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(dǎo)體，然后是光通信和光伏，當(dāng)前光伏是核心增長彈性。
高純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格昂貴，上個世紀(jì)開始，全球包括我國開始用石英礦制備高純石英砂并實現(xiàn)全面工業(yè)化生產(chǎn)。
從工藝來看，整個提純過程可概括為預(yù)處理、物理處理和化學(xué)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(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，能否對雜質(zhì)進(jìn)行極致剔除并穩(wěn)定生產(chǎn)4N級石英砂企業(yè)很少，全球主導(dǎo)企業(yè)僅3家。
那么，石英砂的技術(shù)壁壘在哪里呢？石英砂有哪些應(yīng)用領(lǐng)域？不同的應(yīng)用對純度有什么要求？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)未來經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重要力量；是建設(shè)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(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
無論是家用電器、消費電子設(shè)備、新能源汽車、還是其他電子高新技術(shù)產(chǎn)品，都對半導(dǎo)體材料有著極大的需求，而高純石英砂是半導(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)，因此對其配套的石英純度要求很高，依據(jù)GB/T 32649-2016《光伏用石英砂》標(biāo)準(zhǔn)要求，光伏用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
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，價格差異大。
高純石英砂物化特性優(yōu)異，應(yīng)用領(lǐng)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(jīng) 過提純技術(shù)生產(chǎn)。高純石英砂獨特的晶體結(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。
低、中端高純石英砂已實現(xiàn)國產(chǎn)化，高端以海外進(jìn)口為主。國內(nèi)學(xué)術(shù)界當(dāng)前將高純石英砂定義為：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)品已實現(xiàn)國產(chǎn)化，而高端產(chǎn)品則主要從海外進(jìn)口。
高純石英砂純度高，雜質(zhì)含量低于20ppm。高純石英砂中的高端產(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 石英砂系列產(chǎn)品占據(jù)全世界大部分市場，其石英產(chǎn)品純度被稱為“高純石英砂世界標(biāo)準(zhǔn)純度”。
單晶坩堝用高純石英砂標(biāo)準(zhǔn)較光伏玻璃石英砂更嚴(yán)苛
坩堝生產(chǎn)環(huán)節(jié)用高純石英砂標(biāo)準(zhǔn)較光伏玻璃石英砂更嚴(yán)苛。光伏坩堝用石英砂純度需達(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，均高于光伏玻璃石英砂98.55%的純度要求，且對雜質(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
可用于高純石英砂生產(chǎn)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(xiàn)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(chǎn)高純石英砂主要原 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(guī)模相對較小。
全球高純石英礦儲量、品質(zhì)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(chǎn)和銷售，其他國家難以發(fā)現(xiàn)類似的礦床。但近年來各國加大勘查找礦力度，已發(fā)現(xiàn)10多處可用作高純石英原 料的礦床，生產(chǎn)低-中檔高純石英砂，逐漸打破斯普魯斯派恩礦在高純石英砂產(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)量優(yōu)劣與雜質(zhì)元素含量高低不是簡單的對應(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)。
高純石英砂生產(chǎn)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(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個小時，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)的石英砂送入磁選機(jī)，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(jīng)浮選、脫水、烘 焙、冷卻、包裝，制得高純石英砂。
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，目前也僅適于實驗室的研制，大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)困難。
提純檢測：國外領(lǐng)先，國內(nèi)企業(yè)追趕。
海外巨頭擁有更完整的研發(fā)、檢測體系，在產(chǎn)品穩(wěn)定批量供應(yīng)方面具備領(lǐng)先優(yōu)勢。
檢測技術(shù)：試劑純度、加工環(huán)節(jié)的材料、生產(chǎn)環(huán)境對產(chǎn)品品質(zhì)有影響，每個環(huán)節(jié)的在線檢測可以有效把控產(chǎn)品品質(zhì)。對于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）檢測難以滿足其質(zhì)量檢測要求。目前ICP-OES 已經(jīng)成為檢測高純物料微量化學(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(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。1989-2000年，此階段主要是在引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)吸收消化的基礎(chǔ)上實現(xiàn)國有化。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(nèi)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(nèi)表層是指透明層中最靠近內(nèi)表面1- 2mm的部分。坩堝對硅液起作用的機(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(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。硅片大型化趨勢下，石英坩堝尺 寸不斷增大，重量也相應(yīng)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(yù)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(jī)量提升+N型占比提升驅(qū)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(yù)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(jìn)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(jié)構(gòu)升級望貢獻(xiàn)高純石英砂行業(yè)增量。
石英股份產(chǎn)品價格有望繼續(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)層砂均價更高，有望帶動整體均價提升。
5、“兩家海外+國內(nèi)一大”格局，石英股份國產(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)高純石英砂的能力，形成“兩家海外+國內(nèi)一大”的格局。國內(nèi)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(wěn)定批量供應(yīng)。
外層砂已基本實現(xiàn)國產(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石英砂仍以外層砂為主，我們預(yù)計石英股份在中內(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21年石英股份外層砂份額約50%，中內(nèi)層砂份額約8%。
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