一文解析高纯石英砂的应用范围、纯度要求、技术壁垒和行业格局
高纯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、石英砂岩、脉石英、花岗岩石英等经过精选和加工提纯而成。高纯石英砂具有极好的化学稳定性、高绝缘耐压能力和极低的体膨胀系数，被广泛应用于新一代信息技术、新材料产业、节能环保产业等战略性新兴产业 。
高纯石英砂对SiO2纯度要求极高，几乎不允许铁、钛、铬、锆、锂、钾、钠等金属离子和包裹体羟基存在。石英材料本身最大下游是半导体，然后是光通信和光伏，当前光伏是核心增长弹性。
高纯石英砂过去主要由水晶进行加工提纯，但考虑到水晶稀缺性及价格昂贵，上个世纪开始，全球包括我国开始用石英矿制备高纯石英砂并实现全面工业化生产。
从工艺来看，整个提纯过程可概括为预处理、物理处理和化学处理三个过程，具体为采用破碎、磨矿、筛分、磁选、酸洗、氯化焙烧等多种选矿方法。但是，考虑到技术水平及工艺差异，不同企业产品品质存在较大差异，能否对杂质进行极致剔除并稳定生产4N级石英砂企业很少，全球主导企业仅3家。
那么，石英砂的技术壁垒在哪里呢？石英砂有哪些应用领域？不同的应用对纯度有什么要求？行业格局如何？
1、应用领域广泛
半导体、光伏、电光源、光通讯等行业和领域是支撑战略性新兴产业发展的重要领域，是引导未来经济社会发展的重要力量；是建设重大工程、改善民生、巩固国防军工的重要保障。由高纯石英砂生产的石英管、单晶石英坩埚及石英器件等石英制品，是这些领域不可或缺的重要支撑材料，也是高纯石英制品附加值最高的应用领域。
半导体领域
无论是家用电器、消费电子设备、新能源汽车、还是其他电子高新技术产品，都对半导体材料有着极大的需求，而高纯石英砂是半导体集成电路行业重要的战略性核心原材料之一。
集成电路产业链的芯片制造环节主要分为硅片制造—晶圆制造—芯片制造，各工序中使用的高纯石英材料主要包括硅片制造环节拉制单晶硅棒的石英坩埚、晶圆制造环节石英玻璃扩散管以极扩管配套的石英法兰、石英玻璃炉管、石英舟等石英玻璃器具、芯片制造环节光刻、刻蚀和薄膜沉淀使用的光掩膜基板等。
光伏领域
高纯石英是光伏领域的关键原材料之一，多用于多晶硅、单晶硅光伏生产用的扩散管、承载器及电弧法坩埚等石英制品。光伏行业制备的单晶硅和多晶硅都是高纯物质，因此对其配套的石英纯度要求很高，依据GB/T 32649-2016《光伏用石英砂》标准要求，光伏用石英砂二氧化硅含量应大于或等于99.99%，杂质元素总含量应小于或等于25μg/g。
电光源领域
高纯石英砂是光学玻璃的主要原料，由于具有稳定的光学性质、高度光学均匀性和优良的耐高温性能，在光传输、光储存、光电显示和特种光源领域应用广泛，多用于生产紫外管，高纯石英管，透明管灯，光学仪器或机械系统的特种光学制品。
光通讯领域
光纤通信在信息高速公路建设中扮演着至关重要的角色，由于抗干扰性高，速度快，传输容量大，光纤通信已经成为现代通讯的重要支柱。石英光纤由于其成熟的技术和优良的性能被广泛应用，石英光纤的传光光谱是由芯层的石英材质决定的，因此，高纯石英在石英光纤中具有重要的地位。
2、不同应用的纯度要求不同
石英砂物化特性优异，各纯度标准产品应用领域不同，价格差异大。
高纯石英砂物化特性优异，应用领域广泛。高纯石英砂通常是指w(SiO2 )>99.9%的石英粉体，一般由高品位的天然石英矿物经 过提纯技术生产。高纯石英砂独特的晶体结构和晶格变化规律，使其具有耐高温、热膨胀系数小、高度绝缘、耐腐蚀等特点。
