芯片下行周期，谁在抢夺掩膜版？

本文来自微信公众号：半导体行业观察（ID：icbank），作者：龚佳佳，头图来自：视觉中国

如何一句话拉近与陌生人的距离：现在不景气啊，都没有单子，你家有吗？这是笔者日前在某一电子展上的所见所闻，以此为开头，几个陌生人迅速交换了联络方式，并投入到了激烈的讨论中。

当前，全球半导体产业不景气已经成为不争事实，裁人、砍单、缩减资本等各种降本措施层出不求，就连代工一哥台积电都传出客户大规模砍单，7nm制程产能利用率跌至50％以下，然而就在这一片低迷的局势中，芯片制造必需的掩膜版却传出供给告急，明年价格将再涨10%~25%。

下行周期里，到底是谁在抢掩膜版？全球市场格局又呈现出怎样的局面？

一、下行的周期，逆行的MASK

光刻机对芯片制造的重要性，想必大家都有所了解，而掩膜版就是微电子制造中光刻工艺所使用的图形母版。掩膜版（Photomask）又称为光罩、光掩膜、光刻掩膜版等，由制造商通过光刻制版工艺将电路图刻制于基板上制作而成，主要作用体现为利用已设计好的图案，通过透光与非透光方式进行电路图形复制，从而实现芯片的批量生产。

图源：中泰证券

从数据来看，掩膜版供给告急并不是空穴来风。公开消息显示，以往高规格掩膜版的出货时间为7天，现在拉长4~7倍至30~50天，而低规格产品的交货时间也较平时增加一倍。甚至有芯片设计厂商担忧称，需要 30~45 个光掩膜来进行半导体开发，但现在却无法正确获得。半导体业者透露，掩膜版电子束图形曝光源（e-beam patterning lighters）等制造设备延后交货，耽搁掩膜版出厂、推升产品价格。

那么，为什么掩膜版的需求量会如此之高？这需要从掩膜版的性质来说，在芯片制造中，掩膜版属于不可缺少的消耗品。由于每个掩膜版所能够绘制的电路图是有限的，而芯片制作又需要很多不同的电路图形，相应就会需要很多块掩膜版。尤其随着芯片制程工艺的演进，电路图变得越来越复杂，所需的掩膜版也越来越多。ASML数据显示，2021年5nm制程每片晶圆平均掩膜版层约逾10层，3nm之后，每片晶圆平均掩膜层约将倍增达20层。DRAM部分，目前采用EUV技术完成约5层掩膜版量产，明年后将提升至8到10层。虽然每片晶圆所需要的掩膜版数量很多，但每块掩膜版在转移完版上图形后，就不会再用到，而且在工艺验证过程中，一旦发生设计变动，调整了光刻版图，那么原本制作的光掩膜也不会再使用。

上述属性决定了掩膜版本身的需求量就很大，然而之所以能在下行周期里，还能撑起逆行市场，还有以下两大原因：

一是来自系统半导体，特别是高效能芯片，如车用半导体和自驾车芯片等需求的飙涨，而过去掩膜版扩产甚为有限。

众所周知，智能汽车所带来的芯片市场规模是十分庞大的，英特尔首席执行官Pat Gelsinger 预测，到 2030 年，汽车半导体市场将翻一番，达到 1150 亿美元，而高端汽车上搭载的半导体数量将增加 5 倍。目前，汽车领域已经成为了众多芯片厂商瞄准的新赛道，甚至于三星电子和SK海力士等存储厂商都已逐渐将目光投向了汽车半导体领域，更不用说其他系统半导体厂商，更是扎堆涌入，在消费电子失速的当下，汽车迥然成为了他们的救星。

但是过去掩膜版的扩产是十分有限的。一般来说，掩膜版制造商分为两种，一种是英特尔、三星、台积电等代工厂拥有自制掩膜版业务，但他们的产能都是自产自销；另一种就是独立于代工厂的第三方掩膜版制造商，诸如美国Photronics、日本DNP、凸版印刷等，此类厂商主要销售的是成熟制程掩膜版，比如上述提到的车用芯片，大多数仍是成熟制程，麦肯锡高级顾问Denise Lee日前指出，成熟工艺制程仍将是汽车芯片生产的主流，预计到2030年汽车芯片的成熟工艺制程需求将达到10%左右的复合年增长率。

图源：日经中文网

与先进制程掩膜版相比，成熟制程掩膜版利润率长期处于低位，未来十年仅更新生产设备就需要投入10-20亿美元，更不要说新建产线，凸版印刷就曾估计，以65纳米节点为例，一条新的光掩膜生产线预计需投资6500万美元。巨大的折旧成本可能与当前掩膜版市价倒挂，长期回报率不足以激发厂商投资，这也使得过去掩膜版扩产有限，因此面对现下蜂拥而至的需求，掩膜厂的产能难免有些“捉襟见肘”，供不应求之下，市场自然逆行向上。

