“玻璃王”:石英玻璃的生产工艺及市场应用前景

2023-09-12

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石英玻璃以天然结晶石英(水晶或高纯硅石)或硅化合物为原料,在洁净环境中经高温熔制而成,具有一系列优良的物理化学性能,如良好的透光性、耐高温性、低膨胀系数、电真空性能、耐腐蚀等,被业内誉为“玻璃王”。石英玻璃是现代信息产业、光学、光伏、半导体等战略性新兴产业和航空航天等国防领域发展中不可或缺的重要基础性材料。

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石英玻璃的优良性能

来源:菲利华招股说明书、中国电子信息产业统计年鉴、民生证券研究院

石英玻璃的生产工艺

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高纯石英玻璃制备方法分类

石英玻璃的制备方法可以分为两大类。第一类是以天然石英晶体或硅石为原料进行熔制得到,称为天然石英玻璃。根据热源和工艺的不同可以将其细分为电熔法、气炼法、等离子体熔制法等。其中,电熔法出品率高且经济,是国内最为普遍的工艺方法,电熔法的成品率除了取决于工艺,更大程度上跟原材料有关。氢氧焰制备的石英玻璃虽然能减少杂质含量,但是成品的羟基含量过高。等离子体沉积法能同时解决杂质和羟基含量,但是成本高,所以实现大量产业化较为困难。

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石英玻璃的生产工艺对比

张玉等.石英玻璃的现状及发展趋势

第二类是以含硅化合物(包括卤化硅、氧化硅以及有机硅等)为原料通过化学反应合成得到,称为合成石英玻璃。根据反应原理的不同可以将第二类方法分为三种:

(1)含硅化合物在无水环境中发生热氧化作用生成SiO2,常见的为等离子体化学气相沉积法(PCVD);

(2)含硅化合物在氢氧火焰中发生水解反应(往往同时伴随有氧化反应),称为火焰水解沉积法(FHD);

(3)含硅化合物在水介质中发生水解反应,称为溶胶-凝胶法。

另外,实际工业应用中往往对石英玻璃的产品的形状有要求,如半导体产业中经常用到高纯石英玻璃管、石英玻璃棒等,因此石英玻璃产品的改型主要采用的是热改型法,即通过加热石英玻璃使其软化,然后根据实际需要对其形状进行改变。

下面分别选取三类方法中的典型制备方法做具体介绍。

电熔法

在电熔法中,首先通过电加热将坩埚内的粉末状石英原料进行熔化,随后经过快速冷却的玻璃化过程形成石英玻璃。电加热的方式包括电阻加热、电磁感应加热等。在熔化过程中石英晶体的结构历经从β-石英到α-石英,再到α-方石英(同时伴随有非晶相的产生)的转变,直到加热约1723℃时开始形成石英熔体。石英粉料的熔化过程通常是在高度真空(0.1~10Pa)环境下进行,以去除该过程释放中产生的气体和降低石英玻璃中的气泡含量。

两步CVD法

化学气相沉积法本来是一类方法的统称,严格来说等离子体化学气相沉积法(PCVD)、管外气相沉积法(OVD)和气相轴向沉积法(VAD)都是基于化学气相沉积法(CVD),但是在工业界CVD法往往特指采用火焰水解沉积法直接制备石英玻璃锭的技术。CVD法的原理是将含硅化合物在载料气体的带动下送入氢氧焰喷灯,在高温作用下发生化学反应生成SiO2颗粒。采用CVD法制备石英玻璃从本质上避免了金属杂质的引入。由于工艺的原因,在国内工业界采用SiCl4为原料制备石英玻璃依然是目前的主流技术。


