河源超声波(半导体产业链关键材料之石英产业专题报告)

Posted 2023-05-31

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河源超声波(半导体产业链关键材料之石英产业专题报告)

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1、石英：高科技领域不可替代的基础材料

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%和 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、上游：高纯石英砂，全球仅 3 家具备大量生产的能力

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。石英砂根据其纯度可以分成普通石英砂、精致石英砂、高纯石英砂、熔融石英砂和硅微粉，高纯石英砂应用在高新技术产业。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。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 Spruce Pine 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。

 高纯石英砂对选矿以及制备工艺要求高。高纯石英砂的制备是一个系统工程，一方面依赖于制备技术的改进；另一方面是对原料产出地的地质条件的研究程度，矿石开采程序、制备工艺以及检测与质量控制等工艺的把握。高纯石英原料评价与选择的技术壁垒较高，目前国内对于高纯石英原料选择及其加工工艺还存在较大的盲目性。

 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；

 预先选别：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，2017、2018 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、石英股份、菲利华都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。预计 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。

 国内旺季启动在即，海内外旺季高景气。2019 年上半年，由于国内政策尚未落地，处于需求淡季，上半年装机不足 12GW。但因增效降本，光伏在全球多个市场平价，海外需求爆发。竞价项目 7 月公示，8-9 月集中开工建设，12 月预计大部分项目完成并网，2019 年全年装机有望达到 40GW 以上，即 70% 需求集中在下半年。同时，海外需求旺盛，组件厂商海外订单饱和，四季度为海外旺季，国内外旺季叠加，产业链有望迎来量利齐升，高纯石英砂需求端有望再次释放。

3、中游：石英玻璃行业下游主要应用为半导体，国内企业受限于认证

3.1、石英玻璃性能优越，半导体是下游主要应用

 石英玻璃是由二氧化硅(SiO2)单一组分构成的特种工业技术玻璃，具有一系列优良的物理化学性能：耐温性高达 1100-1200℃，比普通玻璃高 800℃，是透明的耐火材料；热膨胀系数小，仅为 5.5 × 10-7/℃，相当于普通玻璃的 1/20，理论上可以到零膨胀；具有极佳的透光性能，紫外线、可见光、红外线等都可以良好地透过；具有良好的电绝缘性，20 ℃时电阻率为 1018Ω/cm，绝缘强度为 250kV/cm，真空度可达 10～6Pa；化学稳定性好，除氢氟酸和热磷酸外，不溶于其他任何酸。

 石英玻璃材料及制品是耗材，下游应用从中低端的光源行业向高端领域迈进，同时半导体石英行业占主要份额。 2015 年全球石英玻璃市场规模接近 250 亿元，而半导体和光纤应用占比分别为 65%和 14%左右，其中半导体、光伏和光纤行业受政策和新兴技术的拉动，发展迅猛。同时，石英玻璃有着高于普通玻璃的机械性能，是近代尖端技术中空间技术、原子能工业、国防装备、自动化系统以及半导体、冶金、化工、电光源、通讯、轻工、建材等工业中不可缺少的优良材料之一。

 传统电光源增长较为稳定

 根据 Technavio 报告《全球通用照明市场 2015~2019》报告，2014 年全球通用照明市场规模为 807 亿美元，2015 年为 849 亿美元，同比增长 5.2%。随着未来全球经济的发展和发展中国家城市化建设的进一步推进，Technavio 预计 2019 年全球通用照明市场总体规模将突破 1000 亿美元，2014-2019 年的年均复合增长率为 5.3%，全球照明市场保持平稳增长趋势。石英股份光源级石英管棒市占率约 33%，2018 年光源级石英管棒营收为 2.6 亿元，同比下降-1%，较为平稳。

 由于政策和新能源产业发展的带动，光伏行业发展迅猛

 石英玻璃所制造的石英坩埚是生产单晶硅所必需的石英容器，属于拉制单晶硅的消耗性器皿，每生产一炉单晶硅就用掉一只石英坩埚。随着新能源产业发展和国家宏观政策的支持，光伏行业在过去几年得以快速发展，GTM 研究数据显示，2017年全球光伏行业新增装机容量约99GW，国内新增装机量53.06 千兆瓦，占全球新增容量的 53.6%，中国已成为全球最大的光伏市场。2013 年以来，中国光伏企业依托国家“一带一路”的政策引导，产业规模不断壮大，产业集中度与技术水平不断提升，多家光伏企业开始布局海外市场，光伏行业的快速发展直接刺激和带动了石英坩埚产品的市场需求。

