广泛应用于半导体及电光源2022年石英材料行业研究报告

　　一、石英玻璃—高新技术领域关键原材料

　　石英玻璃是应用日益广泛的高新技术材料。石英玻璃的成分为二氧化硅(SiO2)，具有透光性高，耐温性好，膨胀系数低等优越的物化性质，因此被广泛应用于半导体、光伏、光学、光纤和军工等高新技术领域。石英玻璃已成为近代科学技术和现代工业不可或缺的重要材料。新材料领域的专家们把石英玻璃称为“玻璃王”，无论从制造的高指标或工艺的复杂性，还是应用场合的技术难度来看，石英玻璃堪称玻璃材料的“皇冠”。

　　1.1 石英玻璃材料及制品物化性质优越，应用领域广泛

　　石英玻璃的力学、热学、光学和化学性能优越，在半导体、光学、光纤、光伏、电光源以及航空航天等领域应用广泛。石英玻璃是由二氧化硅单一组分构成的工业技术玻璃，由于二氧化硅为原子晶体，Si-O 间是共价键，所以石英玻璃耐温性强且化学性质稳定;Si-O 间化学键能大且结构紧密，使得石英玻璃具有良好的机械性能，耐压力强;此外石英玻璃具有较小的密度，再加上石英玻璃的微观结构是由二氧化硅四面结构体结构单元组成的单纯网络，短程有序，长程无序，使得其光学性能优良且介电强度高。凭借优越的物化性质，石英玻璃广泛应用于包括半导体、光纤、光学、光伏、电光源以及航空航天等诸多高新技术领域。

　　1)半导体(占比约 65%)：石英制品是重要的半导体耗材，用于半导体加工全过程。石英玻璃内二氧化硅纯度高，化学性质稳定，不与除氢氟酸和磷酸外的任何酸反应，充分满足半导体制造过程中需要抗高温、变形性能强、不活泼的材料作为晶圆承载和清洗等容器的要求，被广泛运用于半导体生产过程。此外，由于石英玻璃折射率低，耐温性强，能够满足掩膜版对于基版材料光学透过率高，热膨胀率低的要求，是高精度玻璃掩膜版的重要材料。

　　2)光纤(占比约 14%)：石英玻璃材料是生产光纤预制棒和光纤拉丝过程中主要的消耗材料。石英玻璃的折射率极低，吸光系数小并且透光波段范围宽，而光纤作为以全内反射原理传输的光传导工具，对折射率有极高的要求，因此石英玻璃被大量应用于光纤制造，主要产品有预制棒、炉芯管、石英管等。

　　3)光学(占比约 10%)：石英玻璃构成的部件是光学仪器中的关键性元件。透明石英玻璃的光学性能好，折射率低，可以满足 185-3500mμ波段范围内任意透光波段，因此 既可以作为光学仪器的透紫外材料也可以作为透红外材料，主要产品为制造摄谱仪、红外照相机、棱镜以及透镜。同时，石英玻璃具有很强的热稳定性，数值在 800~1000℃之间， 光学石英玻璃还广泛应用于高空高温照相，比如：高温作业窥视窗口、高精度测距仪以及大型天文望远镜。

　　4)光伏(占比约 7%)：光伏领域生产加工环节中，石英玻璃制品为硬性耗材。石英玻璃所制造的石英坩埚凭借洁净、同质和耐高温的性能，一般作为熔融多晶硅料的盛装器具，用于后续拉制单晶硅棒/多晶硅锭的过程，是生产过程中的主要耗材。随着新能源产业的强劲发展，中国光伏产业规模不断壮大，天然石英产品尤其是石英坩埚产品的市场需求不断扩大。

　　5)电光源(占比约 4%)：在电光源领域，石英玻璃电光源产品在家居、医疗、交通、娱乐等行业应用广泛。汽车照明用的氙灯，卫生消毒用的紫外线杀菌灯以及娱乐场所用的金属卤化物灯，都采用石英玻璃作为照明器具。

