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半導體掩膜版行業分析:光刻藍本,國産蓄力

作者:電子技術應用ChinaAET
半導體掩膜版行業分析:光刻藍本,國産蓄力

一、 掩膜版:光刻過程的核心耗材

1.1 掩膜版基本介紹:微電子制造過程中的圖形轉移母版掩膜版(Photomask)又稱光罩、光掩膜、光刻掩膜版等,是微電子制造過程中的圖形轉移工具或母版,是圖形設計和工 藝技術等知識産權資訊的載體。在光刻過程中,掩膜版是設計圖形的載體。通過光刻,将掩膜版上的設計圖形轉移到光刻 膠上,再經過刻蝕,将圖形刻到襯底上,進而實作圖形到矽片的轉移,功能類似于傳統照相機的“底片”。以薄膜半導體液晶顯示器(TFT-LCD)制造為例,利用掩膜版的曝光掩蔽作用,将設計好的薄膜半導體(TFT)陣列和彩 色濾光片圖形按照薄膜半導體的膜層結構順序,依次曝光轉移至玻璃基闆,最終形成多個膜層所疊加的顯示器件;以晶圓 制造為例,其制造過程需要經過多次曝光工藝,利用掩膜版的曝光掩蔽作用,在半導體晶圓表面形成栅極、源漏極、摻雜 視窗、電極接觸孔等。相比較而言,半導體掩膜版在最小線寬、CD 精度、位置精度等重要參數方面,均顯著高于平闆顯示、 PCB 等領域掩膜版産品。掩膜版是光刻過程中的重要部件,其性能的好壞對光刻有着重要影響。根據基闆材質的不同,掩膜版主要可分為石英掩膜 版、蘇打掩膜版和其他(包含凸版、菲林等)。

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1.2 掩膜版結構:掩膜基闆+遮光膜掩膜版通常由基闆和遮光膜組成,其中最重要的原材料是掩膜基闆。基闆襯底在透光性及穩定性等方面性能要求較高, 須做到表面平整,無夾砂、氣泡等微小缺陷。由于石英玻璃的化學性能穩定、光學透過率高、熱膨脹系數低,近年來已成 為制備掩膜版的主流原材料,被廣泛應用于超大規模內建電路掩膜版制作。目前,石英掩膜版和蘇打掩膜版是最常見的兩 種主流産品,均屬于玻璃基闆。遮光膜分為硬質遮光膜和乳膠遮光膜,其中乳膠遮光膜主要用于 PCB、觸控等場景;硬質遮光膜材料主要包括鉻、矽、 矽 化钼、氧化鐵等,在各類硬質遮光膜中,由于鉻材料機械強度高、可形成細微圖形,是以鉻膜成為硬質遮光膜的主流。掩膜版成本構成以直接材料和制造費用為主,分别占比 67%和 29%。其中直接材料主要包括掩膜版基闆、遮光膜及其他輔 助材料等,掩膜版基闆占直接材料的比重超過 90%。1.3 光刻技術是掩膜版制造的重要環節掩膜版制造技術複雜,加工工藝流程主要包括 CAM 圖檔處理、光阻塗布、雷射光刻、顯影、蝕刻、脫膜、清洗、宏觀檢查、 自動光學檢查、精度測量、缺陷處理、貼光學膜等環節,其中光刻技術是掩膜版制造的重要環節。光刻需要先對掩膜基闆 塗膠(通常是正性光刻膠),後通過光刻機對表面進行曝光,通常以 130nm 為分界,130nm 以上的光刻裝置采用雷射直寫 裝置,但随着掩膜版的線寬線距越來越小,曝光過程中就會出現嚴重的衍射現象,導緻曝光圖形邊緣分辨率較低,圖形失 真,是以 130nm 及以下通常需采用電子束光刻完成。關鍵參數量測及檢測環節對掩膜版的品質及良率至關重要,其中需對掩膜版關鍵尺寸(CD,Critical Dimension)、套刻精 度(Overlay)等關鍵參數進行測量,同時需使用自動光學檢測裝置(AOI,Automatic Optical Inspection)檢測掩膜版制造 過程産生的缺陷,如産品表面缺陷(Defect)、線條斷線(Open)、線條短接(Short)、白凸(Intrusion)、圖形缺失等以及 通過雷射等對掩膜版生産過程中的缺陷及微粒進行修複。二、半導體掩膜版:海外三方廠商集中,國産替代進行時2.1 半導體重要耗材,海外廠商占據主要市場佔有率全球半導體材料市場規模近年來穩步增長,受需求提升疊加晶圓産能轉移帶動,大陸半導體材料市場規模加速提升:從 2019 年的 87 億美元增長至 2021 年的 119 億美元,年複合增長率為 16.95%,增速遠超海外市場。從細分領域看,半導體 掩膜版占比約 12%,與電子特氣占比相當。

