石英产业庞大，下游应用丰富。石英材料性能优越、终端应用广泛，在光学、医疗、通信、航空军工、消费电子等领域均发挥重要作用。在半导体领域，石英材料是半导体产业关键的原材料之一，涉及产业链中的方方面面，如结构件、坩埚、晶片、掩膜版等（图中标注蓝色的部分为本报告重点分析部分）。石英材料的制备成型方法主要为直接法和间接合成法两类。直接法指加热将粉末状石英原料（石英砂，包括天然石英砂和合成石英砂）进行熔化，随后经过快速冷却的玻璃化过程形成石英玻璃材料，按加热方式可以细分为电熔法、气炼法、等离子体熔制法等。在半导体及光伏领域应用的石英舟、石英腔等结构件为石英砂进行熔制法拉制管状、锭状石英型材在进行进一步深加工制造而成；石英坩埚则为直接熔制制造。间接法是以含硅化合物（包括卤化硅，氢化硅及有机硅等）为原料通过化学反应合成得到，主要有三种合成方法：第一种为含硅化合物在无水环境中发生热氧化作用生成SiO2，常见的为等离子体化学气相沉积法（PCVD）；第二种为含硅化合物在氢氧火焰中发生水解反应（往往同时伴随有氧化反应），称为火焰水解沉积法（FHD）；第三种为含硅化合物在水介质中发生水解反应，称为溶胶-凝胶法（Sol-Gel）。含硅化合物合成石英可以直接合成石英锭、石英棒等形态的石英玻璃（合成石英玻璃），也可以合成粉末状的石英砂（合成石英砂），再通过热熔合成石英玻璃、石英坩埚等。在半导体及显示面板等领域用到的光掩膜版的石英基材通常来自PCVD法合成的石英玻璃。不同下游应用对石英砂的纯度要求不同。整体规律为半导体>光伏>光源/光学,其中半导体和光伏应用对石英砂的纯度要求均超过99.998%。对于同一应用领域，如光伏或半导体，制造石英坩埚的石英砂要求高于制造器皿管材等的石英砂。对于坩埚用石英砂，分为内层和中外层，内层由于接触硅料，因此要求最高，内层与中外层的用砂比例非一定之规，具体用量与各下游厂商工艺有关。同时基于成本考虑，各厂商亦在阶段性降低内层砂配比。（数据来源：《石英矿物资源的提纯及在战略性新兴产业中的应用技术分析》(欧阳静等，《矿产保护与利用》，2021)，广发证券发展研究中心）天然高纯石英砂的杂质、气泡、羟基等对其制造的坩埚等产品的性能有重要影响。以石英坩埚为例，重点关注的杂质元素有：碱金属主要影响热稳定性；Al元素主要影响硬度，光伏坩埚不能太低；B元素主要影响Si电阻率；过渡金属元素主要影响Si可靠性。天然高纯石英砂的品质主要受矿源因素和非矿源因素两方面影响。矿源因素方面，石英矿的初始条件对石英砂杂质、粒度、气泡包裹体、羟基等质量指标影响较大。目前仅白岗岩、伟晶岩、热液脉石类石英矿用于提纯高纯石英砂。根据公开资料，海外高纯石英砂垄断企业Sibelco和TQC垄断Spruce Pine的白岗岩矿；太平洋石英股份大多采购海外石英矿，2021年石英矿海外采购比例为93.32%，主要采购于巴西、非洲、印度、美国等国家和地区，主要供应商较为稳定，且签订长期框架协议。非矿源因素方面，提纯具有天花板，需要依赖矿源品质。石英砂中的部分杂质含量或可以通过酸洗、磁选等方式降低，但如果石英砂里面存在较多微小的晶体，则晶体交界处会存在不少杂质、包裹体，增加提纯的难度、成本，同时如果石英砂晶体里天生存在一定的气液包裹体，后期的提纯技术较难去除。总的来说，矿源对于做半导体、光伏内层级高纯石英砂是必要的先决条件，决定下限（能否进入行业），提纯检测技术决定石英砂产品质量上限。不同矿源、同一矿源存在颗粒度和一致性差异的情况，需要靠后期的提纯技术来进行调整和改善，矿源、矿石非标导致提纯非标，因此提纯和检验对产品质量把控至关重要，检测提纯技术影响石英砂产品质量稳定性。人工合成石英砂在绝对纯度方面存在优势。合成高纯石英砂主要应用于半导体特殊石英零件、半导体拉晶坩埚、光学通信特殊光纤、医疗紫外灯石英灯管和医疗PET成像检测晶体窗口等领域。但由于微量元素Al等的含量区别，目前尚不能直接用于太阳能石英坩埚内层砂，如光伏拉晶坩埚可以采用合成石英砂制造，将对产业链格局产生较大影响，这一方面对合成石英砂产品研发提出挑战，同时也需要下游拉晶工艺进行一定的优化调整。