摘要

掩膜版主要应用于微电子制造工艺中的光刻工艺,其原理类似于传统相机的底片。掩膜版的主要作用是作为模板将掩膜版上事先印制好的电路图案复制到芯片或显示面板玻璃上,以达到批量生产的目的。

半导体和显示面板为掩膜版主要下游需求,预计2022年掩膜版市场规模分别为346亿元和63亿元。半导体领域,线宽工艺的提升带动单位芯片所需掩膜版的数量骤增,全球半导体产能向中国转移两个因素将带动国内半导体掩膜版行业即将进入高速发展期。显示面板领域,显示精度的提高、面板尺寸大型化发展的趋势以及显示面板产能向中国转移三大动因会拉动平板显示掩膜版行业的蓬勃发展。

掩膜版基板占掩膜版原材料成本90%,主要以石英基板为主,是产业链的核心瓶颈。原材料方面,掩膜版主要以掩膜版基板和遮光膜。现在用以制作掩膜版基板的主要为石英玻璃、苏打玻璃和硼硅玻璃,其中以石英玻璃的化学性质最为稳定,在硬度、热膨胀率、透光率等方面表现皆为不俗,广泛运用于高精密产品的生产,生产工艺以熔融和合成为主。

下游半导体大厂积极布局掩膜版自产自用战略,美日韩占据独立制造商主要份额。半导体掩膜版领域,福尼克斯、大日本印刷、日本凸版印刷合计占据80%以上的市场份额。显示面板掩膜版领域,日本SK-ElectronICs、日本豪雅、韩国LG-IT、福尼克斯、日本DNP合计占据90%的市场份额。

石英掩膜版基板领域中,髙端掩膜版基材被日韩所垄断,国内起步较晚积极布局国产替代。日韩厂商凭借多年的研发和技术优势,占据全球主要的市场份额。国内菲利华具有量产G8.5石英掩膜版基板的生产线,同时也在IC领域有所突破,通过了半导体设备国际巨头的认证。

高频基板材料(光掩模版的瓶颈在于石英基板)(1)

本期作者:肖洁、鲍雁辛

负责人:鲍雁辛

以下正文

1.掩膜版行业基本介绍

掩膜版(Photomask)又称光罩,由不透光的遮光膜在透光的基板一侧形成图形,然后通过曝光方式将此图形复刻到产品的基板上,主要应用于IC、LCD、OLED和PCB等微电子行业。设计公司完成产品版图的开发设计,将该产品版图交付给晶圆代工厂进行生产。但是在量产阶段,晶圆代工厂直接采用产品版图用于曝光工艺会导致生产效率低下,而掩膜版作为模具能有效解决这个问题。

1.1.掩膜版工作原理

掩膜版的工作原理类似于传统相机中的“底片”。对下游制程材料(一般是镀有遮光膜的基板上再涂有一层光刻胶)通过掩膜版进行曝光,随后通过显影、刻蚀、脱模、清洗等工艺将掩膜版上的设计图形复制到下游制程材料上,其特点是企业可以借此批量生产标准化产品。

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1.2.掩膜版:石英玻璃性质最好

掩膜版主要由透光的基板和不透光的遮光膜组成。按基板材料分类,主要分为玻璃基板(石英玻璃、苏打玻璃和硼硅玻璃)和树脂基板两大类;其中,因石英玻璃的化学稳定性高和热膨胀率小的优势,在使用环境上相对于其他材料对工艺生产环境的要求较低,现主要应用于制造高世代、高精度产品如高世代IC和超大尺寸显示面板。按遮光膜材料分类,主要分为乳胶遮光膜和硬质遮光膜(主要包括铬、硅、氧化铁)两大类;其中,铬相较于其他遮光膜材质能够形成更细微精确的图形,目前用于高精产品较多。

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1.3.掩膜版的制作流程分前后道工艺

掩膜版基板的制作流程一般为对获得的原始基板进行抛光、清洗工艺以保证基板的表面足够平滑,然后在表面覆盖一层遮光膜,再进行光刻胶的涂布,最终形成一块能够被直接进行光刻工艺的成品掩膜版基板。

