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石英玻璃在半導(dǎo)體、航空航天、光學(xué)、光通訊、光伏等領(lǐng)域應(yīng)用情況
思瀚產(chǎn)業(yè)研究院    2022-12-19

石英玻璃的力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)和化學(xué)性能優(yōu)越，在半導(dǎo)體、航空航天、光學(xué)、光通訊、光伏以及電光源等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。石英玻璃是由二氧化硅單一組分構(gòu)成的工業(yè)技術(shù)玻璃，由于二氧化硅為原子晶體，Si-O間是共價(jià)鍵，所以石英玻璃耐溫性強(qiáng)且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定；Si-O間化學(xué)鍵能大且結(jié)構(gòu)緊密，使得石英玻璃具有良好的機(jī)械性能，耐壓力強(qiáng)；此外石英玻璃具有較小的密度，再加上石英玻璃的微觀結(jié)構(gòu)是由二氧化硅四面結(jié)構(gòu)體結(jié)構(gòu)單元組成的單純網(wǎng)絡(luò)，短程有序，長(zhǎng)程無序，使得其光學(xué)性能優(yōu)良且介電強(qiáng)度高。

①主要應(yīng)用領(lǐng)域一：半導(dǎo)體行業(yè)

A.石英玻璃是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)不可或缺的材料

在半導(dǎo)體生產(chǎn)過程中，石英玻璃制品主要應(yīng)用于單晶硅制造和晶圓制造兩個(gè)環(huán)節(jié)。各類石英部件和儀器是清洗、氧化、光刻、刻蝕、擴(kuò)散等環(huán)節(jié)中所需要的材料。石英玻璃廠商生產(chǎn)出的石英玻璃材料，由石英玻璃器件加工商通過機(jī)加工或者熱加工，制成爐管、舟架、槽、環(huán)、法蘭、鐘罩等石英玻璃制品，銷售給半導(dǎo)體設(shè)備廠商。此外，芯片制造商也會(huì)直接向器件加工商采購(gòu)相應(yīng)的石英玻璃制品。石英玻璃制品的雜質(zhì)含量、幾何尺寸等直接影響集成電路器件的良品率和生產(chǎn)效率。

數(shù)據(jù)來源：國(guó)盛證券研究所

半導(dǎo)體領(lǐng)域使用的石英玻璃由于其應(yīng)用細(xì)分場(chǎng)景不同，對(duì)應(yīng)的石英玻璃特性需求也略有差異。在高溫區(qū)使用的石英玻璃制品要求低羥基含量，通常使用電熔方法制備；低溫區(qū)材料則更多考慮氣熔石英玻璃；而在掩膜基板生產(chǎn)中則更多使用雜質(zhì)含量低、透光率高的合成法制備的石英玻璃。

B.全球半導(dǎo)體市場(chǎng)持續(xù)火熱，2021年增幅達(dá)歷史高位

2021年全球半導(dǎo)體行業(yè)需求強(qiáng)勁，全球陷入芯片供應(yīng)短缺局面。在5G、消費(fèi)電子、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、自動(dòng)駕駛等新興產(chǎn)業(yè)的拉動(dòng)下，全球半導(dǎo)體市場(chǎng)景氣度持續(xù)上揚(yáng)。美國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)（SIA）發(fā)布的報(bào)告顯示，2021年全球半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到5,559億美元，創(chuàng)歷史新高，與2020年的4,404億美元相比增長(zhǎng)了26.2%。目前，中國(guó)仍然是全球最大的半導(dǎo)體應(yīng)用市場(chǎng)，2021年銷售總額達(dá)到1,925億美元，同比增長(zhǎng)27.1%。

電子信息材料的制備工藝中通常需要使用和消耗大量的高端石英玻璃材料及制品，隨著電子信息行業(yè)的不斷發(fā)展，半導(dǎo)體行業(yè)對(duì)高端石英玻璃產(chǎn)品的需求量有望繼續(xù)保持較高的增長(zhǎng)勢(shì)頭。

數(shù)據(jù)來源：世界半導(dǎo)體貿(mào)易統(tǒng)計(jì)組織

C.中國(guó)大陸是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移的受益者，國(guó)產(chǎn)上下游配套產(chǎn)品需求旺盛

從歷史進(jìn)程看，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在全球范圍完成兩次明顯的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移：第一次為20世紀(jì)70年代從美國(guó)轉(zhuǎn)向日本，第二次則從80年代轉(zhuǎn)向韓國(guó)與中國(guó)臺(tái)灣，而目前，這個(gè)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移正逐漸轉(zhuǎn)向大陸。2021、2022年全球范圍內(nèi)規(guī)劃要建成的晶圓廠，中國(guó)大陸占比高達(dá)27%，中國(guó)大陸加中國(guó)臺(tái)灣占比超過55%，快速擴(kuò)充的芯片制造產(chǎn)能給上下游配套設(shè)備的國(guó)產(chǎn)廠商提供了廣闊增長(zhǎng)空間。

數(shù)據(jù)來源：世界半導(dǎo)體貿(mào)易統(tǒng)計(jì)組織

②主要應(yīng)用領(lǐng)域二：航空航天行業(yè)

石英玻璃纖維和以石英玻璃纖維為基材的復(fù)合材料具有優(yōu)良的耐高溫、耐燒蝕、高透波與電絕緣性能，是廣泛應(yīng)用于航空航天與海洋裝備領(lǐng)域的功能材料。

