磁盤空間不足。 磁盤空間不足。 一文解析高純石英砂的應用范圍、純度要求、技術壁壘和行業格局-新聞中心-廣西詠玖礦業有限公司
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        一文解析高純石英砂的應用范圍、純度要求、技術壁壘和行業格局
        發表時間:2023-09-13 11:44:05

        高純石英砂一般是指二氧化硅含量高于99.9%的石英砂 ,是由天然水晶、石英砂巖、脈石英、花崗巖石英等經過精選和加工提純而成。高純石英砂具有極好的化學穩定性、高絕緣耐壓能力和極低的體膨脹系數,被廣泛應用于新一代信息技術、新材料產業、節能環保產業等戰略性新興產業 。

        高純石英砂對SiO2純度要求極高,幾乎不允許鐵、鈦、鉻、鋯、鋰、鉀、鈉等金屬離子和包裹體羥基存在。石英材料本身最大下游是半導體,然后是光通信和光伏,當前光伏是核心增長彈性。

        高純石英砂過去主要由水晶進行加工提純,但考慮到水晶稀缺性及價格昂貴,上個世紀開始,全球包括我國開始用石英礦制備高純石英砂并實現全面工業化生產。

        從工藝來看,整個提純過程可概括為預處理、物理處理和化學處理三個過程,具體為采用破碎、磨礦、篩分、磁選、酸洗、氯化焙燒等多種選礦方法。但是,考慮到技術水平及工藝差異,不同企業產品品質存在較大差異,能否對雜質進行極致剔除并穩定生產4N級石英砂企業很少,全球主導企業僅3家。

        那么,石英砂的技術壁壘在哪里呢?石英砂有哪些應用領域?不同的應用對純度有什么要求?行業格局如何?

        1、應用領域廣泛

        半導體、光伏、電光源、光通訊等行業和領域是支撐戰略性新興產業發展的重要領域,是引導未來經濟社會發展的重要力量;是建設重大工程、改善民生、鞏固國防軍工的重要保障。由高純石英砂生產的石英管、單晶石英坩堝及石英器件等石英制品,是這些領域不可或缺的重要支撐材料,也是高純石英制品附加值最高的應用領域。

        半導體領域

        無論是家用電器、消費電子設備、新能源汽車、還是其他電子高新技術產品,都對半導體材料有著極大的需求,而高純石英砂是半導體集成電路行業重要的戰略性核心原材料之一。

        集成電路產業鏈的芯片制造環節主要分為硅片制造—晶圓制造—芯片制造,各工序中使用的高純石英材料主要包括硅片制造環節拉制單晶硅棒的石英坩堝、晶圓制造環節石英玻璃擴散管以極擴管配套的石英法蘭、石英玻璃爐管、石英舟等石英玻璃器具、芯片制造環節光刻、刻蝕和薄膜沉淀使用的光掩膜基板等。

        光伏領域

        高純石英是光伏領域的關鍵原材料之一,多用于多晶硅、單晶硅光伏生產用的擴散管、承載器及電弧法坩堝等石英制品。光伏行業制備的單晶硅和多晶硅都是高純物質,因此對其配套的石英純度要求很高,依據GB/T 32649-2016《光伏用石英砂》標準要求,光伏用石英砂二氧化硅含量應大于或等于99.99%,雜質元素總含量應小于或等于25μg/g。

        電光源領域

        高純石英砂是光學玻璃的主要原料,由于具有穩定的光學性質、高度光學均勻性和優良的耐高溫性能,在光傳輸、光儲存、光電顯示和特種光源領域應用廣泛,多用于生產紫外管,高純石英管,透明管燈,光學儀器或機械系統的特種光學制品。

        光通訊領域

        光纖通信在信息高速公路建設中扮演著至關重要的角色,由于抗干擾性高,速度快,傳輸容量大,光纖通信已經成為現代通訊的重要支柱。石英光纖由于其成熟的技術和優良的性能被廣泛應用,石英光纖的傳光光譜是由芯層的石英材質決定的,因此,高純石英在石英光纖中具有重要的地位。

        2、不同應用的純度要求不同

        石英砂物化特性優異,各純度標準產品應用領域不同,價格差異大。

        高純石英砂物化特性優異,應用領域廣泛。高純石英砂通常是指w(SiO2 )>99.9%的石英粉體,一般由高品位的天然石英礦物經 過提純技術生產。高純石英砂獨特的晶體結構和晶格變化規律,使其具有耐高溫、熱膨脹系數小、高度絕緣、耐腐蝕等特點。