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根據與下遊晶圓廠商是否形成配套,目前半導體掩膜版生産商主要分為晶圓廠自建(In-house)及獨立第三方兩大類。具 體來看,28nm 及以下先進制程由于制造技術複雜以及工藝機密等問題,晶圓廠所需掩膜版主要依賴内部工廠生産,如英特 爾、三星、台積電、中芯國際等公司;對于成熟制程而言,出于降本考慮,在滿足技術要求下,晶圓廠更傾向于向獨立第 三方采購。海外掩膜版生産商起步較早,技術積累相對深厚,目前仍占據全球三方掩膜版主要市場佔有率。三家龍頭企業日本 Toppan、 美國 Photronics、以及日本DNP 占全球市場佔有率比重合計超過80%。國内掩膜版廠商整體處于加速追趕階段,目前主要包 括中芯國際光罩廠、華潤迪思微(原華潤掩膜,華潤微電子子公司)、中微掩膜、龍圖光罩、清溢光電、路維光電、中國台 灣光罩等。其中,中芯國際光罩廠及華潤迪思微均為晶圓廠配套工廠,華潤迪思微部分掩膜版對外銷售。全球範圍來看,半導體掩膜版市場規模近年來穩步增長,2021年達49.9億美元,2023年預計可增長至53.9億美元,2020- 2023 年 CAGR 近 7%。分制程來看,2022 年130nm 以上成熟制程占據主要市場佔有率,出貨量占比約 54%,28-90nm 占比 約 33%,22nm 以下先進制程出貨量占比僅 13%。2.2 成熟制程産品為主,抗周期特性顯現目前來看,半導體三方掩膜版廠商産能主要集中在成熟制程領域,海外頭部掩膜版廠商大多已具備 EUV 掩膜版量産能力, 其中 Photronics 及 DNP 技術節點已達 5nm,Toppan半導體掩膜版技術節點達14nm,中國台灣光罩主要産能集中于65nm 以上制程,預計 2023 年 Q4實作 40nm 制程量産,2025 年實作 28nm 量産。國内掩膜版企業相對而且仍有較大發展空間, 目前基本均處于350-130nm 制程範圍内,其中龍圖光罩2022年掩膜版工藝節點提升至130nm,路維光電已實作250nm半 導體掩膜版量産,并掌握了 180/150nm 節點的核心制造技術。半導體掩膜版毛利率整體高于平闆顯示。在掩膜版精度方面,通常用 CD 精度來衡量掩膜版圖形特征尺寸與設計值的偏差, 表征掩膜版圖形特征尺寸均勻性。相對于平闆顯示、PCB 等領域掩膜版産品而言,半導體掩膜版在最小線寬、CD 精度、 位置精度等重要參數方面,均有顯著提升,是以通常定價水準更高,同時在半導體器件領域,下遊客戶對生産模具的價格 敏感性更低,是以半導體掩膜版毛利率水準一般更高。