低、中端高纯石英砂已实现国产化，高端以海外进口为主。国内学术界当前将高纯石英砂定义为：SiO2含量＞99.9%，Fe2O3 含量＜10ppm，Al2O3含量＜25ppm的石英产品。按产品标准可细分为低端（3N）、中端（4N） 、高端（4N8）产品，低、中 端产品已实现国产化，而高端产品则主要从海外进口。
高纯石英砂纯度高，杂质含量低于20ppm。高纯石英砂中的高端产品是以尤尼明（北美）公司的IOTA-STD为标准， 十二种元素杂质的含量小于20ppm，其中碱金属（K，Na，Li）分别小于1ppm的高技术产品。尤尼明公司生产的高纯 石英砂系列产品占据全世界大部分市场，其石英产品纯度被称为“高纯石英砂世界标准纯度”。
单晶坩埚用高纯石英砂标准较光伏玻璃石英砂更严苛
坩埚生产环节用高纯石英砂标准较光伏玻璃石英砂更严苛。光伏坩埚用石英砂纯度需达到99.998%，光伏生产环节用 （如清洗环节）石英制品纯度要求为99.99%以上，均高于光伏玻璃石英砂98.55%的纯度要求，且对杂质含量要求标准也 远高于光伏玻璃。
坩埚环节为保证坩埚熔制效果，严格控制各金属杂质含量。若高纯石英砂纯度不足：1）熔制过程造成坩埚本身形变，导 致坩埚使用寿命降低；2）影响拉制单晶硅的纯度，从而导致硅棒良品率的降低。
3、“原矿”资源属性+“提纯”工艺筑行业壁垒
可用于高纯石英砂生产的矿品类有限
高纯石英砂矿源以花岗岩石英、脉石英为主。天然水晶纯度较高、包裹体少，曾是高纯石英原料，现在主要用作水晶 工艺原料；天然水晶储量少且分布不均匀，我国高品位水晶较少。目前花岗岩石英和脉石英为生产高纯石英砂主要原 料，其中花岗岩石英矿床规模大，石英纯度高，但石英含量较低，伟晶岩含有大约40%的更长石、25%石英、20%微 斜长石（一般为条纹长石）和15%的白云母；脉石英矿床分布广泛，但规模相对较小。
全球高纯石英矿储量、品质分布不均
全球高纯石英原料矿床分布于美国、挪威、澳大利亚、俄罗斯、毛里塔尼亚、中国、加拿大、印度、巴西等9个国家。
美国斯普鲁斯派恩矿拥有独特的白岗岩型高纯石英原料矿，曾提供全球90%的高纯石英砂，尤尼明公司也垄断了IOTA超纯 石英的生产和销售，其他国家难以发现类似的矿床。但近年来各国加大勘查找矿力度，已发现10多处可用作高纯石英原 料的矿床，生产低-中档高纯石英砂，逐渐打破斯普鲁斯派恩矿在高纯石英砂产业的垄断格局。
原矿优劣与纯度、包裹体特征、元素存在形式有关
原矿要求高：质量优劣与杂质元素含量高低不是简单的对应关系，而与原料包裹体特征、元素的赋存状态和存在形式有关。
高纯石英砂生产方式主要采用矿物提纯法
高纯石英砂提纯法主要工艺流程为：原矿硅石经洗矿机洗去泥沙 ， 破碎 机粗破后，将合格石英料投入焙烧炉中，在850℃~980℃温度下焙烧6个小时，焙烧后将石英料拖入清水中进行水淬，再经人工拣选出去除杂质后送入破碎机进行破碎并过筛，再将通过筛网的石英砂送入磁选机，磁选后石英砂投入 到配有HCl和HF混合酸的酸缸中浸泡一周，再经浮选、脱水、烘 焙、冷却、包装，制得高纯石英砂。
化学合成法：包含气相合成法、液相合成法、氟硅酸法等。
化学合成法技术路线包含气相合成法、液相合成法、氟硅酸法等。合成石英具有纯度更高（6N）、光学性能更优等特 性，正逐步成为 7 纳米以下的半导体产品生产中的替代材料。
气相法：以SiCl4等为原料，在氢-氧气流高温下（1200-1600℃）水解制得烟雾状的SiO2，经冷却、分离、脱酸等过程 后即得到成品的SiO2颗粒。通过控制温度、分两步的气相水解方法制备合成SiO2粉，但其技术工艺较复杂，效率低， 技术还不成熟，目前也仅适于实验室的研制，大规模工业化生产困难。
提纯检测：国外领先，国内企业追赶。
