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电子化工材料进口替代实质性突破系列专题报告

www.91jinshu.com   2020-01-21  东兴证券  刘宇卓
摘要 电子化工材料(Electronic Chemical Materials,简称ECM),指为集成电路和分立器件、电容、电池、印制线路板、液晶显示器等电子元器件的生产而使用的各种精细化学品,是电子材料和精细化学品结合的高新技术产品。电子化工材料处于电子信息产业链的前端,没有高质量的电
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电子化工材料(Electronic Chemical Materials,简称 ECM),指为集成电路和分立器件、电容、电池、印制线路板、液晶显示器等电子元器件的生产而使用的各种精细化学品,是电子材料和精细化学品结合的高新技术产品。电子化工材料处于电子信息产业链的前端,没有高质量的电子化工材料就不可能制造出高性能的电子元器件,在电子产业中的作用相当于生长激素

本期我们推荐东兴证券的研究报告《电子化工材料进口替代实质性突破系列专题报告》,详解电子特气和光刻胶两大电子化工材料的技术特点、行业现状和国产化趋势 。

本期内参来源:东兴证券

原标题:

《电子化工材料进口替代实质性突破系列专题报告》

作者:刘宇卓 罗四维

一、电子特气

电子特种气体(简称:电子特气)是特种气体的一个重要分支,是集成电路(IC)、显示面板(LCDOLED)、光伏能源、光纤光缆等电子工业生产中不可或缺的关键性原材料,广泛应用于薄膜、光刻、刻蚀、掺杂、气相沉积、扩散等工艺,其质量对电子元器件的性能有重要影响。

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电子特气是气体行业的重要分支

气体的产品种类丰富,电子元器件在其生产过程中对气体产品存在多样化需求。例如集成电路制造需经过硅片制造、氧化、光刻、气相沉积、蚀刻、离子注入等工艺环节,这个过程中需要的高纯特种气体和混合气体的种类超过 50 种,且每一种气体应用在特定的工艺步骤中。此外,在显示面板、LED、太阳能电池片等器件的制造中的不同工艺环节均会用到多种特种气体。

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电子气体在不同电子元器件制造工艺中的应用

电子特气在其生产过程中涉及合成、纯化、混合气配制、充装、分析检测、气瓶处理等多项工艺技术,下游客户对产品质量要求较高。尤其是极大规模集成电路、新型显示面板等精密化程度非常高的应用领域,对特种气体的纯化、杂质检测、储运技术都有着严格的要求。

气体纯度:特种气体要求超纯、超净。纯度每提升一个 以及粒子、金属杂质含量浓度每降低一个数量级都将带来工艺复杂度和难度的显著提升。例如,12 吋、90nm 制程的集成电路制造技术要求电子特气的纯度要在 5N~6N 以上,有害的气体杂质浓度需要控制在 ppb10-9);在更为先进的28nm 及目前国际一线的 6nm~10nm 集成电路制程工艺中,电子特气的纯度要求更高,杂质浓度要求甚至达到 ppt10-12)级别。

配比的精度(混合气):随着混合气中产品组分的增加、配制精度的上升,常要求气体供应商能够对多种 ppm10-6)乃至 ppb10-9)级浓度的气体组分进行精细操作,其配制过程的难度与复杂程度也显著增大。

气体储运:保证气体在存储、运输、使用过程中不会被二次污染,对气瓶内部、内壁表面的处理涉及多项工艺,均依赖于长期的行业探索和研发;此外,对于某些具有高毒性或危险性的气体,需要使用负压气瓶储运,以减少危险气体泄露风险。

气体分析检测:由于需要检测的杂质含量低至 ppb 级别,需要使用特殊的气相色谱、ICP-AESICP-MS 等非常规分析方法。

电子特气市场规模大。据卓创资讯统计,2017 年全球特种气体的市场规模达 241 亿美元,其中电子领域(包括集成电路、显示面板、光伏能源、光纤光缆等)的特种气体市场规模预计超过 100 亿美元;中国特种气体的市场规模约 178 亿元,其中电子领域的特种气体市场规模约 100 亿元。

半导体用电子特气行业增速高。在半导体领域,电子特气在半导体制造的材料成本中占比高达 13%,是仅次于硅片的第二大材料。仅从集成电路用电子气体来看,据中国产业信息网的数据,2018 年全球集成电路用电子气体的市场规模达到 45.12 亿美元,同比增长 16%,中国集成电路用电子特气的市场规模约 4.89 亿美元。

