)值占全球50．8%，PCB光刻膠產(chǎn)值占全球超70%。PCB光刻膠市場規(guī)模趨緩，高端市場仍依賴進口。PCB光刻膠技術(shù)壁壘較半導體光刻膠和面板光刻膠較低，率先實現(xiàn)，而干膜光刻膠產(chǎn)品高度依賴進口。2019年國內(nèi)PCB光刻膠市場規(guī)模為82億元，增速3．8%。從企業(yè)類型來看，2020年我國PCB光刻膠國產(chǎn)企業(yè)占比達61%。光刻膠占半導體晶圓制造材料價值的5%，光刻膠輔助材料占7%，合計占12%。光刻膠及輔助材料是僅次于硅片、電子特種氣體和光掩模的第四大半導體材料。全球半導體光刻膠市場規(guī)模在2021年的時候約為19億美元，預計到2025年超過24億美元，年化增長率為6%以上。其中，我國作為未來全球半導體產(chǎn)能增長的主力軍，預計到2025年，我國半導體光刻膠市場規(guī)模最少也是40億。另外，半導體光刻膠是配方型產(chǎn)品，技術(shù)壁壘極高，供應市場集中度高，頭部企業(yè)基本為日本企業(yè)，國內(nèi)半導體光刻膠企業(yè)份額僅占約5%，嚴重依賴進口。由于當年日本福島地震事件，信越化學光刻膠工廠至今尚未完全恢復生產(chǎn)，產(chǎn)能一直無法滿足市場需求。龐大的市場需求缺口提升了我國半導體光刻膠的進度，疊加第三次半導體產(chǎn)業(yè)向中國遷移以及國家大基金二期的逐步落地，半導體產(chǎn)業(yè)國產(chǎn)化趨勢明顯。近年來，在政策大力助推下，半導體的也不斷顯現(xiàn)成效。以半導體設(shè)備為例，根據(jù)SEMI數(shù)據(jù)，2021年全