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高科技领域关键材料:石英国产替代进程加速!

简要描述:

  石英玻璃是应用日益广泛的高新技术材料。石英玻璃的成分为二氧化硅(SiO2),具 有透光性高,耐温...

  石英玻璃是应用日益广泛的高新技术材料。石英玻璃的成分为二氧化硅(SiO2),具 有透光性高,耐温性好,膨胀系数低等优越的物化性质,因此被广泛应用于半导体、光伏、 光学、光纤和军工等高新技术领域。石英玻璃已成为近代科学技术和现代工业不可或缺的 重要材料。新材料领域的专家们把石英玻璃称为“玻璃王”,无论从制造的高指标或工艺 的复杂性,还是应用场合的技术难度来看,石英玻璃堪称玻璃材料的“皇冠”。

  石英玻璃的力学、热学、光学和化学性能优越,在半导体、光学、光纤、光伏、电光 源以及航空航天等领域应用广泛。石英玻璃是由二氧化硅单一组分构成的工业技术玻璃, 由于二氧化硅为原子晶体,Si-O 间是共价键,所以石英玻璃耐温性强且化学性质稳定;Si-O 间化学键能大且结构紧密,使得石英玻璃具有良好的机械性能,耐压力强;此外石英玻璃 具有较小的密度,再加上石英玻璃的微观结构是由二氧化硅四面结构体结构单元组成的单 纯网络,短程有序,长程无序,使得其光学性能优良且介电强度高。凭借优越的物化性质, 石英玻璃广泛应用于包括半导体、光纤、光学、光伏、电光源以及航空航天等诸多高新技 术领域。

  1)半导体(占比约 65%):石英制品是重要的半导体耗材,用于半导体加工全过程。石英玻璃内二氧化硅纯度高,化学性质稳定,不与除氢氟酸和磷酸外的任何酸反应,充分 满足半导体制造过程中需要抗高温、变形性能强、不活泼的材料作为晶圆承载和清洗等容 器的要求,被广泛运用于半导体生产过程。此外,由于石英玻璃折射率低,耐温性强,能够满足掩膜版对于基版材料光学透过率高,热膨胀率低的要求,是高精度玻璃掩膜版的重 要材料。

  2)光纤(占比约 14%):石英玻璃材料是生产光纤预制棒和光纤拉丝过程中主要的 消耗材料。石英玻璃的折射率极低,吸光系数小并且透光波段范围宽,而光纤作为以全内 反射原理传输的光传导工具,对折射率有极高的要求,因此石英玻璃被大量应用于光纤制 造,主要产品有预制棒、炉芯管、石英管等。

  3)光学(占比约 10%):石英玻璃构成的部件是光学仪器中的关键性元件。透明石 英玻璃的光学性能好,折射率低,可以满足 185-3500mμ波段范围内任意透光波段,因此 既可以作为光学仪器的透紫外材料也可以作为透红外材料,主要产品为制造摄谱仪、红外 照相机、棱镜以及透镜。同时,石英玻璃具有很强的热稳定性,数值在 800~1000℃之间, 光学石英玻璃还广泛应用于高空高温照相,比如:高温作业窥视窗口、高精度测距仪以及 大型天文望远镜。

  4)光伏(占比约 7%):光伏领域生产加工环节中,石英玻璃制品为硬性耗材。石英 玻璃所制造的石英坩埚凭借洁净、同质和耐高温的性能,一般作为熔融多晶硅料的盛装器 具,用于后续拉制单晶硅棒/多晶硅锭的过程,是生产过程中的主要耗材。随着新能源产业 的强劲发展,中国光伏产业规模不断壮大,天然石英产品尤其是石英坩埚产品的市场需求 不断扩大。

  5)电光源(占比约 4%):在电光源领域,石英玻璃电光源产品在家居、医疗、交通、 娱乐等行业应用广泛。汽车照明用的氙灯,卫生消毒用的紫外线杀菌灯以及娱乐场所用的 金属卤化物灯,都采用石英玻璃作为照明器具。

  6)军工:在航空航天领域,石英玻璃制品为宇宙飞船和航天飞机的核心元件。石英玻 璃的密度小,抗压能力强且光学性能好,满足太空窗口材料滤紫外耐辐射的要求,避免高 能射线照射下形成“色心”,被广泛应用于卫星及宇宙飞船,耐辐照的石英玻璃可以有效 控制航天器姿态,高强度抗辐照玻璃盖片能为宇宙飞船的太阳能电池能源系统提供有效保 护,此外,石英玻璃纤维隔热性能优良,介电性能好,被广泛用于机载天线罩用复合材料 中。

  完整的石英玻璃制品产业链包含从高纯石英砂原料到下游应用领域的全过程:高纯石 英砂—石英玻璃材料—石英玻璃制品—下游应用领域。石英产业是以二氧化硅为主要原材 料成分的材料及制品行业。产业链中,上游为高纯石英砂生产及供应。现阶段,由于高纯 石英砂的生产与高品质矿源密切相关,产业内主要被背靠高品质石英矿的海外企业垄断, 主要参与者包括尤尼明、挪威 TQC 等,国内石高纯英砂龙头生产厂家为石英股份。中游石 英玻璃材料一般会以锭、筒、棒、管等形态保存,目前产业内主要竞争者包括国外的迈图、 贺利氏、东曹、昆希、以及国内的菲利华、石英股份等;下游的石英制品是以石英玻璃为 材料制成的一系列器件,包括石英舟、钟罩、坩锅等,其对生产技术人员和生产设备要求 高,国内石英制品加工企业技术与外资企业仍有差距,贺利氏信越、杭州大和、沈阳汉科、 泰谷诺等外资企业占据主要市场份额,国内石英制品加工企业主要有凯德石英,菲利华石 创、东科石英以及强华股份等;石英制品下游客户主要包括半导体设备商和晶圆制造商、 光伏石英坩埚制造商、光伏硅片制造厂商、以及光学、光纤、军工和电光源领域相关生产 厂商,其中半导体市场为主要应用市场。

