2024半导体掩膜版行业国产替代与技术发展报告
1、掩膜版：半导体和平板显示制作的图形转移母板
1.1 掩膜版：微电子制造的图形转移母板
掩膜版是微电子制造过程中的图形转移母版，是平板显示、半导体、触控、电路板等行业生产制造过程中重要的关键材料。掩膜版的作用是将设计者的电路图形通过曝光的方式转移到下游行业的基板或晶圆上，从而实现批量化生产。作为光刻复制图形的基准和蓝本，掩膜版是连接工业设计和工艺制造的关键，掩膜版的精度和质量水平会直接影响最终下游制品的优品率。
TFT-LCD制造过程中，利用掩膜版的曝光掩蔽作用，将设计好的TFT阵列和彩色滤光片图形按照薄膜晶体管的膜层结构顺序，依次曝光转移至玻璃基板，最终形成多个膜层所叠加的显示器件。晶圆制造过程中，其制造过程需要经过多次曝光工艺，利用掩膜版的曝光掩蔽作用，在半导体晶圆表面形成栅极、源漏极、掺杂窗口、电极接触孔等。半导体掩膜版在最小线宽、CD 精度、位置精度等重要参数方面的要求，均显著高于平板显示、PCB 等领域掩膜版产品。资料来源：龙图光罩招股说明书（注册稿），SEMI，Omdia，光大证券研究所整理注：半导体掩膜版市场规模统计的为独立第三方半导体掩膜版市场规模，不包括晶圆厂自行配套的掩膜版市场规模。
2、平板显示掩膜版：产能转移带动国产化需求，技术迭代推动产品发展
2.1 中国大陆TFT LCD 已占据绝对优势，OLED 在全球占比快速提升
随着韩国三星、LG 逐步关停或出售所拥有的TFT LCD 生产线，中国大陆在全球TFT LCD 市场的占比进一步提升。Omdia预测，到2027 年中国大陆LCD产能在全球的占比（按面积）将达到73.74%，占据绝对领先地位。OLED 在全球占比快速提升。在平板显示领域，韩国已逐步放弃TFT LCD 市场，转而将焦点放在利润更为丰厚且具有独特优势的OLED 市场，中国面板企业在OLED 领域奋起直追，不断缩小与韩国的差距。2023 年第四季度，京东方在折叠屏OLED 市场实现了对三星显示的超越，占有率排名居市场第一。UBI Research 预测，2024 年韩国OLED 智能手机面板出货量的占有率将同比减少4.6 个百分点，降至53%；到2025 年将逐渐下降到45.2%。中国在2023至2024年OLED智能手机面板出货量占有率预计将从42.4%增加到47%，预计2025年将会攀升至54.8%。2025 年中国对OLED 智能手机面板占有率将超过韩国。根据路维光电2023年年报，2024 年中国柔性OLED 智能手机面板出货量占比有望首次超过韩国，成为全球最大的智能手机柔性AMOLED 生产国。由于OLED 是电流驱动显示，对像素驱动电路要求更高，进而对掩膜版的质量和数量提出了更高的要求，高端掩膜版需求增长。
平板显示需求扩张。平板显示行业长期发展呈现像素高精度化、尺寸大型化、竞争白热化、转移加速化、产品定制化等特点。受益于电视平均尺寸增加，大屏手机、车载显示和公共显示等需求的拉动，根据Omdia2023 年9月预测，2027 年全球平板显示需求超过300 百万平方米。OLED长期成长空间广阔。根据Omdia预测，从2021到2028年，按面积计算的全球AMOLED显示面板需求CAGR将达到11.6%。Omdia认为，AMOLED已成功进入智能手机市场，大多数智能手机品牌已经在其高端机型上采用了AMOLED面板。从面积角度，高端电视市场对OLED面板的需求超过了智能手机市场，未来将持续增长；多个移动PC品牌也开始在其高端机型上采用AMOLED显示面板，更薄且亮度更高的显示屏能够提升移动PC的产品品质，在推向市场时也可作为一大卖点。