 受政策以及 5G 技术的影响，光纤前景广阔

 石英制品中的石英延长管、石英棒、光纤石英套管等主要应用在光纤预制棒制成和光纤拉丝工艺中。根据 CRU 报告，2017 年全球和中国光缆需求量分别为 4.92 亿芯公里和 2.86 亿芯公里，较上年分别增长 14.95%和 17.70%，中国市场需求增长对全球市场的需求增长贡献为 67.19%。受到各国政府对光纤光缆行业持续的政策支持、移动互联网高速增长和 5G 技术实施应用以及光纤到户等因素的影响，全球光纤光缆行业将继续保持稳健增长，市场对光纤预制棒、光纤和光缆的需求将会进一步提升，行业将迎来新一轮发展机遇。

 新兴应用发展+国产替代，半导体行业持续发展

 石英制品（石英片、石英环等电子级石英制品）应用在半导体集成电路的基本原料：晶圆生产过程中的硅片扩散、氧化、刻蚀等环节。随着物联网、区块链、汽车电子、无人驾驶、5G 等的发展，半导体行业有望保持高景气度，根据 ICinsights 数据，2015 年我国半导体自给率仅为 13.5%左右，国产替代空间大。近年来，国家层面陆续出台产业政策大力支持集成电路行业的发展，整体规划、国家集成电路产业投资基金和所得税优惠政策将引导并加快我国半导体行业的发展，也将驱动电子级石英产品市场规模进一步增长。

3.2、石英玻璃材料制备：电熔、气熔产品分别用于扩散、刻蚀工艺

 目前制备石英材料的方法主要有使用天然结晶石英（水晶或者纯硅石）的电熔法、气熔法，以及通过 SiCl4 经过化学气相沉积（CVD）合成的合成法。 电熔法分为连续电熔和真空电熔，相比气熔石英材料，电熔石英材料耐温性更好，被广泛用于生产半导体芯片制造所需要的石英玻璃部件，并且成本更低，同时气熔法羟基含量较高，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。合成法中直接合成法羟基含量极高，但杂质含量低，适用于光学材料；间接合成和等离子体化学气相沉积（PCVD）能制备低羟基含量的石英材料。

 羟基主要影响石英材料的碱金属以及热稳定性： 1）高羟基材料中的羟基在高温环境中会形成羟基团，有效的将半导体工艺中危害较大的碱金属包裹起来，阻止其污染晶圆；2）羟基因为改变了 SiO2 的键合结构，降低了材料的热稳定性，造成石英制品的耐温性能大幅降低，通常羟基含量超过 200ppm 的石英材料，1050℃即开始软化变形，低于低羟基产品超 100℃。气熔法制取的石英材料也可以通过真空电阻炉加热的方式进行脱羟，低温区间的半导体工艺，可以无视羟基的存在；高温半导体工艺（1000℃以上）应考虑羟基对于材料造成的实际影响，选择经过脱羟处理的材料来使用。

3.3、海外企业占主导，行业集中度高；受限于认证，国内高端产品不足

 全球高端石英玻璃市场（尤其是以半导体、光通讯为主的电子级石英玻璃市场），主要还是由贺利氏、迈图、东曹、昆希等海外龙头企业掌握。据 IBISWorld 统计，贺利氏、迈图、东曹 2013 年的全球市场份额占比合计超过 60%，市场集中度较高，且海外龙头企业皆在相应领域有得以立足的技术优势、市场分布较广，普遍涉及欧洲、亚洲、美洲。国内的石英龙头即为菲利华、石英股份：

 美国迈图石英是全球石英行业龙头企业之一。迈图主要制备工艺是电熔法，而且已经通过全球主要的半导体设备商 TEL 的认证，是高纯度熔融石英制品的全球领军企业，市场主要集中在北美、欧洲和亚太地区。公司 2018 年石英玻璃收入为 2.1 亿美元；

 德国贺利氏历史悠久，成立于 1851 年，技术积累雄厚，采用气熔及合成法制备石英玻璃材料，是高纯熔融石英的技术领导者，在高端合成石英玻璃材料供应市场处于寡头垄断地位；