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2018 年全球半导体制造材料成本结构

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全球集成电路用电子气体市场规模

基于未来几年中国大陆地区半导体、显示面板等主要电子元器件的新增产能较多,以及电子化工材料的进口替代需求强烈,国内电子特气行业将迎来高速增长。

半导体、显示面板等电子产业链东移,中国电子产业市场规模急剧扩张。我国已成为全球最大的半导体生产国,且 2017~2020 年间中国大陆新建半导体晶圆厂数量占全球新增总数高达 42%;中国大陆液晶面板出货量已在 2019 年 季度跃居全球第一,全球占比超过 50%

海外垄断格局明显,国产替代迫在眉睫。目前全球电子特气市场被几家海外龙头企业垄断,国内电子特气的进口依存度超过 80%,在半导体、显示面板产业链国产化趋势下,上游原材料受制于人的 局面亟待改变。

由于技术壁垒高、制备难度大,目前全球电子特气市场被几家海外龙头企业垄断。主要公司有美国空气化工产品公司、法国液化空气集团、日本大阳日酸株式会社、美国普莱克斯公司、德国林德集团(2018年与美国普莱克斯公司合并)等,合计占据全球市场 94%的份额。中国的电子特气市场中,外资巨头也牢牢控制了 85%的市场份额,进口替代需求强烈。

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全球电子特气市场格局

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国内电子特气市场格局

进口替代的驱动因素主要为技术突破。国产工业气体的技术已经较为成熟,但达到电子级气体的产品仍然较少。部分国产产品已实现技术突破,部分产品已经达到半导体生产用电子气体的技术水平和工艺要求,比肩国际先进水平。

国内企业已有突破,部分电子特气产品已进入半导体产业链。相比海外公司较高的行业集中度,国内电子特气产能相对分散,细分领域公司数量较多。相对海外巨头每家公司都有众多电子特气产品类别批量进入半导体制造产业链,国内企业目前每家公司仅有个别电子特气产品打入本土半导体产业链,尚与海外公司有较大差距。

二、光刻胶

光刻胶是电子领域微细图形加工的关键性材料,在半导体、LCDPCB 等行业的生产中具有重要作用。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膜板转移到代加工基片上的图形转移介质,是光电信息产业的微细图形线路加工制作的关键性材料。

在微电子制造业精细加工从微米级、亚微米级、深亚微米级进入到纳米级水平的过程中,光刻胶起着举足轻重的作用。光刻胶自 1959 年被发明以来就成为半导体生产中最核心的工艺材料之一;随后光刻胶被改进运用到 PCB 板的制造工艺,成为 PCB 生产的重要材料;20 世纪 90 年代,光刻胶又被运用到平板显示的加工制造,对平板显示面板的大尺寸化、高精细化、彩色化起到了重要的推动作用。

按照下游应用,光刻胶可分为半导体用光刻胶、LCD 用光刻胶、PCB 用光刻胶等,其技术壁垒依次降低。相应地,PCB 光刻胶是目前国产替代进度最快的,LCD 光刻胶替代进度相对较快,半导体光刻胶目前国产技术较国外先进技术差距最大。

在半导体领域,光刻工艺的成本约为整个芯片制造工艺的30%,耗时约占整个芯片工艺的40%~50%,是芯片制造中最核心的工艺。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。光刻胶材料及其配套化学品约占 IC 制造材料总成本的 12%左右,是继硅片、电子气体的第三大 IC 制造材料。半导体用光刻胶的曝光波长由宽谱紫外向 g 线(436nm)→i 线(365nm)→KrF(248nm)→ArF(193nm)→EUV(13.5nm)的方向移动,波长越小,加工分辨率越佳。

在 LCD 领域,彩色光刻胶和黑色光刻胶是制备彩色滤光片的核心材料,占彩色滤光片成本的 27%左右。彩色滤光片是 TFT-LCD 实现彩色显示的关键器件,占 TFT-LCD 面板制造成本的 15%左右。

在 PCB 领域,光刻胶主要包括干膜光刻胶、湿膜光刻胶、光成像阻焊油墨,约占 PCB 制造成本的3%

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光刻胶的分类

光刻胶的组成成分主要为感光剂(光引发剂)、聚合剂(感光树脂)、溶剂与助剂构成。其中,光引发剂是光刻胶的最关键成分,对光刻胶的感光度、分辨率起着决定性作用。

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光刻胶的组成成分

光刻胶产品是电子化工材料中技术壁垒最高的材料之一,研发难度极大

纯度要求高、工艺复杂:由于光刻胶用于微米级甚至纳米级图形加工,光刻胶产品需要严格控制质量。光刻胶及其专用化学品的化学结构特殊,品质要求高,微粒子及金属离子含量极低,生产工艺复杂,其研发和生产具有较高的技术门槛。