  高纯石英砂是石英玻璃制备关键原材料,产品纯度标准决定其应用领域。高纯石英砂 是指 Si 含量大于 99.9%,Fe2O3 含量小于 0.0001%、Al2O3 含量小于 0.01%的石英砂。按照纯度指标高纯石英砂可分为 3N(低端)、4N(中端)、4N8(高端)、5N2(超纯)、 6N(高纯 SiCl4),纯度决定其应用领域。半导体:6N 的 SiCl4 用来制作光掩模基板,5N2 砂可制硅生长坩埚,4N 和 4N8 砂可制硅片氧化、扩散等用的石英材料;光纤:6N 的 SiCl4 用于制备芯棒,4N8 和 4N 砂可制沉积环节的种子棒与预制棒烧结的炉芯管;光伏:4N8 砂可制硅生长坩埚,4N 砂可制光伏电池扩散等用石英材料;光源:4N8 和 4N 砂可制特种、 汽车灯和红外光源用石英材料;军工与航空航天:6N 的 SiCl4 可制对精度要求极高的传感 器,4N 砂可以生产石英纤维;光学:6N 的 SiCl4 制玻璃可作光刻镜头,激光陀螺等高端 产品,4N、4N8 砂可用来制作镀膜锭等产品。

  高纯石英砂的制备工艺根据天然和合成可以分为矿物提纯和四氯化硅合成两种方式, 受制于原料储量和成本,当前矿物提纯为主要制备工艺。天然高纯石英砂可以通过天然水 晶经过粉碎-磁选-浮选-酸浸-干燥-焙烧传统工艺得到,也可以通过花岗伟晶岩、脉石英岩 等在改进传统工艺环节的基础上增加络合和氯化煅烧等过程除去包裹体和晶格内的杂质深 度提纯获得。合成四氯化硅制备通过光反应提高四氯化硅杂质的沸点,再通过精馏除杂制 备。由于天然水晶的储量小且原料价格高,合成四氯化硅的制备成本高,难以大规模生产, 因此,石英矿物提纯加工是当前高纯石英砂的主要制备方法。

  天然高纯石英砂制备采用物理和化学提纯相结合的方法,矿石质量和晶格除杂工艺是 产品质量决定因素。制备过程包括粗选-破碎-水淬-粉碎-磁选-分级-焙烧-水碎-浮选-去离 子水洗-干燥-酸浸等 12 个步骤。石英矿物提纯工艺流程较为复杂,矿石质量和晶格除杂工 艺是产品质量的决定性因素。

  矿石质量:矿石中不同矿物包裹体、流体包裹体和晶格杂质含量决定了石英矿提纯和 加工后的高纯石英砂最终质量。根据不同成矿特性和理化特性,石英岩可分为花岗伟晶岩、 脉石英岩、石英岩和石英砂岩,其中,前两类岩石晶粒结晶粒度粗,易于单体解离,是中 高端高纯石英砂的理想原料。目前认为,原料评价应当以化学成分、嵌布粒度、脉石矿物、 包裹体和晶格杂质作为关键指标综合评价,当石英原料在 5 个指标中有 3 个及以上达到 A 级时,可以推荐为高纯石英原料。根据中国粉体网数据,当前,全球高纯石英原料矿床分 布于美国、挪威、澳大利亚、俄罗斯、印度、加拿大、中国等 7 个国家,除中国外有 14 处 矿床,其中尚未开采的有 7 处,矿源质量最高和储量最大的为美国 Spruce Pine 矿。深度 绑定高品质矿石资源是行业内企业竞争关键。

  晶格除杂:石英矿物中的 Al 离子和 Fe 离子容易替代石英晶格中的硅离子,形成新的 铝氧四面体和氧铁四面体,同时造成晶格内部电荷缺陷而引入 K、Na、Li、H 等电荷补偿 杂质,该种杂质需要改变晶格结构才能得以去除,因此,晶格除杂为高纯石英砂加工过程 中难以突破的瓶颈。我国目前试图通过氯气、氯化氢与矿物反应,高温焙烧改变石英晶体 结构达到除杂效果,但是受制于温度和酸浸参数,我国氯化焙烧处理能力仍处于较弱水平。尤尼明矿石的液体包裹体小于 5 个/cm2,我国则达到 15 个/cm2,通过高温焙烧对 Al 和 Fe 的去除率分别能够达到 96.7%和 87.7%,在确定起始温度、焙烧时间、酸浓度及反应时 间方面,仍有待一步突破。

  高纯四氯化硅制备以光化和精馏结合工艺为主,除杂环节成本高昂是我国企业技术路 线的“卡脖子”环节,三孚股份率先实现技术突破。目前工业界采用光化与精馏结合的方 式制备高纯四氯化硅,具体工艺流程如下:(1)光化反应:利用光照条件将氯分子解离为 氯自由基,取代三氯氢硅及其它含有氢杂质含氯化合物上的氢原子,得到 HCl、SiCl4 和其 他含氢化合物。光化反应对去除三氯氢硅杂质极为有效,可以将某些杂质转化为沸点更高 的杂质;(2)精馏:主要根据四氯化硅与各种杂质沸点不同来实现分离,可以将 SiCl4 中 的低沸点组分和高沸点组分分离出来,但是 AlCl3,FeCl3 等极性重金属氯化物有可能形成 配合物,挥发度同四氯化硅相近,精馏法不能达到理想效果。此类杂质可用吸附法进一步 提纯,但是活化处理十分繁杂且费用高,给除杂带来困难,杂质吸附环节是技术路线中关 键成本环节。近年随着国内精馏技术的提升,三孚股份率先完成技术突破,产品达到 9N 级别,实现对原材料要求较为苛刻的 PCVD 芯棒生产工艺的规模化供应,初步完成进口替 代。目前公司 3 万吨高纯四氯化硅产能已全部投产,国产化进程加速。