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高階制程半導體掩膜版毛利率顯著提升。随着工藝技術創新步伐加快,晶片加速邁向先進制程,半導體掩膜版制程同步提 升,毛利率加速改善。以中國台灣光罩為例,2019 年半導體掩膜版低于 130nm 制程的産品銷售占比僅 6%,2021 年已提 升至 32%,對應整體毛利率由 2019 年的 30.9%大幅提升至 2021 年的47.6%。此外,路維光電及龍圖光罩等境内三方掩膜 版廠商近年來也受益于制程節點的逐漸突破及産品良率的改善,市場地位及定價能力有所提升,毛利率總體穩中有升,路 維光電半導體掩膜版毛利率由 2019 年的 36%提升至 2021 年的 51.3%,龍圖光罩由 2020 年的 54.4%提升至 2022 年的 57.7%。半導體掩膜版具有一定抗周期特性。從半導體掩膜版龍頭廠 photronics 及中國台灣光罩銷售表現來看,與下遊半導體銷售 相比,在半導體景氣下行周期内,掩膜版的營收增速下滑幅度相對較小,展現出一定的抗周期性;同時 photronics 掩膜版 業務在部分周期内表現出一定的領先性,較下遊半導體銷售率先達到景氣拐點。原因在于當半導體行業處于下行周期,晶 圓制造廠商的産能使用率下降,為了提升産能使用率,晶圓制造廠傾向于向中小晶片設計公司提供代工服務,是以半導體 産品類型得以增加,掩膜版需求量提升;另外,當下遊需求低迷時,晶片設計公司或有意願通過開發新産品打開市場,也 會帶來對掩膜版的增量需求。2.3 海外三方廠商:頭部企業起步較早,先進制程方向明确Photronics福尼克斯(Photronics)成立于 1969 年,是世界上領先的掩膜版制造商之一,也是北美第一大掩膜版制造廠商。公司于 1987 年在納斯達克上市,在北美、英國、德國、日本、中國台灣、南韓和新加坡都設有制造和銷售中心。福尼克斯目前在 全球範圍内擁有十一家工廠,産品均為石英掩膜版,主要用于半導體晶片和顯示面闆行業。福尼克斯作為獨立第三方掩膜版廠商,是目前少數幾家目前可以提供先進工藝所需掩膜版的廠商之一,其二進制 OPC掩膜版 已經可以支援到14nm 到28nm的工藝節點,而PSM相移技術的加入,進一步提高了圖形曝光分辨率,使其得以突破14nm, 可以提供 5nm 及之後節點的 EUV(Extreme Ultra-Violet,極紫外光刻)掩膜版。2022年福尼克斯實作營業收入 8.25億美元,同比增加24%;IC闆塊收入 5.93億美元,同比增加29%,其中28nm及以下 先進制程産品(高端産品)占比相對較低,仍以 28nm 以上制程産品為主。下遊客戶主要包括聯華電子、三星等,前五大 客戶收入合計占比超過 45%。ToppanToppan(凸版印刷株式會社)成立于1908年,2022年4月,Toppan與日本私募股權公司Integral Corporation成立Toppan photomask,獨立其半導體掩膜版業務,并強化半導體掩膜版和 FC-BGA 基闆的研發和銷售。在技術方面,Toppan同樣着 力于開發 EUV 光刻掩膜版,目前已具有量産能力。Toppan 在全球擁有 8 個生産基地,是世界上唯一一家在北美、歐洲、亞洲均設有生産基地的供應商。Toppan 上海工廠以 生産 66/55nm 制程掩膜版為主,2019 年起開始生産28/14nm 的先進制程掩膜版。Toppan 的競争優勢在于生産和銷售網絡 遍布全球,以應對地緣政治風險,客戶源較穩定。2022 财年,Toppan 電子事業部(包含半導體業務和顯示元器件業務)共實作營業收入 2553 億日元,同比增長20.6%,半 導體業務實作營收 1591 億日元,占比超 60%。展望 2025 年,公司中期計劃實作營業收入 2950 億日元,半導體業務占比 将進一步提升。DNPDNP(大日本印刷株式會社)成立于1876年,涉及以印刷技術為核心的多個業務領域,是世界上首次采用多電子光束繪制 裝置制造掩膜版的企業,掩膜版産品不僅可用于當下最先進的 EUV 光刻,還可用于 5nm 高端制程。此外 DNP 還通過與 IMEC(比利時微電子研究中心)合作,推進 3nm 及以下的更高制程産品的工藝研發。2022 年 11 月,DNP 宣布拟投資 200 億日元,在位于日本福岡縣北九州市的黑崎工廠新設産線,用于生産 OLED精細金屬 掩膜版。新産線計劃在 2024 年上半年投産。擴産後,DNP 将憑借在智能手機應用掩膜版市占率第一的優勢向平闆、筆記 本電腦方向擴大業務量。2022 财年 DNP 電子業務闆塊實作營收 2036 億日元,毛利率為 22%。在電子業務中,引線架構和半導體封裝元件銷售額 均有所下滑,隻有掩膜版業務增長強勁,帶動了電子闆塊銷售額實作同比增長。展望 2025 年,公司預計在電子業務闆塊實 現 2300 億日元的營業收入。

