中國(guó)粉體網(wǎng)訊 2025年3月27日，由中國(guó)粉體網(wǎng)主辦的“2025第三屆集成電路及光伏用高純石英材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展大會(huì)”在江蘇東海成功召開(kāi)！在本次大會(huì)現(xiàn)場(chǎng)，中國(guó)粉體網(wǎng)記者有幸邀請(qǐng)到宜賓學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院袁小武博士做客我們的“對(duì)話(huà)”欄目。
宜賓學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院袁小武博士
中國(guó)粉體網(wǎng)：袁博士您好，據(jù)了解，您在新能源材料領(lǐng)域研究成果頗豐，其中高純石英砂技術(shù)也是您的研究方向之一。對(duì)于制備5N2及以上純度的高純石英砂，從您的專(zhuān)業(yè)視角看，核心的技術(shù)難點(diǎn)集中在哪些方面？
袁博士：其實(shí)在高純石英砂中不應(yīng)該叫5N2以上應(yīng)該叫4N8以上，4N8其實(shí)是個(gè)分水嶺，它相當(dāng)于工業(yè)硅或者說(shuō)是物理法熔煉硅，它的極限是到6N以下（接近6N）。實(shí)際上我們國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)石英砂技術(shù)的極限基本上4N5，然后純度再高那就是礦好。
我實(shí)際上是95年開(kāi)始做單晶硅的生長(zhǎng)的，在這個(gè)領(lǐng)域里，我深刻領(lǐng)會(huì)到坩堝質(zhì)量好壞對(duì)單晶硅生長(zhǎng)造成的影響。就坩堝用石英砂而言，存在兩個(gè)相互矛盾的關(guān)鍵問(wèn)題。一方面，要求包裹體小、雜質(zhì)少；另一方面，按傳統(tǒng)技術(shù)，將石英礦粉碎至30μm以下時(shí)，包裹體尺寸和密度能達(dá)到預(yù)期，可粒徑卻難以滿(mǎn)足要求。
內(nèi)層的石英砂實(shí)際上更偏向于110-120μm范圍內(nèi)，所以說(shuō)進(jìn)口的矽比科或者說(shuō)是挪威TQC的產(chǎn)品主要以120μm為正態(tài)分布，其中90%以上是在100-150μm的范圍內(nèi)，因此，若要涉足該領(lǐng)域，就必須要注意怎樣來(lái)破解粒徑尺寸和包裹體尺寸以及包裹體密度的矛盾。
在這種情況下，業(yè)界現(xiàn)在采取了很多辦法。包括去年，工信部給中建材的年產(chǎn)50噸的中試線(xiàn)，三年內(nèi)量產(chǎn)15噸的重大專(zhuān)項(xiàng)，實(shí)際上也是為了針對(duì)這個(gè)問(wèn)題。但是這個(gè)問(wèn)題目前難度很大。
中國(guó)粉體網(wǎng)：原料的品質(zhì)對(duì)高純石英砂的最終純度具有重大影響。以您的研究經(jīng)驗(yàn)，適合生產(chǎn)5N2及以上高純石英砂的原料應(yīng)具備哪些關(guān)鍵特性？
袁博士：我的看法是，我們目前國(guó)內(nèi)用于高純石英砂原料其實(shí)3N5以上已經(jīng)足夠了，問(wèn)題在于，我們目前的提純技術(shù)還達(dá)不到。因?yàn)楣夥桶雽?dǎo)體產(chǎn)業(yè)中，我們的主材料是晶硅，晶硅最初的原材料也是石英砂，它的純度只是95%-98%就可以了。晶硅為什么可以達(dá)到9個(gè)9甚至11個(gè)9，而高純石英砂卻難以達(dá)到這一純度標(biāo)準(zhǔn)，原因并非原材料本身純度不足，而是我們的技術(shù)水平受限�；叵胛以谝痪�(xiàn)從事生產(chǎn)工作時(shí)，國(guó)內(nèi)晶硅純度僅能達(dá)到9個(gè)9，現(xiàn)在已經(jīng)可以達(dá)到11個(gè)9了，這就是我們的技術(shù)的進(jìn)步。
因此我認(rèn)為，原材料的尋找并不是迫在眉睫的事情，迫在眉睫的事情應(yīng)該是我們技術(shù)的進(jìn)步。
中國(guó)粉體網(wǎng)：您在過(guò)往研究中，主持或參與了多項(xiàng)與高純材料相關(guān)的項(xiàng)目。在這些項(xiàng)目里，針對(duì)4N8及以上高純石英砂，采取了哪些創(chuàng)新的工藝或方法？與傳統(tǒng)工藝相比，有哪些顯著優(yōu)勢(shì)，實(shí)際生產(chǎn)效果如何？