掩膜版的制造流程分为前道工艺和后道工艺。前道工艺主要包括图像产生、显影、蚀刻、脱膜和尺寸测量,前道工艺完成后一片掩膜版的图形制作部分已经完成。后道工艺主要包括缺陷检查、缺陷修补、清洗和加保护膜。将客户图形转化为光刻设备专用的数据形式;通过光刻机进行激光光束直写完成客户图形曝光;在显影液的作用下,经过激光曝光区域的光刻胶会溶解,而未曝光区域则会保留并继续保护铬膜;在蚀刻液的作用下,没有光刻胶保护的区域会被腐蚀溶解,而有光刻胶保护的区域的遮光膜则会保留;光刻胶的保护功能已经完成,通过脱膜液去除多余光刻胶;将掩膜版正、反面的污染物清洗干净,随即进行一系列的缺陷检查修补,最后加上保护膜,一片成品掩膜版就此完成。

前道工艺决定了掩膜版的所有质量特征,尤其是光刻工艺步骤,关键的CD、Overlay指标均由此次步骤反映到掩膜版上。

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2.掩模版产业链壁垒在于上游石英基板

掩膜版产业可分为三大部分:(1)上游的掩膜版原材料(主要为掩膜版基板)和制造设备,(2)中游的掩膜版制造加工,(3)下游的微电子应用(主要为IC、LCD、OLED和PCB)。其中,中游的掩膜版制造商分为独立制造商(清溢光电、日本SK电子、福尼克斯等)和晶圆大厂自产自用的专属制造商(英特尔、三星、台积电等)。在某些情况下,专属制造商也会将掩膜版销售给其他半导体或平面显示制造商。

过去,专属制造商倾向于剥离掩膜版制造业务,主要因为掩膜版制造设备的复杂性和高成本以及无法达到规模效应等问题。现在,专属制造商的投资强度要比独立制造商的强,以达到某些技术路线的里程碑,特别是在逻辑和存储方面。尽管如此,多数专属制造商仍与独立制造商保持业务和技术关系,以提供持续的支持。根据SEMI数据,2017年全球半导体掩膜版市场规模达37.5亿美元,其中专属制造商占65%,高于2016年的63%。

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2.1.光掩模版:全球市场空间400亿元

2019年全球半导体掩膜版市场规模约为46亿美元,预计2022年全球规模为53亿美元。根据Wind数据,2019年全球半导体晶圆制造材料市场规模为328亿美元。根据立鼎产业研究统计,半导体晶圆制造材料中掩膜版占比约为14%。初步计算,2019年全球半导体掩膜版市场规模约为46亿美元。预计未来5年全球半导体晶圆制造材料市场规模CAGR为5%。2022年,全球半导体掩膜版市场规模有望达到53亿美元,折合人民币346亿元。

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在显示面板领域,掩膜版主要用于前段Array制程中的曝光阶段。Array制程主要包括四大阶段:薄膜、曝光、蚀刻、剥膜。显示面板的Array 制程和半导体制程相似,但是不同的是将薄膜电晶体制作在玻璃之上,而不是晶圆上。曝光阶段,在沉积了ITO薄膜的玻璃上涂上光刻胶,用紫外线通过掩膜版照射在玻璃板涂有光刻胶的一面上,被照射的光刻胶与之发生反应,最终在涂有光刻胶的玻璃板上覆盖掩膜版的图形。

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中国大陆的平板显示行业处于快速发展期,对掩膜版的需求持续增加。根据Omdia分析,2020年平板显示行业掩膜版全球需求超过1,000亿日元,折合人民币约59亿元,创造出比2012年大一倍的市场。中国对平板显示掩膜版的需求近年来逐年提升,全球占比由2016年26%上升至2019年48%,近全球一半,折合人民币约28亿元。

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2.2.上游:以合成石英玻璃基板为主,生产集中在少数跨国公司

在上游原材料制造领域,掩膜版基板主要以石英玻璃为主。制作掩膜版基板的材料主要为石英、苏打和硼硅玻璃,其中以石英的化学性质最为稳定,在硬度、热膨胀率、透光率等方面表现皆为不俗。随着未来微电子产品生产工艺的高度精细化,石英玻璃的需求会随之变大。

