石英玻璃的主要成分為二氧化硅，其微觀結(jié)構(gòu)是單純由[SiO₄]四面體為結(jié)構(gòu)單元組成的網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)，Si-O鍵鍵強(qiáng)很大，結(jié)構(gòu)非常牢固，因此具有獨(dú)特而優(yōu)異的性能，具有透光性高、耐高溫、膨脹系數(shù)低、化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)、純度高、電絕緣性強(qiáng)等優(yōu)越特性，廣泛應(yīng)用于航空航天、光纖、半導(dǎo)體等高端制造領(lǐng)域，高端產(chǎn)品長(zhǎng)期受到國(guó)外的封鎖和禁運(yùn)。據(jù)相關(guān)資料顯示，半導(dǎo)體石英部件在石英市場(chǎng)占比約70%，是石英制品下游市場(chǎng)中占比最大的應(yīng)用領(lǐng)域。

石英玻璃的性能優(yōu)勢(shì)

石英玻璃的種類

石英玻璃種類按透光性能（建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JC/T 185-2013石英玻璃）分為紫外石英玻璃、可見石英玻璃、紅外石英玻璃，對(duì)應(yīng)的牌號(hào)分別為ZS、KS、HS；按工藝方法分為電熔石英玻璃、氣煉石英玻璃、合成石英玻璃、等離子體石英玻璃；按用途及外觀分為透明石英玻璃、不透明石英玻璃、光學(xué)石英玻璃、半導(dǎo)體用石英玻璃、電光源用石英玻璃等；按純度分為高純、普通和摻雜三類。

不同合成工藝石英玻璃制備方法及性能比較

石英砂作為石英玻璃材料及制品行業(yè)的重要原材料，其價(jià)格直接影響到生產(chǎn)成本。根據(jù)品質(zhì)和下游市場(chǎng)的不同，原材料被大致分為普通石英砂及電子信息領(lǐng)域用高純石英砂。原材料經(jīng)粉碎、水洗、烘干、水解、合成等工序形成石英玻璃，其中品質(zhì)較低的不透明石英玻璃多用于制備石英坩堝，透明石英玻璃及品質(zhì)更高的合成石英玻璃，經(jīng)過(guò)深加工形成石英纖維、石英管、石英棒、石英錠等石英制品，供航空航天、半導(dǎo)體等下游市場(chǎng)使用。

石英行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈

國(guó)外石英礦石總體質(zhì)量較好，且國(guó)內(nèi)對(duì)石英礦石的開采有一定政策限制，目前國(guó)內(nèi)石英制品所用原材料多從國(guó)外進(jìn)口，石英玻璃制備技術(shù)與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)水平相比，在高純度、大尺寸石英玻璃制備、熔制設(shè)備和節(jié)能控制方面還有較大差距。

石英玻璃在半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用

半導(dǎo)體用石英部件一般可以分為高溫區(qū)器件和低溫區(qū)器件，它們分別應(yīng)用于擴(kuò)散、氧化等高溫工藝和刻蝕、封裝、光刻、清洗等低溫工藝。

半導(dǎo)體工藝流程與石英玻璃制品的應(yīng)用

其中，高溫工藝用石英部件由于需要在千度以上連續(xù)工作數(shù)小時(shí)，所以需要其具有耐高溫、熱穩(wěn)定性好、不易變形等性能。而羥基的存在會(huì)改變石英制品的主要成分二氧化硅的鍵合結(jié)構(gòu)，從而降低材料的熱穩(wěn)定性，造成石英制品的耐高溫性能大幅降低。所以，高溫工藝用石英部件需要經(jīng)過(guò)脫羥處理。此外，高溫工藝用

石英部件還需具備耐腐蝕、透光性好、雜質(zhì)含量低等性能。而低溫工藝用石英部件由于無(wú)須經(jīng)歷高溫過(guò)程，因此對(duì)石英材料的羥基含量無(wú)要求。

不同性能特點(diǎn)石英玻璃用于不同半導(dǎo)體工藝

目前，電熔法和氣煉法為石英玻璃的主流制備工藝，二者都利用高溫熔融石英砂的原理，但加熱方式不同導(dǎo)致產(chǎn)品羥基和金屬雜質(zhì)含量有差異。

電熔法工藝流程為：將處理好的石英砂加入反應(yīng)爐中，通電抽真空并注入氮?dú)饣驓錃?，加熱翻料熔融，將熔融態(tài)石英進(jìn)行機(jī)械拉管、切割、磨平、酸洗等工序制成石英玻璃，該法制備玻璃品質(zhì)主要取決于原料純度，金屬雜質(zhì)含量較高。由于羥基含量低、耐高溫性能強(qiáng)，主要用于半導(dǎo)體制程的晶圓熱氧化、離子注入、擴(kuò)散、沉積等高溫工序，產(chǎn)品包括石英擴(kuò)散管、石英舟、多晶硅還原爐罩、單晶硅外延鐘罩等。

電熔法制備石英玻璃

典型電熔法石英玻璃部件

氣煉法工藝流程為：氫氣和氧氣點(diǎn)燃形成氫氧焰，噴灑到石英玻璃靶托上，靶托勻速旋轉(zhuǎn)并下降，石英砂粉末不斷融化成玻璃態(tài)，后續(xù)流程同電熔法，由于氣煉法采氫氧焰加熱，氫氣會(huì)滲入石英玻璃，所以該種方法羥基含量較高。高溫下羥基的存在會(huì)使熔融石英耐溫性降低，因此主要用于半導(dǎo)體制程的清洗、刻蝕、研磨等低溫工序，產(chǎn)品包括石英玻璃花籃、石英玻璃清洗槽、石英環(huán)、石英支架等。