海外巨头拥有更完整的研发、检测体系，在产品稳定批量供应方面具备领先优势。
检测技术：试剂纯度、加工环节的材料、生产环境对产品品质有影响，每个环节的在线检测可以有效把控产品品质。对于IOTA标准的高纯石英，化学分析法和X射线荧光光谱法（XRF）检测难以满足其质量检测要求。目前ICP-OES 已经成为检测高纯物料微量化学成分的有效方法。
4、供需有望保持紧平衡，价格仍有提升空间
石英坩埚是拉制单晶硅的耗材
石英坩埚：是光伏单晶炉的关键部件，是拉制大直径单晶硅的消耗性器皿，主要用于盛装熔融硅并制成后续工序所需晶 棒。1978-1988年，我国的电弧法石英坩埚、高纯涂层坩埚同激光用石英玻璃、高纯耐高温石英玻璃管等石英制品已完成 研制并实现规模化生产。1989-2000年，此阶段主要是在引进国外先进技术吸收消化的基础上实现国有化。2000年以后， 随着技术进步，坩埚尺寸从12英寸一直发展到32英寸，少数企业已达到40英寸。
石英坩埚分为内中外三层，中内层占比约30%-40%。
坩埚结构：石英坩埚分为外层（不透明层）、中内层（真空透明层）。外层（不透明层）内部含有大量气泡，受热均 匀，保温效果好；中内层（透明层）均匀致密、表面光滑，可以增强坩埚的强度（抗变形），降低内表面的温度（防 失透）。根据每家坩埚厂商配方差异，中内层砂占比30%-40%不等。
石英坩埚中内层对高纯石英砂高纯、低铝、低碱、抗析晶的要求更高。
石英坩埚中内层对高纯石英砂高纯、低铝、低碱、抗析晶的要求更高。坩埚最内表层是指透明层中最靠近内表面1- 2mm的部分。坩埚对硅液起作用的机理是，由于与硅液接触的内表面不断向硅液中熔解，并且伴随着透明层中的微气 泡不断的长大，靠近最内表面的气泡破裂，伴随着硅液释放石英微颗粒以及微气泡。而这些杂质会以微颗粒以及微气 泡的形式伴随着硅液流遍整个硅熔体，直接影响到硅的成晶（整棒率、成晶率、加热时间、直接加工成本等）以及单 晶硅的质量（穿孔片、黑芯片等）。
石英坩埚尺寸大型化，寿命不断提升。
石英坩埚尺寸大型化：根据欧晶科技招股说明书，单只28英寸单晶坩埚重量超40kg。硅片大型化趋势下，石英坩埚尺 寸不断增大，重量也相应增加。同时考虑到在相同尺寸下，坩埚厚度、高度等也有差异，我们预计32英寸坩埚重量约 70-80kg，36英寸坩埚重量约90-100kg。
全球装机量提升+N型占比提升驱动需求快速增长。
N型硅片占比提升：N型单晶电池效率更高，预计2030年占比有望提升至50%。而N型硅片对于多晶硅原料以及部分辅材 的纯度要求更高，N 型硅片更换石英坩埚频率更高，进而对高纯石英砂的需求量更高。因此，除了光伏下游总量的提升， 结构升级望贡献高纯石英砂行业增量。
石英股份产品价格有望继续提升。一方面，行业供需紧平衡下，行业整体均价有所抬升；另一方面，石英股份中内层砂占比有望逐步提升，而中内层砂均价更高，有望带动整体均价提升。
5、“两家海外+国内一大”格局，石英股份国产化率提速
目前全球仅尤尼明、TQC、石英股份三家企业具备量产高纯石英砂的能力，形成“两家海外+国内一大”的格局。国内其他有江苏阳山、东海几家小工厂、 辽宁锦州几家小厂、凯盛石英太湖公司等，但无法稳定批量供应。
外层砂已基本实现国产替代，中内层砂产品和客户认可度逐步提升。目前石英股份的高纯石英砂仍以外层砂为主，我们预计石英股份在中内层砂质量以及客户认可度上均有提升，并有望逐步提高中内层砂的渗透率。我们预计21年石英股份外层砂份额约50%，中内层砂份额约8%。
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