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行业资讯
石英:半导体产业链关键材料 前景广阔
添加日期:2020-07-16    阅读:2167次

1.1石英是用途广泛的硅酸盐矿物

石英是主要矿物成分为SiO2的重要基础材料。石英是一种坚硬、耐磨、化学性能稳定的硅酸盐矿物,其主要矿物成分是SiO2,颜色为乳白色、或无色半透明状,是国家战略性产业和支柱性产业发展进步过程中不可替代的基础材料。下游应用从中低端的光源行业向高端领域迈进,逐渐广泛应用于光伏、光学、光纤、半导体、新型电光源、冶金、化工、微电子、仪表、激光、核科学、天文学、航空航天以及国防军工等高科技领域。我国的石英矿床包括岩类矿床和砂类矿床,岩类矿床主要有石英岩、石英砂岩、及脉石英矿;砂类矿床主要有石英砂矿。其中石英岩、石英砂岩和天然石英砂合计占我国石英矿资源的99.07%,而高品质的脉石英仅占我国石英矿资源的0.93%

1.2、石英产业链:从石英砂到终端应用

石英全产业链:石英砂→石英材料→石英制品→终端应用:1)石英砂,石英矿石经物理化学选矿和焙烧后得到高纯石英砂,受限于选矿等制备工艺和高品质矿石少,全球仅3家企业具备批量生产高纯石英砂的能力;2)石英材料可通过天然石英加工或者人工合成两种方法制备,其中天然石英加工有电熔法和气熔法两种工艺,电熔产品主要用在半导体的扩散等高温区域,气熔产品是用在低温下,如刻蚀等工艺上;3)石英制品企业中,通过TEL(日本东京电子)认证的有三家外商独资企业:贺利氏信越、杭州大和以及沈阳汉科半导体;4)终端应用中,半导体、光纤、光学、光伏和电光源行业的占比分别为65%14%10%7%4%,其中光纤、光伏和半导体是增长较快的领域,将成为石英制品业绩新的增长点。

2.1、高纯石英砂SiO2含量高、杂质低

高纯石英砂与普通石英砂的区别在于SiO2含量更高(99.5%以上)和杂质含量更低。普通石英砂是指SiO2的含量在90%-99%,杂质FeO含量≤0.06-0.02%的石英砂,主要的应用领域有冶金、玻璃及玻璃制品、铸钢、水过滤、泡花碱、化工、喷沙等,其制备简单,只需对原矿进行分级或者采用简单的选矿工艺就能达到要求。

高纯石英砂是指由天然石英矿物经过一系列物理化学的提纯技术生产的具有某种粒度规格的高纯非金属矿物原料,其SiO2含量大于99.95%Fe2O3含量小于0.001%FeO含量≤0.005%。 高纯石英砂是半导体行业主要的塑封材料,它和环氧树脂、固化剂、各种添加剂等复合使用,可以节约封装成本; 并且还可用作电子基板材料,用于制备单晶硅和多晶硅,主要应用在高新技术产业,如航空航天、生物工程、高频率技术、电子技术、光纤通信和军工等领域。

2.2、全球仅三家企业具备批量生产高纯石英砂的能力

目前,全球能批量化生产高纯石英砂的企业仅有三家:尤尼明、挪威TQC和石英股份(603688)。2010年之前,国内高纯石英砂市场基本上为美国尤尼明所垄断,目前,国外主要有美国尤尼明 Unimin(现属于Covia公司)、挪威TQC,国内能够批量化生产的只有石英股份。1)尤尼明是全球最大的高纯石英砂厂商,其拥有优质的花岗质伟晶岩(白岗岩)矿产,矿床规模大、流体杂质少、品质稳定,具有较大的市场优势;2)挪威TQC是一家由英格瓷SA和挪威的挪威矿业以50/50出资创办的企业,石英矿石来源有二,一是和尤尼明一样,来自北卡罗来纳州SprucePine地区的花岗质伟晶岩;二是挪威当地的石英;3)石英股份是国内生产高纯石英砂龙头企业,所用的矿石基本来自国外采购,生产的高纯石英砂主要应用在自用的高端电光源石英管、光伏等领域,由于还未通过设备厂认证,在半导体领域的应用较少。