氣煉法制備石英玻璃

典型氣煉法石英玻璃部件

化學(xué)氣相沉積工藝（CVD）是合成玻璃的制備工藝，產(chǎn)品純度更高，改進(jìn)加熱方式和制備步驟可進(jìn)一步降低羥基含量。CVD法的具體制備流程為：（1）氫氣和氧氣分別過(guò)濾后通入反應(yīng)熔爐，燃燒形成氫氧焰作高溫?zé)嵩?；?）氫氣作為載流氣體將鼓泡瓶中的高純 SiCl₄通過(guò)上料管輸送入反應(yīng)熔爐；（3）SiCl₄在氫氧焰中高溫水解或氧化生成 SiO₂微粒，并逐層沉積在旋轉(zhuǎn)的基體上形成透明石英玻璃；（4）冷卻后出爐引料頭，通過(guò)機(jī)械拉管、 切割與酸洗得到石英玻璃成品。CVD制得的石英玻璃SiO₂含量可達(dá)6N，但羥基含量超1000ppm。若采用等離子（PCVD）代替氫氧焰加熱，羥基含量可降至5ppm；若采用低溫CVD沉積再進(jìn)行燒結(jié)（間接合成法），羥基含量可降至1ppm。

采用化學(xué)合成方法（CVD、 PCVD、兩步CVD）制備出的合成石英玻璃不但品質(zhì)較高，而且以四氯化硅為原料也很好地解決了多晶硅產(chǎn)業(yè)副產(chǎn)物對(duì)環(huán)境的污染問(wèn)題，但制備成本高，工藝流程較為復(fù)雜，是未來(lái)技術(shù)主要發(fā)展方向，其中兩步CVD 法克服了電熔法對(duì)原料純度的依賴以及一步法中羥基含量過(guò)高的缺點(diǎn)，為制備大尺寸低羥基石英玻璃提供了解決辦法，是工業(yè)界近年來(lái)的重點(diǎn)發(fā)展方向。

電熔法和兩步CVD法制備石英玻璃的流程對(duì)比圖

合成石英玻璃純度極高，具有優(yōu)良的光學(xué)性能，可以根據(jù)規(guī)格大小制成不同大小的平板，經(jīng)金屬涂敷、腐蝕刻錄后制成光掩膜基板，光掩膜上承載有完整的集成電路設(shè)計(jì)圖形，通過(guò)光刻工藝可將集成電路設(shè)計(jì)圖形轉(zhuǎn)移到晶圓上。

典型CVD法石英玻璃部件

光刻掩膜版

除了制備工藝的提升外，在材料性能方面，目前石英制品供應(yīng)商不僅單純關(guān)注提高石英玻璃純度的方法，還在研究通過(guò)添加化學(xué)元素增強(qiáng)石英材料性能，以滿足特定應(yīng)用的需要，例如低膨脹系數(shù)的含二氧化銻石英玻璃、耐輻射石英玻璃、摻稀土或過(guò)渡金屬元素的發(fā)光和濾光石英玻璃等。此外，企業(yè)在焊接技術(shù)、加工溫度控制、智能制造等方面的技術(shù)創(chuàng)新，也將推進(jìn)高性能石英部件發(fā)展，更好支撐下游產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步。

總結(jié)

石英部件屬于技術(shù)密集型行業(yè)，在半導(dǎo)體應(yīng)用等高端產(chǎn)品領(lǐng)域，在技術(shù)積累和專業(yè)人才儲(chǔ)備方面壁壘較高。而由于石英部件產(chǎn)業(yè)具有批量小、品種多的特點(diǎn)，需要面向設(shè)備廠商進(jìn)行定制化生產(chǎn)，且下游應(yīng)用通常需要通過(guò)高端設(shè)備企業(yè)認(rèn)證，也提高了新進(jìn)企業(yè)產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)的難度。不過(guò)石英部件產(chǎn)業(yè)雖然還存在有一定的行業(yè)壁壘，但隨半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的加速發(fā)展，以及5G、大數(shù)據(jù)等下游應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，作為高端制造的重要輔材，石英材料及產(chǎn)品市場(chǎng)也將快速增長(zhǎng)，新技術(shù)、新業(yè)態(tài)將為企業(yè)發(fā)展提供潛在的市場(chǎng)空間。

參考來(lái)源：

1.石英部件在半導(dǎo)體領(lǐng)域應(yīng)用及市場(chǎng)概覽，左政、侯潔娜、王珺、劉超、于躍東（中國(guó)集成電路）；

2.對(duì)石英玻璃產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的幾點(diǎn)思考，張萌、王勇、張凱博伊展弘、楊俊鋒（1994-2023 China Academic Journal Electronic Publishing House）；

3.高端石英材料供應(yīng)商，三大下游市場(chǎng)景氣共振（東北證券）；

4.產(chǎn)業(yè)鏈縱向延伸彰顯實(shí)力，多方向布局構(gòu)建盈利護(hù)城河——菲利華(300395)公司深度研究報(bào)告（國(guó)元證券）；

5.石英材料行業(yè)專題報(bào)告：高科技領(lǐng)域關(guān)鍵耗材，國(guó)產(chǎn)替代進(jìn)程加速（未來(lái)智庫(kù)）。

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