合成石英较熔融石英优势明显。合成石英现为主要的高端掩膜版基板材料,原料为四氯化硅,通过火焰水解的方式生产。其原理是将四氯化硅直接注入气体燃烧器的高温火焰中与水反应生成二氧化硅,沉积在高温旋转的靶材上,最终获得高纯度的合成石英。相较于熔融石英,合成石英的不纯物含量更低,达到ppb级。

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根据清溢光电招股书披露,石英掩膜版成本构成中,以直接材料和制造费用为主,分别占比67%和30%。其中,掩膜版基板占直接材料的比重超过90%。

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石英玻璃下游应用以半导体为主。2015年,全球石英玻璃市场规模约为250亿元,半导体和光纤应用分别占比达到65%和14%。

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生产集中度高且多依赖进口,主要是因为技术壁垒高。掩膜版上游原材料领域的主要企业集中在日韩两国,其掌握复杂的生产工艺技术和装备,始终保持技术优势地位,控制着全球市场,且在国内没有生产基地,也不转让其技术及其装备。反观国内企业生产能力较弱,主要集中在中小尺寸且多应用于TP、PCB等低端行业,半导体、微电子工业以及神光系列所需的高性能合成石英玻璃材料几乎依赖进口,价格相对较高,严重制约了我国半导体行业技术的发展。

2.3.中游:掩膜版制造行业技术壁垒高,主要依赖国外进口

掩膜版制造技术壁垒高,高代掩膜版生产技术均被境外厂商垄断。在显示面板领域,10代掩膜版和8.5代及以下高精度AMOLED/LTPS用掩膜版为首的先进技术均被SKE、LG-IT、DNP等境外厂商所封锁。国内能够配套TFT-LCD的掩膜版企业仅为清溢光电和路维光电,主要针对8.5代及以下掩膜版和6代及以下高精度AMOLED/LTPS用掩膜版。

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我国掩膜版制造主要集中在少数企业。在平面显示领域,国内能够配套生产TFT掩膜版的企业只有路维光电和清溢光电,且主要针对8.5代及以下掩膜版。在半导体领域,少数国内企业如无锡华润、无锡中微仅能生产0.13微米以上掩膜版。对于HTM、GTM、PSM等掩膜版全部依赖进口。

光掩模国产自主化进程持续推进。石英龙头企业菲利华于2020年10月26日成立合肥光微光电科技有限公司,投资建设TFT-LCD及半导体用光掩模版精密加工项目,总投资约3亿元。菲利华拟利用公司8.5代光掩模基板产能的原材料优势,以及子公司上海石创在石英玻璃深加工方面国内领先的技术优势,结合高新区在TFT-LCD领域的客户集聚优势,填补光掩模板精密加工领域的国内空白,提升光掩模板行业的自主可控性。

2.4.下游:掩膜版主要应用于集成电路和显示面板

在半导体领域,掩膜版主要应用于半导体晶圆制造过程中的光刻流程。在光刻流程的曝光制程中,利用掩膜版以及曝光的方法就能够在基板上形成所需的电路图形。

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半导体芯片线宽不断向纳米级突破,促进半导体掩膜版需求增长。线宽越小,基础结构单元体积越小,同体积芯片所能容纳基础单元结构越多,集成度就越高,功耗越低。而线宽的减少对光刻工艺流程提出了更高的要求,所需要的掩膜版数量上升,有望推动半导体掩膜版需求的激增。

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全球半导体产业目前处于周期下行阶段,半导体芯片产能向中国大陆转移。2018年全球半导体产业销售额约为4688亿美元,2019年因中美贸易摩擦,同比下降12%,为4123亿美元;自2000年以来CAGR约为3.76%,2019年处于周期下行阶段。相较于全球市场,国内半导体产业增速更高。2019年,中国集成电路产业的市场规模为7562.3亿元,约1080亿美元,同比增长约21%;2002-2019年间,CAGR为20.37%,远高于全球3.76%。中国大陆半导体市场预计保持高速增长,半导体产能转移将带动国内半导体掩膜版行业的发展。