  我们预计到 2024 年,全球光伏用高纯石英砂市场空间有望达 9.15 万吨,21-24 年 CAGR 达到 27.3%。在光伏领域,高纯石英砂主要用来制作拉制单晶硅棒的石英坩埚。在 全球“双碳”目标和光伏发电成本不断下降的双重驱动下,全球光伏装机量迎来高增长。根据新增光伏装机量,硅片生长炉工作时间及产能,石英坩埚平均使用寿命,可以测算出 高纯石英砂的需求量。我们作出如下假设:

  (1)全球硅片产量:我们预测,21-24 年全球新增光伏装机量为 240、300、350GW。在制备组件/电池片/切片过程中的良品率分别为 99%/98%/99%,新增装机量和硅片产量 比例大概为 1:1.25,21-24 年光伏硅片产量预计为 299、373、435GW。

  (2)生长炉产能:根据国内技术与规模双领先的光伏设备供应商晶盛机电晶体生长设 备的收入和销量,可以计算出生长炉的单价为 218.5 万元。又根据隆基股份公告,1GW 硅 片产能约需要 2 亿元晶硅生长炉。由此可得,晶体生长炉的产能约为 10.9MW/台/年,假 设行业平均晶体生产炉产能为 10 MW/台/年。随着生长炉设备企业研发的持续投入与技术 的不断突破,预计单台设备产能 22-24 年增长为 0.8、1、1MW/台/年,21-24 年单台生 长炉产能为:10/10.8/11.8/12.8MW/台/年。(报告来源:未来智库)

  (3)生长炉工作时间:随着光伏领域制造设备的不断改进,高控制精度全自动晶体生 长炉的普及,已经可以实现全过程计算机控制自动生长,延长了设备的工作时间。因此, 我们假设 22-24 年每台生长炉工作时长为 7750、8000、8200h。

  (4)石英坩埚寿命:由于光伏行业对于石英坩埚的纯度、洁净度、精度具有严格标准, 同时大硅片的演进也使得石英坩埚工艺技术一直向“高纯度、大尺寸、低成本、长寿命” 方向发展。根据晶盛机电和欧晶科技的公告,我们假设 21 年坩埚平均寿命为 350 小时, 随着坩埚寿命的不断提升,我们假设 22-24 年坩埚使用寿命为 360、380、400h。

  (5)中国硅片产量占全球比例:根据 CPIA 数据,我国硅片产量的全球份额不断提升, 从 2018 年的 93.04%增长至 2021 年的 99.23%。随着全球光伏硅片龙头企业隆基、中环等持续扩产,我们预计我国光伏硅片产量占全球比例将进一步提升,22-25 年均维持在 99.5%。综上,我们预计 21-24 年,全球的光伏用高纯石英砂需求为 4.43/6.31/8.07/9.15 万吨。我们预计 22-24 年市场供给约 5.5/7.5/8.9 万吨,供给偏紧,未来三年仍有 0.81、 0.57、0.25 万吨的缺口,景气度将持续,随着产能释放,预计 25 年开始供给将逐步宽松。

  高纯石英砂市场被美国尤尼明长期垄断,国内仅石英股份可规模量产。尤尼明拥有美 国北卡罗莱纳州 Spruce Pine 地区花岗质伟晶岩原矿,储量超过 1000 万吨,是全球最理想的高纯石英砂提纯矿石,其还掌握先进的提纯工艺,能够运用数学模型验证矿体,保证 产品稳定供给,因此,长期处于垄断地位,占据全球 70%以上的高纯石英砂市场。挪威 TQC 依靠美国 Spruce Pine 地区的优质矿源和本地石英矿成为第二大石英砂供应商,占据 10% 的市场份额。我国石英股份公司 2009 年取得重大技术突破,成为全球第三家,国内唯一一 家能够规模量产高纯石英砂的企业。石英股份深度绑定上游矿源,帮助企业持续生产高品 质高纯石英砂,保证产品产量和持续供应能力,快速崛起。

  高纯石英砂制备技术海内外差距逐渐缩小,国产替代为必然趋势。国外已经可以规模 量产 5N2 的高纯石英砂,我国尚处 4N8 阶段,多数高端产品依赖进口。我国的矿源主要 为脉石英和石英岩,杂质含量多,提纯难度大,目前 3N 和 4N 产品已经实现国产化,石英 股份生产的半导体和光伏级高纯石英砂都达到了 4N8 水平,与尤尼明 IOTA-标准产品达到 相同纯度。随着我国选矿评价体系的完善和提纯工艺的进步,国产替代成为必然趋势。

  本土龙头石英股份加速扩产,国产化进程提速。在国产替代及高纯石英砂需求激增的 驱动下,石英股份积极扩产迎接机遇,市场份额有望进一步提升。石英股份已有高纯石英 砂产能 1.5 万吨,新建的 2 万吨已基本建成,另有 1.5 万吨高纯石英砂项目计划 2023 年投 产,菲利华计划建设两万吨超纯石英砂产能,预计 23 年投产 1 万吨,25 年两万吨全部投 产。尤尼明、TQC 和 Russian Quartz 近两年无明显扩产计划,随着高纯石英砂需求的不 断走高,预计 2022 年高纯石英砂仍有缺口,国产化进程提速明显。

