探究：光伏、半导体行业发展对高纯石英有何要求？

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北京国化新材料技术研究院联手硅产业绿色发展联盟等单位拟于2023年11月1-3日在江苏徐州举办“2023高纯石英材料技术及应用高峰论坛”（点击链接查看会议详情）。

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高纯石英具有独特的物理、化学特性，特别是内在的晶体结构、形状和晶格变化规律使其具有耐高温、耐腐蚀、抗磨、热膨胀系数小、高度绝缘、压电效应、谐振效应以及独特的光学特性，是国家战略性产业和支柱性产业发展过程中不可替代的基础性材料。

在光伏和半导体领域的应用

高纯石英在半导体、光伏、光纤、电光源等领域应用广泛，其中半导体领域应用规模最大，占全球高纯石英需求比重超过50%，光伏领域应用规模增长最快，2022年全球需求量同比增长超过80%。

• 在半导体领域中应用环节——硅片制造和晶圆制造加工

半导体制造最为核心的环节就是芯片制造环节，这也是半导体产业中价值含量最高的领域。芯片制造主要由单晶生长、晶圆加工制造、集成电路晶圆的生产以及后期封装四个部分组成，其中最为核心、难度最高、对相关材料要求最严苛的为硅片制造和晶圆制成环节。

在硅片制造环节，大量使用的石英玻璃产品主要是用于制作晶圆IC载体（拉制单晶）的石英坩埚；另外还有使用到一部分石英清洗容器。

在晶圆制造加工过程中：氧化、外延、光刻、刻蚀、扩散、CVD和注入离子、磨平等对硅晶圆进行一系列处理的工艺环节，需要消耗大量的石英片、环、板、法兰、刻槽舟、扩散炉管、清洗槽等高品质石英材料。

高纯石英在半导体领域的应用

• 在光伏领域中应用环节——硅片制造

相比半导体领域，高纯石英应用于光伏领域硅片制造的石英坩埚耗材，支持高温条件下连续拉晶，是用来装放多晶硅原料的消耗型石英器件。

在半导体和光伏领域的性能要求

• 在半导体领域性能要求——高纯度、耐高温、耐腐蚀、低膨胀等

半导体领域对高纯石英要求很高。目前我国出台了一系列的行业标准，如《半导体用透明石英玻璃管》《半导体用透明石英玻璃器件》《半导体用透明石英玻璃棒》《单晶硅生长用石英坩埚标准》。其中半导体用 B 级坩埚 13 种杂质元素的总质量分数≤1.7×10^-5，其中 K、Na、Li 总质量分数2×10^-6。

半导体用高纯石英杂质含量要求（/10^-6）

另外对于半导体用石英制品尺寸、强度等指标，指导目录中也提出了明确范围：

《重点新材料首批次应用示范指导目录（2018年版）》：

（1）半导体用大尺寸高纯石英扩散管：规格：外径300～400mm，偏壁厚≤0.6mm，金属杂质含量＜13ppm，长期使用温度：1150℃。应用领域：半导体领域、集成电路。

（2）半导体级电弧石英坩埚：规格：14~24寸；内层纯度：所有金属杂质含量＜12ppm；强度：1500度高温变形率＜2%；寿命可达200小时。应用领域：集成电路。

《重点新材料首批次应用示范指导目录（2021年版）》：

（1）石英扩散管：外径300～400mm，偏壁厚≤0.6mm，金属杂质含量＜13ppm；

（2）石英外管、内管、工艺管、石英舟：羟基含量<30ppm，垂直度<1mm，管口平面度<0.1mm，壁厚偏差<0.5mm。

• 在光伏领域性能要求——主要为高纯度

相比半导体领域，在光伏领域对高纯石英要求相对宽松，主要体现在杂质含量要求上。根据《光伏用高纯石英砂》明确用于多晶硅、单晶硅光伏生产用的扩散管、承载器及电弧法坩埚等石英制品要求，具体如下：