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平板显示用掩膜版产品精度趋向精细化。根据IHS预测,未来显示屏的显示精度将从450PPI(Pixel Per Inch,即每英寸像素)逐步提高到650PPI以上,对平板显示掩膜版的半导体层、光刻分辨率、最小过孔、CD均匀性、套合精度、缺陷大小、洁净度均提出了更高的技术要求。

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掩膜版下游产品尺寸趋向大型化从而推动掩膜版也向大尺寸方向发展。显示面板世代线的代数是由其板尺寸决定的,即世代越高,基板尺寸越大。而越大的基板,所能切割的显示面板尺寸就越大、切割的选择性会越多、原材料的利用率就会越好。目前,显示屏世代已发展至11代,主要为未来大屏时代做准备。粗略统计,G1-4主要针对笔记本电脑,G4-5主要针对大型电脑,G6以上主要针对电视。而显示面板基板尺寸的增加带动掩膜版尺寸的增加,主要原因是为了增大曝光面积以减少曝光的次数从而提高生产效率。

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根据 IHS 预测,2016-2025年全球新型显示面板需求面积CAGR预计将达 4%,到2025年增长至2.66亿平方米。

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3.石英基板竞争格局:日韩垄断

目前,高端掩膜版基材基本被日韩所垄断,对于半导体用高精度及高世代面板用基材,只有日韩厂家有生产能力。国内方面,虽然有数家企业有能力生产光掩膜版,但主要应用行业也多在PCB等低端行业,且尺寸较小。在石英掩膜版基材领域,国内石英行业龙头菲利华有突破性进展。

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3.1.东曹石英:可提供G10 LCD掩膜版基板

东曹石英是日本东曹集团的全资子公司,其产品以石英制品为主。公司的熔融石英和合成石英产品生产技术位于全球前列,产品气泡含量少、不透明石英产品具有良好的热阻断性。2020年,公司营收约为200亿日元,预计2021年有望近250亿日元大关。

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东曹石英生产工厂主要遍布日本、韩国和中国台湾地区。其中,日本的米泽制造所是东曹石英掩膜版石英基板的主要生产工厂。

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3.2.菲利华:量产大尺寸石英掩膜版基板

菲利华目前已具备生产半导体和光学用大尺寸合成石英材料的能力,现拥有荆州、潜江、上海三个生产基地以及上海技术研究院。

2021年H1营收5亿元,同比增长56%;归母净利润1.8亿元,同比增长111%。

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利华通过了半导体设备国际巨头的认证也可大规模生产G8.5掩膜版基板的企业。公司的石英材料于2011年通过TEL(东京电子)半导体材料认证后,又陆续获得Lam(泛林)和AMAT(应用材料)的认证,且认证产品规格继续增加,目前Lam认证的规格已达22种,AMAT认证的规格有18种。公司目前已完成了G8代石英基板生产技术的定型,形成了G4到G8的完整产业链,打破了长期以来国外垄断。

石英玻璃材料是公司的主要利润来源。2020年公司石英玻璃材料实现毛利3.8亿元,同比增长27%;石英玻璃制品实现毛利0.92亿元,同比下降15%。

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2019年7月公司通过非公开发行股票,募集资金用于扩产120吨合成石英锭和650吨电熔石英锭。公司拟投入30,331万元用于集成电路及光学用高性能石英项目,预计建成完全达产后年均新增销售收入和净利润分别为超过2亿元和超过4,000万元。

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4.掩膜版制造竞争格局:晶圆大厂自给自足

掩膜版企业竞争能力主要取决于产品质量的一致性、交货的及时性、有竞争力的价格、技术能力和服务,这些是客户选择掩膜版供应商时考虑的主要因素。另外,在某些市场中,从订单到交货的周期时间至关重要,因此地理位置接近客户是另一个重要因素。

在半导体领域,除英特尔、三星、台积电三家全球最先进的晶圆制造厂所用的掩膜版自供外,其它的半导体掩膜版主要被美国Photronics、日本DNP以及日本Toppan三家公司所垄断。国内少数企业如无锡华润、无锡中微等,只能制造0.13μm以上Stepper Mask。