 日本东曹采用气熔、电熔和合成法，主要产品为不透明 OP 系列熔融石英玻璃，主要应用于半导体，占下游应用的 67%；

 菲利华是国际第五家，国内唯一一家获得国际主要半导体设备制造商（东京电子）认证的石英玻璃材料企业，认证领域为低温的刻蚀领域，公司石英制品的下游应用为半导体和航天航空（54%）、光通信和太阳能（45%），在半导体领域应用相比其他国际性大企业较少。但在军工领域，菲利华是国内石英纤维独家供应商；

 石英股份是全球 3 家能批量生产高纯石英砂的企业之一，目前正在 TEL 进行全流程的认证，认证领域为高温的扩散领域，相比低温的技术难度更大；由于暂未通过认证，目前石英玻璃制品用于半导体领域较少。

 国内行业集中度较高，CR2 接近 80%；受限于认证，国内产品用于半导体行业的较少。国内石英玻璃材料企业中，目前仅石英股份、菲利华在 A 股上市，两家公司 2018 年收入分别达到 6.33 亿和 7.22 亿；在石英玻璃加工企业中，亿仕达、凯德石英（石英股份参股 22.76%）、路博石英（已退市）三家企业在新三板挂牌，规模较小；另外石英行业内还有众多更小规模的生产中低端产品的企业。受限于设备厂认证，石英股份和菲利华的产品用于半导体领域的较少，2015 年，菲利华半导体用石英玻璃材料营收占比仅为 28.82%；2018 年，石英股份光纤和半导体行业用石英材料营收占比合计为 43.61%，都低于 2015 年全球石英玻璃下游半导体占比（65%）。

3.4、通过半导体设备商的认证后，才能进入主流供应体系

 认证是进入主流供应体系的 PASS 卡，流程复杂。石英产品属于半导体工艺中的关键耗材，半导体设备厂商会对高纯石英砂、石英玻璃材料厂商和石英器件加工商进行资质认证，只有通过资质认证的供应商产品，才有资格进入对方供应链采购目录，所以石英厂商只有通过 AMAT、LAM Research、TEL 等半导体设备商的认证之后，才有可能进入主流半导体供应链系统。产品认证通过与否为下游是否能够大规模放量，提升渗透率的核心要素。

 石英玻璃材料企业 TEL 认证流程包括：1）体系认证：耗时半年到一年，认证后直到整改通过才能进入现场审核阶段；2）现场审核；3）产品测试：产品测试阶段通常耗时 3-4 周，测试后进行晶圆片分析，通常耗时两周左右，产品测试全流程通常在 2 个月左右，若数据指标能够通过且波动不大，就会提交给 TEL 总部，进行综合判定。

 石英玻璃制品企业（加工厂）产品 TEL 认证流程包括：1）备料环境：需要向通过检测的材料厂（迈图、贺利世等）购买合格原材料，预计 2-3 个月；2）改造合规：包括生产环境改造、设施改造、厂房改造等；3）产品检测，通常周期在 1 个月左右。

 据 VLSI Research 统计，半导体设备市场集中度高，2018 年 CR5 达 65%。美国的 AMAT（Applied Materials）凭借在沉积、刻蚀、离子注入、热处理等设备领域的领先技术获得高市占率,2018 年市场份额为 17.27%，全球第一；总部位于荷兰的 ASML（阿斯麦）是全球最大的半导体光刻机设备及服务提供商，在高端光刻机市场的占比超 80%，处于垄断地位；TEL（Tokyo Electron Limited）是日本最大的半导体设备厂商，公司主要产品包括半导体设备和平板显示设备，其中半导体设备包括刻蚀机、CVD、涂布/显影机和清洗剂等。

 目前，全球仅 5 家石英玻璃材料企业通过日本东京电子技术认证（TEL）；菲利华、石英股份认证的分别是低温、高温领域。1）菲利华是全球第五家、国内首家获得国际半导体设备商认证的石英材料企业，也是目前国内唯一通过国际三大半导体原产设备商认证的石英材料厂商，认证的是用于低温领域（刻蚀）的气熔。2）石英股份正在全产业链环节认证（包含自给的高纯石英砂认证）中，认证的为高温领域（扩散）的电熔，难度高于低温领域的认证。石英股份在日本东京电子认证（TEL 认证）的时间比较早，已经历经 4 年之久，当前半导体产品的国际认证进入最后阶段（刻蚀环认证已经通过，正在进行扩散环节认证，预计在 2019 年底-2020 年初会最终落地），认证通过后将大幅提升公司电子级石英管棒产品在下游半导体行业的应用空间和市场份额。相比石英玻璃制品企业，石英股份的认证难度较大，材料认证需要找合格认证的加工厂进行加工（石英股份找的加工厂是大和），存在二次“污染” 的情况，难度较高；再者，其主要认证的是高温领域，采用连续电熔工艺制备石英管/棒规模较大，技术壁垒更高，全球主要有贺利氏和迈图两家企业通过高温的认证。

