引言

石英部件是以石英玻璃為材料制成的器件。石英玻璃的主要成分為二氧化硅，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。據(jù)相關資料顯示，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。目前石英產(chǎn)業(yè)在高純石英砂提純、高端石英部件制造等方面仍存在一定技術(shù)門檻。隨著半導體產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，石英部件在產(chǎn)業(yè)鏈的重要性將更加凸顯。

1石英部件在半導體領域應用情況

1．1集成電路制造用石英部件如表1所示，在集成電路芯片制造中，坩堝、爐管、舟架、鐘罩等石英制品是難以替代的關鍵部件，廣泛用于半導體晶圓制造的擴散、氧化、光刻、刻蝕、清洗等主要流程。所以，石英部件的質(zhì)量水平對于集成電路生產(chǎn)線穩(wěn)定生產(chǎn)、保證產(chǎn)品合格率具有重要作用。

影響石英玻璃性能穩(wěn)定性的主要因素有氣泡數(shù)量、金屬雜質(zhì)含量和羥基含量，這些相關參數(shù)是衡量石英玻璃質(zhì)量的主要標準同。其中，羥基既屬于雜質(zhì)缺陷，又有結(jié)構(gòu)缺陷的性質(zhì)，影響石英玻璃的物理性能和化學性能。鑒此，石英制品在半導體領域的選用需要根據(jù)具體應用環(huán)境綜合考慮耐腐蝕性、熱穩(wěn)定性、透光性、雜質(zhì)含量等性能指標。

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。其中，高溫工藝用石英部件由于需要在干度以上連續(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。

1．2光伏制造用石英部件

在光伏制造過程中，坩堝、石英舟、石英瓶等石英部件(見圖1)是用于光伏單晶硅、多晶硅生產(chǎn)的重要耗材，例如石英坩堝在硅棒、硅錠生產(chǎn)中用于盛裝熔融硅；石英舟、管、瓶、清洗槽等在電池片生產(chǎn)過程中的擴散、清洗等工藝環(huán)節(jié)中起到承載功能等。由于光伏用石英部件只經(jīng)歷低溫過程，所以對石英材料的羥基含量無要求，只需滿足耐腐蝕、透光性好、雜質(zhì)含量低等要求即可。光伏用石英部件的純度和客戶認證的難易程度也相對較低，所用石英部件主要為中低端產(chǎn)品。

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2全球半導體石英部件行業(yè)發(fā)展情況

2．1全球石英部件市場情況

據(jù)相關資料顯示，2021年全球石英制品市場規(guī)模約266億元人民幣，預計2027年全球石英制品市場將達到395億元。其中，根據(jù)公開資料估算，日本大和熱磁電子、日本泰谷諾、德國賀利氏、日本東曹占有全球石英制品市場約91％的市場份額(如圖2所示)。

如圖3所示，半導體(含光伏)市場占石英制品總體市場約72％；光纖、光學、電光源等領域石英制品的市場規(guī)模分別占比14％、10％、4％【3】。由于石英坩堝等石英部件是半導體制造中的核心耗材，隨近年集成電路市場規(guī)模、光伏裝機量的不斷增長，半導體石英部件市場也在不斷擴大。

在應用中，如圖4所示，石英部件與半導體設備配合使用，由于不同廠商、不同型號設備所需部件參數(shù)不同，石英部件供應具有一定的定制性特點。石英器件、石英基板、石英玻璃(含坩堝)是半導體領域主要石英產(chǎn)品，在主要產(chǎn)品中分別占比約40％、30％、30％。半導體石英制品市場主要行業(yè)巨頭有德國賀利氏、日本信越、韓國圓益、日本泰谷諾等，這些企業(yè)在不同細分領域具備技術(shù)優(yōu)勢。

由于半導體制造商對石英玻璃材料的質(zhì)量穩(wěn)定性和可靠性要求較高，在半導體應用的石英制品進入主流半導體石英供應鏈存在一定的認證壁壘。主要的認證方法是通過日本東京電子(TEL)、日立國際電氣等領先的半導體設備企業(yè)認證，通過TEL認證有助于加快企業(yè)石英部件產(chǎn)品進入終端晶圓制造商的進程；另一種認證方法是通過終端晶圓制造商的內(nèi)部認證。