全球市场半导体掩膜版销售额主要来自于大型晶圆厂自供,约占全部市场的65%。根据SEMI数据,2017年全球半导体掩膜版市场规模约为37.5亿美元。2017年,独立掩膜版制造商(如美国Photronics)的全球半导体市场规模约为13亿美元,折合人民币约88亿元,约为总市场规模的35%。

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平板显示领域,全球平板显示掩膜版市场规模约为10亿美元,基本被日韩企业所垄断。根据IHS统计,2018年全球平板显示掩膜版行业市场规模约为53.6亿元,CR5约为90%,前五大公司分别是SK电子、HOYA、LG-IT、PKL和DNP。

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福尼克斯在2019年净利率和毛利率均有所下滑,主要原因是在中国FPD和IC的生产线投产时间问题导致的制造费用折旧损失,分别于第二季度和第三季度开始投产。从披露信息来看,各家掩膜版厂商年度指标变化相对一致,福尼克斯、日本SKE龙头地位稳固,但是随着产业链向国内转移以及中国公司较高的研发费用率,中国大陆掩膜版制造业面临新的机遇。

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4.1.福尼克斯:半导体掩膜版销售额全球第一

福尼克斯(Photronics)成立于1969年,是全球顶级掩膜版生产商之一,产品均为石英掩膜版,主要用于半导体芯片和显示面板行业。公司目前共拥有11条生产线,分别位于中国台湾(3条)、韩国(1条)、美国(3条)、欧洲(2条)、中国大陆(共2条,1条位于合肥用于FPD生产,一条位于厦门用于IC生产)。

公司生产掩膜版的技术主要为电子束技术(electron beam)和光学(基于激光)技术。电子束和激光生产的掩膜版可用于生产最先进的IC和一系列的FPD。值得注意的是,大部分成本较高的关键层IC掩膜版是使用电子束技术制造的;而激光技术被用于制造所有的FPD掩膜版和非关键层IC掩膜版。

从长期来看,公司营业收入存在周期性波动,归母净利润波动幅度较大。2020年公司营收为6.10亿美元,同比增长10.8%,主要原因是中国大陆的两条新增产线开始逐步释放产能;2020年归母净利润为3380万美元,同比上升13.5%。

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福尼克斯以半导体掩膜版为主要营收来源,约占总营收的四分之三。半导体和平板显示用掩膜版都以高端产品为主。

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毛利率方面,福尼克斯近十年保持在25%左右的水平波动;净利率方面,公司在5-10%区间浮动。

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4.2.台湾光罩:国内最早的掩膜版厂商

台湾光罩为国内成立最早,规模最大的专业掩膜版厂,同时也是亚太地区最重要的掩膜版制造厂之一。目前已采用OPC及PSM技术大量生产0.18、0.15、0.11及0.09微米掩膜版。

公司主营业务是生产半导体掩膜版,其他则为LCD用掩膜版和WLCSP封装用掩膜版。2019年实现营收34.69亿台币,同比增长20%;归母净利润4.31亿台币,同比增长116.49%。

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毛利率和净利率方面,台湾光罩波动都较大。毛利率方面,2016年公司毛利率大幅下跌至5%,净利率也下降至-20%。随后三年有所好转,毛利率和净利率都逐渐回到正常水平。

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台湾光罩产能利用率逐渐改善,扩产带动业绩改善。2019年台湾光罩产能从45000片上升至61000片。

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根据2016年台湾光罩年报数据,公司主要产品为6英寸石英玻璃掩膜版,营收占比在80%以上。

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4.3.SKE:全球最大的平板显示掩膜版厂商

SK-Electronics成立于2001年,在日本二板市场JASDAQ上市,主营业务是综合大尺寸掩膜版的生产和销售。公司持续先于竞争对手推出更大、更高分辨率的掩膜版,并拥有一条生产第10代和第11代掩膜版的生产线。