中国大陆已经成为全球面板产能最多的地区。近年来我国集中建设高精度、高世代面板线为承接全球新型显示产能转移提供了良好条件，全球平板显示产业布局向中国转移的进程明显加快。我国平板显示产业集中度进一步提高，京津唐、长三角、珠三角以及成渝鄂等四大产业聚集区开始建设高精度、高世代面板线。根据Omdia2023 年9 月预计，全球各区域面板制造商的产能份额中，在2026 年中国大陆6 代产能占比将达到45%左右，6 代以上产能占比将达到80%；多条AMOLED/LTPS 生产线建设进展顺利，京东方、华星光电、天马、维信诺、和辉光电等企业在AMOLED/LTPS 高分辨率、折叠屏、全面屏、高饱和度等新技术上加大投入，量产进程稳步推进。
请务必参阅正文之后的重要声明102023 年是我国显示产业的投资大年。2023 年一季度京东方宣布投资290 亿建设第6 代新型半导体显示器件生产线项目，着力布局VR、Mini LED 等高端显示技术；四季度，京东方宣布在成都投资630 亿元建设8.6 代AMOLED 生产线项目，主要生产用于笔记本电脑、平板电脑等高端触控显示屏，推进OLED 在高端中尺寸IT 类产品渗透，开拓中尺寸OLED 屏幕产品的广阔市场。与此同时，TCL 华星在其全球显示生态大会上宣布，投资建设采用印刷OLED 技术生产显示屏的生产线，主要生产用于IT、医疗等领域的显示屏。根据Omdia2023 年9 月统计分析，预计2024 年有24 条8.5 代以上高世代线，其中8.5/8.6 代合计有19 条，2024年中国大陆预计有23 条中精度及高精度AMOLED/LTPS/a-Si。
根据Omida分析，2022 年全球光掩膜版市场约为1,280 亿日元，2024 年预计将达到1,309 亿日元。根据Omdia分析，中国大陆平板显示行业掩膜版需求占全球比重，从2017 年的32%上升到2022 年的57%。未来随着相关产业进一步向国内转移，中国大陆平板显示行业掩膜版的需求将持续上升，预计到2026 年，中国大陆平板显示行业掩膜版需求全球占比将达到60%。根据前瞻产业研究院数据，2021年我国平板显示（FPD）掩膜版市场规模为30.24亿元，估测2022年我国平板显示（FPD）掩膜版市场规模约为35.38亿元。
2.2 显示面板趋向大尺寸，平板显示掩膜版需求增加
大尺寸屏幕的需求增加引领全球平板显示产业向8+代线和10+代线迈进。面板的世代数是按照产线所应用的玻璃基板的尺寸划分，总体来说，面板代数越高，面板的玻璃基板尺寸越大，切割的屏幕数目越多，利用率和效益越高。近几年面板厂商积极投资与扩产大尺寸世代线，面板尺寸的增大带动其上游材料掩膜版朝着大尺寸化的方向发展，也会带动大尺寸掩膜版的需求增长。随着面板世代数不断演进，掩膜版的世代也相应演进。
8.6 代及以下平板显示行业掩膜版需求保持稳定增长。根据Omdia分析，预计2027 年全球8.6 代及以下平板显示行业掩膜版销售收入为1,293 亿日元，占全球平板显示行业掩膜版销售额的比例为93.5%。根据Omdia2021 年的预测，在2019 年和2022 年之间，液晶电视平均尺寸预计将从45.6 英寸增加到50.2 英寸。自2018 年起，G11（2940mmx3370mm）及以内液晶面板玻璃基板能较好地满足产品切割需求。OLED 产品方面，受限于蒸镀机尺寸，目前主流OLED 显示面板厂尺寸主要集中在G6，对应掩膜版产品主要集中在850mmx1200mm 尺寸。三星宣布在韩国牙山投建全球首条G8.6OLED 生产线，京东方在2023 年四季度也宣布在成都投建G8.6 AMOLED 产线，LG 计划通过出售广州工厂筹集资金建设其G8 AMOLED 产线。随着各大厂商对大尺寸OLED 面板产线的投资和建设，预计未来OLED 掩膜版产品也将向大尺寸靠拢。