4、石英材料应用在半导体行业最关键的硅片和晶圆制造环节

4.1、大尺寸硅片制造壁垒高，晶圆制造是核心

 半导体制造在芯片设计流程后，可分为三个阶段：1）单晶硅片制造，2）晶圆制造，3）封装测试。其中最为核心、难度最高、对相关材料要求最严苛的为单晶硅片制造和晶圆制程环节，这也是半导体产业中价值含量最高的领域。石英材料在半导体产业的应用正处在这两个环节，石英玻璃钟罩、石英玻璃坩埚和石英玻璃舟支架等分别用于单晶硅片制造过程中的多晶硅还原、清洗、硅片清洗；高精度石英玻璃基片是光掩模基板的主要基础材料，在光刻流程中使用，技术壁垒较高，是限制最小线宽的瓶颈之一；石英玻璃扩散管和石英玻璃坩埚用于晶圆制造和加工过程。

1) 硅片制造：石英砂在温度超过两千摄氏度的并有碳源的电弧熔炉中，在高温下发生还原反应得到冶金级硅，然后将粉碎的冶金级硅与气态的氯化氢反应，生成液态的硅烷，然后通过蒸馏和化学还原工艺，得到了高纯度的多晶硅；多晶硅熔化物在坩埚中旋转，把一颗籽晶浸入其中，并且由拉制棒带着籽晶作反方向旋转，同时慢慢地、垂直地由硅熔化物中向上提拉后得到单晶硅锭/ 棒；之后通过外径研磨、切片、抛光、清洗后就得到硅片。大尺寸硅片技术壁垒高，目前 12 寸硅片的技术仅有少数厂家突破，在以下 4 方面存在较强技术壁垒：大直径带来的热场设计、磁场设计、控制技术和导流筒设计难度；氧杂质带来的制造缺陷；抛光工序；表面金属杂质浓度的降低和检测等。

2) 晶圆制造: 晶圆即拥有集成电路的硅晶片。据集成电路（IC）设计，进行晶圆制造。该环节是整个半导体工业的核心。主要包括气相外延、氧化、化学气相沉积（CVD）、溅射、光刻、刻蚀、离子注入/扩散、清洗等工艺。用于硅片和晶圆制造的石英器件可以分为高温区器件和低温区器件两大类：1)高温区器件主要是扩散氧化等环节使用的炉管、扩散管、玻璃舟架等，需要在高温环境中直接或间接与硅片接触，主要采购电熔石英玻璃材料，通过热加工生产；2)低温区器件主要是刻蚀环节的石英环等，还包括清洗过程中的花篮、清洗槽等，主要在低温环境中使用,主要采购气熔石英玻璃，通过冷加工生产。其中高温区器件消耗速度较快，但是类似多片机（一个承载器具承放多个硅片），低温区器件消耗速度较慢，但属于单片机（一个承载器具承放一个硅片）；因此两者整体市场规模相对比较接近。

 光刻工序决定光掩膜版质量，光掩模版占半导体材料成本达 14%

 光掩模版工作原理类似于相机的“底片”，是下游行业产品制造过程中的图形“底片”转移用的高精密工具，是承载图形设计和工艺技术等知识产权信息的载体。光掩膜主要由两部分组成:基板和不透光材料。据清溢光电招股书，基板的采购成本占光掩膜版原材料采购成本的 90%。依据所需要的图形，用光刻机在原材料上光刻出相应的图形，将不需要的金属层和胶层洗去，即得到掩膜版产成品。掩膜版的原材料掩膜版基板是制作微细光掩膜图形的感光空白板。通过光刻制版工艺，将微米级和纳米级的精细图案刻制于掩膜版基板上制作成掩膜版。针对下游半导体芯片的主要产品有半导体集成电路凸块（IC Bumping）掩膜版、集成电路代工（IC Foundry）掩膜版、集成电路载板（IC Substrate）掩膜版、发光二极管（LED）封装掩膜版、微机电（MEMS）掩膜版。掩膜版对下游行业生产线的作用主要体现为利用掩膜版上已设计好的图案，通过透光与非透光的方式进行图像（电路图形）复制，从而实现批量生产。