配方技术:光刻胶的品种非常多,针对不同应用需求,通过调整光刻胶的配方,满足差异化的应用需求,是光刻胶制造商最核心的技术。

光刻机的配套需求:光刻胶需要有相应的光刻机与之配对调试,资金壁垒较高。目前全球光刻机核心技术处于垄断状态,只有荷兰 ASML 公司可制造 EUV 光刻机,售价超过 亿欧元;而技术水平稍低的 DUV 光刻机,售价为 2000~5000 万美元;目前国内只有一家企业可制造光刻机,且技术等级较低。

体量壁垒:光刻胶企业存在较高的资金壁垒,相对于国内厂商,国外光刻胶厂商的公司规模更大,具有资金和技术优势,供应产品齐全,光刻胶种类丰富,同时有着较为全面的配套化学品,方便下游客户采购和共同研发合作。

光刻胶全球市场规模近 90 亿美元,中国本土供应占比仅有 10%左右,发展空间巨大 。

随着电子信息产业发展的突飞猛进,光刻胶市场总需求不断提升。2019 年全球光刻胶市场规模预计近90 亿美元,自 2010 年至今 CAGR 约 5.4%,预计未来 年仍以年均 5%的速度增长,预计至 2022 年全球光刻胶市场规模将超过 100 亿美元。

中国光刻胶市场需求增速高于国际平均,但中国本土供应量在全球的占比仅有 10%左右,发展空间巨大。受益半导体、显示面板、PCB 产业东移的趋势,2019 年我国光刻胶市场本土供应量约 70 亿元,自 2011年至今 CAGR 达到 11%,远高于全球平均 5%的增速,但市场规模全球占比仅为 10%左右,发展空间巨大。2017 年我国光刻胶需求量为 万吨,产量为 7.6 万吨,供需缺口 0.4 万吨,其中中国本土的光刻胶产量仅有 4.4 万吨,仅占中国产量的 58%

全球市场中,半导体、LCDPCB 用光刻胶的供应结构较为均衡;但中国市场中,本土供应以 PCB 用光刻胶为主,LCD、半导体用光刻胶供应量占比极低。

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全球光刻胶市场规模

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▲中国光刻胶市场本土供应量

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▲中国光刻胶市场供需情况

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▲中国光刻胶需求对外依存度

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▲全球光刻胶市场结构

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▲中国本土企业光刻胶生产结构

半导体是光刻胶最重要的应用领域。光刻和刻蚀技术是半导体芯片在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。光刻工艺的成本约为整个芯片制造工艺的 30%,耗时约占整个芯片工艺的40%~50%,是芯片制造中最核心的工艺。光刻胶及其配套化学品在芯片制造材料成本中的占比高达 12%,是继硅片、电子气体的第三大 IC 制造材料。

半导体光刻胶是光刻胶中最高端的品种,技术难度最高。自 20 世纪 80 年代开始,根据所使用的光源不同,光刻技术经历了从紫外(UV线 436nm 和 线 365nm)到深紫外(DUV248nm 和 193nm)再到下一代的极紫外(EUV13.5nm)的发展过程。

光刻胶市场需求快速增长。随着半导体线路图形越来越小,光刻工艺对光刻胶的需求量也越来越大。据测算,2018 年全球半导体用光刻胶市场规模约 13 亿美元,预计未来 年年均增速约 8%~10%;中国半导体用光刻胶市场规模约 23 亿元人民币,预计未来 年年均增速约 10%

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全球半导体制造材料成本结构

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▲全球半导体光刻胶分地区市场份额

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▲全球半导体光刻胶市场规模

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▲中国半导体光刻胶市场规模

半导体光刻胶各品种中,目前 g 线和 i 线光刻胶的市场份额较大,ArF 光刻胶市场增速最快。

紫外光刻胶:线和 线光刻胶的使用量目前占据 24%的市场份额,但二者对应的半导体制程节点均为早期。未来汽车电子、物联网等产业的发展将一定程度增加 线、线光刻胶的需求。

深紫外光刻胶:KrFArF 光刻胶对应的制程节点较为先进,目前合计占有 63%的市场份额。随着精细化需求的增加,预计未来 KrF 光刻胶不断增长并逐渐替代 线光刻胶;随着 12 吋晶圆生产线的大批量兴建和多次曝光工艺的大量应用,预计未来 ArF 光刻胶将快速成长。

极紫外光刻胶:EUV 光刻胶的出现突破了 10nm 分辨率的瓶颈,但目前极紫外光刻胶实现产业化尚需时日,仅有少数几家大型海外公司拥有此项技术。

目前 KrF 和 ArF 光刻胶的核心技术基本被日本和美国企业垄断,合计市场份额高达 95%以上。日、美企业在高分辨率光刻胶领域的技术实力遥遥领先中国本土企业。东京应化、陶氏化学、合成橡胶、富士胶片、住友化学等国际一流企业均已实现 ArF 光刻胶的量产,且在 EUV 光刻胶有所布局。