  石英玻璃材料分为天然石英玻璃和合成石英玻璃,主要制备方法包括电熔法、气炼法 以及化学合成法,纯度和不同杂质含量决定其应用领域。石英玻璃由高纯度的二氧化硅组 成,一般以棒、管、片或锭的形态保存,按照原料的不同,可以分为天然石英玻璃和合成 石英玻璃。根据制备工艺,可以分为电熔法和气炼法和化学合成法。电熔法羟基含量低于 气炼法,金属杂质含量较高通常用于电光源和半导体扩散氧化等高温环节,气炼法羟基含 量较高,气泡少,主要用于光源和半导体刻蚀等低温环节。CVD 法制得的石英玻璃纯度高, 金属杂质含量低,但成本高,能耗大其被广泛应用于高端光学,半导体光掩模板以及光纤 等。

  电熔法和气炼法为石英玻璃的主流制备工艺,二者都利用高温熔融石英砂的原理,但 加热方式不同导致产品羟基和金属杂质含量有差异。电熔法工艺流程为:将处理好的石英 砂加入反应炉中,通电抽真空并注入氮气或氢气,加热翻料熔融,将熔融态石英进行机械 拉管、切割、磨平、酸洗等工序制成石英玻璃,该法制备玻璃品质主要取决于原料纯度, 金属杂质含量较高。气炼法工艺流程为:氢气和氧气点燃形成氢氧焰,喷洒到石英玻璃靶 托上,靶托匀速旋转并下降,石英砂粉末不断融化成玻璃态,后续流程同电熔法,由于气 炼法采氢氧焰加热,氢气会渗入石英玻璃,所以该种方法羟基含量较高。

  化学气相沉积工艺(CVD)是合成玻璃的制备工艺,产品纯度更高,改进加热方式和 制备步骤可进一步降低羟基含量。CVD 法的具体制备流程为:(1)氢气和氧气分别过滤 后通入反应熔炉,燃烧形成氢氧焰作高温热源;(2)氢气作为载流气体将鼓泡瓶中的高纯 SiCl4 通过上料管输送入反应熔炉;(3)SiCl4 在氢氧焰中高温水解或氧化生成 SiO2 微粒, 并逐层沉积在旋转的基体上形成透明石英玻璃;(4)冷却后出炉引料头,通过机械拉管、 切割与酸洗得到石英玻璃成品。CVD 制得的石英玻璃 SiO2 含量可达 6N,但羟基含量超 1000ppm。若采用等离子(PCVD)代替氢氧焰加热,羟基含量可降至 5ppm;若采用低 温 CVD 沉积再进行烧结(间接合成法),羟基含量可降至 1ppm。

  电熔法制备石英玻璃的优点是羟基含量少,但金属杂质多;气炼法制备金属杂质少但 羟基含量高;四氯化硅合成的石英玻璃杂质和羟基含量都较少,但是制备成本较高。电熔 和气炼工艺均是以高纯石英砂为原料,经过 1800℃以上高温熔制成石英玻璃,由于原料纯 度和熔制工艺自身的局限,所制备的石英玻璃纯度较低、存在较多气泡、杂点,技术空间 提升小等缺陷,但技术成熟,是目前石英玻璃主流的制备方法。采用化学合成方法(CVD、 PCVD、两步 CVD)制备出的合成石英玻璃不但品质较高,而且以四氯化硅为原料也很好 地解决了多晶硅产业副产物对环境的污染问题,但制备成本高,工艺流程较为复杂,是未 来技术主要发展方向,其中两步 CVD 法克服了电熔法对原料纯度的依赖以及一步法中羟基 含量过高的缺点,为制备大尺寸低羟基石英玻璃提供了解决办法,是工业界近年来的重点 发展方向。

  石英玻璃质量主要受制备方法和工艺影响,业内领军企业均保有高技术壁垒。国际上:迈图在熔融石英行业处于领先地位,主要掌握生产熔融石英的气炼法和电熔法,占据半导 体和光纤市场。贺利氏掌握气炼法制备石英玻璃技术已有 117 年,拥有完整的熔融石英预制棒生产-拉丝工艺光纤产业链,深耕光纤领域。东曹主营领域为半导体,掌握氢氧焰融、 电熔法生产熔融石英玻璃,和火焰水解合成工艺生产合成石英玻璃的技术,在半导体领域 具有优势。昆希是全球唯一掌握等离子技术的企业,在半导体领域具有独特优势。我国石 英玻璃制备技术与国外先进技术水平相比,在高纯度、大尺寸石英玻璃制备、熔制设备和 节能控制方面还有较大差距。

  菲利华、石英股份、亿仕达(退市)和鑫亿鼎(新三板)等国内石英材料生产企业逐 步崛起,加大技术投入,缩小海外差距。菲利华:掌握电熔法、气熔法以及合成法三条工 艺路线以及气炼电熔二步法生产大规模石英扩散管技术,深厚的技术积累助力菲利华的石 英材料全面布局,公司目前获得三大关键半导体设备厂商认证,产品质量获国际认可。同 时,公司还是全球石英纤维主要提供商之一。石英股份:公司以电熔法工艺为主,为国内 连熔技术行业标杆,在连熔生产工艺技术上创新发展,填补国内多项连熔法生产半导体级 高级石英管、棒、板、筒等产品的空白。产品品质稳定,具备成本优势。公司产品通过 TEL 扩散,LAM 刻蚀环节认证,AMAT 认证也取得阶段性成果。此外,亿仕达(退市)和鑫亿 鼎(新三板)均掌握石英材料生产工艺,产品应用于电光源、半导体、光伏等多个领域。

  石英玻璃市场集中度高,全球 CR5 约为 74%。目前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),主要由贺利氏、迈图、东曹、昆希等海外龙头企业掌握。这些海外龙头企业历史悠久,具备独特的技术优势,各自有其擅长的领 域和市场,产品附加值高、竞争力强,且在长期市场耕耘过程中,积累了较强的上下游产 业渠道优势和产业规模优势。根据 IBISWorld 统计的数据,2013 年全球石英市场份额中, 美国迈图公司占比 38%、德国贺利氏占比 21%、日本东曹占比 8%,三家企业合计占比 67%。(报告来源:未来智库)

