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)絡骨架結(jié)構(gòu)，Si-O鍵鍵強很大，結(jié)構(gòu)非常牢固，因此具有獨特而優(yōu)異的性能，具有透光性高、耐高溫、膨脹系數(shù)低、化學穩(wěn)定性強、純度高、電絕緣性強等優(yōu)越特性，廣泛應用于航空航天、光纖、半導體等高端制造領域，高端產(chǎn)品長期受到國外的封鎖和禁運。據(jù)相關(guān)資料顯示，半導體石英部件在石英市場占比約70%，是石英制品下游市場中占比最大的應用領域。

石英玻璃的性能優(yōu)勢

石英玻璃的種類

石英玻璃種類按透光性能（建材行業(yè)標準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，對應的牌號分別為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、光學石英玻璃、半導體用石英玻璃、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，其價格直接影響到生產(chǎn)成本。根據(jù)品質(zhì)和下游市場的不同，原材料被大致分為普通石英砂及電子信息領域用高純石英砂。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、半導體等下游市場使用。

石英行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈

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

石英玻璃在半導體領域的應用

半導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，它們分別應用于擴散、氧化等高溫工藝和刻蝕、封裝、光刻、清洗等低溫工藝。

半導體工藝流程與石英玻璃制品的應用

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，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須經(jīng)歷高溫過程，因此對石英材料的羥基含量無要求。

不同性能特點石英玻璃用于不同半導體工藝

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爐中，通電抽真空并注入氮氣或氫氣，加熱翻料熔融，將熔融態(tài)石英進行機械拉管、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，主要用于半導體制程的晶圓熱氧化、離子注入、擴散、沉積等高溫工序，產(chǎn)品包括石英擴散管、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使熔融石英耐溫性降低，因此主要用于半導體制程的清洗、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，改進加熱方式和制備步驟可進一步降低羥基含量。CVD法的具體制備流程為：（1）氫氣和氧氣分別過濾后通入反應熔爐，燃燒形成氫氧焰作高溫熱源；（2）氫氣作為載流氣體將鼓泡瓶中的高純 SiCl₄通過上料管輸送入反應熔爐；（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，通過機械拉管、 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沉積再進行燒結(jié)（間接合成法），羥基含量可降至1ppm。

采用化學合成方法（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)物對環(huán)境的污染問題，但制備成本高，工藝流程較為復雜，是未來技術(shù)主要發(fā)展方向，其中兩步CVD 法克服了電熔法對原料純度的依賴以及一步法中羥基含量過高的缺點，為制備大尺寸低羥基石英玻璃提供了解決辦法，是工業(yè)界近年來的重點發(fā)展方向。

電熔法和兩步CVD法制備石英玻璃的流程對比圖

合成石英玻璃純度極高，具有優(yōu)良的光學性能，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計圖形，通過光刻工藝可將集成電路設計圖形轉(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，還在研究通過添加化學元素增強石英材料性能，以滿足特定應用的需要，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，也將推進高性能石英部件發(fā)展，更好支撐下游產(chǎn)業(yè)的進步。

總結(jié)

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

參考來源：

1.石英部件在半導體領域應用及市場概覽，左政、侯潔娜、王珺、劉超、于躍東（中國集成電路）；

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

3.高端石英材料供應商，三大下游市場景氣共振（東北證券）；

4.產(chǎn)業(yè)鏈縱向延伸彰顯實力，多方向布局構(gòu)建盈利護城河——菲利華(300395)公司深度研究報告（國元證券）；

5.石英材料行業(yè)專題報告：高科技領域關(guān)鍵耗材，國產(chǎn)替代進程加速（未來智庫）。

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