半导体石英产业链自上而下可以分为高纯石英砂——石英材料（石英管、石英锭、石英棒）——石英器件——半导体设备商——晶圆厂。由于半导体产业具有严格合格供应商质量管理体系，石英材料商需经主流半导体设备商（ TEL 、 AMAT 、 Lam ）认证之后，才有机会进入半导体供应链生态系统。
半导体石英产业链
高纯石英砂
二、石英砂提纯技术
高纯石英砂二氧化硅含量在 99.99% 以上的石英砂，是集成电路行业重要的战略性原材料之一。其获得方式之一为硅矿石通过加工、提纯等生产工艺实现，主要工序包含破碎、筛分、磁选、浮选、重选、酸洗、过滤、煅烧、氯洗、热脱等处理工艺，该方式对硅矿石品相和纯化工艺要求较高。另一种高纯石英的制备方式为人工合成，合成石英砂杂质含量极低，但由于生产能耗大、成本高，故不适用于大规模生产。
早年，石英砂提纯技术相对落后，业界使用天然水晶作为生产高纯度石英砂的原料。水晶矿具有纯度高、杂质含量低、包裹体少的特性，曾被应用于各种高端石英制品产业。但我国天然水晶储量相对较少，且主要分布于江苏东海地区，其储量占全国一半，但高品位矿床少，共生和伴生情况多见；此外我国石英纯化技术也较国外发展落后，这在某种程度上制约了当时我国高纯石英砂的竞争力。现如今随着石英矿提纯技术的不断进步，以及海内外优质石英矿床不断被发现，业界逐步使用石英矿取代水晶矿作为石英提纯原料，而我国也出现像太平洋石英股份这样的优质企业，在高纯石英砂领域的话语权逐步崛起。
石英砂原料中的杂质类型及其去除方法。由于各地区矿石的成矿深度、温度、压力不尽相同，因此硅质原料中的杂质品类和含量各不相同。石英砂中的杂质大体可分为三，矿物结构类、包裹体类、晶体结构类。
高纯石英砂制备工艺
三、石英生产工艺
获取高纯石英砂以后需要进一步将其熔融加工为石英管、棒、板、坨等多种类型的石英玻璃材料。常见的石英的熔制方法有真空、气炼、合成、电连熔等四种方法，其杂质和羟基含量因生产工艺的不同而差别较大。
真空电熔法：指在真空或者惰性气体环境下对高纯石英砂进行电熔炼制备石英玻璃，该方法熔制的石英材料含有一些铝元素和钠元素杂质，但其优点在于羟基含量较低。
气炼法：指在氢氧焰中熔炼石英砂来制备石英玻璃材料，这种制备方法由于高温下不使用坩埚，加之部分杂质被蒸发，故而铝元素和钠元素含量较低，但由于火焰中的氢氧元素在石英中扩散相当的深度，易在石英材料中形成羟基或者水化物杂质。
合成法：合成石英是指在氢氧焰中水解四氯化硅生成高纯石英玻璃，生产周期较长，对环境洁净度、温度稳定性要求较高，该方法生产的石英玻璃几乎不含有铝纳钾元素，但是羟基含量较高。
连熔法：连熔石英玻璃的生产属于电熔法的一种，是指采用机械自动投料，石英砂在炉内被不断熔融，石英管、棒、板等从下料口被连续拉出，通过控制一系列工艺参数生产出特定规格的石英玻璃制品。
对比以上几种石英生产工艺，电连熔工艺具备机械自动化程度高、生产成本低、产品一致性好的特点，适用于生产光纤半导体类石英管、棒、板等材料。
连熔拉管工艺流程
四、半导体制备与生产工艺
半导体工业中，用量较大的石英制品是扩散、氧化、退火等高温工艺中所使用的石英炉管及与之相配套的石英舟等。在高温工艺中晶圆直接暴露在密闭的石英环境中，故石英的纯度、有害杂质释放、几何尺寸等将会直接影响集成电路器件的良率和生产效率。此外，随着硅片尺寸的不断扩大，半导体石英炉管的尺寸也不断加大，在长时间高温工艺下（1100-1200 度）石英材质的稳定性也受到较大的考验。而石英体内的羟基杂质含量过高，将会直接影响石英制品的高温表现，使其在高温下软化变形，最终影响半导体工艺制程。
