今天我们分析一下半导体产业中一项非常重要的原材料——光刻胶，这是半导体产业发展的基石。
我们都知道半导体产业半个多世纪以来一直按照摩尔定律在迭代发展，但是摩尔定律之所以能延续，跟光刻胶的进步离不开。
01简单介绍下光刻工艺
光刻胶是光刻工艺用到的主要材料，而光刻工艺是半导体制作过程中必不可少的一个环节。
首先将掩膜版上的电路设计图样使用特定波长的光投影到涂覆有光刻胶的硅片上，使其感光并发生化学性质及溶解性的转变。
再通过显影、刻蚀、去胶等步骤将原掩膜版上的图案信息转移到带有电介质或者金属层的硅片上。
整个芯片制造过程中可能需要数十次光刻，光刻工艺成本约为整个芯片制造工艺的 30%，耗时约占整个的 40%-50%。
光刻工艺的精密度决定了集成电路的关键尺寸，奠定了器件微缩的基础，精密度越高，得到的沟道长度就越短，实现的工作电压就越低。
摩尔定律每进行一次迭代，利用光刻工艺在集成电路板上所能形成的最小图案就能缩小 30%的尺寸。
影响光刻工艺精密度的因素有光源波长、数值孔径和工艺难度。因此缩短光源波长，提高数值孔径，降低工艺难度，就可以提高光刻工艺的精密度。
为了缩短光源波长，现在已经从紫外光向特定波长的光源发展，波长从最开始的汞灯 g 线和 i 线，发展到 248nm 的氟化氪（KrF）以及 193nm 的氟化氩（ArF）准分子激光。
在 ArF 光刻技术之后，又出现了 13.5nm 极紫外的 EUV 光刻技术，使得光刻工艺的精密度进一步提高。
除了光源波长外，数值孔径也在提高。传统的干法光刻工艺，光刻镜头和光刻胶之间的传播介质是空气，最大数值孔径为 1.0。
而在浸没式光刻工艺里，光刻镜头和光刻胶之间填充了水，光能够以更大角度在光刻胶中成像，也就等效于更大的数值孔径，由此进一步提高了光刻工艺的精度。
02光刻胶的发展变化
光刻用化学品伴随光刻工艺不断发展，产品现在有很多种，除了光刻胶外还包括抗反射层、溶剂、显影液、清洗液等。
但光刻胶作为整个半导体制造工艺中最关键的材料之一，价值量最高，成分复杂且精准，主要由成膜树脂、溶剂、感光剂、表面活性剂、匀染剂等部分组成。
光刻胶按照曝光后在显影液中的溶解情况，可分为正性光刻胶和负性光刻胶，正性光刻胶根据是否使用化学放大机制又可以分为化学放大型光刻胶和非化学放大型光刻胶。
光刻胶曝光之后要进行涂胶显影，被曝光区域变成可溶于显影剂的称为正性光刻胶，反之被曝光区域变成不溶于显影剂的则被称为负性光刻胶。
早期的光刻胶都是负性光刻胶，因为负性光刻胶化学稳定性较高，成像能力较好。
然而负性光刻胶有一个缺点，曝光区在显影过程中由于溶胀现象，导致光刻胶对衬底的附着力降低，也会使光刻胶曝光区的图案变形。
在微米级别的光刻工艺中，溶胀现象导致的图案变形可以通过挑选合适的显影液来控制，对于整体微观图案的尺寸影响程度不大。
但随着市场对光刻工艺分辨率要求越来越高，特征尺寸不断缩小，负性光刻胶溶胀问题越发凸显，导致其难以应用于分辨率低于 2 μm 的光刻工艺。
因此正性光刻胶的应用开始广泛，首先研发出非化学放大型光刻胶，主要用于 g 线和 i 线的光刻工艺中，不仅不具有溶胀性，很多方面的性能也优于负性光刻胶。
但随后 i 线光刻技术也已经不能满足需要，人们需要适用于更短波长的光刻胶。
最开始的 KrF 和 ArF 等深紫外光刻机曝光计量都比较低，需要极大地提高灵敏度，才能使最终曝光产生的图像对比度满足要求。
另外，当光线从光刻胶顶部向底部传播时会被吸收一部分，如果底部光线强度不够，再加上光刻胶灵敏度较低，容易形成梯形形貌，影响后续工艺正常进行，还会限制光刻工艺分辨率的进一步提升。
为了提高光刻胶灵敏度，人们想出了“化学放大”这个办法，也就是在里面加入光致产酸剂。
化学放大型光刻胶在光下能够产生一种催化剂，促使光化学反应迅速进行或引发链式反应，从而快速改变基质性质进而产生图像，这种光刻胶也被称为 DUV 光刻胶。
还有更高级的 EUV 光刻胶，这种也是化学放大型光刻胶，由于对分辨率拥有极高的要求，成分比之前更复杂，配比也越来越精细。
03光刻胶行业壁垒非常高
光刻胶属于一种化工类产品，生产光刻胶需要使用树脂、溶剂、感光剂、添加剂等原材料。
生产过程比较复杂，先要清洗反应容器，然后加入那些原材料，等各种物质充分溶解后，提取少量溶液进行分析，以保证成分符合用户要求。
而后对满足要求的溶液进行过滤、分装，不符合标准的溶液需要重新生产，对成分配比进行调整，如果始终不合格，则会进行降级或报废处理。