        低、中端高純石英砂已實現國產化,高端以海外進口為主。國內學術界當前將高純石英砂定義為:SiO2含量>99.9%,Fe2O3 含量<10ppm,Al2O3含量<25ppm的石英產品。按產品標準可細分為低端(3N)、中端(4N) 、高端(4N8)產品,低、中 端產品已實現國產化,而高端產品則主要從海外進口。

        高純石英砂純度高,雜質含量低于20ppm。高純石英砂中的高端產品是以尤尼明(北美)公司的IOTA-STD為標準, 十二種元素雜質的含量小于20ppm,其中堿金屬(K,Na,Li)分別小于1ppm的高技術產品。尤尼明公司生產的高純 石英砂系列產品占據全世界大部分市場,其石英產品純度被稱為“高純石英砂世界標準純度”。

        單晶坩堝用高純石英砂標準較光伏玻璃石英砂更嚴苛

        坩堝生產環節用高純石英砂標準較光伏玻璃石英砂更嚴苛。光伏坩堝用石英砂純度需達到99.998%,光伏生產環節用 (如清洗環節)石英制品純度要求為99.99%以上,均高于光伏玻璃石英砂98.55%的純度要求,且對雜質含量要求標準也 遠高于光伏玻璃。

        坩堝環節為保證坩堝熔制效果,嚴格控制各金屬雜質含量。若高純石英砂純度不足:1)熔制過程造成坩堝本身形變,導 致坩堝使用壽命降低;2)影響拉制單晶硅的純度,從而導致硅棒良品率的降低。

        3、“原礦”資源屬性+“提純”工藝筑行業壁壘

        可用于高純石英砂生產的礦品類有限

        高純石英砂礦源以花崗巖石英、脈石英為主。天然水晶純度較高、包裹體少,曾是高純石英原料,現在主要用作水晶 工藝原料;天然水晶儲量少且分布不均勻,我國高品位水晶較少。目前花崗巖石英和脈石英為生產高純石英砂主要原 料,其中花崗巖石英礦床規模大,石英純度高,但石英含量較低,偉晶巖含有大約40%的更長石、25%石英、20%微 斜長石(一般為條紋長石)和15%的白云母;脈石英礦床分布廣泛,但規模相對較小。

        全球高純石英礦儲量、品質分布不均

        全球高純石英原料礦床分布于美國、挪威、澳大利亞、俄羅斯、毛里塔尼亞、中國、加拿大、印度、巴西等9個國家。

        美國斯普魯斯派恩礦擁有獨特的白崗巖型高純石英原料礦,曾提供全球90%的高純石英砂,尤尼明公司也壟斷了IOTA超純 石英的生產和銷售,其他國家難以發現類似的礦床。但近年來各國加大勘查找礦力度,已發現10多處可用作高純石英原 料的礦床,生產低-中檔高純石英砂,逐漸打破斯普魯斯派恩礦在高純石英砂產業的壟斷格局。

        原礦優劣與純度、包裹體特征、元素存在形式有關

        原礦要求高:質量優劣與雜質元素含量高低不是簡單的對應關系,而與原料包裹體特征、元素的賦存狀態和存在形式有關。

        高純石英砂生產方式主要采用礦物提純法

        高純石英砂提純法主要工藝流程為:原礦硅石經洗礦機洗去泥沙 , 破碎 機粗破后,將合格石英料投入焙燒爐中,在850℃~980℃溫度下焙燒6個小時,焙燒后將石英料拖入清水中進行水淬,再經人工揀選出去除雜質后送入破碎機進行破碎并過篩,再將通過篩網的石英砂送入磁選機,磁選后石英砂投入 到配有HCl和HF混合酸的酸缸中浸泡一周,再經浮選、脫水、烘 焙、冷卻、包裝,制得高純石英砂。

        化學合成法:包含氣相合成法、液相合成法、氟硅酸法等。

        化學合成法技術路線包含氣相合成法、液相合成法、氟硅酸法等。合成石英具有純度更高(6N)、光學性能更優等特 性,正逐步成為 7 納米以下的半導體產品生產中的替代材料。

        氣相法:以SiCl4等為原料,在氫-氧氣流高溫下(1200-1600℃)水解制得煙霧狀的SiO2,經冷卻、分離、脫酸等過程 后即得到成品的SiO2顆粒。通過控制溫度、分兩步的氣相水解方法制備合成SiO2粉,但其技術工藝較復雜,效率低, 技術還不成熟,目前也僅適于實驗室的研制,大規模工業化生產困難。