袁博士：與傳統(tǒng)工藝相比，我們新增了水熱化學(xué)合成環(huán)節(jié)，利用這一技術(shù)將粒徑較小的粉體變大。目前，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)取得成果，相關(guān)情況我會(huì)在報(bào)告的PPT中展示。此前，我向浙江美晶新材料有限公司送樣100公斤。美晶是晶盛機(jī)電旗下子公司，專(zhuān)注于半導(dǎo)體坩堝生產(chǎn)。同時(shí)，我們還以協(xié)作企業(yè)的名義，向菲利華送樣100公斤。美晶的樣品由我外協(xié)企業(yè)直接送達(dá)。
不過(guò)，我們?cè)诩夹g(shù)應(yīng)用過(guò)程中仍面臨兩個(gè)問(wèn)題：一是堿金屬含量的控制問(wèn)題；二是許多外協(xié)廠家在生產(chǎn)過(guò)程中存在酸堿使用不當(dāng)?shù)膯?wèn)題。如今，粉體行業(yè)普遍避免使用酸堿，這與生產(chǎn)高純石英砂的要求相矛盾。過(guò)去幾年，我走訪了近十家傳統(tǒng)石英砂企業(yè)，發(fā)現(xiàn)他們大多采用干法生產(chǎn)，研磨后僅進(jìn)行水洗。在這種情況下，石英砂表面的金屬雜質(zhì)很難被徹底去除。部分企業(yè)采用酸浸、浮選、磁選等工藝，但是由于很多雜質(zhì)處于晶格內(nèi)部，這些打破鍵能的難度較大，因而提純的效率較低。
中國(guó)粉體網(wǎng)：您剛才所提到的水熱化學(xué)合成法，它用的原料是天然的高純石英嗎？還是一些含硅的化合物？
袁博士：我們以天然石英礦作為原材料，對(duì)天然石英砂開(kāi)展一系列處理。通過(guò)前期處理，將3N5純度的礦提升到4N2。在此基礎(chǔ)上，借助水熱化學(xué)合成技術(shù)，進(jìn)一步把純度提升至5N2。
中國(guó)粉體網(wǎng)：從產(chǎn)業(yè)發(fā)展角度看，隨著光伏、半導(dǎo)體等行業(yè)對(duì)4N8及以上高純石英砂需求的持續(xù)增長(zhǎng)，您預(yù)測(cè)未來(lái)該領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)會(huì)是怎樣的？在工藝優(yōu)化、設(shè)備升級(jí)等方面，可能會(huì)出現(xiàn)哪些新突破？
袁博士：我目前正處于實(shí)驗(yàn)和研發(fā)機(jī)構(gòu)籌建階段，這是一家新型民辦研發(fā)機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)聚焦于光伏和半導(dǎo)體晶硅用坩堝的高純石英砂領(lǐng)域，力求實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破。為此，計(jì)劃搭建一條小型生產(chǎn)線(xiàn)或?qū)嶒?yàn)裝置，對(duì)裝置的等級(jí)要求較高。
當(dāng)下，我正在與宜賓高新區(qū)方面進(jìn)行協(xié)調(diào)，他們已同意提供場(chǎng)地。不過(guò)，由于我正在申報(bào)的一些國(guó)家項(xiàng)目尚未獲批，暫時(shí)無(wú)法和高新區(qū)方面確定所需場(chǎng)地的具體面積。
基于目前的研究以及外協(xié)成果，我們計(jì)劃將水熱化學(xué)合成技術(shù)作為核心，同時(shí)結(jié)合傳統(tǒng)石英砂制造工藝，打造一套集成創(chuàng)新技術(shù)體系。具體來(lái)說(shuō)，把傳統(tǒng)石英砂技術(shù)與其他產(chǎn)業(yè)中已成熟的技術(shù)相互匹配，開(kāi)辟一條全新的技術(shù)路線(xiàn)。這條路線(xiàn)并非單純追求成本最低，而是致力于充分滿(mǎn)足高純石英坩堝對(duì)高純石英砂的特定需求，確保在技術(shù)適配性上達(dá)到最優(yōu)。
中國(guó)粉體網(wǎng)：相較于國(guó)際先進(jìn)技術(shù)，我國(guó)在4N8及以上高純石英砂技術(shù)研究方面，目前的差距主要體現(xiàn)在哪些方面？我們?cè)撊绾慰s小這些差距，實(shí)現(xiàn)技術(shù)的彎道超車(chē)？