二是晶圆代工厂与IC设计厂产能陆续释出，有更多新芯片完成设计定案，掩膜版开案逐步涌现。

台湾光罩总经理陈立惇先前曾分析，半导体需求在往下，但晶圆代工厂与设计公司的产能都开始松动，但也因为有空出产能，新芯片完成设计定案，掩膜版开案才能开始涌入，有更多的Tape out进来，对掩膜版厂来说，客户需求反而增加，下半年需求反而比上半年好。

上述提到不同的芯片设计需要的掩膜板也是不同的，自动驾驶、5G、元宇宙等技术的发展催生出了芯片的新需求，但由于此前缺芯情势过于严峻，芯片设计厂和代工厂专注于短缺芯片，无暇顾及太多新需求，而如今，缺芯情况已经得到了明显缓解，虽然行业景气彻底反转，已经处于下行周期内，但设计厂商想要立于不败之地，抢夺未来市场仍是重中之重，随之而来的是新芯片设计案数量的“水涨船高”，这也是IC设计厂扩大下单掩膜版厂商的原因，他们需要购买新的掩膜板并供应给代工厂。

芯片设计厂疯狂下单，但掩膜版厂已有产能有限，扩产也需要时间，短期内又不会出现新的产线，这也加剧了紧张的供需关系。

二、掩膜版巨头的增产投资

虽然过去掩膜版厂商对于扩产十分谨慎，但在当前这个行业情势下，巨头们也是大动作频频，比如最近的台湾光罩，台湾光罩是全球第六大掩膜版制造商，最新财报显示，台湾光罩第三季合并营收达20.68亿元，年增28%；第三季营业毛利5.42亿元，年增48%；第三季营业净利3.05亿元，年增89%。

为解决掩膜版产能持续吃紧，抢先取得关键产能，争取设备交机时效，台湾光罩决定逆势追加4.6亿元资本支出，用于订购KLA半导体检测设备，预计于今年12月装机，并于明年第一季创造营收，预估营收将持续二位数成长。此前，台湾光罩主要供应给6英寸/8英寸晶圆代工厂，2019年开始更进一步跨足12英寸晶圆掩膜版市场，法人估计今年台湾光罩掩膜版12英寸业务占比将从2021年的21%提升至30%。不仅如此，台湾光罩40nm也预计于2022年导入量产，28nm则估计在2023年上半年导入量产，90／65nm等制程产品已量产。

早在今年3月初，台湾光罩就召开董事会现金增资发行新股事宜，预计规划两年内透过现金增资募集新台币60亿元，以支应兴建厂房与购置机器设备，作为中长期产能升级计划所需资金，该计划完成后预计将增加20%产能，并可支持到40nm的半导体制程所需的掩膜版。当时消息显示，除了在现有厂区扩产之外，台湾光罩也将在苗栗铜锣园区投资建新厂。在今年1月初，台湾光罩还曾宣布将投资35.57亿元，主要是用在扩充产能与建厂的资本支出。

掩膜版作为芯片制造的关键材料，半导体材料大国日本的实力自然不容小觑，拥有SKE、豪雅（HOYA）、日本DNP印刷公司（大日本印刷）、日本凸版印刷株式会社（Toppan Printing）等多家巨头企业。今年8月，日经新闻报道称，因看好半导体中长期旺盛需求，日本半导体材料大厂凸版印刷将通过子公司“Toppan Photomask”在2023年度之前投资约200亿日元（约合人民币10.13亿元），扩大在日本及中国台湾工厂的掩膜版产能。

Toppan Photomask是凸版印刷于今年4月剥离其光掩膜业务而成立的子公司，目的是为了更容易从外部筹集投资资金，据悉，Toppan Photomask将增设使用于5-10nm逻辑芯片、10nm等级DRAM等先进产品的掩膜版产线，先进制程产品的掩膜版产能较2020年度相比提高约2成。凸版印刷指出，短期内出现过剩情况消解的动向不奇怪，但中长期来看需求将成长。

图源：凸版印刷

除此之外，日经新闻2月报道称，DNP将在2023年度之前向设在日本、中国大陆和台湾的生产工厂投资近100亿日元来增加生产线。据了解，DNP在中国台湾、中国大陆和意大利与当地企业建立了合资公司，今后将通过增资等方式提高产能，构建可根据供求情况在短期内交货的生产体制。DNP表示，车载和传感器等通用性较高的中端产品所用的光掩膜处于短缺状态，因此决定增产。

值得一提的是，就在11月10日，DSP宣布将投资200亿日元，在福冈县北九州市的黑崎工厂新建大型金属掩膜生产线，预计2024年上半年开始运营，虽然该产线主要是用于制造OLED显示器所需的掩膜版，而非芯片制造所需，但从一定程度上也反映出无论显示还是芯片，对掩膜版的需求都十分旺盛。