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2.4 半導體産能轉移,行業拐點将至,國内掩膜需求有望迎來增長全球晶圓産能正逐漸向大陸轉移,需求空間加速打開。2015-2021 年中國大陸生産的 12 寸晶圓産能在全球的占比從 9.7% 逐漸升至 16%,未來随着建立晶圓廠産能逐漸落地,掩膜版需求空間有望進一步打開。SEMI 預計中國大陸 2022 年-2026 年還将新增 25 座 12 英寸晶圓廠,總規劃月産能将超過 160 萬片;預計到 2026 年底,中國大陸 12 英寸晶圓廠的總月産能 将超過 276.3 萬片,全球占比也将自 2022 年的 22%提升至 2026 年的 25%。晶圓産能轉移有望進一步打開掩膜版需求空 間,國内掩膜版技術研發加速趨勢下,三方掩膜版廠商有望實作市場佔有率的快速提升。掩膜版進口受限。2022 年 10 月,美國商務部公布的修訂後的《出口管理條例》中,加大對于半導體裝置及零部件的供貨 限制,包含了對掩膜版的供應限制,将 250nm 及以下制程的掩膜版納入了限制清單,國内先進制程掩膜版進口或進一步受 阻,掩膜版行業的國産替代程序有望實作加速。半導體行業拐點有望加速顯現。半導體短周期與庫存情況和供需結構挂鈎,2021 年半導體行業供需錯配帶來缺芯漲價潮, 廠家紛紛加大晶片産能規模,2022 年下半年晶片供過于求,23Q1 半導體庫存高位,現階段行業整體仍處于去庫中,預期 2023 年下半年需求漸修複、庫存逐漸去化,2024 年上半年加速被動去庫至庫存出清,行業有望迎來供需結構改善、價格 上行、業績增加的拐點,預期 2024 年有望開啟新一輪半導體庫存周期。全球晶片晶圓産能持續擴大。SEMI 在報告中指出,從 2021 年到 2025 年,全球 200 毫米晶圓廠産能預計将增長 20%,全 球半導體制造商正在增加13條新生産線,将使晶圓産能達到每月超過700萬片的曆史新高,全球半導體制造商預計到2026 年将大幅增加 300mm 晶圓廠産能,有望達到 960 萬片/月。先進制程發展方向明确。半導體先進制程發展趨勢下,半導體掩膜版關鍵制程節點加速提升。大陸産業鍊布局相對較晚, 起步于封測環節,近年才進入高速發展期,封測仍是國内半導體行業的主要細分領域,半導體産品制程節點由 130 nm、 100 nm、90 nm、65 nm 等逐漸發展到 45 nm、28 nm、14 nm、7 nm 等,目前境内晶片主流先進制造技術為 28nm。以 中國台灣光罩為例,2021 年集中 65nm 以上制程半導體掩膜版市場,2022 年四季度起,40nm 産品進入研發認證階段,并 預計于 2023 年四季度實作量産。28nm 先進制程産品預計在 2024 年開始研發認證,2025 年進入量産。三、平闆顯示:技術疊代方向明确,面闆複蘇提振需求3.1 平闆顯示掩膜版頭部集中平闆顯示行業長期發展呈現像素高精度化、尺寸大型化、競争白熱化、轉移加速化、産品定制化等特點。受益于電視平均 尺寸增加,大屏手機、車載顯示和公共顯示等需求的拉動,根據 Omdia 預測,2025 年全球平闆顯示需求超過 300 百萬平 方米。平闆顯示掩膜版仍以國内市場為主,2022 年國内需求占比超50%;随着面闆需求穩步增長,國内市場佔有率将持續提升,預 計 2026 年将達到 57%左右。平闆顯示掩膜版廠商市場結構仍較為集中:2020 年,海外主要頭部企業 Photronics、SKE、 HOYA以及LG等市場占比合計近80%。此外,清溢光電及路維光電是國内主要的平闆顯示掩膜版廠商,合計占比約10%。