　　6)军工：在航空航天领域，石英玻璃制品为宇宙飞船和航天飞机的核心元件。石英玻璃的密度小，抗压能力强且光学性能好，满足太空窗口材料滤紫外耐辐射的要求，避免高能射线照射下形成“色心”，被广泛应用于卫星及宇宙飞船，耐辐照的石英玻璃可以有效控制航天器姿态，高强度抗辐照玻璃盖片能为宇宙飞船的太阳能电池能源系统提供有效保护，此外，石英玻璃纤维隔热性能优良，介电性能好，被广泛用于机载天线罩用复合材料中。

　　1.2 石英产业链集中度较高，海外企业占主导

　　完整的石英玻璃制品产业链包含从高纯石英砂原料到下游应用领域的全过程：高纯石英砂—石英玻璃材料—石英玻璃制品—下游应用领域。石英产业是以二氧化硅为主要原材料成分的材料及制品行业。产业链中，上游为高纯石英砂生产及供应。现阶段，由于高纯石英砂的生产与高品质矿源密切相关，产业内主要被背靠高品质石英矿的海外企业垄断， 主要参与者包括尤尼明、挪威 TQC 等，国内石高纯英砂龙头生产厂家为石英股份。中游石英玻璃材料一般会以锭、筒、棒、管等形态保存，目前产业内主要竞争者包括国外的迈图、 贺利氏、东曹、昆希、以及国内的菲利华、石英股份等;下游的石英制品是以石英玻璃为 材料制成的一系列器件，包括石英舟、钟罩、坩锅等，其对生产技术人员和生产设备要求高，国内石英制品加工企业技术与外资企业仍有差距，贺利氏信越、杭州大和、沈阳汉科、 泰谷诺等外资企业占据主要市场份额，国内石英制品加工企业主要有凯德石英，菲利华石创、东科石英以及强华股份等;石英制品下游客户主要包括半导体设备商和晶圆制造商、 光伏石英坩埚制造商、光伏硅片制造厂商、以及光学、光纤、军工和电光源领域相关生产厂商，其中半导体市场为主要应用市场。

　　二、上游：高纯石英砂资源属性强，呈寡头竞争格局

　　2.1 高纯石英砂是上游原材料，产品纯度决定其应用领域

　　高纯石英砂是石英玻璃制备关键原材料，产品纯度标准决定其应用领域。高纯石英砂是指 Si 含量大于 99.9%，Fe2O3 含量小于 0.0001%、Al2O3 含量小于 0.01%的石英砂。按照纯度指标高纯石英砂可分为 3N(低端)、4N(中端)、4N8(高端)、5N2(超纯)、 6N(高纯 SiCl4)，纯度决定其应用领域。半导体：6N 的 SiCl4 用来制作光掩模基板，5N2 砂可制硅生长坩埚，4N 和 4N8 砂可制硅片氧化、扩散等用的石英材料;光纤：6N 的 SiCl4 用于制备芯棒，4N8 和 4N 砂可制沉积环节的种子棒与预制棒烧结的炉芯管;光伏：4N8 砂可制硅生长坩埚，4N 砂可制光伏电池扩散等用石英材料;光源：4N8 和 4N 砂可制特种、汽车灯和红外光源用石英材料;军工与航空航天：6N 的 SiCl4 可制对精度要求极高的传感器，4N 砂可以生产石英纤维;光学：6N 的 SiCl4 制玻璃可作光刻镜头，激光陀螺等高端产品，4N、4N8 砂可用来制作镀膜锭等产品。

　　2.2 矿物提纯是主流制备工艺，矿物质量和晶格除杂是关键

　　高纯石英砂的制备工艺根据天然和合成可以分为矿物提纯和四氯化硅合成两种方式， 受制于原料储量和成本，当前矿物提纯为主要制备工艺。天然高纯石英砂可以通过天然水晶经过粉碎-磁选-浮选-酸浸-干燥-焙烧传统工艺得到，也可以通过花岗伟晶岩、脉石英岩等在改进传统工艺环节的基础上增加络合和氯化煅烧等过程除去包裹体和晶格内的杂质深度提纯获得。合成四氯化硅制备通过光反应提高四氯化硅杂质的沸点，再通过精馏除杂制备。由于天然水晶的储量小且原料价格高，合成四氯化硅的制备成本高，难以大规模生产，因此，石英矿物提纯加工是当前高纯石英砂的主要制备方法。

