重要战略材料:半导体、光纤、光伏领域都要用到的高纯石英砂

发布时间 | 2024-07-03 10:42 分类 | 粉体应用技术 点击量 | 132
石英 石墨 氧化硅
导读:高纯石英因其独特的晶体结构和晶格特征成为了半导体、光伏、光学及光纤通信等行业必不可少的原料。随着这些高新技术领域的迅速发展,高纯石英的战略地位日益突显,对其品质也提出了更加严苛的要...

当前,以云计算、大数据、智能制造和5G为代表的新一代信息和通信科学技术(ICT)的发展,加快催生了新一轮科技革命和产业变革,发展半导体、光伏、光通讯等战略性新兴产业是解决当今中国产业发展问题的关键。而高纯石英砂凭借极好的化学稳定性、高绝缘耐压能力和极低的体膨胀系数,成为了这些高新技术产业不可替代的矿物原料。不过,由于不同行业间的差异,对高纯石英砂的要求也有所不同。接下来,小编将浅谈一下高纯石英砂在半导体、光纤、光伏领域的应用差异。

一、半导体领域

半导体石英器件在石英市场占比约65%,是石英制品下游市场中占比最大的应用领域。高纯石英砂主要用于生产拉制单晶硅棒的石英坩埚和石英管棒等,在芯片制造环节则用于生产光刻、刻蚀和薄膜沉淀使用的光掩膜基板等。

石英器件在半导体产业中的应用

(来源:凯德石英招股说明书,华福证券研究所)

1、半导体用石英坩埚

半导体用石英砂品质要求通常非常高。以半导体工业中不可或缺的容器石英坩埚为例,其主要用于生长单晶硅,由于需要在千度以上连续工作数小时,其需要具有耐高温、热稳定性好、不易变形等性能,而影响石英玻璃性能稳定性的主要因素包括气泡数量、杂质含量以及羟基含量。因此与其他领域相比,该领域应用的石英坩埚对石英砂纯度和粒度等都有着极高的要求,尤其要求低铁含量、低碱金属含量。

通常,半导体用石英坩埚(B级)品质纯度要求达5N以上(>99.999%),为避免碱金属杂质的存在影响石英坩埚的透明度和热学性能,K、Na、Li等杂质质量分数之和应小于2×10-6。同时Fe杂质含量要求小于0.3×10-6,以避免石英与石墨之间的反应。除此之外,由于坩埚中的羟基会对改变SiO₂的键合结构,致使坩埚强度下降,耐温性能大幅降低,因此半导体级石英坩埚所用的是高纯石英砂还要求羟基含量控制在50-60个ppm,同时粒度分布集中。目前,该级别的高纯石英砂主要是依靠国外进口,价格可达100万元/吨左右。

2、光掩膜基板

光刻是制造半导体器件的必要工艺之一,高纯石英砂在光刻领域中同样扮演着重要角色。它用于制作光掩膜版,作为液晶显示器、半导体等制造过程中的图形“底片”转移用的高精密工具,高质量的高纯石英砂可以减少光刻过程中的缺陷,保证芯片制造的精度和稳定性,提高产品的可靠性。

光掩膜基板及其作用(来源:苏州硅时代电子科技有限公司)

根据光掩模石英玻璃基板现行标准号:GB/T 34178-2017,石英玻璃基板中13种杂质元素(Al、Fe、Ca、Mg、Ti、Cu、Co、Mn、Ni、Li、Na、K、B)含量的质量分数总和应不大于2.0μg/g。其中Li、Na、K3种杂质元素含量的质量分数之和应不大于1.0μg/g,单一杂质元素含量的质量分数应不大于0.5μg/g。

二、光伏

随着新能源产业的强劲发展,中国光伏产业规模不断壮大,应用于其中的天然石英产品的市场需求依旧不断扩大。与半导体领域一样,光伏用高纯石英砂也是主要用于生产石英坩埚、石英舟、石英瓶等起承载作用的部件,同时还用于生产光伏玻璃。

(1)石英坩埚等载具

与半导体领域相比,光伏制造中对石英部件的要求虽然相对较低,但随着下游客户对光伏硅片大尺寸化的要求以及硅片技术的革新,对用于制作石英坩埚等载具的高纯石英砂要求也在日益提升。