半导体石英管
火加工是半导体石英管必不可少的工艺。在石英管的二次成型如扩管、焊接、成型、应力消除等工艺过程中，火加工是不可或缺的重要工序。与高度自动化程序化的半导体工业形成鲜明对比的是，石英器件火加工技术至今仍然严重依赖技工师傅成熟的手艺，这是一门设备与手工高度协同的技艺。
半导体石英管火加工
在半导体制程中，硅晶圆需要面对各种复杂的制程环境如等离子体、高温、强腐蚀性化学品、高能电磁场、高强度紫外线等，这对制程中使用的硅晶圆载具及相关设备零部件的理化性质提出了严苛的要求。
石英材料由于具备一系列优良的特性，被广泛的应用于现代化先进半导体工艺制程中，成为支撑半导体产业向前推进的幕后功臣。
耐高温：理论上石英软化温度为 1730 摄氏度，可在 1100 摄氏度长时间使用。
耐腐蚀：除氢氟酸外，石英几乎不与其他任何化学试剂发生化学反应。
热稳定性好：石英的膨胀系数极小，可承受剧烈的冷热冲击。
透光性好：石英在紫外线到红外线整个光谱结构中都具备良好的透光性能。
电绝缘性能好：石英电阻率相当于普通玻璃的一万倍，是极好的电绝缘材料。
由于石英具备上述多种优良特性，被制作成石英坩埚、光掩膜版、光学器件、石英舟、石英支架、石英炉管、石英笼、石英法兰、石英槽、石英盖板、石英窗口等多种石英器件，应用领域遍及半导体光刻工艺、等离子工艺、高温工艺、湿法工艺等多种场合。
半导体芯片制造可分为单晶硅片制造、晶圆制程、封装测试几个阶段，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程环节，这也是半导体产业中价值含量最高的领域。而石英材料在半导体产业的应用正处在这两个环节。
石英在半导体产业的应用领域
硅晶圆生产：主要有步骤分为沙子化学还原到粗硅、粗硅提纯多晶硅、多晶硅提纯到单晶硅棒、单晶硅棒晶向定位和切片为硅晶圆、硅晶圆研磨抛光等工序，作为关键原料出售给芯片制造厂商（Fab）。其中拉单晶工艺最为核心，拉晶过程中石英坩埚作为与硅料直接接触的材料，其在高温条件的稳定性和杂质释放直接决定单晶硅纯度与晶体结构。
硅晶圆生产流程
芯片前道制程：前道工序精密度高，耗时长。该环节是整个半导体工业的核心，也是国际巨头进行严密技术封锁的领域。前道工序主要包含有光刻、刻蚀、CMP、PVD、CVD、离子注入、退火、扩散、清洗等工艺，其中不乏高温、腐蚀、等离子环境，石英材料凭借其优秀的理化性质在该环节中扮演了极为重要的角色。
晶圆制造 Fab 前道工艺流程
芯片后道制程：带有半导体芯片结构的硅晶圆片——背面减薄——原片切割（激光切割）——芯片粘接——引线键合——等离子清洗——液态密封——装配焊料——回流焊——表面打标——分离——最终检查——测试——包装出库，其工艺相对简单，环境要求没有拉晶和晶圆制程严苛，该环节并不会大范围使用高端石英材料。
五、石英制品及其技术路线
石英制具因其纯净不扩散，耐高温、耐腐蚀等优异特性，被广泛应用于半导体制造制程的各个领域，而且品种众多，在当前全球半导体行业扩产产能蓬勃落地的行业背景下，其需求增长非常明显。