2．2上游石英材料市場情況

如圖5所示，石英清洗槽、石英環(huán)、石英舟、石英爐管等石英制品廣泛應用于集成電路、新型顯示、光伏、光纖等應用市場。在石英行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈中，石英清洗槽、石英環(huán)等石英部件的上游環(huán)節(jié)為石英材料行業(yè)，主要涉及石英錠／砣、石英棒、石英管、石英板等石英材料，主要的生產(chǎn)廠商有邁圖、賀利氏、東曹株式會社等；石英材料的上游為由石英礦石經(jīng)粉碎、篩選、水洗得到的石英礦砂，半導體產(chǎn)業(yè)主要使用高純石英砂，生產(chǎn)廠商有尤尼明、挪威TQc等。上游石英原料產(chǎn)業(yè)的集中化和規(guī)模化的特征相對更為明顯。

2．3全球主要石英部件供應商

2．3．1德國賀利氏(Heraeus)

如表3所示，德國賀利氏集團子公司賀利氏納米是為半導體和光電子行業(yè)提供創(chuàng)新石英和熔融石英玻璃解決方案的供應商，主要生產(chǎn)半導體行業(yè)用石英空心錠、石英塊、石英錠、石英板、石英管和石英棒，以及光通信行業(yè)用預制棒。除此之外，公司擁有Fluosil、HBQ和Heralux等國際知名品牌，形成較強的品牌壁壘。

2．3．2日本信越(ShinEtsu)

信越石英制品有限公司是日本信越石英株式會社和德國賀利氏集團合資興建的現(xiàn)代化石英產(chǎn)品加工企業(yè)。擁有多處生產(chǎn)基地。如表4所示，產(chǎn)品應用于光學系統(tǒng)、光纖、半導體生產(chǎn)過程、液晶生產(chǎn)過程、單晶硅生長過程、太陽能電池生產(chǎn)過程。產(chǎn)品具有管，棒，板等形狀，客戶可定制產(chǎn)品的材料，尺寸和公差。

2．3．3韓國圓益(Wonik)

如表5所示，韓國圓益集團主要專注于芯片和顯示器的材料和制造設備，包括原子層沉積工藝設備(ALD)、半導體及薄膜晶體管液晶顯示器(TFT—LCD)生產(chǎn)所需核心配件、高純特氣、化學品等。其子公司W(wǎng)onik Quanz專注于生產(chǎn)半導體晶圓所需的石英和陶瓷制品。公司除了在韓國的世界級制造基地外，還在中國臺灣，德國和美國等國家和地區(qū)建立并運營石英制造基地。

2．3．4日本泰谷諾(Techno Quartz)

日本泰谷諾石英株式會社成立于1 976年，本部設在東京。公司下設三個工廠，七個營業(yè)所。如表6所示，主要以高純度石英玻璃、結(jié)晶硅材做成精密加工部件的生產(chǎn)及銷售作為主力事業(yè)。以高品質(zhì)要求的領域培養(yǎng)出來的技術(shù)及經(jīng)驗為基礎，向全世界的客戶提供部件。

2．3．5中國臺灣崇越科技

崇越科技股份有限公司成立于1990年，業(yè)務領域涉及半導體、LcD、LED、太陽能、環(huán)境工程、電子材料等，與日本信越石英合資成立崇越石英制造廠股份有限公司，生產(chǎn)半導體相關石英產(chǎn)品(具體見表7)。

2。3．6日本東曹株式會社

日本東曹株式會社成立于1935年。其下氯堿事業(yè)部提供化學品、聚氨酯、水泥等產(chǎn)品；石油化工事業(yè)部提供烯烴、聚合物等產(chǎn)品；功能性產(chǎn)品事業(yè)部提供有機化工產(chǎn)品、生物科學、高性能材料等產(chǎn)品；工程事業(yè)部提供水處理、工廠建設等服務；此外，還包括貿(mào)易、物流、分析／檢查、信息系統(tǒng)等產(chǎn)品和服務。日本東曹生產(chǎn)的石英管、石英棒、石英坩堝等石英產(chǎn)品可用于半導體制造，如表8所示。