根据国家标准《GB/T 32649-2016光伏用高纯石英砂》,光伏用高纯石英砂的粒径应在70μm~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%;光伏用高纯石英砂中二氧化硅含量应大于或等于99.99%(4N级),灼烧失量应小于或等于0.01%;光伏用高纯石英砂杂质元素总含量应小于或等于25μg/g,其中钾、钠含量总和小于2.5μg/g。

然而在实际应用中,石英坩埚内、中、外三层所用石英砂品质有所差异,内层坩埚使用的高纯石英砂纯度要求达4N8(大于99.998%),且对气液包裹体、晶格杂质、稳定性也有较高要求,目前主要的供应公司包括美国尤尼明、挪威TQC公司和石英股份,价格在30万元/吨及以上;中外层则一般需达4N5级(大于99.995%),由于品质要求相对内层砂较低,目前已基本实现国产替代,价格普遍在7万元/吨及以上。

(2)光伏玻璃

光伏超白玻璃是太阳能光伏电池的重要组件之一,主要作用是为了保护电池片免受水分和气体氧化及锈蚀电极。为了能够充分利用太阳辐射发电,光伏超白玻璃对透光率要求很高,这也就对作为占光伏玻璃重量比60%以上的石英砂质量提出了要求。

其实,光伏玻璃对石英砂的纯度要求并不是特别高,达到99.2%即可,但对铁、钛含量、难熔重矿物等的含量以及粒度要求较高:铁含量是影响光伏玻璃透过率的重要指标,玻璃中Fe在氧化条件下以Fe3+存在,玻璃呈现黄绿色;在还原状态下以Fe2+存在,使玻璃呈绿色,导致玻璃透过率降低且影响玻璃熔化和澄清效果,因此应用于光伏玻璃的石英砂铁含量通常要求不超过100ppm;值得注意的是,含钛氧化物同样会使玻璃发黄,造成紫外线、可见光透过率明显降低,因此其含量也需控制在300ppm以内。此外,为得到高质量玻璃液以及降低熔化玻璃能耗,超白玻璃用石英砂有严格的粒度要求,一般粒度需严格控制在0.71mm以下,且0.104mm以下占比不超过5%;而对于难熔重矿物的总量要求则需小于5ppm(以Cr2O3计),单个颗粒直径≤0.25mm,以避免在光伏玻璃上形成结石,对后期成品加工产生影响。

三、光纤领域

光纤通信是一种利用光波在光导纤维中传输信息的通信技术,具有高速、大容量、低损耗、抗干扰能力强、安全性高等优点,是现代通信网络的重要组成部分。

为降低光纤损耗,保证传输效率,作为光传导工具的光纤,二氧化硅含量需达到99.99%以上,因此其通常是以高纯四氯化硅为原料制作成杂质元素总含量低于2ppm的高纯合成石英,即光纤预制棒,然后在2000度高温下软化拉制成丝制得。而天然高纯石英砂则由于达到高纯度难度较大,主要用于生产拉丝过程中所用的外套管、把持棒/管、支撑棒、尾棒尾管、烧结用大口径炉芯管、拉丝炉用密封法兰等。通常这些石英部件所用的高纯石英砂纯度要求高达99.995%以上,目前价格在4.8-5.5万左右/吨。

光纤预制棒(来源于网络)

光纤用石英制品(来源:国联云

总结

高纯石英因其独特的晶体结构和晶格特征成为了半导体、光伏、光学及光纤通信等行业必不可少的原料。随着这些高新技术领域的迅速发展,高纯石英的战略地位日益突显,对其品质也提出了更加严苛的要求。然而,我国由于优质矿源较为稀缺,高纯石英砂,尤其是半导体级高纯石英砂长期以来依赖进口,在一定程度上限制了我国高新技术领域的发展。因此,未来我国还需不断寻找优质矿源,改进高纯石英提纯工艺,同时加速发展其人工合成技术。

 

参考来源:

1、武志超,张海啟,谭秀民,等.高纯石英应用及化学提纯技术研究进展[J].化工矿物与加工.


粉体圈Corange整理

作者:Corange

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