电熔法和两步CVD法制备石英玻璃锭的流程对比图

来源:马千里.高纯石英玻璃制备制备过程的研究和工艺优化

热改型法

热改型法首先通过将石英玻璃母材加热软化,然后通过槽沉、拉制等方法获得所需要的产品。炉体的加热方式为电磁感应加热,炉内感应线圈中通入的交变电流在空间中产生的交变电磁场,电磁场作用于发热体产生电流和热量。随着温度升高,石英玻璃母材发生软化,此时通过牵引器下拉即可形成石英玻璃棒/管。通过调节炉内温度和下拉速度,可以拉制出不同直径石英玻璃棒/管。电磁感应加热炉的线圈布置和炉体结构对于炉内温度场有很大的影响,在实际生产中需要严格控制炉内的温度场来保证石英玻璃产品的质量。

石英玻璃的应用领域

凭借优异的物理化学性能,石英玻璃被广泛应用于需要高温、洁净、耐蚀、透光、滤波等特定的高新产品生产工艺环境中,是半导体、航空航天、光通讯等领域不可或缺的重要材料。根据QYResearch数据,2019年,全球石英玻璃市场总值超过250亿元,市场规模呈现稳定增长状态,预计到2025年,市场规模将突破270亿元。

半导体领域

2021年,半导体石英玻璃制品占石英玻璃制品市场的68%,半导体领域是石英玻璃下游市场中占比最大的应用领域。石英玻璃材料及制品广泛应用于半导体芯片制程中,是半导体蚀刻、扩散、氧化等工序所需的承载器件与腔体耗材。

石英玻璃在半导体工艺流程中的应用

来源:《石英矿物资源的提纯及在战略性新兴产业中的应用技术分析》、民生证券研究院

美国半导体行业协会(SIA)发布的报告显示,2021年全球半导体市场规模达到5559亿美元,创历史新高,与2020年的4404亿美元相比增长了26.2%。中国仍然是全球最大的半导体应用市场,2021年销售总额达到1925亿美元,同比增长27.1%。根据菲利华招股说明书披露,每生产1亿美元的电子信息产品,平均需要消耗价值50万美元的石英玻璃材料,预计2022-2023年全球石英玻璃市场规模预计可达31.66-33.12亿美元,中国石英玻璃市场规模预计可达10.96-11.46亿美元。

光通讯领域

石英棒是光纤制造的主要原材料。光纤预制棒中95%以上的组分为高纯度的石英玻璃,且在光纤制棒和拉丝等光纤生产过程中需要消耗大量的石英玻璃材料,如把持棒、石英罩杯等。

5G建设带动光纤光缆市场快速发展。5G网络架构下的光纤使用量将是4G网络的16倍,同时5G时代基站规模将是4G基站的2-3倍,基站互联将为光纤光缆市场带来较多需求。三大运营商积极加强光纤光缆采购,以推进5G商用进程。根据CRU数据,预计2022年我国光纤光缆需求将达到2.61亿芯公里。

光学领域

合成石英玻璃材料用作高端光学领域的透镜、棱镜,TFT-LCD高清显示器和IC用光掩膜基板材料。智研咨询发布报告显示,2021年中国光学仪器制造行业主营收入为852.1亿元,同比增长4%。伴随5G、AIoT技术及全球数字化进程的加速发展,消费类电子产品渗透率持续提升,新场景新应用推动IT产品多元化发展,新能源车市场快速成长带动显示面板需求持续成长。2021年,全球新型显示行业产值和产量均再创新高,根据中国光学光电子行业协会液晶分会(CODA)的数据显示,2021年全球新型显示面板产值约1500亿美元。

小结

石英玻璃产品是各领域关键耗材和原材料,制约下游行业产品生产,当前无可替代产品,因此石英玻璃的需求是长期存在的。在下游各行业尤其是半导体和光伏行业的加速发展中,石英玻璃行业的景气度将不断提高。

参考来源:

马千里.高纯石英玻璃制备制备过程的研究和工艺优化

湖北菲利华石英玻璃股份有限公司2021年年度报告

民生证券.新材料系列#4:高端石英材料龙头,产业优势地位突出菲利华(300395.SZ)首次覆盖报告

东亚前海证券.下游需求多重共振,石英高潜力龙头未来可期——菲利华(300395.SZ)首次覆盖报告


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