为了保证产品质量，光刻胶厂商除了需要买光刻机进行自主曝光测试外，还需要一大堆检测、分析仪器。
购买这些设备本身就需要大额资本开支，在后续使用过程中仪器设备的维护成本和技术操作人员的人工成本同样不便宜。
在产品配方初步确定后，光刻胶厂商需要与晶圆代工厂进行沟通，根据代工厂相应的产品和制程情况进行配方调整，并在自有的曝光平台上进行自主测试。
由于不同厂家，不同产线的曝光条件存在差异，还需要在代工厂商处进行送样曝光测试。
等曝光测试完成后，还要针对不同线宽条件下的曝光结果再次进行配方调整，以确保曝光图案质量的一致性。
之后还需要对曝光图案进行刻蚀，并对刻蚀后在基板上所形成的结构图案作进一步测试表征。
等所有的表征都符合要求后，光刻胶样品还需在实际生产线上进行数个月的产线测试，以确保光刻胶厂商产品供应的稳定性。
从初次送样到完成最终的产线测试，其间将历经数轮测试，整个测试周期一般需要 12-18 个月。
然而即使所有测试结果成功，也不意味着光刻胶厂商的产品成功进入了客户的供应链体系。
晶圆代工厂还需与其终端客户进行沟通确认，只有终端客户同意使用来自新供应商的原材料后，光刻胶厂商才能最终获得正式的订单。
在此之后，光刻胶厂商还要持续确保产品供应稳定和质量安全，并对晶圆代工厂的需求及时响应，以此来保证获取订单的长期稳定，同时力求避免由于光刻胶质量问题所导致对客户的大额赔偿。
04光刻胶行业竞争格局
目前全球光刻胶企业主要集中在日本与美国，特别是最尖端的 ArF 干法光刻胶、ArF 沉浸式光刻胶和 EUV 光刻胶，基本被日本和美国垄断。
我国在这些尖端光刻胶上虽然有一定的技术储备和产品验证，但基本都没有进入量产阶段，国产化替代还需要时间。
国家对集成电路“卡脖子”问题非常重视，这些年不断出台政策扶持，还成立了国家大基金，专门扶持集成电路产业。
国家大基金一期重点投资了晶圆代工、设计和封测等环节，现在看来效果很好，涌现了一大批半导体龙头公司，股价更是气势如虹。
大基金二期相比一期规模扩大了一倍，资金来源也更加多样化，除了财政部外，还有央企、地方国企和民企。这次投资方向主要集中在设备和材料，光刻胶产业因此受益。
另外，随着半导体需求发展，晶圆制造材料市场规模稳步发展。根据 SEMI 预测，2021 年全球晶圆制造材料市场规模升至 344 亿美元，2015-2021 年 CAGR 为 6.2%。
光刻胶属于半导体材料里非常重要的一项，2021 年半导体光刻胶及其配套试剂占比将达到 12.9%，仅次于硅片与电子特气位列第三，预计 2021 年全球半导体光刻胶市场规模将达到 19.8 亿美元。
国内光刻胶市场增速十分惊人，2021 年国内半导体光刻胶市场规模预计可达 32.3 亿元，同比增速高达 45%。
随着国内晶圆代工产能不断提升，2025 年国内光刻胶市场规模有望达到 100 亿元，2021-2025 年间半导体光刻胶的市场规模 CAGR 将达到 32.6%。
目前光刻胶的下游晶圆代工厂的全球产能主要集中在东亚地区，中国台湾、日本、韩国和中国大陆合计占比 73%。
其中 10nm 以下的先进制程被台湾的台积电和韩国的三星所垄断，中国大陆基本全是 28nm 以上的成熟制程。
不过，中国晶圆代工产能增速全球最快，预计 2019 至 2025 年间，复合增速将达到 14.3%，到 2030 年产能占比将达到全球第一。
由于芯片是由多层结构堆砌出来的，即使是先进制程的芯片，如果每一层都使用最先进的工艺、设备和材料，对于晶圆制造厂来说成本会非常高。
所以先进制程芯片里也有很多层结构是用前几代工艺做出来的，这使得 KrF 光刻胶、i 线光刻胶和 g 线光刻胶等中低端产品在先进制程里也有用武之地。
新冠疫情期间，由于全球部分工厂暂时停产导致半导体短缺，之后随着疫情平稳，半导体需求量大幅增加，导致整条产业链都在涨价。
由于国外光刻胶等关键原材料出现供应问题，国内的晶圆代工厂开始尝试寻找其他供应商，也加快了对原材料产品的验证速度。
这对于光刻胶厂商来说是一次重要机会，光刻胶门槛本身就高，要不是因为疫情，很多厂商的产品都难以导入。
将来即使疫情结束，公司产品已经导入了客户的供应链体系，如果不是有什么大问题，再想踢出去也很难。
更何况光刻胶行业不但需要大量资金搞研发，还需要大量资金用于购买设备，有源源不断的现金流很重要。