2.3、高纯石英砂:选矿和工艺壁垒、优质矿石稀少

2.3.1、 高纯石英砂选矿和制备工艺有壁垒

高纯石英砂一般通过石英矿石加工法制备。高纯石英砂是由天然石英矿物经过一系列的物理和化学提纯技术生产的粒度集中分布在0.1-0.45mm的高纯非金属矿物原料,被广泛应用于高端电光源、大规模及超大规模集成电路、太阳能电池、光纤、激光、航天、军工等领域。获得高纯石英砂方法有二:1)通过人工合成,此方法能耗大、成本高,不适合大规模生产;2)通过石英矿石加工,此方法对石英矿石品相及加工工艺要求较高,而石英矿石在世界范围内虽储量丰富,但是纯度高、品质好以及储量大的石英矿石资源较为稀缺。

高纯石英砂加工过程涉及使用HF、氯气、HCl等,对企业环保投入要求高。 对高纯石英砂的加工工序,即为了去除石英原矿中伴生脉石、包裹体杂质及晶体结构杂质,通常包括煅烧、水淬、磨矿、分级、水洗脱泥、擦洗、电选、磁选、浮选、酸浸、碱浸、高温(气氛)焙烧等工序。 根据加工目的不同将其分为选前准备作业、预先选别作业、矿物分选作业及深度提纯作业4 个阶段。 国内诸多小的石英砂生产企业环保投入上不达标 存在因污染问题而停工减产的现象:

选前准备:对入磨前的石英进行1000℃左右的煅烧并水淬,高温煅烧下,石英与脉石发生晶型转变。杂质与石英的膨胀率不同,在水淬的作用下,温度急剧下降,颗粒内部产生大量裂纹。破碎磨矿后包裹体杂质易暴露在石英矿粒表面,强化石英与脉石矿物单体解离的效果;

预选:石英原矿磨矿过程中部分易泥化矿物形成微细粒的矿泥,会对后续选别造成不利影响。通过预先水洗、脱泥能够有效脱除黏土性矿物,且除杂效果显著;

矿物分选:磁选和浮选是分离石英砂与伴生脉石最常用的工序。磁选是通过多段弱磁―强磁选去除赤铁矿、褐铁矿、黄铁矿、钛铁矿、黑云母等磁性杂质矿物,也可除去带有磁性矿物的包裹体和连生体。浮选能有效除去石英砂中的长石、云母等非磁性伴生杂质矿物,是石英常规选矿中最重要的工艺,也是最难把控的一道工序;

深度提纯: 通过添加氯气、HCl,在800-1600 ℃条件下高温焙烧,包裹体受热急剧膨胀、破裂,使其中的杂质暴露至表面。 在此过程中,杂质伴随石英晶体结构转变过程迁移至石英表面; 或者在高温气氛(如HCl)的作用下,与晶格中的杂质发生反应,使得杂质转移至石英表面,最后通过化学浸出使杂质脱除。

2.3.2、 高纯石英原料分布不均,国内优质石英矿石不到1%

石英矿分布广泛,我国矿石储存量接近40亿吨。中国保有石英矿产储存的187处,矿石储存量(B+C+D级)共有39.1亿吨,其中,广东河源、江苏新沂、江苏东海、安徽凤阳、河南洛阳、河北灵寿是石英矿石的主产区。石英岩矿多分布于青海及辽宁、山西等地;石英砂岩矿多分布于四川、湖南、江苏、浙江及山东等地;石英砂主要分布于福建、广东、广西的南部和海南西北部及山东北部这些沿海地带,还有西辽河东部、黄河中游及潘阳湖、骆马湖畔:脉石矿则散布于西川、黑龙江、湖北等地的变质岩区。