  半导体为石英玻璃材料主要应用领域,我国企业加速完成半导体原厂认证,加速国产 替代进程。目前全球只有 6 家石英玻璃制造企业获 得 TEL 认证,其中四家为海外公司包括迈图、贺利氏、昆希、东曹,中资企业有菲利华和 石英股份。我国企业菲利华目前获得三大关键半导体设备厂商认证;石英股份通过 TEL 扩 散,LAM 刻蚀环节认证,AMAT 认证也取得阶段性成果,加速完成半导体原场认证将助力 我国企业快速发展,推动国产替代进程。

  石英股份大幅扩张产能,菲利华积极布局全产业链。截止 2020 年底,石英股份具备 9500 吨/年石英材料产能,近年来均处于满产状态。2019 年公司发行 3.6 亿可转债募投 6000 吨/年电子级石英材料以及 1800 吨/年石英砣产能,2021 年四季度完成扩产项目。随着扩产工程顺利落成投产,公司产能及业绩规模将再上台阶。菲利华现有天然石英产能 2500 吨,合成石英锭约 400 吨的产能。2019 年发布定增募投项目用于合成石英玻璃、 电熔石英玻璃的扩产,预计达产后石英玻璃新增收入达 2 亿元。

  石英制品是尖端科技领域中的关键耗材,种类丰富且应用广泛,在半导体、光伏、光 学、光纤、高端电光源、航空航天等高新科技领域产品生产过程中至关重要,不可替代。石英玻璃是由石英材料进行加工改型后制得的石英玻璃器件,涵盖石英管道、石英舟、石 英坩埚等多种产品,作为关键材料被广泛应用于半导体、光纤、光学、光伏、电光源、航 空航天等领域,其中半导体是最主要的应用领域,占比超过 65%。

  冷加工+火加工工艺是石英制品主要制备工艺,设备和经验丰富的技工是工艺过程关键 因素。冷加工主要工艺为切割、研磨和抛光,多利用数控机械设备对石英材料进行处理, 有的刻蚀类产品可以直接依靠机械设备做成成品,设备的种类、数量和精度是加工关键。

  火加工是将石英部件进行二次改型,制备适合下游产业使用的产品,经验丰富的技工是该 环节的核心。火加工分为玻璃车床和手工火加工,由于熔融石英玻璃熔点和粘度都很高, 温度过低无法熔融,过高则过于稀软且极易蒸发,而焊接需要行分层次、分部件操作且使 其均匀受热,因此对技工要求极高,行业内成熟的火加工技术工人培训周期通常为 8-10 年, 该技术至今仍然高度依赖技工成熟的手艺,难以被替代。

  关键环节一:碱金属除杂。由于碱金属极其活泼容易污染制品,故在高端石英制品制 造中碱金属除杂尤为关键。全过程多次清洗是碱金属除杂的主要手段,清洗试剂浓度是除 杂关键。关键环节二:脱羟处理。羟基能够改变二氧化硅的键合结构,导致石英制品耐热 性能大幅下降,含量高于 200ppm 的材料软化变形温度可降低 100 余摄氏度。通过脱羟处 理可有效去除羟基。关键环节三:退火消除热应力。热应力是在非均匀温度下产生的应力, 能够降低石英制品的机械稳定性,热稳定性和光学均匀性。在半导体硅片生产中,石英制 品对硅片产生的应力作用可能会导致碎片,因此消除热应力至关重要。石英玻璃的应力分 为两种:(1)冷加工的中产生的应力(暂时应力),可以通过酸洗和火抛消除;(2)加 热冷却不均匀产生的应力(永久应力),必须通过退火工艺消除。退火工艺的主要流程为 加热、恒温和冷却。其中,温度控制和冷却速率对除应力效果起决定性作用。

  外资企业占据高端产品主要份额,内资龙头石英制品公司逐步切入高端半导体石英制 品领域。我国高端石英制品加工技术与国外领先水平仍有一定差距,火加工领域,国内大 尺寸高端石英制品产品精度和产品洁净度与海外龙头企业仍有差距,冷加工领域,国外企 业拥有先进仪器设备提高加工精度,如东曹石英采用的激光加工设备具有微孔加工等精密 研磨技术,最小加工直径达到 0.3mm,国内先进仪器设备不足。但随着技术积累和创新, 火加工企业凯德石英实现技术突破,其生产的 12 英寸石英晶舟通过中芯国际认证,系列石 英制品通过 TEL 认证初审,强华股份 8 英寸石英制品通过中芯国际认证,内资龙头石英制 品公司逐步切入高端半导体石英制品领域,开启了中高端石英制品替代之路。

  石英纤维物化性质更加优异,是军工和航空航天领域关键材料。石英玻璃纤维是一种 SiO2 含量高(99.95%)的无机高性能纤维,由石英玻璃材料拉丝制得,保持了石英玻璃 的部分特点,在某些性能上更加优越。石英纤维可分为石英棉、石英毡、石英纱、石英布、 石英套管和石英纤维桩等,广泛应用于军品市场,在诸多航空航天项目的应用中取得成功, 在高性能材料中处于重要战略位置,如制造火箭喷火口,航天热防护装置、飞机导弹雷达 罩等。