半导体工艺制程（尤其是晶圆前道制程）中，光刻、刻蚀、清洗、扩散、氧化、退火等工序需要用到大量的石英制品。按照工作环境温度的不同，业界将上述工序分为高温工艺（扩散、氧化、退火）和低温工艺（刻蚀、镀膜、光刻、清洗）两大类。由于工作温度的不同，与之相对应的石英材料和器件的理化指标也大为不同，其中技术门槛最高的乃是半导体高温石英材料。因需在 1200 度甚至更高的温度连续工作数个小时，且不能释放杂质，也不能发生形变，这一近乎苛刻的条件使得全球具备生产能力的公司寥寥无几，仅有美国迈图和德国贺利氏两家。
与高温石英相对应的，是半导体低温石英，由于其工作温度相对较低，不存在耐高温需求，产品技术规格更多集中在纯度与机械加工精度等，技术壁垒略低于高温石英。除此以外，生产成本也是其重要考量因素。羟基含量，影响石英材料高温性能的主要因素。在石英材料中，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 摄氏度即开始软化变形，低于低羟基产品 100余摄氏度。故而，在低温区间的半导体工艺，可以忽略羟基的存在，但高温半导体工艺（1000 摄氏度以上）应该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，或者气炼法以外的加工工艺。
半导体高温石英制品
半导体低温石英制品
在半导体石英的制备路线中，存在电熔与气熔两种截然不同的技术路线。
气炼法工艺，可细分为一次成型的一步法及气炼制砣、电熔加工的两步法等，一步法的工艺特点是粉料玻璃化的程度偏低，缺点是外观较差，可见明显的沟渠样环纹，且对氢气气源依赖较大。此外，由于采用氢氧焰作为热动力，气炼法制取材料的羟基含量普遍较高（可以适用于半导体低温领域）。
电熔法工艺，又可以分为真空电容、两步法、连续熔制等具体方法。其原理是通过电为动力来源，通过电阻、电弧、中频感应等方式加热，熔融粉料而制取石英玻璃的工艺，优点是效率较高，且羟基含量低，缺点是有接触熔制工艺造成的金属污染和快速熔融过程中形成的气泡气线等难以有效祛除，所以该方案早期主要应用于照明用电光源行业
我国半导体高端石英器件用户及供应商
2018 年以来，中美两国博弈的不确定性，进一步凸显了半导体石英国产化的紧迫性。从中兴、晋华、华为案例可以看出，只有掌握半导体产业链上核心关键环节，国产芯片的发展才不会被国外垄断者“卡脖子”。一旦两国博弈出现某种不确定因素，供应商恶意涨价或者断供，将会使得我国集成电路制造企业面临无法运转的尴尬局面。
鉴于石英器件在半导体工艺中所处的重要地位，结合当前被国外垄断的现实局面。实现半导体石英产业链的核心技术自主可控，对于我国集成电路的产业安全有着重大的现实意义。
六、半导体发展趋势
半导体产业转移，国产化崛起的契机。自半导体产业诞生以来，一共经历过两次全球范围内产业转移。第一次是从美国向日本的转移，第二次是从美日向韩台的转移，研究发现，这两次产业转移都与新兴终端市场的兴起有关。从美国到日本的产业转移伴随着家电市场的兴起，从美、日向韩、台的产业转移则伴随着 PC 市场的兴起。当下，随着物联网、5G、大数据等新型下游终端的蓬勃发展。半导体正在进入第三次国际转移——至中国大陆。
为承接第三次半导体产业转移，中国大陆晶圆厂投资加快，为半导体石英行业发展奠定了广阔的下游市场空间。2016 年至今，在政府及国家集成电路产业基金主导下，全国各地晶圆厂的投资热潮不断涌现。随着这一批晶圆厂产能开始释放，高纯石英作为重要的支撑材料，需求量将会迎来持续的高涨。这为国产半导体石英行业的快速发展奠定了良好的市场基础。