随着国内成熟制程产能快速提升，中低端半导体材料的市场需求也跟着提升，这也能为企业研发高端产品提供资金，开启业务发展的正循环，更有利于突破尖端技术壁垒。
05光刻胶产业链相关股票
根据前面提到的光刻胶几种原材料，产业链相关的上市公司大概有这些家。
我国光刻胶产业里也有一些竞争优势较为突出的公司，如彤程新材、晶瑞电材、南大光电、久日新材。
1.彤程新材
彤程新材传统主业为橡胶化学品，由于下游轮胎市场低迷导致 2021 年三季度业绩承压，但公司参股的子公司北京科华和北旭电子，其核心光刻胶产品有望实现技术突破并持续放量，增长迅猛。
公司目前已经实现 KrF 光刻胶量产，正在布局 ArF 高端光刻胶的研发，并与美国杜邦公司合作，为国内集成电路制造商提供高性能光刻材料。
在加大现有光刻胶产能的同时，公司还在上游树脂原料端布局了相关产能，完善产业链并提升公司盈利能力。
2.晶瑞电材
晶瑞电材同时布局了光刻胶和 G5 级湿电子化学品，随着 2022 年产能释放，公司业绩将大幅增长。
目前公司的 LCD 用彩色光刻胶已于 2019 年量产并供应多家面板厂家，i 线光刻胶已经向中芯国际、合肥长鑫、士兰微、扬杰科技等头部企业供货。
KrF 光刻胶已完成中试，建成中试示范线，目前正在客户的产线上进行产品测试。公司于 2021 年 12 月购得一台 KrF 光刻机，KrF 光刻胶量产线建设也在加速推进。
公司的 ArF 高端光刻胶研发工作已经正式启动，波长 193nm，旨在满足 90-28nm 芯片制程，所购置的 ASML1900 Gi 型光刻机正在积极调试中，预计将于 2021 年年底前调试完成。
该公司还扩充了电子半导体级 NMP 的产能，该产品主要用于半导体清洗液、锂电正极涂布溶剂、导电剂浆料等用途中。由于该产品扩产周期较长，下游需求持续提升，近期价格不断上行。
3.南大光电
南大光电是这里优势最突出的公司。目前已经形成了包括 MO 源在内的前驱体、电子特气、光刻胶及配套材料三大类半导体材料的业务布局。
公司率先打破了国外在 ArF 光刻胶领域的长期技术垄断，并获得了大基金二期的注资。
目前 ArF 光刻胶已经通过了一些客户的验证，并且建成了 ArF 光刻胶的产品质量控制平台和年产 25 吨的生产线。由于研发和产线建设进度均处于业内领先地位，公司有望率先实现国产高端 ArF 光刻胶量产。
公司的发家产品 MO 源是制备 LED、太阳能电池、相变存储器、半导体激光器、射频芯片等的核心原料。公司作为全球主要供应商之一，不仅实现了进口替代，还在海外有一定的市场份额。
前驱体业务方面，公司已掌握多种 ALD 和 CVD 前驱体材料的生产技术及规模化生产能力，已成功向国内外先进半导体企业实现供货。
另外，公司持续推动高 K 三甲基铝的研发与量产，相关产品已在下游客户中进行验证测试。2020 年下半年公司还购买了杜邦公司的相关专利技术，着手布局新型硅前驱体项目。
电子特气方面，公司通过收购飞源气体进军含氟特气领域。
目前拥有 3800 吨 NF3 和 3500 吨 SF6 产能，同时在乌兰察布规划了年产 7200 吨 NF3、500 吨 WF6 和 1000 吨 C2F6 与 CF4 联产的氟碳类特气生产基地。
公司在氢类电子特气方面还拥有约 100 吨/年产能，布局有磷烷、砷烷等产品。
伴随着电子特气产能放量，电子特气业务有望持续支持公司整体业绩成长，充盈现金流以进一步推动光刻胶等其他高端半导体材料的研发和导入进程，使公司业务发展进入良性循环。
4.久日新材
久日新材专注于光引发剂，是全国产量最大、品种最全的光引发剂生产供应商，2020 年产量占国内的 30%，连续两年被评为专精特新“小巨人”企业。
公司通过收购的方式，进一步向上游光引发剂原料和下游微电子光刻胶专用光敏剂等领域进行了相关延伸布局。
公司通过投资弘润化工将产业链延伸至光引发剂上游，加强对原材料的把控，降低采购成本。
下游方面，公司收购的年产 600 吨微电子光刻胶专用光敏剂项目已进入设备安装调试阶段，用于显示面板以及半导体 g 线和 i 线，而且大股东旗下子公司还可以生产光敏剂的原材料。
在光敏剂产业具备优势之后，公司进一步投资了微芯新材，主要从事 KrF 光刻胶树脂和单体的研发、生产和销售，为将来正式进军光刻胶做好铺垫。
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