 光刻工序是决定光掩膜版质量的最重要的环节。掩膜版的主要生产工艺流程包括图形设计、转换、图形光刻、显影、蚀刻、脱膜、清洗、尺寸测量、缺陷检查与修补、清洗、贴膜、检查以及出货。

i. 图形光刻：是决定质量最重要的环节，通过光刻机进行激光光束直写完成客户图形曝光。掩膜版制造都是采用正性光刻胶，通过激光作用使需要曝光区域的光刻胶内部发生交联反应，从而产生性能改变。

ii. 显影：将曝光完成后的掩膜版显影，以便进行蚀刻。在显影液的作用下，经过激光曝光区域的光刻胶会溶解，而未曝光区域则会保留并继续保护铬膜。

iii. 蚀刻：对铬层进行蚀刻，保留图形。在蚀刻液的作用下，没有光刻胶保护的区域会被腐蚀溶解，而有光刻胶保护的区域的铬膜则会保留。

 据 SEMI 数据，在半导体原材料的总成本中，光掩膜版占比为 14%，仅次于占比 32%的硅片，两者总成本占比 46%。光掩膜版的主材料是掩膜基版，菲利华是国内首家具备生产 G8 代大尺寸光掩膜版基材能力的企业，目前已推出从 G4 到 G8 代的系列产品，是国内唯一可以生产大规格光掩膜基板的企业。但目前国内光掩模基板产业链没有打通，菲利华产品需在日韩经过精磨、镀膜等精加工流程后，才能返回国内光掩膜版厂商进行光刻。

 集成电路刻蚀环节必须使用耐腐蚀性的石英玻璃材料及制品

 刻蚀可以分为湿法刻蚀和干法刻蚀，干法是主流。湿法刻蚀各向异性较差，侧壁容易产生横向刻蚀造成刻蚀偏差，通常用于工艺尺寸较大的应用，或用于干法刻蚀后清洗残留物等。干法刻蚀是目前主流的刻蚀技术，其中以等离子体干法刻蚀为主导。刻蚀的目的是把图形从光刻胶转移到待刻蚀的薄膜上。集成电路制造工艺繁多复杂，其中光刻、刻蚀和薄膜沉积是半导体制造三大核心工艺。薄膜沉积工艺是在晶圆上沉积一层待处理的薄膜，匀胶工艺是把光刻胶涂抹在薄膜上，光刻和显影工艺是把光罩上的图形转移到光刻胶，刻蚀工艺即把光刻胶上图形转移到薄膜，去除光刻胶后，即完成图形从光罩到晶圆的转移。

 在需求增长较快的刻蚀设备领域，行业集中度较高，泛林半导体占据刻蚀设备市场份额半壁江山。据 The Information Network 统计，LAM Research 在需求增长较快、行业集中度较高的刻蚀设备领域占据半壁江山，2017 年市占率达 55%。因为刻蚀环节需要去掉镂空的薄膜，因此集成电路刻蚀环节必须使用耐腐蚀性的石英玻璃材料及制品。刻蚀环节石英材料使用量较大；主要产品包括石英环、石英玻璃反应腔和样品支架等。另外在硅片酸洗和超声波清洗工序也需要使用拥有极高化学稳定性的石英玻璃材料，主要产品包括石英玻璃花篮（硅片酸洗、超声波清洗）、清洗槽（洗涤液的承载器）等。

 扩散属于高温领域，要求石英材料耐高温

 扩散的主要用途是在高温条件下对半导体晶圆进行掺杂,即将元素磷、硼扩散入硅片,从而改变和控制半导体内杂质的类型、浓度和分布,以便建立起不同的电特性区域。采用不同的掺杂工艺,通过扩散作用，将 P 型半导体与 N 型半导体制作在同一块半导体硅片上。半导体中的扩散属于三种输送现象（质量传输、热传递和动量传输）中的质量传输，需要在 850℃以上的高温环境下，效应才够明显；而据贺利氏披露，卧式炉的扩散、氧化和退火工序需要在高温环境下（>1150℃）也能保持温度稳定性能的特种石英材料。