2．3．7日本艾杰旭(AGC)

日本艾杰旭株式會社(AGC)是一家日本特殊玻璃和陶瓷材料的制造公司，1907年成立。產(chǎn)品包括各種玻璃制造和半成品，以及少量化學品，應用于建筑、汽車、光源、面板、光伏、半導體等行業(yè)。石英產(chǎn)品有石英管、石英棒、石英板、石英坩堝，應用于半導體制造。

2．3．8美國CoorsTek

CoorsTek是擁有110年歷史的材料科學公司，開發(fā)專有技術(shù)陶瓷材料配方。公司在全球擁有制造、銷售和研究設施，產(chǎn)品應用于航空航天、汽車和交通、電子、能源、食品與農(nóng)業(yè)、醫(yī)療和半導體等行業(yè)。公司石英產(chǎn)品有石英管、石英棒、石英板、石英坩堝，應用于半導體制造。2022年，美國邁圖收購了CoorsTek旗下的坩堝產(chǎn)品線。

3半導體領域石英部件行業(yè)趨勢

3．1部件研發(fā)以高端產(chǎn)線配套為導向

一般根據(jù)應用石英部件的生產(chǎn)線的晶圓尺寸來區(qū)分石英部件產(chǎn)品的技術(shù)水平。通常認為6英寸以下芯片生產(chǎn)線用及光伏用石英部件為低端產(chǎn)品，6英寸芯片生產(chǎn)線用石英部件為中端產(chǎn)品，8英寸及以上芯片生產(chǎn)線用石英部件為高端產(chǎn)品。由于越大尺寸的單個晶圓上可制造的芯片數(shù)量越多，單個芯片的成本越低，全球晶圓廠12英寸投產(chǎn)規(guī)模不斷增長，對于石英部件的純度、精度等要求也在不斷提高。全球石英部件行業(yè)巨頭主要以8、12英寸產(chǎn)品為主，并占據(jù)主要市場份額。通過研發(fā)具有更高附加值的高端產(chǎn)品，避免中低端競爭并滿足下游應用需求，是企業(yè)主要發(fā)展方向。

3．2工藝技術(shù)進步推動石英部件發(fā)展

如表9所示，石英玻璃生產(chǎn)主要有兩類制備方法，一類是以天然石英為原料進行熔制，稱為天然石英玻璃，有電熔法、氣煉法、等離子體熔制法等；第二類是以鹵化硅、氧化硅、有機硅等含硅化合物為原料通過化學反應得到，稱為合成石英玻璃。其中合成石英玻璃不需要使用高純石英砂為原料，有助于降低對原料純度的依賴，為制備大尺寸低羥基石英玻璃提供了解決方法，是當前產(chǎn)業(yè)重點發(fā)展方向之一。

另外，在材料性能方面，目前石英制品供應商不僅單純關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。

3．3行業(yè)壁壘持續(xù)存在

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，企業(yè)不僅需要有較長時間的技術(shù)積累，還需要具備生產(chǎn)制造經(jīng)驗豐富的專業(yè)人才隊伍。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)，且下游行業(yè)對產(chǎn)品質(zhì)量要求較高、更傾向于與領先企業(yè)合作，為新進企業(yè)開拓市場造成了一定阻礙，并形成了一定的品牌壁壘。此外，半導體用石英部件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。

石英部件是半導體產(chǎn)業(yè)制造環(huán)節(jié)中的核心零部件，石英材料是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展中難以替代的重要基礎材料，均在半導體產(chǎn)業(yè)鏈穩(wěn)定中發(fā)揮重要作用。雖然石英部件產(chǎn)業(yè)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。

來源：左政，侯 潔娜，王 琚，劉超，于躍東，中國電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院