　　天然高纯石英砂制备采用物理和化学提纯相结合的方法，矿石质量和晶格除杂工艺是产品质量决定因素。制备过程包括粗选-破碎-水淬-粉碎-磁选-分级-焙烧-水碎-浮选-去离子水洗-干燥-酸浸等 12 个步骤。石英矿物提纯工艺流程较为复杂，矿石质量和晶格除杂工艺是产品质量的决定性因素。

　　矿石质量：矿石中不同矿物包裹体、流体包裹体和晶格杂质含量决定了石英矿提纯和加工后的高纯石英砂最终质量。根据不同成矿特性和理化特性，石英岩可分为花岗伟晶岩、脉石英岩、石英岩和石英砂岩，其中，前两类岩石晶粒结晶粒度粗，易于单体解离，是中高端高纯石英砂的理想原料。目前认为，原料评价应当以化学成分、嵌布粒度、脉石矿物、 包裹体和晶格杂质作为关键指标综合评价，当石英原料在 5 个指标中有 3 个及以上达到 A 级时，可以推荐为高纯石英原料。根据中国粉体网数据，当前，全球高纯石英原料矿床分布于美国、挪威、澳大利亚、俄罗斯、印度、加拿大、中国等 7 个国家，除中国外有 14 处矿床，其中尚未开采的有 7 处，矿源质量最高和储量最大的为美国 Spruce Pine 矿。深度绑定高品质矿石资源是行业内企业竞争关键。

　　晶格除杂：石英矿物中的 Al 离子和 Fe 离子容易替代石英晶格中的硅离子，形成新的铝氧四面体和氧铁四面体，同时造成晶格内部电荷缺陷而引入 K、Na、Li、H 等电荷补偿杂质，该种杂质需要改变晶格结构才能得以去除，因此，晶格除杂为高纯石英砂加工过程中难以突破的瓶颈。我国目前试图通过氯气、氯化氢与矿物反应，高温焙烧改变石英晶体结构达到除杂效果，但是受制于温度和酸浸参数，我国氯化焙烧处理能力仍处于较弱水平。尤尼明矿石的液体包裹体小于 5 个/cm2，我国则达到 15 个/cm2，通过高温焙烧对 Al 和 Fe 的去除率分别能够达到 96.7%和 87.7%，在确定起始温度、焙烧时间、酸浓度及反应时间方面，仍有待一步突破。

　　高纯四氯化硅制备以光化和精馏结合工艺为主，除杂环节成本高昂是我国企业技术路线的“卡脖子”环节，三孚股份率先实现技术突破。目前工业界采用光化与精馏结合的方式制备高纯四氯化硅，具体工艺流程如下：(1)光化反应：利用光照条件将氯分子解离为氯自由基，取代三氯氢硅及其它含有氢杂质含氯化合物上的氢原子，得到 HCl、SiCl4 和其他含氢化合物。光化反应对去除三氯氢硅杂质极为有效，可以将某些杂质转化为沸点更高 的杂质;(2)精馏：主要根据四氯化硅与各种杂质沸点不同来实现分离，可以将 SiCl4 中的低沸点组分和高沸点组分分离出来，但是 AlCl3，FeCl3 等极性重金属氯化物有可能形成配合物，挥发度同四氯化硅相近，精馏法不能达到理想效果。此类杂质可用吸附法进一步提纯，但是活化处理十分繁杂且费用高，给除杂带来困难，杂质吸附环节是技术路线中关键成本环节。近年随着国内精馏技术的提升，三孚股份率先完成技术突破，产品达到 9N 级别，实现对原材料要求较为苛刻的 PCVD 芯棒生产工艺的规模化供应，初步完成进口替代。目前公司 3 万吨高纯四氯化硅产能已全部投产，国产化进程加速。

　　2.3 光伏石英砂需求旺盛，供给持续紧张，行业景气高企

　　我们预计到 2024 年，全球光伏用高纯石英砂市场空间有望达 9.15 万吨，21-24 年 CAGR 达到 27.3%。在光伏领域，高纯石英砂主要用来制作拉制单晶硅棒的石英坩埚。在全球“双碳”目标和光伏发电成本不断下降的双重驱动下，全球光伏装机量迎来高增长。根据新增光伏装机量，硅片生长炉工作时间及产能，石英坩埚平均使用寿命，可以测算出高纯石英砂的需求量。我们作出如下假设：