近年来国内部分新建 12 寸晶圆厂
鉴于石英材料在半导体制程中的重要作用，其质量和加工精度对芯片成品良率有重要意义，国际半导体厂商普遍通过对石英玻璃材料商进行严格的质量认证来加强供应商质量管理。当前石英股份主要产品为面向半导体扩散等高温工艺的炉管等，故需要通过日本东京电子认证。
全球范围内该品类通过该项认证的供应商仅有美国迈图和德国贺利氏等少数厂商， 2019 年底石英股份成为全球第三家获此殊荣的供应商。
七、我国半导体与石英产业链的现状与未来
半导体行业具有一定周期特性。在宏观上，行业景气度受全球经济周期变化影响，波动与全球 GDP 变化基本一致，这对整条产业链关联公司影响较大，通过销售额同比变化发现半导体行业周期约为 3-5 年。
高纯石英砂一直是我国高纯石英产业链的短板，由于我国对石英砂的提纯技术研究起步较晚，缺乏先进的纯度标准和质量体系，长期以来核心产品依赖进口。近年来，随着光纤、半导体等新型石英市场的崛起，高纯石英砂的供应链安全成为所有国内石英从业者不得不担忧和认真思考的问题。
附：相关公司产品工艺介绍
石英股份利用连熔法生产工艺制备出高质量光纤预制棒用石英套管
光伏在本质上仍然属于广义范围的半导体范畴，光伏产业链的结构以及制备工艺，在某种程度上与半导体产业具有些许相通之处。故而在半导体行业中所使用的石英材料和制品，在光伏行业也有类似的应用场景（技术指标和产品规格有所不同），如石英管、石英棒、石英坨等等，除此以外在光伏硅单晶拉制过程中也会用到大量石英坩埚。
为了提高单根预制棒的可拉光纤长度以提高光纤生产效率和降低生产成本，光纤预制棒制造技术经过三十多年的探索发展，最终确立了两步法的预制棒制造路线，即先制造芯棒，然后在芯棒外采取不同的技术制作外包层。如下图所示：
两步法制备光纤预制棒
套管法为大尺寸预制棒创造条件，提高光纤长度。近年来，为进一步降低光纤制造成本，提高单根预制棒所拉光纤长度，光纤预制棒的尺寸不断增大。相比较而言，套管法在生产更大尺寸的光纤预制具有先天的优势，尤其是长飞光纤采用的基于PCVD 的 RIT/RIC 套管技术，不仅可以生产几乎所有的光纤，而且预制棒尺寸也在逐年增大。此外亨通光电的 CCVD+RIC 技术路线也是套管法另一个应用方向。
套管尺寸与光纤长度关系图
RIT 、 RIC 工艺对比 光纤预制棒结构图
不同于把持棒，支撑棒等外围石英辅材，石英套管作为光纤预制棒的重要原料，最终将会成为光纤成品的重要组成部分，其品质好坏将会直接影响光纤产品性能，故而其技术壁垒和进入门槛极高。
根据 2018 年长飞光纤招股说明书显示：满足技术规格的光纤套管供应商全球仅有德国贺利氏唯一一家，一旦贺利氏无法顺利提供原材料供应，长飞将面临无法生存的困境，鉴于贺利氏在光纤套管市场的强势地位，长飞与其签订协议中包含最低采购量条款，在行业景气度不佳的时候，其将面临原材料积压风险和存货跌价风险。
2018年，石英股份利用连熔法生产工艺制备出高质量光纤预制棒用石英套管新产品获得成功，成为全球第二家供应商。该产品的成功推向市场，可缓解国内该类产品主要依赖进口、市场供应紧张等状况。
文章部分内容来源于网络，由石英石网整理，贵在分享，如有侵权请告知删除！