1）外观：光伏用高纯石英砂应为具有一定透明度的白色颗粒，无异色。

2）粒度：光伏用高纯石英砂的粒径应在70-350μm范围内，且在该粒径范围的累积质量分数应大于或等于90%。粒径小于100μm或大于300μm的累积质量分数均应小于1%。

3）二氧化硅含量：光伏用高纯石英砂中二氧化硅含量应大于或等于99.99%，灼烧失量应小于或等于0.01%。

4）杂质元素含量：光伏用高纯石英砂杂质元素（Al、K、Na、Li、Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Cr、Ni、B）总含量应小于或等于25μg/g，其中钾、锂、钠含量总和小于2.5μg/g。

光伏用高纯石英砂各杂质元素质量分数（/10^-6）

在半导体和光伏发展下的性能要求

• 半导体行业发展趋势：晶圆尺寸大型化

近年来，第三代半导体碳化硅衬底正不断向大尺寸方向演进，衬底尺寸越大，单位衬底可制造的芯片数量越多，单位芯片成本就越低。相比于6英寸衬底，同等条件下从8英寸衬底切出的芯片数会提升将近90%。相比于6英寸衬底，8英寸单片衬底制备的器件成本降低30%左右。

对应——半导体用石英坩埚：大型化；石英玻璃：高纯度、耐高温

随着晶圆尺寸大型化要求，对应生产用石英坩埚尺寸要求也要大型化，同时半导体生产要求环境极为严格，对石英制品耐火度、纯净度和质量稳定性能要求也将更为严格。

• 光伏行业发展趋势：硅片多晶转单晶、P型转N型、大尺寸、薄片化

光伏行业用高纯石英主要为硅片制造，未来硅片制造环节技术发展方向以“降本增效”为主。

提效指的是提升光电转换效率，一方面表现为从P型硅片向N型硅片的转换：目前光伏行业仍以 P 型硅片为主，制作工艺简单且成本较低，但最高效率有天花板。而N 型硅片通常少子寿命较大，电池效率可以做得更高，因此是未来提效的发展方向。另一方面则体现为从多晶硅片向单晶硅片转移：尽管多晶硅片具有能耗低、生产率高、成本低的优点，但由于效率制约以及金刚石线切割等工艺的出现，使得单晶硅片的性价比逐步提升，多晶硅片的市场份额逐渐缩减。

在降本环节中指降低非硅成本，非硅成本指的是硅片生产中所消耗的能源、人力、辅料等与硅料无关的成本。因为硅料成本基本不受硅片企业自身的控制，而取决于市场供需情况，非硅成本才是硅片企业最能控制的成本。因此，对降本有促进作用的大尺寸和薄片化是未来硅片的发展趋势。光伏硅片大尺寸有助于提升硅片产能、降低单位投资和拉晶能耗，从而降低电池的非硅成本。薄片化有利于降低硅耗和硅片成本，硅片厚度对电池片的自动化率、转换效率等均有影响。

对应——光伏用石英坩埚：大型化、长寿命

N型硅棒生产过程中对坩埚品质要求更高，导致坩埚寿命更短，一般情况下N型硅片对应石英坩埚的使用寿命比P型低50-100小时，随着N型硅片渗透率逐渐提升，为减少石英坩埚消耗数量，要求石英坩埚有更好性能、更长寿命。同时由于大尺寸硅片的渗透要求坩埚也在向大型化发展。

小结

归根结底，半导体和光伏领域发展势必对高纯石英要求日益严格，不仅从生产企业技术方面需要与时俱进，还要从根本原料高纯石英砂的品质上进行提升。在我国高纯度石英砂生产能力整体偏低，半导体和光伏领域带动需求向好的趋势下，谁能生产出等级越高的高纯石英砂，从原矿端占领更高品质的石英矿，在技术端拥有更先进的提纯技术，谁就更有机会在高纯石英砂价格高位的“热潮”中争得一席之地。

高纯石英高峰论坛通知

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