高纯石英原料分布不均,国内高品质矿石占比不到1%。高纯石英原料,即能被现有成熟加工技术将二氧化硅含量提纯至99.9%及以上的天然石英矿石。制备高纯石英砂最好的是原料是天然水晶,但其储量稀少,且随着采掘,资源逐步枯竭,分布不均,除了巴西、马达加斯加、南非等少数国家和地区外,其他国家的天然水晶储量少、规模小、产地杂、性能不稳定,难以大量生产。另一方面,高纯石英原料对成矿条件要求严苛,在石英矿物种类中,脉石英品质最佳,其颜色是纯白色,油脂光泽,纯度极高,矿物组成基本上是石英,二氧化硅含量达到99%以上,但在我国石英矿资源中仅占0.93%,我国石英矿资源真正能作为高纯石英玻璃原料的使用矿物储量少,规模小,而美国尤尼明的高纯石英砂原矿为北卡罗来纳州Spruce Pine地区的花岗质伟晶岩,是全球唯一受到阿乐汉尼绿片岩运动影响的高纯石英矿床,具有矿体规模大、石英中流体杂质少、矿石品质稳定等优点,是尤尼明公司生产石英砂占据全球高纯石英砂市场份额具有绝对性垄断优势的原因之一。由于以上原因,石英股份由全球范围寻找优质矿源,供应量、矿源品质等波动较大,20172018年石英矿石年平均采购单价变动率分别为14.23%38.96%

2.3.3、需要外购石英矿石或石英砂

半导体石英材料用石英砂需要向国外厂商购买。石英股份的高纯石英砂的来源主要包括三个方面:1)公司采购石英矿石自行生产高纯石英砂,2)采购石英砂进行二次提纯加工制成高纯石英砂,3)直接采购少量的高纯石英砂;其中,采购石英矿石自行生产高纯石英砂占比最大。半导体石英材料制备所用石英砂需通过半导体设备商的认证,目前,全球主要半导体石英玻璃材料供应商均使用尤尼明和挪威TQC公司生产的高纯石英砂。据公告披露,石英股份和菲利华(300395)都通过美国Unimin公司中国独家代理商北京雅博进口高纯石英砂,由于中美贸易摩擦的影响,逐渐减少对尤尼明的采购量,菲利华逐渐加大对挪威石英砂的采购。

2.4、高纯石英砂处于高景气周期

环保因素制约导致小型高纯石英砂厂商存在关停和减产现象,而需求端又处于逐步提升的趋势,高纯石英砂价格当前处于易涨难跌。一方面,酸是石英砂生产过程中所用到的关键原料,且对环境污染严重;现在国家在环保治理方面比较严厉,国内诸多小的石英砂生产企业环保投入上不达标,存在因污染问题而停工减产的现象,高纯石英砂供给量呈现较为紧张的趋势。另一方面,因中美贸易摩擦和环保治理,海外高纯石英砂进口成本有所抬升,高纯石英砂的国内的替代需求逐步出现,叠加2019年下游的光伏单晶市场比较热门,单晶对高纯石英砂的需求也处于高景气向上周期,高纯石英砂价格当前处于易涨难跌的趋势。

特别是,单晶PERC电池仍处于扩产潮,短期单晶硅片形成供需缺口,此将为高纯石英砂下游需求提供有力支撑。单晶产品技术进步显著,行业需求持续提升,产业龙头受益于新增及替代需求共振。2019年单晶渗透率达到62%,成为市占率过半的绝对主流产品。光伏产业公司用脚投票,选择扩建及配套单晶产能,下游PERC电池产能增长显著。2019Q3起单晶硅片与单晶PERC产能存在缺口,硅片供不应求,持续偏紧。

来源:中国硅业

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