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结构及成分
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
在大规模集成电路的制造过程中,光刻和刻蚀技术是精细线路图形加工中最重要的工艺,决定着芯片的最小特征尺寸,占芯片制造时间的40-50%,占制造成本的30%。在图形转移过程中,一般要对硅片进行十多次光刻,光刻胶需经预烘、涂胶、前烘、对准、曝光、后烘、显影和蚀刻等环节,将掩膜版上的图形转移到硅片上,形成与掩膜版对应的几何图形
光刻胶主要由溶剂、光引发剂、成膜树脂、添加剂组成,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。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
其中溶剂是光刻胶中容量最大的成分,光引发剂和添加剂都是固态物质,为了方便均匀涂覆在器件表面,要将它们加入溶剂进行溶解,形成液态物质,且使之具有良好的流动性。全球市场布局的企业有陶氏化学、壳牌化学品公司、利安德巴塞尔工业、伊士曼化工等,国内企业有百川股份、瑞佳化学、怡达化学、华伦、德纳国际等
光引发剂,又称光敏剂或光固化剂,系光刻胶材料中的光敏成分,在吸收一定波长的紫外光或可见光能量后,可分解为自由基或阳离子并可引发单体发生化学交联反应。布局的主要企业有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
树脂是一种惰性的聚合物基质,是用来将其他材料聚合在一起的粘结剂,主要决定曝光后光刻胶的基本性能。生产厂商主要分为两类:一类是自产树脂的光刻胶厂商,如信越化学、杜邦,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
添加剂方面单体对光引发剂的光化学反应有调节作用,助剂是根据不同用途添加的颜料、分散剂等,用来调节光刻胶整体的性能。布局单体的国外企业有陶氏化学、巴斯夫、道达尔等,国内企业有微芯新材、徐州博康、万润股份等
光刻胶分类
1. 按化学反应机理分类
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. 按应用领域分类
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。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%
PCB是指印制线路板,是电子产品基本组成部分之一,被誉为“电子产品之母”。PCB光刻胶主要包括干膜光刻胶、湿膜光刻胶、光成像阻焊油墨等,是PCB产业重要的上游材料
显示面板光刻胶可分为TFT正性光刻胶、触控用光刻胶、彩色光刻胶和黑色光刻胶等。TFT正性光刻胶主要用于制作薄膜晶体管阵列用。在LCD显示器加工过程中,彩色滤光片是液晶显示器实现彩色显示的关键器件,而彩色滤光片的制造是用彩色光刻胶和黑色光刻胶在基板上的附着加工制造而成,光刻胶质量的好坏直接影响彩色滤光片的显色性能,是LCD制造业的关键上游材料
半导体光刻胶主要使用g线光刻胶、i线光刻胶、KrF光刻胶、ArF光刻胶及EUV光刻胶。在大规模集成电路的制造过程中,一般要对硅片进行超过十次光刻。在每次的光刻和刻蚀工艺中,光刻胶都要通过预烘、涂胶、前烘、对准、曝光、后烘、显影和蚀刻等环节 ,将光罩(掩膜版)上的图形转移到硅片上
光刻胶市场
2021年全球半导体光刻胶市场约为24.71亿美元,同比增速为19.49%,中国半导体光刻胶市场规模达31.81亿元,同比增长16.09%
全球半导体光刻胶市场ArFi占比最大(38%),其次为KrF(34%)、G/I线(16%)、ArF(10%),EUV占比最小(1%)
我国光刻胶行业起步较晚,自给率较低,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%,而TFT-LCD、半导体光刻胶等高端产品仍需大量进口
目前日美厂商占据全球光刻胶市场绝大份额,国内半导体光刻胶进口比例高达九成。日本JSR等五家龙头企业占据全球光刻胶市场80%的份额,呈寡头垄断格局,其中东京应化占据全球光刻胶市场27%的份额,JSR占比13%,杜邦占比17%。从细分市场来看,日本厂商几乎垄断先进制程市场,占据全球64%以上的g/i线光刻胶市场、83%以上的ArF光刻胶市场、74%以上的KrF光刻胶市场
高端光刻胶生产的大量专利掌握在海外龙头企业中,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。
先进制程半导体光刻胶方面,目前适用于6英寸硅片的g线、i线光刻胶国内自给率约为10%,适用于8英寸硅片的KrF光刻胶国内自给率不足5%,适用于12寸硅片的ArF光刻胶国内基本依靠进口。EUV胶方面,北京科华已通过02专项验收;ArF胶方面,上海新阳、徐州博康正处于客户测试阶段,南大光电已获部分客户认证;KrF胶方面,北京科华、上海新阳、徐州博康、晶瑞电材均具备量产能力
产能建设
国内光刻胶新建项目也持续建设中
彤程新材6000吨/年显示面板光刻胶已于2022年1月投产,11000吨/年半导体、平板显示用光刻胶预计2022下半年完成建设并投产
雅克科技国内产能也处于规划建设阶段,预计2023年投产,届时国内光刻胶产能将达1.97万吨/年
南大光电建成了ArF光刻胶产品(包括干式和浸没式)的质量控制平台、年产25吨的生产线,研发的ArF光刻胶产品分别通过一家存储芯片制造企业和一家逻辑芯片制造企业客户认证
华懋科技参股子公司徐州博康1100吨/年光刻胶材料也于2022年中投产,同时还与徐州博康、东阳金投于2021年共同成立东阳华芯,拟建设年产8000吨中高端半导体光刻材料,预计2023年达产
强力新材2021年PCB光刻胶树脂产能6600吨/年;光刻胶树脂设计产能5万吨/年;PCB光刻胶引发剂设计产能2100吨/年,产能利用率59.25%,在建产能1000吨/年;面板光刻胶光引发剂设计产能180吨/年,产能利用率54.50%,在建产能23吨/年
光刻胶溶剂单体方面,万润股份光刻胶单体已有相关产品实现正常供应;徐州博康已开发全球在用的KrF及ArF光刻胶单体种类的80%左右;瑞联新材半导体光刻胶单体已经研发出多个产品,部分产品已经规模化销售,部分在做验证
溶剂方面,目前国内有5家主要生产厂商,江苏德纳拥有12万吨/年产能,江苏三木拥有20万吨/年产能,江苏华伦拥有5万吨/年产能,百川股份醋酸酯类设计产能30万吨/年,江苏怡达丙二醇醚及其酯类产品、乙二醇醚及其酯类产品、及其酯类产品、制动液设计产能23万吨/年,
半导体光刻胶光引发剂,强力新材设计产能:80吨/年,产能利用率36.75%;久日新材产量1.37万吨,在建600吨/年