 扩散流程分为前扩散和后驱入两个步骤：1）前扩散：当高温炉管升至工作温度后，把待扩散晶圆推入扩散炉中，然后开始释放扩散源进行扩散；2）后驱入：又称为高温退火工序，用于决定掺杂量的边界条件，基本上只维持炉管的驱入工作温度，扩散源不再释放。

3) 封装测试：完成封装测试后即可进行组装，完成芯片制作。

4.2、IC 占半导体市场 83.9%，硅片市场高度集中

 2018 年，半导体市场中，集成电路销售额占比达 83.9%。半导体是导电性介于导体（金属）与绝缘体（陶瓷、石头）之间的物质，包括硅、锗、砷化镓。半导体分为四类产品：集成电路（IC）、光电子器件、分立器件和传感器。其中销售额规模最大的是集成电路，2018 年全球半导体和集成电路市场规模分别为 4688 亿和 3933 亿美元，同比增长分别为 13.7%和 14.6%，集成电路销售额占半导体总销售额的 83.9%，同比上升 0.64pct。

 集成电路产业分为设计、制造和封装测试三大环节。设计处于集成电路产业上游，毛利率较高，以美国为主的公司处于领先地位，国内起步较晚，目前仍然处于追赶地位；石英制品参与集成电路的制造环节的硅片和晶圆制造，行业壁垒高，资本投入大，中国台湾、美国和韩国企业处于领先地位；封装测试的技术壁垒相对较低。据中国半导体行业协会统计，2019 年 1-6 月中国集成电路产业销售额为 3048.2 亿元，同比增长 11.8%，其中，设计业同比增长 18.3%，销售额为 1206.1 亿元；制造业同比增长 11.9%，销售额为 820 亿元；封装测试业销售额 1022.1 亿元，同比增长 5.4%。2014-2018 年，中国集成电路年均复合增长率为 21.32%，设计、制造和封装测试业的 CAGR 分别为 24.55%、26.41%和 14.96%。2018 年，封装测试业的销售占比相比 2014 年下降 8.1pct，设计和制造业分别上升 2.8pct 和 4.2pct。

 硅片市场高度集中。半导体硅片又称为硅晶圆，是制作集成电路的重要材料，通过对硅片进行光刻、离子注入等手段，可以制成集成电路和各种半导体器件。半导体硅片产品主要有三大类构成，包括抛光片、外延片、绝缘体上硅 SOI：

 抛光片：用量最大的产品，其他的硅片也都是在抛光片的基础上二次加工产生的。单晶硅棒经过裁切、外径研磨、切片后得到硅片，然后通过物理磨削和抛光后，得到抛光片；

 外延片：抛光片在外延炉中加热到 1200℃左右。通过汽化的四氯化硅（SiCl4）和三氯硅烷（SiHCl3）生长气相外延。它具有抛光片所不具有的某些电学特性并消除了许多在晶体生长和其后的晶片加工中所引入的表面/近表面缺陷；

 绝缘体上硅 SOI：SOI 最上面是顶层硅，中间是掩埋氧化层，下方是硅衬底。 SOI 优势在于可以通过氧化层实现高电绝缘性，这将大大减少硅片的寄生电容以及漏电现象。

 大尺寸硅片具有规模效应。根据 Gartner 的数据，预计 2020 年全球硅片市场规模将达 110 亿美元。2018 年全球半导体硅片（包括抛光片、外延片、SOI 硅片）行业销售额前五名企业的市场份额分别为：日本信越化学 28%，日本 SUMCO25%，中国台湾环球晶圆 14%，德国 Siltroni14%，韩国 SK Siltron10%， CR5 接近 90%，市场呈现垄断局面。随着半导体行业的发展，硅片的尺寸逐步增大。从 1965 年诞生的 2 英寸（50mm）直径硅片，到 4 英寸（100mm）、 5 英寸（125mm）、6 英寸（150mm）、8 英寸（200mm），再到 2000 年的 12 英寸（300mm）硅片。硅片直径越大，在一个硅片上经一次工艺循环可制作的集成电路芯片数越多，具有显著的规模效应。在 12 英寸硅片领域，前五家厂商的市占率更是达到了 97.8%。2011 年，全球五大半导体厂商 IBM、英特尔、三星电子、台积电和 Global Foundries 共同成立全球 450mm 联盟（G450C），用于推动 18 寸硅片发展。

