一文解析高純商洛石英砂的應(yīng)用范圍、純度要求、技術(shù)壁壘和行業(yè)格局

* 接口名稱 : 石英石網(wǎng) * 作者 : admin * 發(fā)表時(shí)間 : 2023-09-13 11:44:05 * 瀏覽 : 169

高純商洛石英砂一般是指二氧化硅含量高于99.9%的商洛石英砂 ,是由天然水晶、商洛石英砂巖、脈石英、花崗巖石英等經(jīng)過精選和加工提純而成。高純商洛石英砂具有極好的化學(xué)穩(wěn)定性、高絕緣耐壓能力和極低的體膨脹系數(shù),被廣泛應(yīng)用于新一代信息技術(shù)、新材料產(chǎn)業(yè)、節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè) 。

高純商洛石英砂對(duì)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(dǎo)體,然后是光通信和光伏,當(dāng)前光伏是核心增長(zhǎng)彈性。

高純商洛石英砂過去主要由水晶進(jìn)行加工提純,但考慮到水晶稀缺性及價(jià)格昂貴,上個(gè)世紀(jì)開始,全球包括我國(guó)開始用石英礦制備高純商洛石英砂并實(shí)現(xiàn)全面工業(yè)化生產(chǎn)。

從工藝來(lái)看,整個(gè)提純過程可概括為預(yù)處理、物理處理和化學(xué)處理三個(gè)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(shù)水平及工藝差異,不同企業(yè)產(chǎn)品品質(zhì)存在較大差異,能否對(duì)雜質(zhì)進(jìn)行極致剔除并穩(wěn)定生產(chǎn)4N級(jí)商洛石英砂企業(yè)很少,全球主導(dǎo)企業(yè)僅3家。

那么,商洛石英砂的技術(shù)壁壘在哪里呢?商洛石英砂有哪些應(yīng)用領(lǐng)域?不同的應(yīng)用對(duì)純度有什么要求?行業(yè)格局如何?

1、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

半導(dǎo)體、光伏、電光源、光通訊等行業(yè)和領(lǐng)域是支撐戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要領(lǐng)域,是引導(dǎo)未來(lái)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要力量;是建設(shè)重大工程、改善民生、鞏固國(guó)防軍工的重要保障。由高純商洛石英砂生產(chǎn)的石英管、單晶石英坩堝及石英器件等石英制品,是這些領(lǐng)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(yīng)用領(lǐng)域。

半導(dǎo)體領(lǐng)域

無(wú)論是家用電器、消費(fèi)電子設(shè)備、新能源汽車、還是其他電子高新技術(shù)產(chǎn)品,都對(duì)半導(dǎo)體材料有著極大的需求,而高純商洛石英砂是半導(dǎo)體集成電路行業(yè)重要的戰(zhàn)略性核心原材料之一。

集成電路產(chǎn)業(yè)鏈的芯片制造環(huán)節(jié)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(huán)節(jié)拉制單晶硅棒的石英坩堝、晶圓制造環(huán)節(jié)石英玻璃擴(kuò)散管以極擴(kuò)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(huán)節(jié)光刻、刻蝕和薄膜沉淀使用的光掩膜基板等。

光伏領(lǐng)域

高純石英是光伏領(lǐng)域的關(guān)鍵原材料之一,多用于多晶硅、單晶硅光伏生產(chǎn)用的擴(kuò)散管、承載器及電弧法坩堝等石英制品。光伏行業(yè)制備的單晶硅和多晶硅都是高純物質(zhì),因此對(duì)其配套的石英純度要求很高,依據(jù)GB/T 32649-2016《光伏用商洛石英砂》標(biāo)準(zhǔn)要求,光伏用商洛石英砂二氧化硅含量應(yīng)大于或等于99.99%,雜質(zhì)元素總含量應(yīng)小于或等于25μg/g。

電光源領(lǐng)域

高純商洛石英砂是光學(xué)玻璃的主要原料,由于具有穩(wěn)定的光學(xué)性質(zhì)、高度光學(xué)均勻性和優(yōu)良的耐高溫性能,在光傳輸、光儲(chǔ)存、光電顯示和特種光源領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,多用于生產(chǎn)紫外管,高純石英管,透明管燈,光學(xué)儀器或機(jī)械系統(tǒng)的特種光學(xué)制品。

光通訊領(lǐng)域

光纖通信在信息高速公路建設(shè)中扮演著至關(guān)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(jīng)成為現(xiàn)代通訊的重要支柱。石英光纖由于其成熟的技術(shù)和優(yōu)良的性能被廣泛應(yīng)用,石英光纖的傳光光譜是由芯層的石英材質(zhì)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(yīng)用的純度要求不同

商洛石英砂物化特性優(yōu)異,各純度標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域不同,價(jià)格差異大。