　　(1)全球硅片产量：我们预测，21-24 年全球新增光伏装机量为 240、300、350GW。在制备组件/电池片/切片过程中的良品率分别为 99%/98%/99%，新增装机量和硅片产量 比例大概为 1：1.25，21-24 年光伏硅片产量预计为 299、373、435GW。

　　(2)生长炉产能：根据国内技术与规模双领先的光伏设备供应商晶盛机电晶体生长设的收入和销量，可以计算出生长炉的单价为 218.5 万元。又根据隆基股份公告，1GW 硅片产能约需要 2 亿元晶硅生长炉。由此可得，晶体生长炉的产能约为 10.9MW/台/年，假设行业平均晶体生产炉产能为 10 MW/台/年。随着生长炉设备企业研发的持续投入与技术的不断突破，预计单台设备产能 22-24 年增长为 0.8、1、1MW/台/年，21-24年单台生长炉产能为：10/10.8/11.8/12.8MW/台/年。

　　(3)生长炉工作时间：随着光伏领域制造设备的不断改进，高控制精度全自动晶体生长炉的普及，已经可以实现全过程计算机控制自动生长，延长了设备的工作时间。因此，我们假设 22-24 年每台生长炉工作时长为 7750、8000、8200h。

　　(4)石英坩埚寿命：由于光伏行业对于石英坩埚的纯度、洁净度、精度具有严格标准，同时大硅片的演进也使得石英坩埚工艺技术一直向“高纯度、大尺寸、低成本、长寿命”方向发展。根据晶盛机电和欧晶科技的公告，我们假设 21 年坩埚平均寿命为 350 小时，随着坩埚寿命的不断提升，我们假设 22-24 年坩埚使用寿命为 360、380、400h。

　　(5)中国硅片产量占全球比例：根据 CPIA 数据，我国硅片产量的全球份额不断提升，从 2018 年的 93.04%增长至 2021 年的 99.23%。随着全球光伏硅片龙头企业隆基、中环等持续扩产，我们预计我国光伏硅片产量占全球比例将进一步提升，22-25 年均维持在 99.5%。综上，我们预计 21-24 年，全球的光伏用高纯石英砂需求为 4.43/6.31/8.07/9.15 万吨。我们预计 22-24 年市场供给约 5.5/7.5/8.9 万吨，供给偏紧，未来三年仍有 0.81、 0.57、0.25 万吨的缺口，景气度将持续，随着产能释放，预计 25 年开始供给将逐步宽松。

　　2.4 海外企业高度垄断市场，我国企业快速崛起

　　高纯石英砂市场被美国尤尼明长期垄断，国内仅石英股份可规模量产。尤尼明拥有美国北卡罗莱纳州 Spruce Pine 地区花岗质伟晶岩原矿，储量超过 1000 万吨，是全球最理想的高纯石英砂提纯矿石，其还掌握先进的提纯工艺，能够运用数学模型验证矿体，保证产品稳定供给，因此，长期处于垄断地位，占据全球 70%以上的高纯石英砂市场。挪威 TQC 依靠美国 Spruce Pine 地区的优质矿源和本地石英矿成为第二大石英砂供应商，占据 10% 的市场份额。我国石英股份公司 2009 年取得重大技术突破，成为全球第三家，国内唯一一家能够规模量产高纯石英砂的企业。石英股份深度绑定上游矿源，帮助企业持续生产高品质高纯石英砂，保证产品产量和持续供应能力，快速崛起。

　　高纯石英砂制备技术海内外差距逐渐缩小，国产替代为必然趋势。国外已经可以规模量产 5N2 的高纯石英砂，我国尚处 4N8 阶段，多数高端产品依赖进口。我国的矿源主要为脉石英和石英岩，杂质含量多，提纯难度大，目前 3N 和 4N 产品已经实现国产化，石英股份生产的半导体和光伏级高纯石英砂都达到了 4N8 水平，与尤尼明 IOTA-标准产品达到相同纯度。随着我国选矿评价体系的完善和提纯工艺的进步，国产替代成为必然趋势。