SKE的掩膜版生产基地主要日本和中国台湾地区。其中,日本的京都工厂和滋贺工厂分别能生产8代掩膜版和10代掩膜版。

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4.4.清溢光电:国内规模最大的掩膜版生产企业之一

清溢光电是国内成立最早、规模最大的掩膜版生产企业之一,公司产品掩膜版主要应用于平板显示、半导体芯片、触控、电路板行业。据公司招股说明书披露,清溢光电在2018年全球平板显示掩膜版企业销售金额中位列第六位,是国内唯一上榜企业。

石英掩膜版满产,苏打掩膜版产能利用率缓慢下降至约60%。主要原因是随着下游行业所需掩膜版产品逐步由苏打掩膜版向石英掩膜版转变,公司石英掩膜版产品持续处于供不应求的状态。现已根据实际情况新增关键生产设备,以缓解公司石英掩膜版产能不足的压力。

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公司原材料供应商集中度高,CR5采购总额占比约为80-85%。根据清溢光电招股书披露,2016年-2018年间,KTG、Inabata Sangy持续为清溢光电掩膜版基板的前二大供应商,合计占采购总额50%-60%。公司于SAMSUNG C&T采购的石英基板金额自2018年以来持续增长,2019年1-6月石英基板采购金额为3543.46万元,占采购总额比例32.36%。

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清溢光电的主要客户为国内平板显示和半导体芯片行业的龙头企业。前五大客户集中度较高,2016-2019年H1的前五大客户的销售收入约占总营收的一半,若未来主要客户经营状况出现不利变化或主要客户对公司产品需求下降,将可能对公司业务经营和盈利能力造成不利影响。

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根据公司招股说明书披露,清溢光电此次IPO募集资金投向包括两部分:①合肥清溢光电有限公司8.5代及以下高精度掩膜版项目:项目达产后将年产1,852张8.5代及以下TFT-LCD用掩膜版及6代高精度AMOLED/LTPS用掩膜版②合肥清溢光电有限公司掩膜版技术研发中心项目。

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2020年全年及2021年上半年,清溢光电分别实现营收4.87亿元和2.28亿元,同比分别增长1.57%和下降12.91%;分别实现归母净利润0.76亿元和0.21亿元,同比分别增长8.55%和下降47.58%。2012-2020年,清溢光电营业收入CAGR约为8.2%;归母净利润CAGR约为16.8%。

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毛利率、净利率方面,近年来公司毛利率和净利率波动不大,其中毛利率基本稳定在30-40%之间,净利率在10-20%之间波动。

费用率方面,公司销售费用率稳定在5%左右,2020年第三季度下降至约2%,原因是执行新收入准则公司将作为合同履约成本的运输费列报于营业成本;管理费用率基本稳定在10%的区间;财务费用率总体呈逐年下降趋势,近几年基本为零,主要是因为公司将资产负债率维持在15%的良好水平。

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材料成本是公司成本控制的重要因素。掩膜版业务的成本构成主要分为材料成本、直接人工和制造费用。其中,材料成本约占总成本的60%左右,制造成本约占30%-40%,人工成本仅为2%-5%。

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清溢光电主营业务为石英掩膜版和苏打掩膜版。2016-2019年上半年,石英掩膜版业务的单位售价基本稳定在18-19万元/平方米;单位成本呈现逐年降低趋势,下降至12.83万元/平方米;毛利率稳定上升至约31%。苏打掩膜版方面,单位售价、单位成本基本稳定,毛利率维持在40%-41%之间;2017年单位成本明显上升,主要原因是大尺寸苏打掩膜版的销售比重上升,从而导致单位材料成本上升以及苏打掩膜版销量略有下滑,导致其单位制造费用同比2016 年有所增加。

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国泰君安证券研究所,产业研究中心

国泰君安产业研究中心成立于2018年10月,旨在更好地为客户提供研究服务,让研究回归本质。产业研究中心希望通过跨行业、跨领域、跨部门协同,做产业里最专业的金融专家。当前产业研究中心一共提供三块业务:产业研究、定制服务、定期报告。本期前瞻精译为产研中心定期产品之一。欢迎各位投资者跟我们对应销售或相关研究员咨询。

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