高分辨率终端显示产品的渗透带动掩膜版向高精细化的方向发展。掩膜版作为平板显示制造过程的关键材料，对面板产品的精度起决定性的作用，高分辨率产品对掩膜版的精度提出了更高的技术要求。近年来随着平板显示解析度不断提高，TFT半导体主动层材料已逐步采用LTPS/Oxide技术，并朝着LTPO（低温多晶氧化物）等新技术演变。对于掩膜版的配套技术要求，主要体现在曝光分辨率（最小线宽线缝）、最小孔或方块、CD均匀性以及套合精度的不断提升。随着LTPO屏幕技术普及，掩膜版层数也随之增加。为进一步降低AMOLED屏幕的功耗，业内在LTPS背板的基础上开发出了LTPO背板显示技术。传统LTPS背板一般需要9-13层掩膜版，结合IGZO技术后，LTPO背板工艺所需掩膜版增加至13-17层。2023 年，LTPO OLED 屏幕出货量达1.882 亿片，较2022 年的1.4273 亿片增长31.9%。
3、半导体掩膜版：晶圆厂持续扩产，成熟制程存在巨大国产替代空间
3.1 晶圆厂产能扩张带动半导体材料市场规模增长
根据SEMI《世界晶圆厂预测报告》，2024年半导体行业的增长将由前沿逻辑和代工、包括生成式人工智能和高性能计算（HPC）在内的应用的产能增长以及芯片终端需求的复苏推动。全球半导体每月晶圆（WPM）产能在2023年增长5.5%至2960万片后，预计2024年将增长6.4%，首次突破每月3000万片大关（以200mm当量计算）。从2022年至2024年，全球半导体行业计划开始运营82个新的晶圆厂，其中包括2023年的11个项目和2024年的42个项目，晶圆尺寸从300mm到100mm不等。在政府资金和其他激励措施的推动下，预计中国将增加其在全球半导体产能中的份额。SEMI预计中国芯片制造商将在2024年开始运营18个项目，2023年产能同比增长12%，达到每月760万片晶圆，2024年产能同比增加13%，达到每月860万片晶圆。中国台湾预计仍将是半导体产能第二大地区，2023年产能将增长5.6%至每月540万片晶圆，2024年增长4.2%至每月570万片晶圆。该地区准备在2024年开始运营五家晶圆厂。韩国的芯片产能排名第三，2023年为每月490万片晶圆，随着一家晶圆厂的投产，2024年增长了5.4%为每月510万片晶圆。日本预计将在2023年和2024年分别以每月460万片和470万片的产量位居第四，随着2024年四家晶圆厂的投产，产能将增长2%。2024年，美洲将新增6家晶圆厂，芯片产能同比增长6%，达到每月310万片晶圆。随着四家新晶圆厂的投产，欧洲和中东地区的产能预计将在2024年增长3.6%，达到每月270万片晶圆。随着四个新晶圆厂项目的启动，东南亚准备在2024年将产能提高4%，达到每月170万片晶圆。Foundry供应商预计将成为最大的半导体设备买家，2023年产能将增至每月930万片晶圆，2024年产能将达到创纪录的每月1020万片晶圆。
SEMI（国际半导体产业协会）最新数据显示，2023年全球半导体材料市场销售额从2022年的727亿美元同比下降8.2%，至667亿美元，主要因为2023年半导体行业处于去库存过程中，晶圆厂利用率下降，从而材料消耗下降。2023年，晶圆制造材料销售额下降7%至415亿美元，封装材料销售额下降10.1%至252亿美元。根据SEMI 数据、CEMIA 数据，中国大陆半导体材料市场规模快速增长，从2019年为87 亿美元增长至2022年的129.7亿美元，年复合增长率为14.24%，预估2023 年规模为148.2 亿美元。
半导体材料可以划分为制造材料和封装材料两部分。其中制造材料包括硅片（也称晶圆）、电子气体、掩膜版光刻胶、湿电子化学品以及靶材等。SEMI数据显示，2018-2022年，全球半导体掩膜版市场规模由40.41亿美元增长至49亿美元，复合年均增长率达4.9%，预估2023年半导体掩膜版市场规模将继续增长至50.98亿美元。根据龙图光罩招股说明书，2022年我国大陆半导体掩膜版市场规模为15.56亿美元，2023年预估为17.78亿美元，同比增长14.27%。