 晶圆代工市场高度集中，前四大代工厂市占率稳定。据拓墣产业研究院数据， 2019Q3，晶圆代工厂市占率排名前四位的分别是台积电、三星、格芯（GlobalFoundries）和联电（UMC），市占率分别为 50.5%、18.5%、8.3%、 6.7%，前四大代工厂市占率排名稳定。晶圆代工企业大多为中资公司，国内企业通过认证后，接入供应链放量会比较快捷。

5、2019 年，半导体石英市场空间约为 212 亿元

 5G、物联网、人工智能崛起，半导体市场空间广阔

 随着 5G、物联网、人工智能等市场的迅速崛起，半导体行业迎来更多发展机遇和空间。未来存储器、汽车电子和工业用半导体芯片是带动半导体市场成长的最直接因素，5G 网络、NB-IoT 也将积极推动半导体产业步入黄金期。而 PC 和智能手机等传统半导体市场的增长将持续放缓。物联网将成为发展最快的领域，2015- 2020 年 CAGR（复合年均增长率）高达 13.3%，IC（集成电路）整体市场的增长率约为 4.9%。同时，汽车电子领域也呈现出高速增长的态势，增长率达到 10.3%。

 政策环境宽松助力行业发展

 半导体行业是技术壁垒和资金壁垒较高的行业，也是我国发展高端制造等战略性新兴产业的重要方向。据海关总署的数据显示，我国集成电路贸易逆差逐年增大，2018 年达 2274 亿美元，同比增长 17.7%。

 近年来，国家层面陆续出台产业政策大力支持集成电路行业的发展。2012 年工信部出台了《集成电路产业“十二五”发展规划》，规划指出到“十二五”末，我国集成电路的产业规模再翻一番，关键技术和产品取得突破性进展；2014 年，国务院出台《国家集成电路产业发展推进纲要》指出，到 2020 年，集成电路全行业销售收入年均增速超过 20%，同时将设立国家产业投资基金，吸引各类资金，重点支持集成电路制造领域；2018 年，财政部、税务总局、国家发展改革委和工信部联合出台了《关于集成电路生产企业有关企业所得税政策问题的通知》，颁布了一系列免税、减税的税收优惠政策。国家集成电路产业投资基金和所得税优惠政策将引导并加快我国半导体行业的发展，也将驱动电子级石英产品市场规模进一步增长。

 半导体行业或将迎来进口替代需求，半导体石英市场空间较大

 国内石英材料价格更低，国产替代有空间，中国半导体市场同比增超 20%。 2014 年 H1，国产和进口石英锭用石英砂价格分别为 17.7 和 66.6 元/公斤，进口料价格是国产料的 3.8 倍，国产石英材料具有明显的价格优势。据 WSTS 数据， 2018 年全球和中国市场的半导体销售额分别为 4688 亿和 1579 亿美元，分别同比增长 13.7%和 20%；国内半导体销售额占全球销售额比例逐年增加，2018 年达 34%，同时，2017/2018 年中国半导体市场同比增速达 22%/20%,国产替代迎来更大的空间。

 电子级石英产品是半导体领域中不可或缺的原材料。晶圆作为半导体集成电路的基本原料，其生产中的硅片扩散、氧化、刻蚀等环节均需要消耗大量的石英片、石英环等电子级石英制品；而电子级石英制品因其高纯度、耐高温、低热膨胀性、化学稳定性强等优良性能，亦在半导体芯片制造加工中被广泛应用。因此，电子级石英制品与半导体行业之间密切的关系，半导体行业的高速发展将直接带动电子级石英产品的发展。据世界半导体贸易统计机构（WSTS）预计，2019 年全球半导体销售额有望达到 4090 亿美元，据兴证有色团队草根调研结果，半导体石英市场规模约为 212 亿元，电熔法、气熔法的市场空间分别为 20-30 亿元、10-20 亿元。

6、推荐国内上市公司：石英股份和菲利华

6.1、石英股份：全产业链布局，认证通过在即

6.2、菲利华：国内唯一通过认证，半导体和航空航天是未来增量

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（报告来源：兴业证券）

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