黑崎工厂 图源：DNP

三、紧追其后的国产厂商

受到掩膜版整体市场景气度的提升，我国两大掩膜制造商近期的股价也逆势增长，11月10日，路维光电涨逾10%，清溢光电涨超7%，而两家的财报数据更是喜气洋洋。其中，龙头厂商路维光电第三季度单季营业收入1.99亿元，同比增长31.21%，归母净利润为3905.37万元，同比增长104.74%；清溢光电三季度营业总收入2.06亿元，同比上升28.95%，本季度归母净利润3015.41万元，同比上升193.82%。

虽然净利润增幅直线飙升，但需要注意的是，两家巨头的大头业务都在平板显示领域，半导体芯片业务占比皆不足两成（路维光电2021年半导体芯片领域占比19.68%，清溢光电2021年半导体芯片占比16.68%），不过好在随着下游晶圆厂的话语权不断增加，国产替代节奏有望提速，国内掩膜版厂商能力也在不断成长。

路维光电在今年IPO中拟募资4.05亿元，主要用于高精度半导体掩膜版与大尺寸平板显示掩膜版扩产项目等。路维光电表示，募投项目会进一步将半导体掩膜版量产能力提升至130nm制程节点，并立足于自主研发、突破半导体掩膜版制造中的精度控制、缺陷控制等关键技术，将半导体掩膜版制作技术进一步推进至110nm/90nm/65nm等制程节点。据悉，路维光电已实现250nm制程节点半导体掩膜版的量产，掌握180nm/150nm制程节点半导体掩膜版制造核心技术能力。

图源：路维光电公告列表

清溢光电也在加快半导体芯片掩膜版布局，目前已实现250nm工艺节点的6英寸和8英寸半导体芯片用掩膜版的量产，正在推进180nm半导体芯片用掩膜版的客户测试认证，同步开展130nm-65nm半导体芯片用掩膜版的工艺研发和28nm半导体芯片所需的掩膜版工艺开发规划。

此外，为了进一步满足产能，清溢光电也在积极引进所需设备，深圳工厂新引进的半导体芯片用掩膜版光刻机及配套设备已投产，提升半导体芯片和 MicroLED 显示、硅基半导体显示用掩膜版等产品的产能。从清溢光电去年财报数据来看，半导体芯片领域已经成为发展最快的业务，增速高达 39.42%，有望成为新的增量业务。

国内厂商在发力的同时，半导体大佬也在积极建设掩膜版厂。“中国半导体之父” 张汝京深度参与的青岛芯恩项目就自建了光罩厂，2021年8月，青岛芯恩正式宣布8英寸厂投片成功，投片产品为功率芯片，良率达90%以上，光罩厂也于同期完成了产品交付。而就在今年8月，张汝京主导的光罩材料产业链项目签约落户浙江嘉兴，项目总投资30亿元，首期投资11亿元，主要从事光罩材料产业链相关产品的研发制造。

四、写在最后

从某种意义上来说，掩膜版厂商的逆势扩产与大硅片厂商有着“异曲同工之妙”，都是看中了半导体长期的强劲需求。DigitalJournal数据显示，2021 年全球半导体光掩膜市场规模为 46.87 亿美元，预计在预测期内以6.11%的复合年增长率增长，到2027年达到 66.9128 亿美元。与集成电路产业千亿美元的市场相比，这个数据可以说是微乎其微，但掩膜版对整个产业却有着举足轻重的作用，其质量的优劣是可以直接影响光刻的质量，进而影响到芯片的性能。

五矿证券报告显示，未来掩膜版发展趋势主要有 3 个方向：

第一精度趋向精细化，半导体领域，先进制程工艺的演进，使其对与之配套的晶圆制造以及芯片封装掩膜版提出了更高要求，随着先进制程占比有望越来越大，未来掩膜版产品的精度将日趋精细化；

第二尺寸趋向大型化，随着电视尺寸趋向大型化，带动面板基板逐步趋向大型化，直接决定了掩膜版产品尺寸趋向大型化；

第三掩膜版厂商向上游产业链延伸，为了降低原材料采购成本，控制终端产品质量，掩膜版厂商开始陆续向上游产业链延伸，HOYA、LG-IT等部分企业已经具备了研磨/抛光、镀铬、光阻涂布等掩膜版全产业链的生产能力。

图源：路维光电招股书

虽然本土掩膜版厂商已经取得了很大的进步，然而上游产业链的缺失也阻碍了他们发展的步伐，不过从当前整体局势来看，想要打通整个产业链依旧任重而道远，但仍要相信前方必有曙光。

本文来自微信公众号：半导体行业观察（ID：icbank），作者：龚佳佳