半导体掩膜版生产厂商可以分为晶圆厂自建配套工厂和独立第三方掩膜厂商两大类。由于28nm及以下的先进制程晶圆制造工艺复杂且难度大，各家用于芯片制造的掩膜版涉及晶圆制造厂的重要工艺机密且制造难度较大，因此先进制程晶圆制造厂商所用的掩膜版大部分由自己的专业工厂内部生产，如英特尔、三星、台积电、中芯国际等公司的掩膜版均主要由自制掩模版部门提供。对于28nm以上等较为成熟的制程所用的掩膜版，芯片制造厂商为了降低成本，在满足技术要求下，更倾向于向独立第三方掩膜版厂商进行采购。根据贝恩咨询发布的《中国半导体白皮书》，全球晶圆制造代工收入中28nm以上制程的收入占比约为55.38%，占据晶圆代工大部分收入。根据SEMI数据，在全球半导体掩膜版市场，晶圆厂自行配套的掩膜版工厂规模占比65%，独立第三方掩膜厂商规模占比35%。独立第三方掩膜版市场主要被美国Photronics、日本Toppan和日本DNP三家公司所控制，三者共占八成以上的市场规模，市场集中度较高。由于半导体掩膜版具有较高的进入门槛，国内半导体掩膜版主要生产商仅包括中芯国际光罩厂、迪思微、中微掩模、龙图光罩、清溢光电、路维光电、中国台湾光罩等。
半导体掩膜版行业具有显著的资本投入大、技术壁垒高、高度依赖专有技术的特点。晶圆制造厂商自行配套掩膜工厂，主要是出于制作能力的考量，但随着制程工艺逐渐成熟及第三方掩膜版厂商的制作水平的不断提升，自建掩膜工厂的诸多弊端逐渐体现，如设备、人工投入巨大，生产环节过于复杂，成本过于昂贵等。第三方半导体掩膜版厂商能充分发挥技术专业化、规模化优势，具有显著的规模经济效应。在技术水平、产品性能指标符合要求前提下，独立第三方掩膜版厂商对晶圆制造厂商的吸引力不断增加。由于掩膜版承载着芯片设计方案和图形信息，涉及到芯片设计公司的重要知识产权，第三方半导体掩膜版厂商作为芯片设计与芯片制造的中间桥梁，能够更好地发挥信息隔离功能，芯片设计公司更倾向于将芯片设计版图交给第三方掩膜厂进行掩模生产以保证自身的信息安全。随着技术水平不断提高，第三方独立掩膜版厂商竞争优势将不断体现，市场份额将持续增加。
半导体生产工艺通常采用投影式光刻方法，在投影式光刻中，激光透过掩膜版后，经过投影物镜成像到晶圆的光刻胶表面，通过掩膜版对光线的遮挡或透过功能，实现掩膜图案向晶圆线路图的图形转移。半导体掩膜版的技术演进的过程，是不断解决极限情况下光的干涉与衍射现象、克服物理极限的过程。随着掩膜版的线宽和线缝越来越小，当尺寸逐渐接近光刻机的波长时，曝光过程中就会出现严重的衍射现象。光的衍射现象是指光在传播过程中，遇到尺寸与波长大小相近的障碍物时，光会传到障碍物的阴影区并形成明暗变化的光强分布情况。这种情况在投影式光刻中尤为明显，激光通过掩膜版的透光区和投影物镜后会出现显著的夫琅禾费衍射现象，导致曝光图形边缘的分辨率降低，图案边缘失真严重，CD 精度大幅下降。因此，为了提高光刻环节曝光图形的CD 精度，必须要对掩膜图案进行光学邻近效应修正（OPC）。
随着掩膜版图形越来越复杂、线路密度越来越大，掩膜版的透光区间距离便越来越短，此时曝光过程中就会出现显著的干涉现象。光的干涉是指两束相干光相遇而引起光的强度重新分布的现象。当掩膜版的透光区间位置趋于接近时，从相邻两个透光区射出的光线频率相同、振动方向相近、相位差恒定，形成了相干光。两列或多列相干光在空间相遇时相互叠加，光强在某些区域始终加强，在另一些区域则始终削弱，出现了稳定的强弱分布现象。上述现象会造成晶圆感光时遮光区域仍有曝光、透光区域光强不足的情况，导致整体的对比度降低，CD 精度大幅下降，从而严重影响了晶圆的电路图形质量。当半导体的最小线宽小于130nm 后，传统的二元掩膜版（Binary Mask）会由于光的干涉现象而无法对晶圆进行有效曝光，需要采用相移掩膜版（Phase Shift Mask, PSM）来消除曝光光束中的干涉现象，提升CD 精度水平。随着半导体功能的不断进步，制程能力的不断提升，半导体器件与集成电路的细微电路图也越发复杂，晶圆表面需要光刻的图案由传统的二维电路图像发展成含有多层结构的三维电路图像，这也导致半导体掩膜版的层数不断增加，对掩模版的套刻精度也提出了更高的要求。
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