2020年國(guó)家發(fā)布的《十四五規(guī)劃和二〇三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)的建議》指出要大力發(fā)展戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，加快壯大新一代信息技術(shù)、生物技術(shù)、新能源、新材料、高端裝備、新能源汽車、綠色環(huán)保以及航空航天、海洋裝備等產(chǎn)業(yè)。根據(jù)《2021中國(guó)航天》白皮書，未來五年中國(guó)將開啟全面建設(shè)航天強(qiáng)國(guó)新征程，推動(dòng)空間科學(xué)、空間技術(shù)、空間應(yīng)用全面發(fā)展，培育壯大空間應(yīng)用產(chǎn)業(yè)，提升航天產(chǎn)業(yè)規(guī)模效益，加強(qiáng)航天技術(shù)二次開發(fā)，推動(dòng)航天科技成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用，培育“航天+”產(chǎn)業(yè)生態(tài)，加快發(fā)展航天戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。在此背景下，石英玻璃纖維及制品在航天領(lǐng)域的應(yīng)用規(guī)模將不斷擴(kuò)大，迎來更廣闊的發(fā)展空間。

③主要應(yīng)用領(lǐng)域三：光學(xué)行業(yè)

合成石英玻璃材料用作高端光學(xué)領(lǐng)域的透鏡、棱鏡，TFT-LCD高清顯示器和IC用光掩膜基板材料。隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的迅速成長(zhǎng)，我國(guó)光學(xué)儀器儀表行業(yè)近年來一直保持比較好的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，產(chǎn)業(yè)規(guī)模已經(jīng)成為國(guó)際上行業(yè)規(guī)模最大的國(guó)家之一，也是發(fā)展中國(guó)家儀器儀表行業(yè)規(guī)模最大、產(chǎn)品品種最齊全的國(guó)家。

智研咨詢發(fā)布報(bào)告顯示，2021年中國(guó)光學(xué)儀器制造行業(yè)收入為852.1億元，同比增長(zhǎng)4%。伴隨5G、AIoT技術(shù)及全球數(shù)字化進(jìn)程的加速發(fā)展，消費(fèi)類電子產(chǎn)品滲透率持續(xù)提升，新場(chǎng)景新應(yīng)用推動(dòng)IT產(chǎn)品多元化發(fā)展，新能源車市場(chǎng)快速成長(zhǎng)帶動(dòng)顯示面板需求持續(xù)成長(zhǎng)。2021年，全球新型顯示行業(yè)產(chǎn)值和產(chǎn)量均再創(chuàng)新高，根據(jù)中國(guó)光學(xué)光電子行業(yè)協(xié)會(huì)液晶分會(huì)（CODA）的數(shù)據(jù)顯示，2021年全球新型顯示面板產(chǎn)值約1,500億美元。

④主要應(yīng)用領(lǐng)域四：光通訊行業(yè)

石英玻璃把手棒用作光通訊領(lǐng)域光纖預(yù)制棒沉積及燒結(jié)和光纖拉制中的支撐材料。2021年，我國(guó)通信業(yè)發(fā)展呈現(xiàn)向好趨勢(shì)，5G、千兆光網(wǎng)等新型信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)覆蓋和應(yīng)用普及全面加速?！妒奈逡?guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》提到，要布局建設(shè)信息基礎(chǔ)設(shè)施，加快5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)?；渴?，用戶普及率提高到56%，推廣升級(jí)千兆光纖網(wǎng)絡(luò)。

5G基站的接入、回傳均需要用到光纖資源，光纖光纜是5G信息傳輸網(wǎng)絡(luò)的重要基石。5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)有序推進(jìn)，帶來了光纖的增量市場(chǎng)，將持續(xù)推動(dòng)光纖市場(chǎng)的發(fā)展。此外，國(guó)內(nèi)5G規(guī)模建設(shè)將采用獨(dú)立組網(wǎng)的模式，亦將有利于光纖光纜行業(yè)發(fā)展。光通訊行業(yè)的快速發(fā)展將帶動(dòng)光纖光纜需求的持續(xù)增加，有利于石英玻璃行業(yè)的發(fā)展。

（4）石英玻璃行業(yè)

半導(dǎo)體行業(yè)是石英玻璃材料的主要應(yīng)用領(lǐng)域，其他方向主要包括光伏、光纖通信和電光源等。從增速來看，半導(dǎo)體、光伏增速較高，是目前石英玻璃市場(chǎng)主要的增長(zhǎng)引擎，預(yù)計(jì)未來市場(chǎng)占比進(jìn)一步擴(kuò)大。

根據(jù)中國(guó)建筑玻璃與工業(yè)玻璃協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)，石英器材、石英基板、石英玻璃（含坩堝）分別各占半導(dǎo)體領(lǐng)域石英市場(chǎng)的約40%、30%、30%。根據(jù)美國(guó)電子材料研究機(jī)構(gòu)Techcet統(tǒng)計(jì)，全球每年90%的高純石英原料用于電子信息產(chǎn)業(yè)，2021年全球半導(dǎo)體石英玻璃材料的市場(chǎng)空間約達(dá)到約28億美元。

數(shù)據(jù)來源：中金公司研究部