在半導(dǎo)體生產(chǎn)制造領(lǐng)域，如今可以說(shuō)是沒(méi)有光刻機(jī)寸步難行。即便如此，有了制造設(shè)備，沒(méi)有材料的支撐也是造不出芯的。今天，我們就來(lái)講講半導(dǎo)體材料中的高純石英。

石英作為一種天然礦物，擁有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、熔化溫度高等特性。高純石英是高端石英制品的原料，也是半導(dǎo)體行業(yè)的基礎(chǔ)材料之一。但并不是每個(gè)石英都能用于半導(dǎo)體領(lǐng)域，還必須得做到雜質(zhì)低于10ppm的純度，這意味著其二氧化硅含量要做到99.999%（5N）或99.998%（4N8）以上。

高純石英對(duì)半導(dǎo)體意味著什么？

在半導(dǎo)體行業(yè)中，高純石英是最重要的材料之一，尤其是在晶圓生產(chǎn)制造階段。比如半導(dǎo)體單晶硅的制備就要用到柴可拉斯基法，首先將半導(dǎo)體多晶硅放在坩堝內(nèi)，加入摻雜物加熱至熔融狀態(tài)。接著放入晶種，開(kāi)始晶體生長(zhǎng)的過(guò)程，通過(guò)直拉法，得到圓柱狀的單晶硅晶錠，最終切割成一片片的晶圓。在這個(gè)過(guò)程中，這個(gè)坩堝通常就是用高純石英玻璃材料制成，因?yàn)橐霝檫@一步驟提供足夠高的純度和和抗熱性，不引入雜質(zhì)和高熔點(diǎn)的高純石英正是首選。

刻蝕機(jī) / LamResearch

其次是除光刻外，還有擴(kuò)散和刻蝕這兩道冰火二重天的前道工序，也要用到高純石英材料。比如低溫刻蝕工藝就要用到高純石英環(huán)和石英保護(hù)罩，而高溫?cái)U(kuò)散工藝則要高純石英管、石英舟等。也正因如此，半導(dǎo)體設(shè)備公司，尤其是刻蝕設(shè)備的公司，比如應(yīng)用材料、LamResearch和東京電子等廠商，都要先對(duì)高純石英材料進(jìn)行認(rèn)證后才能使用。

高純石英砂全球儲(chǔ)備

全球能制備高純石英砂的產(chǎn)地不算多，只有美國(guó)、挪威、中國(guó)、俄羅斯和澳大利亞等少數(shù)國(guó)家有著一定的儲(chǔ)備。但在這些石英原產(chǎn)地中，也有產(chǎn)量和純度之分，要想量產(chǎn)5N級(jí)別的石英砂，對(duì)材料產(chǎn)地本身就有一定需求，世界上也只有少量礦脈能滿足需求。比如世界上最高純度且出貨量最大的石英礦產(chǎn)地，是美國(guó)的斯普魯斯派恩。

TQC高純石英砂的雜質(zhì)含量 / TQC

該地區(qū)的礦床不僅規(guī)模大，而且流體雜質(zhì)少，礦石品質(zhì)穩(wěn)定，目前主要由兩大公司負(fù)責(zé)開(kāi)采，分別是TQC和Covia/矽比科。不少半導(dǎo)體公司也堅(jiān)持使用來(lái)自斯普魯斯派恩的石英砂，因?yàn)楦俚碾s質(zhì)可以確保晶圓本身的純度，從而實(shí)現(xiàn)理想的電導(dǎo)率。

國(guó)內(nèi)的高純石英砂現(xiàn)狀

我國(guó)的江蘇等省份也擁有部分石英礦，然而我國(guó)的石英礦在純度和規(guī)模上都不比美國(guó)的斯普魯斯派恩，所以對(duì)于用于半導(dǎo)體的高純度石英砂來(lái)說(shuō)，就存在著兩大困難。一是本身石英純度不夠，做到半導(dǎo)體用的5N石英砂需要更復(fù)雜的提純工藝；其次，石英礦的規(guī)模限制了產(chǎn)量，致使絕大多數(shù)高純石英砂還是依賴從美國(guó)、挪威等國(guó)家進(jìn)口。

全球高純石英主要產(chǎn)地 / Stratum Resources

就拿石英集團(tuán)和Covia/矽比科來(lái)說(shuō)，這兩家美國(guó)廠商就占據(jù)了亞太地圖近80%的高純石英砂份額，美國(guó)也成了全球最大的高純石英砂出口國(guó)，而缺少豐富高純石英砂資源的半導(dǎo)體大國(guó)，也成了此類資源的主要買家，所以國(guó)內(nèi)一些廠商以高價(jià)購(gòu)買高純石英砂來(lái)生產(chǎn)高純石英制品。

但國(guó)內(nèi)也不是毫無(wú)量產(chǎn)5N石英砂的能力，還有太平洋石英這個(gè)全球?yàn)閿?shù)不多的高純石英砂供應(yīng)商。太平洋石英位于國(guó)內(nèi)最大的石英砂產(chǎn)地連云港，掌控了國(guó)內(nèi)最大的高純石英砂產(chǎn)量。而且太平洋石英已經(jīng)連續(xù)通過(guò)了東京電子在擴(kuò)散、刻蝕石英材料上的認(rèn)證，也通過(guò)了LamResearch的刻蝕石英認(rèn)證。由于半導(dǎo)體需求的持續(xù)擴(kuò)張，太平洋石英也計(jì)劃在2022年完成6000噸/年的半導(dǎo)體石英制品的產(chǎn)能擴(kuò)張。

不過(guò)國(guó)內(nèi)，4N級(jí)別的石英砂量產(chǎn)已經(jīng)初具規(guī)模，這類石英砂主要用于光伏領(lǐng)域，其制成的高純石英坩堝同樣可以用于太陽(yáng)能單晶硅的制備。而且國(guó)內(nèi)石英砂的成本大頭在材料成本上，制造成本占比不高，因此可以創(chuàng)造不小的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。

總的來(lái)說(shuō)，高純石英材料在總材料成本中的占比并不算最多的，但的確是那筆不得不花的錢。要想節(jié)約成本的話，最好的方法無(wú)疑是從供應(yīng)鏈上下手，將供應(yīng)鏈牢牢把握在自己手中才是明智之舉。所以加快相關(guān)提純技術(shù)的研發(fā)，與國(guó)內(nèi)外設(shè)備廠商一起做好相關(guān)的認(rèn)證，加強(qiáng)高純石英礦床找礦工作持續(xù)擴(kuò)大產(chǎn)能，才是讓國(guó)產(chǎn)高純石英在半導(dǎo)體領(lǐng)域崛起的先決條件。