        提純檢測:國外領先,國內企業追趕。

        海外巨頭擁有更完整的研發、檢測體系,在產品穩定批量供應方面具備領先優勢。

        檢測技術:試劑純度、加工環節的材料、生產環境對產品品質有影響,每個環節的在線檢測可以有效把控產品品質。對于IOTA標準的高純石英,化學分析法和X射線熒光光譜法(XRF)檢測難以滿足其質量檢測要求。目前ICP-OES 已經成為檢測高純物料微量化學成分的有效方法。

        4、供需有望保持緊平衡,價格仍有提升空間

        石英坩堝是拉制單晶硅的耗材

        石英坩堝:是光伏單晶爐的關鍵部件,是拉制大直徑單晶硅的消耗性器皿,主要用于盛裝熔融硅并制成后續工序所需晶 棒。1978-1988年,我國的電弧法石英坩堝、高純涂層坩堝同激光用石英玻璃、高純耐高溫石英玻璃管等石英制品已完成 研制并實現規?;a。1989-2000年,此階段主要是在引進國外先進技術吸收消化的基礎上實現國有化。2000年以后, 隨著技術進步,坩堝尺寸從12英寸一直發展到32英寸,少數企業已達到40英寸。

        石英坩堝分為內中外三層,中內層占比約30%-40%。

        坩堝結構:石英坩堝分為外層(不透明層)、中內層(真空透明層)。外層(不透明層)內部含有大量氣泡,受熱均 勻,保溫效果好;中內層(透明層)均勻致密、表面光滑,可以增強坩堝的強度(抗變形),降低內表面的溫度(防 失透)。根據每家坩堝廠商配方差異,中內層砂占比30%-40%不等。

        石英坩堝中內層對高純石英砂高純、低鋁、低堿、抗析晶的要求更高。

        石英坩堝中內層對高純石英砂高純、低鋁、低堿、抗析晶的要求更高。坩堝最內表層是指透明層中最靠近內表面1- 2mm的部分。坩堝對硅液起作用的機理是,由于與硅液接觸的內表面不斷向硅液中熔解,并且伴隨著透明層中的微氣 泡不斷的長大,靠近最內表面的氣泡破裂,伴隨著硅液釋放石英微顆粒以及微氣泡。而這些雜質會以微顆粒以及微氣 泡的形式伴隨著硅液流遍整個硅熔體,直接影響到硅的成晶(整棒率、成晶率、加熱時間、直接加工成本等)以及單 晶硅的質量(穿孔片、黑芯片等)。

        石英坩堝尺寸大型化,壽命不斷提升。

        石英坩堝尺寸大型化:根據歐晶科技招股說明書,單只28英寸單晶坩堝重量超40kg。硅片大型化趨勢下,石英坩堝尺 寸不斷增大,重量也相應增加。同時考慮到在相同尺寸下,坩堝厚度、高度等也有差異,我們預計32英寸坩堝重量約 70-80kg,36英寸坩堝重量約90-100kg。

        全球裝機量提升+N型占比提升驅動需求快速增長。

        N型硅片占比提升:N型單晶電池效率更高,預計2030年占比有望提升至50%。而N型硅片對于多晶硅原料以及部分輔材 的純度要求更高,N 型硅片更換石英坩堝頻率更高,進而對高純石英砂的需求量更高。因此,除了光伏下游總量的提升, 結構升級望貢獻高純石英砂行業增量。

        石英股份產品價格有望繼續提升。一方面,行業供需緊平衡下,行業整體均價有所抬升;另一方面,石英股份中內層砂占比有望逐步提升,而中內層砂均價更高,有望帶動整體均價提升。

        5、“兩家海外+國內一大”格局,石英股份國產化率提速

        目前全球僅尤尼明、TQC、石英股份三家企業具備量產高純石英砂的能力,形成“兩家海外+國內一大”的格局。國內其他有江蘇陽山、東海幾家小工廠、 遼寧錦州幾家小廠、凱盛石英太湖公司等,但無法穩定批量供應。

        外層砂已基本實現國產替代,中內層砂產品和客戶認可度逐步提升。目前石英股份的高純石英砂仍以外層砂為主,我們預計石英股份在中內層砂質量以及客戶認可度上均有提升,并有望逐步提高中內層砂的滲透率。我們預計21年石英股份外層砂份額約50%,中內層砂份額約8%。

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