7N高纯合成石英砂来源稀缺。行业唯一能批量提供7N合成高纯石英砂的公司为日本三菱。但真正需要7N级别砂的场景较少，根据行业访谈经验估计，每年需求在1000吨以下，按单价100万元/吨计算，市场规模小于10亿元。国内多家企业进行合成石英砂的布局，如上市公司凯盛科技、江翰新材、仕净科技，非上市公司江苏德鑫、苏州西丽卡等。石英坩埚用于拉晶法制造硅晶棒，是单晶硅棒拉制过程中用于盛装熔融硅液的关键一次性消耗品。目前光伏坩埚采用32-36吋石英坩埚，国内厂商可以满足绝大部分产品需求。半导体石英坩埚尺寸更小，多在18-24吋左右，对石英坩埚供应商的生产工艺、参数控制、及自动化程度要求更高，也更加要求原料的来源和质量，相对光伏行业国产化率更低。石英结构件是半导体设备中重要零部件，也是半导体生产制造过程中重要耗材。具体应用例如石英扩散管、石英舟、石英腔体、石英环等应用于半导体扩散炉、CVD设备、清洗设备、刻蚀设备等。加工方法分为火加工（吹制、熔断、密封、熔接、激光加工、热顶成型、高温扩管、火焰抛光等）和冷加工（磨削、抛光、钻空与切割），石英制品工艺流程中自动化程度低，需要人工操作，依赖操作工人的经验。近年来，中国半导体晶圆的代工产能逐渐释放，光伏行业快速增长，均带动石英结构件的大力发展。国内从事石英结构件深加工的企业主要有凯德石英、上海强华、菲利华石创、宁波云德、浙江泓芯等。其中，浙江泓芯是国内领先的石英加工企业，核心团队出身行业国际一流公司，技术实力较强，发展速度较快。安芯投资于2022年1月战略布局浙江泓芯，并始终与企业保持良好的沟通和深度合作。掩模版是应用于光刻环节的关键材料。掩模版是微电子制造过程中的图形转移母版，是平板显示、半导体、触控、电路板等行业生产制造过程中重要的关键材料。作为光刻复制图形的基准和蓝本，掩模版是连接工业设计和工艺制造的关键，掩模版的精度和质量水平会直接影响最终下游制品的良品率。掩模版主要由基板、遮光图案和保护膜组成，由掩模基板经过直写光刻、显影、刻蚀、清洗、缺陷检测机修补等步骤，完成有图案的遮光层，再覆盖保护膜Pellicle得到产品。空白掩膜版主要由基板、遮光层和光刻胶组成。掩膜版基材的材质主要有石英玻璃、苏打玻璃、菲林、凸版、金属等，其中半导体0.5μm制程节点及以下的工艺制程和平板显示6代线及以上均对精度等要求更高，基板材质主要采用合成石英玻璃。后文如未特殊指出，均指半导体领域的石英掩膜版及其基板。光掩模基板是直接接触光刻机光源的材料，其分类本质上与光刻机的光源息息相关。在光刻环节中，掩模版需要对光刻机光源实现吸收或者透射等光学功能，以实现掩模图形向晶圆图形的图形转移，而掩模版对光刻机光学功能的实现是由光掩模基板决定的。光掩模基板的材料、结构、膜层厚度、光刻胶等参数，均需要与对应的光刻机光源高度匹配，否则无法实现其光学功能。光刻机光源的更迭，也带来了光掩模基板的不断迭代。经过半个多世纪的发展，光刻机已从436nm的g-line光源发展成现如今最先进的13.5nm的极紫外线光源，每一次光源系统的升级，都需要重新设计光掩模基板来与之配套，以满足其对应的透射率、折射率、光学效应、光刻胶等要求。根据光刻机光源的不同，光掩模基板可分为二元掩模基板（g-line）、二元掩模基板（i-line）、二元掩模基板（KrF）、PSM相移掩模基板（KrF）、PSM相移掩模基板（ArF）及OMOG基板（浸没式ArF）等。光源不同，光掩模基板上需要涂布的光刻胶各不相同，同时光掩模基板的材料、结构、平整度等要求也各不相同。图4 掩模版及掩模基板分类（数据来源：公开资料、安芯整理）二元掩模版的图形由完全不透光部分和完全透光部分组成（遮光部分遮光率为100%，透光部分遮光率为0%），其成像原理为是通过透光区与不透光区的不同光强来得到晶圆上所需的图型。对应掩模基板为二元掩模基板，由玻璃基板-遮光层-光刻胶三层结构组成。