　　本土龙头石英股份加速扩产，国产化进程提速。在国产替代及高纯石英砂需求激增的驱动下，石英股份积极扩产迎接机遇，市场份额有望进一步提升。石英股份已有高纯石英砂产能 1.5 万吨，新建的 2 万吨已基本建成，另有 1.5 万吨高纯石英砂项目计划 2023 年投产，菲利华计划建设两万吨超纯石英砂产能，预计 23 年投产 1 万吨，25 年两万吨全部投产。尤尼明、TQC 和 Russian Quartz 近两年无明显扩产计划，随着高纯石英砂需求的不断走高，预计 2022 年高纯石英砂仍有缺口，国产化进程提速明显。

　　三、中游：石英玻璃技术壁垒高企，国内企业快速追赶

　　3.1 纯度和不同杂质含量决定石英玻璃材料应用领域

　　石英玻璃材料分为天然石英玻璃和合成石英玻璃，主要制备方法包括电熔法、气炼法以及化学合成法，纯度和不同杂质含量决定其应用领域。石英玻璃由高纯度的二氧化硅组成，一般以棒、管、片或锭的形态保存，按照原料的不同，可以分为天然石英玻璃和合成石英玻璃。根据制备工艺，可以分为电熔法和气炼法和化学合成法。电熔法羟基含量低于气炼法，金属杂质含量较高通常用于电光源和半导体扩散氧化等高温环节，气炼法羟基含量较高，气泡少，主要用于光源和半导体刻蚀等低温环节。CVD 法制得的石英玻璃纯度高，金属杂质含量低，但成本高，能耗大其被广泛应用于高端光学，半导体光掩模板以及光纤 等。

　　3.2 电熔和气炼法是主要制备工艺，CVD 法是未来发展方向

　　电熔法和气炼法为石英玻璃的主流制备工艺，二者都利用高温熔融石英砂的原理，但加热方式不同导致产品羟基和金属杂质含量有差异。电熔法工艺流程为：将处理好的石英砂加入反应炉中，通电抽真空并注入氮气或氢气，加热翻料熔融，将熔融态石英进行机械拉管、切割、磨平、酸洗等工序制成石英玻璃，该法制备玻璃品质主要取决于原料纯度，金属杂质含量较高。气炼法工艺流程为：氢气和氧气点燃形成氢氧焰，喷洒到石英玻璃靶托上，靶托匀速旋转并下降，石英砂粉末不断融化成玻璃态，后续流程同电熔法，由于气炼法采氢氧焰加热，氢气会渗入石英玻璃，所以该种方法羟基含量较高。

　　化学气相沉积工艺(CVD)是合成玻璃的制备工艺，产品纯度更高，改进加热方式和制备步骤可进一步降低羟基含量。CVD 法的具体制备流程为：(1)氢气和氧气分别过滤后通入反应熔炉，燃烧形成氢氧焰作高温热源;(2)氢气作为载流气体将鼓泡瓶中的高纯 SiCl4 通过上料管输送入反应熔炉;(3)SiCl4 在氢氧焰中高温水解或氧化生成 SiO2 微粒，并逐层沉积在旋转的基体上形成透明石英玻璃;(4)冷却后出炉引料头，通过机械拉管、 切割与酸洗得到石英玻璃成品。CVD 制得的石英玻璃 SiO2 含量可达 6N，但羟基含量超 1000ppm。若采用等离子(PCVD)代替氢氧焰加热，羟基含量可降至 5ppm;若采用低 温 CVD 沉积再进行烧结(间接合成法)，羟基含量可降至 1ppm。

　　电熔法制备石英玻璃的优点是羟基含量少，但金属杂质多;气炼法制备金属杂质少但羟基含量高;四氯化硅合成的石英玻璃杂质和羟基含量都较少，但是制备成本较高。电熔和气炼工艺均是以高纯石英砂为原料，经过 1800℃以上高温熔制成石英玻璃，由于原料纯度和熔制工艺自身的局限，所制备的石英玻璃纯度较低、存在较多气泡、杂点，技术空间提升小等缺陷，但技术成熟，是目前石英玻璃主流的制备方法。采用化学合成方法(CVD、 PCVD、两步 CVD)制备出的合成石英玻璃不但品质较高，而且以四氯化硅为原料也很好地解决了多晶硅产业副产物对环境的污染问题，但制备成本高，工艺流程较为复杂，是未来技术主要发展方向，其中两步 CVD 法克服了电熔法对原料纯度的依赖以及一步法中羟基 含量过高的缺点，为制备大尺寸低羟基石英玻璃提供了解决办法，是工业界近年来的重点发展方向。