我国半导体光刻胶市场中,本土企业市占率极低,技术差距较大。2017 年中国半导体光刻胶市场份额占全球的 32%,居世界首位,但适用于 吋硅片的 线/i 线光刻胶的自给率约为 20%,适用于 吋硅片的 KrF 光刻胶的自给率不足 5%,而适用于 12 吋硅片的 ArF 光刻胶完全依赖进口。

全球 LCD 光刻胶市场规模约 23 亿美元,未来增速约 4% 。 彩色滤光片用的光刻胶占 LCD 面板材料成本的 4%左右。彩色滤光片是 LCD 彩色显像的关键部件,其成本占整个彩色 LCD 面板制造成本的 15%左右,彩色滤光片的核心制造材料是光阻(彩色光刻胶和黑色光刻胶),合计占彩色滤光片材料成本的 27%左右,其中黑色光刻胶占比 6~8%、彩色光刻胶占比 20%左右。

LCD 面板领域需要的光刻胶品种还包括触摸屏用光刻胶、TFT 正性胶等,这些品种用量较小。

LCD 光刻胶全球市场规模约 23 亿美元,其中中国市场规模约 亿美元。根据智研咨询数据,2019 年全球 LCD 用光刻胶市场规模约 23 亿美元,过去 年平均增速在 4%左右,预计未来 年增速也在 4%左右。2019 年中国 LCD 面板产能占全球比重已达 40%左右,据此测算中国 LCD 光刻胶市场规模约 9亿美元。

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全球半导体光刻胶市场规模

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LCD 彩色滤光片成本结构

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%。彩色滤光片所需的高分子颜料和颜料的分散技术主要集中在 Ciba 等日本颜料厂商手中,因此彩色光刻胶和黑色光刻胶的核心技术基本被日本和韩国企业垄断。

国内企业积极进军布局。TFT 正性胶等较低端产品方面,国内企业技术较为成熟;彩色光刻胶方面,目前仅永太科技有较为成熟的产品,其他企业多处研发阶段。

全球 PCB 光刻胶市场规模约 20 亿美元,中国市场占比 50%以上 。PCB 光刻胶主要品种有干膜光刻胶、湿膜光刻胶(又称液态光致抗蚀剂、线路油墨)、光成像阻焊油墨等。湿膜性能优于干膜,未来湿膜光刻胶有望逐步替代干膜光刻胶。湿膜相比干膜具有高精度、低成本的优势,容易得到高分辨率,满足 PCB 高性能的要求。PCB 行业成本中,光刻胶及油墨的占比约 3~5%。

全球 PCB 光刻胶市场规模在 20 亿美元左右,中国市场规模占比达 50%以上。随着 PCB 光刻胶外企东移和内资企业的不断发展,中国已成为全球最大的 PCB 光刻胶生产基地。

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PCB 光刻胶分类

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PCB 成本结构

PCB 光刻胶全球市场行业集中度较高。干膜光刻胶方面,台湾长兴化学、日本旭化成、日本日立化成三家公司就占据了全球 80%以上的市场份额;光成像阻焊油墨方面,日本太阳油墨占据全球 60%左右的市场份额,前十家公司合计占据全球 80%以上的市场份额。

国内市场中,PCB 光刻胶的国产化渗透率较高,中国内资企业已在国内 PCB 市场中占据 50%以上的市场份额。

国产光刻胶进口替代速度:PCB>液晶面板>半导体 。进口替代的驱动因素主要为技术突破。国产光刻胶的技术与国际先进技术差距较大,但部分内资企业已实现了中端产品(如半导体用 g/i 线光刻胶、LCD 用光刻胶)的技术突破,产品已进入国产知名半导体、显示面板企业供应链。

从技术水平来看,PCB 光刻胶是目前国产替代进度最快的,国产化率已达 50%以上;面板光刻胶进度相对较快,国产化率在 10%左右;半导体光刻胶国内技术较海外先进技术差距较大,国产化率不足 5%

智东西认为,目前正处于国内第三次进口替代(电子信息产业的进口替代)的浪潮中,半导体、显示面板等电子产业链持续向中国转移,中国电子产业市场规模急剧扩张,我国已成为全球最大的半导体生产国家、液晶面板出货量最大的国家,且未来几年全球的半导体、显示面板新增产能主要集中在中国,中国电子元器件的国产化率将大幅提升。但与此同时,上游原材料受制于人的局面亟待改变,部分高端电子化工材料的供应仍以外资企业为主,国产替代需求迫切。而电子特种气体和光刻胶是上游材料中最重要的两种原材料,虽然有着很高的技术门槛,但我国在这两种材料上已取得了实质性进展。


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