  棒拉丝法为主要制备方式,制备原料、拉丝工艺、浸润剂的使用对石英纤维的质量起 决定作用。石英玻璃纤维制法主要有三种:直接熔融拉丝法、棒拉丝法和溶胶凝胶法。其 中棒拉丝法为工业生产中的主要制备方式。石英纤维的质量主要受以下几个方面因素的影 响:1)原料直接影响着石英纤维的力学性能和抗烧蚀性能;就国内情况而言,制备原料主 要包括水晶料、硅石料等。2)拉丝工艺的质量直接影响着纤维的性能。避免表面热损伤工 艺是技术关键,石英纤维的强度随着温度的升高而降低,高温下石英纤维表面产生大量裂 纹和缺陷,纤维强度损失严重。石英纤维的热损伤缓解机制的技术仅由极少数厂家掌握, 也限制了绝大部分厂家的生产。4)浸润剂的种类、质量、涂抹的均匀程度和使用量等均显 著影响着制备产物的性能。

  高纯石英纤维技术壁垒高,美国在行业中处于领先地位,菲利华是国内唯一一家具有 军工资质的石英纤维制造商,产业链延伸将进一步打开成长空间。在生产方面能达到石英 纤维规模化生产的企业较少,全球仅有少数企业具有量产能力,其中美国企业在行业中处 于领先地位。全球具备批量生产能力的企业主要包括法国圣戈班、美国 JPS、俄罗斯 NPO、 英国 TFP、日本 AFG 和中国菲利华。我国现阶段石英纤维生产成本较高,生产技术整体水 平与全球存在一定差距。国内能掌握石英纤维量产能力的企业仅菲利华一家,占据国内 95% 的市场份额,打破国外石英纤维生产技术及产品垄断,满足国内航天等核心领域对高性能 石英纤维的需求。随着我国航天领域逐渐进入高速发展期,航天器隔热、耐高温部件对石 英纤维及其制品的需求将显著增长,叠加民用市场扩大,考虑当前供应有限且价格高昂, 我们认为现阶段菲利华未来发展潜力巨大。

  光纤通过四氯化硅、四氯化锗、氢气、氧气、氦气等原材料生产,其制造过程可分为 制棒、拉丝与涂敷三道主要工序,预制棒质量是光纤质量决定因素。光纤预制棒是用于拉 制光纤的材料预制件,是石英系列光纤的核心原材料,属于技术密集型、高附加值产品, 光纤预制棒占据光纤行业利润的 70%,光纤预制棒主要原材料为高纯四氯化硅,占 30% 以上的成本。(报告来源:未来智库)

  2022年全球高纯四氯化硅市场规模有望突破15.5万吨,国内市场预计达到7.7万吨, 行业持续高度集中。随着 5G 和物联网的高速发展,全球光纤需求快速增长,据 CRU 预测, 2022 年全球光纤预制棒需求量有望达到 2.58 万吨。全球光纤市场高度集中,CR10 达到 98.59%,其中国内龙头长飞、亨通、烽火、中天和富通合占 47%的市场份额。在“宽带中 国”、“三网融合”等政策驱动下,我国光纤市场有望持续增长,根据工业和信息化部统 计数据,截至 2021 年底,我国累计建成并开通 5G 基站 142.5 万个,去年全年新建超 65 万个,总量占全球 60%以上。预计 2022 年我国预制棒产量占全球的 50%,根据每吨预制 棒需 6 吨高纯四氯化硅计算,2022 年我国高纯四氯化硅需求有望突破 7.75 万吨。

  由于精馏技术的突破,我国目前已可以自给要求最苛刻的高端芯棒用高纯四氯化硅, 未来全面国产替代是必然趋势。2019 年之前,我国 95%以上的光纤预制棒进口自信越化 学、住友电气,古河电工等企业。随着精馏技术的突破,三孚股份通过研发能够生产不同 纯度产品的四氯化硅精馏技术,用多通道出料方式节省了增加精馏塔的费用和能耗;通过 同时生产电子级四氯化硅等三种产品的方式降低除杂成本。目前,公司的高纯四氯化硅达 到 9N 级别。公司通过改进合成炉,实现了对原材料要求较为苛刻的 PCVD 芯棒的规模化 供应。公司目前有 3 万吨/年的产能,产销量超 90%。武汉新硅、洛阳中硅等企业也可生产 用于预制棒外包层的高纯四氯化硅,产能分别达到 3 万吨和 0.62 万吨。我们预计当前国内 高纯四氯化硅总产能 8.62 万吨,除去出口海外的产品,自给率达到 80%。又由于 2018 年 商务部决定对原产于日本、美国的进口光纤预制棒继续征收 5 年的反倾销税,国产高纯四 氯化硅替代提速。

  公司是国内首家且是唯一一家能够规模量产高科技领域用高纯石英砂的企业,积极扩 产推动业绩增长。公司自 2003 年开始深耕高纯石英砂领域,致力于研究石英砂的提纯制备 工艺,2009 年实现了石英砂提纯技术的突破,率先打破了海外企业尤尼明的垄断,开启了 高纯石英砂规模量产之路。公司所生产的高纯石英砂产品可供公司自制石英管及出售给下 游厂商生产光伏用石英坩埚。随着下游光伏行业的不断增长,高纯石英砂需求高居不下。目前公司已有产能 1.5 万吨/年,随着扩产计划的推进,预计 2022 年产能达到 3.5 万吨/年, 2023 年达到 5 万吨/年,业绩增长可期。

  深耕高端石英材料,产品取得半导体领域多项认证,逐步建立行业壁垒。自 1999 年设 立以来,公司一直专注于石英管的制造,是国内最大的石英管制造企业。公司近年来发力 半导体用高端石英材料,目前已取得多项认证。公司产品通过了日本东京电子株式会社(TEL) 官方认证,成为全球第三家、国内首家通过 TEL 高温扩散领域认证的原材料供应商;2020 年下半年又通过了美国拉姆研究((Lam Research)刻蚀环节的国际认证;美国应用材料 (AMAT)认证也取得阶段性成果,日本及国内其他国际知名半导体厂商认证也处于快速 推进中。由于该领域认证技术难度大、门槛高、程序复杂等特点,短期内难以有新的进入 者。