　　石英玻璃质量主要受制备方法和工艺影响，业内领军企业均保有高技术壁垒。国际上：迈图在熔融石英行业处于领先地位，主要掌握生产熔融石英的气炼法和电熔法，占据半导体和光纤市场。贺利氏掌握气炼法制备石英玻璃技术已有 117 年，拥有完整的熔融石英预制棒生产-拉丝工艺光纤产业链，深耕光纤领域。东曹主营领域为半导体，掌握氢氧焰融、 电熔法生产熔融石英玻璃，和火焰水解合成工艺生产合成石英玻璃的技术，在半导体领域具有优势。昆希是全球唯一掌握等离子技术的企业，在半导体领域具有独特优势。我国石英玻璃制备技术与国外先进技术水平相比，在高纯度、大尺寸石英玻璃制备、熔制设备和节能控制方面还有较大差距。

　　菲利华、石英股份、亿仕达(退市)和鑫亿鼎(新三板)等国内石英材料生产企业逐步崛起，加大技术投入，缩小海外差距。菲利华：掌握电熔法、气熔法以及合成法三条工艺路线以及气炼电熔二步法生产大规模石英扩散管技术，深厚的技术积累助力菲利华的石 英材料全面布局，公司目前获得三大关键半导体设备厂商认证，产品质量获国际认可。同时，公司还是全球石英纤维主要提供商之一。石英股份：公司以电熔法工艺为主，为国内连熔技术行业标杆，在连熔生产工艺技术上创新发展，填补国内多项连熔法生产半导体级高级石英管、棒、板、筒等产品的空白。产品品质稳定，具备成本优势。公司产品通过 TEL 扩散，LAM 刻蚀环节认证，AMAT 认证也取得阶段性成果。此外，亿仕达(退市)和鑫亿鼎(新三板)均掌握石英材料生产工艺，产品应用于电光源、半导体、光伏等多个领域。

　　3.3 海外龙头占据市场主要份额，我国企业积极扩产加速替代

　　石英玻璃市场集中度高，全球 CR5 约为 74%。目前全球高端石英玻璃市场(尤其是以半导体、光通讯为主的电子级石英玻璃市场)，主要由贺利氏、迈图、东曹、昆希等海外龙头企业掌握。这些海外龙头企业历史悠久，具备独特的技术优势，各自有其擅长的领域和市场，产品附加值高、竞争力强，且在长期市场耕耘过程中，积累了较强的上下游产业渠道优势和产业规模优势。根据 IBISWorld 统计的数据，2013 年全球石英市场份额中， 美国迈图公司占比 38%、德国贺利氏占比 21%、日本东曹占比 8%，三家企业合计占比 67%。

　　半导体为石英玻璃材料主要应用领域，我国企业加速完成半导体原厂认证，加速国产替代进程。目前全球只有 6 家石英玻璃制造企业获 得 TEL 认证，其中四家为海外公司包括迈图、贺利氏、昆希、东曹，中资企业有菲利华和石英股份。我国企业菲利华目前获得三大关键半导体设备厂商认证;石英股份通过 TEL 扩散，LAM 刻蚀环节认证，AMAT 认证也取得阶段性成果，加速完成半导体原场认证将助力我国企业快速发展，推动国产替代进程。

　　石英股份大幅扩张产能，菲利华积极布局全产业链。截止 2020 年底，石英股份具备 9500 吨/年石英材料产能，近年来均处于满产状态。2019 年公司发行 3.6 亿可转债募投 6000 吨/年电子级石英材料以及 1800 吨/年石英砣产能，2021 年四季度完成扩产项目。随着扩产工程顺利落成投产，公司产能及业绩规模将再上台阶。菲利华现有天然石英产能 2500 吨，合成石英锭约 400 吨的产能。2019 年发布定增募投项目用于合成石英玻璃、 电熔石英玻璃的扩产，预计达产后石英玻璃新增收入达 2 亿元。

来源：超赢基金