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3.2 大尺寸和高精度是平闆顯示掩膜版主要發展方向近年來,大尺寸的電視面闆産品加速進入市場,以 8.5 代線生産的 55 英寸和 85 英寸面闆和 10.5 代線生産的 65 英寸和 75 英寸面闆為代表,大尺寸電視面闆的需求自 2022 年第四季度開始出現大幅反彈,2023 年之後仍呈持續上升趨勢。2022年 8 月,液晶電視顯示面闆出貨的權重平均尺寸為46.8 英寸,2022 年 12 月平均尺寸上漲至 49 英寸,2023 年 3 月為49.5英 寸,并于 2023 年 5 月首次突破 50 英寸,達到了 50.2 英寸。面闆代數越高,面闆的玻璃基闆尺寸越大,使用率和效益就越高,8.5 代線可以采用 66 寸+32 寸電視套切,以實作更高的 切割效率;10.5 代線切割 65 寸、75 寸電視都可以達到 90%以上的切割效率。面闆尺寸的增大帶動其上遊材料掩膜版朝着 大尺寸化的方向發展,也會帶動大尺寸掩膜版的需求增長。随着平闆顯示技術的更新疊代,新的顯示技術要求掩膜版朝着更高精度方向發展,如應用于 Micro-LED(微型發光二極管)、 LTPO(低溫多晶氧化物)、QD-OLED(量子點面闆)等行業的掩膜版制造技術。高分辨率面闆需求提高掩膜版精度要求, 根據 IHS 預測,未來顯示屏的顯示精度将從 450PPI(Pixel Per Inch,每英寸像素)逐漸提高到 650PPI 以上,對平闆顯示 掩膜版的半導體層、光刻分辨率、最小過孔、CD 均勻性、套合精度、缺陷大小、潔淨度均提出了更高的技術要求。3.3 面闆景氣度加速複蘇,掩膜版需求有望提振全球顯示面闆行業在經曆了 2022 年全球經濟疲軟、疫情沖擊、供應過剩等因素影響價格全面下行後,23Q2 相關産品價格 和面闆廠産能使用率已有明顯上調趨勢,2023 下半年顯示面闆市場基本面或将迎來較大改善,新一輪上行周期将開啟。根據 Omdia 最新研究表示,受益于 LCD 電視、手提電腦、顯示器面闆和智能手機 LCD 面闆訂單向好,全球顯示面闆廠家 的總産能使用率從 2023 年第一季度的 66%回升至第二季度的 74%。出貨量方面也有同步改善。國内市場顯示出更為強勁的增長韌勁。根據 CODA,2022 年國内顯示行業産值近 5000 億元,在全球市場的占比超過38%, 投資結構方面也有了明顯改善,投資方向從 LCD 向更高技術含量的高性能 OLED、Micro LED 及部分上遊材料轉移,未來 國内面闆市場将向更高附加值的産品逐漸疊代,同時在全球的占比也将進一步提高。全球顯示面闆産能有較為明顯的向大陸轉移的趨勢。近年來國内面闆企業快速增加第六代柔性 OLED 産線,大陸 OLED市 場份額快速提升,根據 DSCC 資料,2023 年國内企業在全球柔性 OLED 産能中的占比有望超過 50%;在中國面闆廠商占 據主導地位的液晶顯示器(LCD)産能中,預計到 2027 年中國企業份額将提高至 70%以上;顯示面闆總産能中(包括 OLED 和 LCD),2023 年中國面闆企業占據 60%左右的市場佔有率,預計從 2024 年起将保持在 70%左右。四、投資分析4.1 路維光電公司成立于 1997 年,成立至今緻力于掩膜版研發、生産與銷售,産品主要用于平闆顯示、半導體、觸控和電路闆等行業。公司立足于平闆顯示掩膜版和半導體掩膜版兩大核心産品線,經過多年技術累積和創新,目前在顯示面闆産品領域已具有 G2.5-G11 全世代掩膜版生産能力,可以配套平闆顯示廠商所有世代産線。半導體産品領域,公司實作了 180nm 及以上制 程節點半導體掩膜版量産,并取得了 150nm 制程節點半導體掩膜版制造關鍵核心技術,同時積極開展 130nm 及以下制程 節點掩膜版産品的工藝技術開發,可以滿足國内先進半導體封裝和半導體器件等應用需求。随着終端應用空間打開,公司工藝技術水準提升,産品結構持續優化,近年來營收規模實作持續增長。2022 年公司營收達 6.4 億元,同比增長 29.7%。歸母淨利潤 1.2 億,同比增長 129%。公司銷售毛利率近年來逐漸提升,2023 年一季度毛利率 達 32.95%。

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4.2 清溢光電公司産品主要應用于平闆顯示、半導體晶片、觸控、電路闆等行業,既可以提供傳統的 TFT LCD 用掩膜版,也可以提供 LTPSLCD、AMOLED、Mini-LED 等平闆顯示用中高端掩膜版,尺寸上實作全世代覆寫,與京東方、華星光電、天馬、信 利等知名面闆企業均建立了長期穩定的供應關系;半導體掩膜版領域,公司與中芯甯波、長電科技、通富微電、晶方科技、 華天科技等國内諸多主流廠商開展緊密合作。通過自主研發,公司已儲備 150nm 制程節點半導體掩膜版制造技術,可以覆 蓋第三代半導體相關産品。2022 年,公司營收 7.62 億元,同比增長 40.12%;歸母淨利潤 0.99 億元,同比增長 122.4%。結構上來看,平闆顯示掩膜 版仍為公司主要掩膜産品方向,2022 年營收占比超 76%。

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