  随着公司高纯砂市占率提升,以及半导体领域认证突破,公司营收稳定增长,ROE 连 续四年超 10%且持续增长。收入端:公司 2019/2020/2021 年营收分别为 6.2/6.5/9.6 亿 元,同比增长-1.73%/3.7%/48.8%。2019 年营收下降系受到光伏退补政策影响,国内新 增光伏装机量下降,另单晶硅片迅速替代多晶硅片,导致公司多晶用石英坩埚营收下降 60.09%。2021 年营收实现爆发增长主要系:(1)高纯石英砂量价齐增,产量增加 50%, 营收同比增长 110.95%,价格上涨,成本维持低位,毛利上涨;(2)公司进入半导体高 端市场, 半导体类产品收入同比增长 101.01%。盈利端:公司盈利能力整体稳定增长。19 毛利下降主因光源产品加工成本上升,下游光纤价格下降导致光纤石英制品价格下降, 20 年毛利下降主因光源外销收入下降,光纤价格进一步下降导致。据此,公司积极调整营 收结构,扩大半导体领域营收占比,同时,光纤市场也迎来新一轮快速发展期,公司盈利 能力持续攀升。

  公司全产业链布局,进军高端石英材料,毛利有望进一步提升。公司作为业界稀缺的 从高纯石英砂到电子级石英管棒类材料及下游石英器件全产业链布局的优质企业,具备全 产业链优势。成本端:公司自产石英制品原材料高纯石英砂,成本有望进一步下降。收入 端:随着下游光伏行业的高速增长,高纯石英砂的供给短缺预计造成价格增长。另外,半 导体领域石英制品附加值高,随着公司认证的持续突破,营收结构将继续调整,毛利有较 大的增长空间。

  公司持续推进高纯石英砂研发,不断完善工艺,国产高纯石英砂有望进一步实现进口 替代。海外尤尼明、TQC 等长期占据全球较高市场份额,国内高端产品用石英砂多从尤尼 明进口。随着国内双碳目标的持续推进,新能源领域全产业链竞争力不断提升。目前 3N 和 4N 石英砂已经实现国产化,石英股份生产的光伏级高纯石英砂已经达到 4N8 水平,与 尤尼明 IOTA-标准产品纯度相同。随着公司除杂技术与产品稳定性的提升,高纯石英砂实 现国产替代是发展趋势。

  公司是石英玻璃龙头企业,产品线丰富,在半导体、航空航天、光通讯及光伏等高科 技领域应用广泛。公司产品种类极其丰富,主要包括:(1)半导体领域:半导体制程扩散、 氧化、沉积、蚀刻工艺中石英法兰、扩散管等制品用材料石英锭、石英筒和光掩膜基版的 主要基材合成石英锭;(2)航空航天领域:可作航空航天飞行器关键部位的结构增强、透 波、隔热材料的石英纤维;(3)光通讯:光纤预制棒制作和预制棒拉纤时的支撑材料石英 棒、管;(4)光学:用作高端光学领域的透镜、棱镜,TFT-LCD 高清显示器的合成石英 玻璃材料。

  在半导体、航空航天、光通讯及光学等多项业务驱动下,公司营收连年增长,盈利能 力稳定提升。收入端:公司 2017-2021 年的营收为 5.5 /7.2/7.8/8.6/12.2 亿元,归母净利 润为 1.2 /1.6 /1.9 /2.4 /3.7 亿元,CAGR 分别达到 22.04%和 32.51%,2021 年公司营收 同比增长 41.68%,主要系(1)半导体领域消费类电子产品需求旺盛,国际半导体行业景 气度持续上扬,市场需求规模快速扩大,半导体用石英材料营收增幅明显;(2)国家航空 航天事业的高速发展带动了石英玻璃纤维需求量的快速增长。盈利端:公司毛利与净利稳 定增长,ROE 水平维持在 12%以上。总体来看,公司业务结构合理,管理能力强,各项费 用控制较好,2021 年管理费用率和销售费用率显著下降,规模效应凸显,净利率持续增长。2018 年毛利小幅下降主要系境外产品毛利下降。2019 年和 2020 年权益乘数与总资产周 转率均小幅降低导致 ROE 略微降低。

  公司是全球少数几家具有石英纤维批量产能的制造商之一,中国航空航天等国防军工 领域唯一的石英纤维供应商。公司持续开发应用在航空航天与海洋装备领域的功能材料石 英玻璃纤维系列产品,延伸石英玻璃纤维产业链,拓展石英玻璃纤维立体编织、石英玻璃 纤维增强复合材料制造领域。公司立足于高性能石英玻璃纤维和低成本机织物的技术特点 和优势,开展了先进结构与功能一体化防隔热复合材料和高绝缘石英玻璃纤维复合材料的 研发工作。2021 年,公司二个型号的复合材料产品研发成功并通过了相关试验的考核;另 有多个型号高性能复合材料项目在研发中。根据《2021 中国航天》白皮书,未来五年,中 国将开启全面建设航天强国新征程,作为国内军工领域唯一石英纤维供应商,公司必将率 先受益。

  公司已取得多项国际与国内半导体设备厂商认证,驱动公司海内外业务同步增长。从 海外来看,公司的半导体用气熔石英玻璃材料通过了日本东京电子株式会社(TEL)、泛林 研发(Lam Research)、应用材料公司(AMAT)三大国际半导体原厂设备商以及日立高 新技术公司的认证,公司境外业务有望提升。从国内来看,公司电熔石英玻璃材料研发成 功并得到认可,上海石创的石英玻璃制品通过中微半导体设备(上海)股份有限公司认证。在半导体自主可控国产化的国家政策支持下,公司国内业务有望取得更大突破。