高純商洛石英砂物化特性優(yōu)異,應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。高純商洛石英砂通常是指w(SiO2 )>99.9%的石英粉體,一般由高品位的天然石英礦物經(jīng) 過提純技術(shù)生產(chǎn)。高純商洛石英砂獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)和晶格變化規(guī)律,使其具有耐高溫、熱膨脹系數(shù)小、高度絕緣、耐腐蝕等特點(diǎn)。

低、中端高純商洛石英砂已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化,高端以海外進(jìn)口為主。國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)界當(dāng)前將高純商洛石英砂定義為:SiO2含量>99.9%,F(xiàn)e2O3 含量<10ppm,Al2O3含量<25ppm的石英產(chǎn)品。按產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)可細(xì)分為低端(3N)、中端(4N) 、高端(4N8)產(chǎn)品,低、中 端產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化,而高端產(chǎn)品則主要從海外進(jìn)口。

高純商洛石英砂純度高,雜質(zhì)含量低于20ppm。高純商洛石英砂中的高端產(chǎn)品是以尤尼明(北美)公司的IOTA-STD為標(biāo)準(zhǔn), 十二種元素雜質(zhì)的含量小于20ppm,其中堿金屬(K,Na,Li)分別小于1ppm的高技術(shù)產(chǎn)品。尤尼明公司生產(chǎn)的高純 商洛石英砂系列產(chǎn)品占據(jù)全世界大部分市場(chǎng),其石英產(chǎn)品純度被稱為“高純商洛石英砂世界標(biāo)準(zhǔn)純度”。

單晶坩堝用高純商洛石英砂標(biāo)準(zhǔn)較光伏玻璃商洛石英砂更嚴(yán)苛

坩堝生產(chǎn)環(huán)節(jié)用高純商洛石英砂標(biāo)準(zhǔn)較光伏玻璃商洛石英砂更嚴(yán)苛。光伏坩堝用商洛石英砂純度需達(dá)到99.998%,光伏生產(chǎn)環(huán)節(jié)用 (如清洗環(huán)節(jié))石英制品純度要求為99.99%以上,均高于光伏玻璃商洛石英砂98.55%的純度要求,且對(duì)雜質(zhì)含量要求標(biāo)準(zhǔn)也 遠(yuǎn)高于光伏玻璃。

坩堝環(huán)節(jié)為保證坩堝熔制效果,嚴(yán)格控制各金屬雜質(zhì)含量。若高純商洛石英砂純度不足:1)熔制過程造成坩堝本身形變,導(dǎo) 致坩堝使用壽命降低;2)影響拉制單晶硅的純度,從而導(dǎo)致硅棒良品率的降低。

3、“原礦”資源屬性+“提純”工藝筑行業(yè)壁壘

可用于高純商洛石英砂生產(chǎn)的礦品類有限

高純商洛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(xiàn)在主要用作水晶 工藝原料;天然水晶儲(chǔ)量少且分布不均勻,我國(guó)高品位水晶較少。目前花崗巖石英和脈石英為生產(chǎn)高純商洛石英砂主要原 料,其中花崗巖石英礦床規(guī)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(zhǎng)石、25%石英、20%微 斜長(zhǎng)石(一般為條紋長(zhǎng)石)和15%的白云母;脈石英礦床分布廣泛,但規(guī)模相對(duì)較小。

全球高純石英礦儲(chǔ)量、品質(zhì)分布不均

全球高純石英原料礦床分布于美國(guó)、挪威、澳大利亞、俄羅斯、毛里塔尼亞、中國(guó)、加拿大、印度、巴西等9個(gè)國(guó)家。

美國(guó)斯普魯斯派恩礦擁有獨(dú)特的白崗巖型高純石英原料礦,曾提供全球90%的高純商洛石英砂,尤尼明公司也壟斷了IOTA超純 石英的生產(chǎn)和銷售,其他國(guó)家難以發(fā)現(xiàn)類似的礦床。但近年來(lái)各國(guó)加大勘查找礦力度,已發(fā)現(xiàn)10多處可用作高純石英原 料的礦床,生產(chǎn)低-中檔高純商洛石英砂,逐漸打破斯普魯斯派恩礦在高純商洛石英砂產(chǎn)業(yè)的壟斷格局。

原礦優(yōu)劣與純度、包裹體特征、元素存在形式有關(guān)

原礦要求高:質(zhì)量?jī)?yōu)劣與雜質(zhì)元素含量高低不是簡(jiǎn)單的對(duì)應(yīng)關(guān)系,而與原料包裹體特征、元素的賦存狀態(tài)和存在形式有關(guān)。

高純商洛石英砂生產(chǎn)方式主要采用礦物提純法

高純商洛石英砂提純法主要工藝流程為:原礦硅石經(jīng)洗礦機(jī)洗去泥沙 , 破碎 機(jī)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(gè)小時(shí),焙燒后將石英料拖入清水中進(jìn)行水淬,再經(jīng)人工揀選出去除雜質(zhì)后送入破碎機(jī)進(jìn)行破碎并過篩,再將通過篩網(wǎng)的商洛石英砂送入磁選機(jī),磁選后商洛石英砂投入 到配有HCl和HF混合酸的酸缸中浸泡一周,再經(jīng)浮選、脫水、烘 焙、冷卻、包裝,制得高純商洛石英砂。