KrF二元光掩模基板遮光层更薄，适用于KrF光源下≥130nm制程节点的产品。相移掩模（PSM）的基本原理是利用通过不带相移层区的光线和通过带相移层区(光线相位产生 180°的移动)，光线之间因相位不同产生相消干涉，从而改变了空间的光强分布，实现了同一光学系统下的分辨率的提高，提高的幅度近一倍。相移层是一层半透明薄膜，通过它的光线将发生相位移动，相位移动的相位值与膜厚、薄膜材料的折射率和入射光线的波长具有相关的函数关系：T=N/2(n+cosθ)。相移掩模版的相移层一般采用MoSi材料，为实现提高分辨率的目的，相移层为必须保证入射光线产生180°的相位移动，并控制相移光线的透过幅度，达到实际照射到晶圆表面光线调制的目的。因而制备相移膜并且精确地控制膜厚及组成是制造相移掩模工艺中的技术难点之一。图5 二元掩模和相移掩模的成像对比（数据来源：龙图光罩招股书）掩膜版和掩模基板具有较高壁垒。首先是资金及产线壁垒，产线投资规模一般为数亿元量级，产线投资额与年产值的比值约为1:1。此外，产线关键设备皆为进口，交付周期长。其次是技术壁垒，光掩模作为光刻的母版，对于缺陷控制要求极高，要接近达到零缺陷，对芯片设计版图的掩模图案转换、直写光刻工艺、缺陷检测和修补等要求极高。而掩模基板作为光掩模的核心材料，其质量将直接影响下游光刻工艺，这对石英基板研磨抛光、镀膜、涂胶工艺提出了很高的要求。同时，光掩膜版和掩模基板材料需要与下游客户同步调试研发，产品有一定定制化属性，考验厂商的工艺理解。最后是验证壁垒，半导体领域的材料验证周期普遍较长，光掩膜版和掩模基板作为影响晶圆制造的光刻工艺的最上游材料，产品质量需下游做出图形才能判断，验证周期尤其长。同时，验证过程中的试错成本较高，客户没有动力陪伴过多供应商成长。行业格局方面，平板显示的掩膜版主要为第三方掩膜版公司生产。半导体领域，Fab厂较高阶制程采用自己制造的掩膜版，如台积电28nm及以下制程为自制掩膜版，40nm及以上为委托第三方掩膜版厂制造。根据统计数据，半导体领域in-house占约60%，第三方厂商约40%。境外主要掩膜版厂商有美国Photronics、日本SK-E、日本HOYA、韩国LG-InnoTek.、DNP(自用)、日本TOPPAN等，半导体inhouse掩膜版制造厂有英特尔、三星、台积电等；境内主要掩膜版厂商有清溢光电、路维光电、龙图光罩、美日丰创(Photronics、DNP合资)、合肥丰创光罩(Photronics独资子公司)、泉意光罩、新锐光掩模、擎方、冠石、路芯等，半导体in-house掩膜版制造厂有中芯国际、中微掩漠、迪思微等。掩模基板领域国产化率极低。全球掩模基板被ShinEtsu (日)、HOYA (日)、 ULVAC (日) 、 S&S(韩)四家所垄断，国产化率不足2%，在 0.18um及更先进制程的掩模基板中，国产化率几乎为零。国内掩模公司进口替代需求强烈。据掩模公司反馈，进口掩模基板交期长、价格贵，尤其对于国产基板公司达不到工艺节点的产品，日韩厂商已形成垄断价格，且交期+运输时间长达2个月。中国半导体产业经过近年来的快速发展，较多环节已有相对成熟的国产解决方案，但在最上游的高端材料方面仍然存在短板和差距。石英材料是重要的半导体上游材料，广泛应用于半导体产业链，如石英坩埚、石英结构件、掩膜版等，是安芯投资重点关注布局的赛道。天然石英砂方面，标的的选择重点关注矿源的确定性和稳定性；石英坩埚方面，重点关注供应链稳定（石英砂来源稳定），生产产品质量稳定，并能够绑定下游客户资源的企业；合成石英砂方面，重点关注团队技术来源和产品研发、验证进度；掩模基板方面，建议关注有先发优势、团队具备新产品研发和技术迭代能力、产线和关键设备规划节奏合理的标的；掩膜版方面，建议关注产线规划、关键设备的来源、资金规划，高端产品的进度和与下游厂商的合作情况以及团队过往经验能力等事项。
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