  公司深耕石英制品二十五载,已成为国内行业领头人。公司成立于 1997 年,主营业务 为半导体和光伏用石英制品的研发、生产和销售,包括石英仪器、石英管道、石英舟等, 21 年半导体和光伏领域业务分别占比 74.7%和 23.8%。从人员来看,技术人员对石英制品 类技术密集型行业至关重要,公司深耕行业 25 年,培养和积累大量石英制品加工人才。公 司现有研发人员 39 人,生产人员 143 人,位居行业前列。从技术来看,公司技术水平领 先,有 12 项发明专利,稳居行业第一梯队。

  受半导体和光伏行业驱动,公司业绩稳步提升,盈利能力较为稳定。收入端:公司 2017-2021年营收从0.91亿元增长至1.66亿元,归母净利润从0.12亿元增长至0.4亿元, CAGR 分别为 16.2%和 35.1%。主因近年半导体行业回暖以及光伏产业规模不断扩大,双 轮驱动下公司业绩稳步提升。盈利端:公司毛利率、净利率相对平稳,盈利能力稳定。19 年公司光伏业务占比提升 25.03%,而光伏毛利率比半导体毛利率低 8.41%,因此毛利下 降;20 年由于执行新收入准则,调整运费包装费至营业成本,毛利下降;21 年毛利上升系 公司高毛利的半导体产品营收占比上升 19.9%,拉升整体毛利。而 19-21 年净利持续上涨 系因公司利息收入增加,财务费用控制较好。20 与 21 年 ROE 下降主要系总资产周转率下 降。

  公司上市助力高端产品线产能落地,推动业绩稳定增长。2021 年中国集成电路产量同比增长 33.3%,预计中国半导体市场保持高增长。2020 年公司产 能利用率达到 111.57%,产能不足成为制约公司进一步拓展市场的主要阻碍。公司募投 5 亿元建设高端石英制品生产线项目,达产后预计可形成年产高端石英制品 10.7 万件/年的 新增产能,从 2023 年起 2.14 万件/年的产能释放将进一步增强公司产品的市场供给能力, 满足下游市场日益增长的需求同时增强公司营业收入与核心竞争力。(报告来源:未来智库)

  公司为国内首家通过中芯国际 12 英寸零部件认证的石英制品企业,“国产替代”助力 业绩增长。公司成立于 1997 年,专注于技术创新和产品研发,2020 年成为国内首家通过 中芯国际 12 英寸零部件认证的石英制品企业,解决了中芯国际石英零部件国产替代的关键 问题,实现了“零”的突破。此外,公司目前拥有较多待认证产品,产品涉及半导体工艺 中的氧化扩散、热处理、薄膜等各项环节,我们认为随着认证进程的推进及公司技术团队 的持续研发,公司或将成为石英制品领域高端产品国产化开局人。

  公司位列精细化工领域前列,主要生产化工中间体,形成了较为完善的循环经济模式。公司主要产品及应用领域为:(1)三氯氢硅:制造多晶硅及硅烷偶联剂,其中多晶硅可作 光伏电池、半导体材料与光导纤维等;硅烷偶联剂主要用于表面处理剂、无机填充塑料、 特种橡胶粘合促进剂等领域;(2)氢氧化钾:可合成碳酸钾、高锰酸钾及其他钾盐等,其 在化工、食品、医药、农业、轻工等行业具有广泛应用;(3)硫酸钾:用作农业上的钾肥 和硫基氮磷钾复合肥,也可用于工业玻璃,染料,香料,医药等行业。(4)高纯四氯化硅:主要应用于光纤预制棒制作。公司建立了科学的循环经济体系,使各个生产系统之间产生 的副产品及余能余热充分利用,内部建立低消耗、低排放、高效率的循环发展经济体系, 实现整个生产过程原料利用高效化、能源消耗节约化,污染物排放最小化,从而降低产品 生产成本,提高发行人的经济和环保效益。

  公司营收稳定增长,盈利能力逐渐回升。收入端:公司 2017-2021 年营收分别为 10.7/11.0/11.6/10.1/16 亿元,CAGR 达到 10.58%,增长较为稳定。2020 年营收小幅下 降系疫情影响,运输受限,三氯氢硅产销量下降。公司 2021 年营收大幅增长主要系(1) 公司高纯四氯化硅二期 2 万吨新增产能投料开车,销量大幅增长;(2)2021 年以来,多 晶硅行业景气度上升,多家多晶硅生产企业规划新建、扩产项目,从而对三氯氢硅、工业 硅等产品需求大幅提升,同时受上游金属硅粉价格波动等因素影响,三氯氢硅产品在 2021 年价格波动较大,均价提升。盈利端:2018 与 2019 毛利下降主要系原材料氯化钾价格上 升,2020 毛利下降主要系根据新收入准则,公司销售费用重分类至营业成本。2021 年毛 利整体回升是由于(1)国内外对光纤光缆需求增加,对高纯四氯化硅产品需求增加,从而 促使高纯四氯化硅产品价格上涨趋;(2)三氯氢硅价格上升,公司整体盈利能力提升。

  公司突破高纯四氯化硅提纯技术,产品能够达到 9N 级别,高端芯棒生产原材料实现 进口替代。光纤预制棒属于技术密集型、高附加值产品,其生产技术最初主要掌握在日本、 美国等国外企业。近年来,随着精馏技术的提升,公司已具有将三氯氢硅的副产物普通四 氯化硅制成 9N 高纯四氯化硅的能力,产品成功销往欧洲。公司高纯四氯化硅目前在我国 行业内市场占有率较高,尤其是在高端芯棒生产方面,已实现对原材料要求较为苛刻的 PCVD 芯棒生产工艺的规模化供应,逐渐完成进口替代。随着“宽带中国”政策的不断深 化,5G 带动光纤宽带部署规模扩大,作为光纤预制棒原材料的高纯四氯化硅的需求将持续 增长,国产化率也将进一步提升。

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