化學(xué)合成法:包含氣相合成法、液相合成法、氟硅酸法等。

化學(xué)合成法技術(shù)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(xué)性能更優(yōu)等特 性,正逐步成為 7 納米以下的半導(dǎo)體產(chǎn)品生產(chǎn)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(jīng)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(shù)工藝較復(fù)雜,效率低, 技術(shù)還不成熟,目前也僅適于實(shí)驗(yàn)室的研制,大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)困難。

提純檢測(cè):國(guó)外領(lǐng)先,國(guó)內(nèi)企業(yè)追趕。

海外巨頭擁有更完整的研發(fā)、檢測(cè)體系,在產(chǎn)品穩(wěn)定批量供應(yīng)方面具備領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。

檢測(cè)技術(shù):試劑純度、加工環(huán)節(jié)的材料、生產(chǎn)環(huán)境對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)有影響,每個(gè)環(huán)節(jié)的在線檢測(cè)可以有效把控產(chǎn)品品質(zhì)。對(duì)于IOTA標(biāo)準(zhǔn)的高純石英,化學(xué)分析法和X射線熒光光譜法(XRF)檢測(cè)難以滿足其質(zhì)量檢測(cè)要求。目前ICP-OES 已經(jīng)成為檢測(cè)高純物料微量化學(xué)成分的有效方法。

4、供需有望保持緊平衡,價(jià)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(guān)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(xù)工序所需晶 棒。1978-1988年,我國(guó)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(shí)現(xiàn)規(guī)?;a(chǎn)。1989-2000年,此階段主要是在引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)吸收消化的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)國(guó)有化。2000年以后, 隨著技術(shù)進(jìn)步,坩堝尺寸從12英寸一直發(fā)展到32英寸,少數(shù)企業(yè)已達(dá)到40英寸。

石英坩堝分為內(nèi)中外三層,中內(nèi)層占比約30%-40%。

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

石英坩堝中內(nèi)層對(duì)高純商洛石英砂高純、低鋁、低堿、抗析晶的要求更高。

石英坩堝中內(nèi)層對(duì)高純商洛石英砂高純、低鋁、低堿、抗析晶的要求更高。坩堝最內(nèi)表層是指透明層中最靠近內(nèi)表面1- 2mm的部分。坩堝對(duì)硅液起作用的機(jī)理是,由于與硅液接觸的內(nèi)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(zhǎng)大,靠近最內(nèi)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(zhì)會(huì)以微顆粒以及微氣 泡的形式伴隨著硅液流遍整個(gè)硅熔體,直接影響到硅的成晶(整棒率、成晶率、加熱時(shí)間、直接加工成本等)以及單 晶硅的質(zhì)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(jù)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(shì)下,石英坩堝尺 寸不斷增大,重量也相應(yīng)增加。同時(shí)考慮到在相同尺寸下,坩堝厚度、高度等也有差異,我們預(yù)計(jì)32英寸坩堝重量約 70-80kg,36英寸坩堝重量約90-100kg。

全球裝機(jī)量提升+N型占比提升驅(qū)動(dòng)需求快速增長(zhǎng)。

N型硅片占比提升:N型單晶電池效率更高,預(yù)計(jì)2030年占比有望提升至50%。而N型硅片對(duì)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(jìn)而對(duì)高純商洛石英砂的需求量更高。因此,除了光伏下游總量的提升, 結(jié)構(gòu)升級(jí)望貢獻(xiàn)高純商洛石英砂行業(yè)增量。

石英股份產(chǎn)品價(jià)格有望繼續(xù)提升。一方面,行業(yè)供需緊平衡下,行業(yè)整體均價(jià)有所抬升;另一方面,石英股份中內(nèi)層砂占比有望逐步提升,而中內(nèi)層砂均價(jià)更高,有望帶動(dòng)整體均價(jià)提升。

5、“兩家海外+國(guó)內(nèi)一大”格局,石英股份國(guó)產(chǎn)化率提速

目前全球僅尤尼明、TQC、石英股份三家企業(yè)具備量產(chǎn)高純商洛石英砂的能力,形成“兩家海外+國(guó)內(nèi)一大”的格局。國(guó)內(nèi)其他有江蘇陽(yáng)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(wú)法穩(wěn)定批量供應(yīng)。

外層砂已基本實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)替代,中內(nèi)層砂產(chǎn)品和客戶認(rèn)可度逐步提升。目前石英股份的高純商洛石英砂仍以外層砂為主,我們預(yù)計(jì)石英股份在中內(nèi)層砂質(zhì)量以及客戶認(rèn)可度上均有提升,并有望逐步提高中內(nèi)層砂的滲透率。我們預(yù)計(jì)21年石英股份外層砂份額約50%,中內(nèi)層砂份額約8%。