袁博士：在材料研究領(lǐng)域，材料四要素是我們做材料研究的重要理論依據(jù)。材料的組成決定其構(gòu)成方式，構(gòu)成又決定材料性質(zhì)，而性質(zhì)最終決定材料的用途。常規(guī)的材料研發(fā)，往往遵循這一邏輯展開(kāi)。然而，當(dāng)面對(duì)國(guó)家或行業(yè)的特定痛點(diǎn)時(shí)，我們也可以反向推導(dǎo)——從應(yīng)用領(lǐng)域出發(fā)，倒推所需材料的組成。
就拿高純石英砂來(lái)說(shuō)，最初，高純石英砂主要應(yīng)用于其他領(lǐng)域。在我從事拉單晶工作的那幾年，石英坩堝對(duì)高純石英砂的用量極少，每年僅幾十噸。由于用量小，當(dāng)時(shí)石英砂價(jià)格也不算貴，大概幾萬(wàn)美元一噸，所以沒(méi)多少人專(zhuān)門(mén)去研究它，需要時(shí)直接進(jìn)口即可。
2003年，光伏行業(yè)興起，此后歷經(jīng)起伏。直到2022年底至2023年初，高純石英砂價(jià)格突然飆升。一方面，光伏產(chǎn)業(yè)爆發(fā)式增長(zhǎng)，達(dá)到了一個(gè)臨界點(diǎn)；另一方面，中美科技脫鉤，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)難以從矽比科（原尤尼明）進(jìn)口內(nèi)層砂原料。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)矽比科的原料，基本被隆基、TCL中環(huán)等大廠，以及美晶等大型坩堝企業(yè)，通過(guò)長(zhǎng)單鎖定。
如今，高純石英砂價(jià)格相對(duì)較低，這與長(zhǎng)單模式密切相關(guān)。盡管價(jià)格有所波動(dòng)，但市場(chǎng)對(duì)高純石英砂的需求量一直較為穩(wěn)定。以去年為例，國(guó)內(nèi)光伏市場(chǎng)實(shí)際裝機(jī)量達(dá)到249GW，遠(yuǎn)超光伏產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)最樂(lè)觀預(yù)期的220GW。然而，光伏產(chǎn)業(yè)卻陷入產(chǎn)能過(guò)剩的困境。市場(chǎng)需求量每年以20%-30%的幅度增長(zhǎng)，而產(chǎn)能擴(kuò)張幅度卻高達(dá)70%-80%。持有長(zhǎng)單的進(jìn)口商手中貨物積壓，為緩解壓力，紛紛拋售，加上其他因素的影響，進(jìn)一步壓低了價(jià)格。但在國(guó)內(nèi)技術(shù)無(wú)法替代進(jìn)口的情況下，其價(jià)格最終仍可能回升至20-25萬(wàn)元每噸。
對(duì)于光伏和半導(dǎo)體行業(yè)而言，晶硅品質(zhì)、硅片品質(zhì)以及硅片尺寸的提升，遠(yuǎn)比坩堝價(jià)格更受關(guān)注。畢竟，坩堝成本在光伏組件和光伏系統(tǒng)中僅占電站成本的1%左右。試想，如果能將坩堝的使用壽命從目前的350-400小時(shí)提升到500-600小時(shí)，甚至更長(zhǎng)，同樣數(shù)量的坩堝就能生產(chǎn)出更多單晶。在國(guó)內(nèi)尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)替代進(jìn)口的情況下，即便石英砂價(jià)格難以回到60萬(wàn)元每噸，維持在20-25萬(wàn)元每噸的區(qū)間，只要提升坩堝壽命，下游企業(yè)也不會(huì)過(guò)于在意價(jià)格。
因此，當(dāng)前我們的首要任務(wù)并非尋找新礦源，而是突破技術(shù)難題。當(dāng)然，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)不僅需要攻克技術(shù)難題，還需要全體產(chǎn)業(yè)同仁的協(xié)同配合。
中國(guó)粉體網(wǎng)：您剛才說(shuō)您用水熱化學(xué)合成法制作的高純石英砂是4N8及以上嗎？還是5N2？那它主要應(yīng)用在哪幾個(gè)領(lǐng)域呢？
袁博士：目前，我們的研發(fā)重點(diǎn)圍繞4N8至5N2純度的產(chǎn)品展開(kāi)，首要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)光伏石英坩堝內(nèi)層材料的進(jìn)口替代，后續(xù)再逐步拓展至整個(gè)坩堝。至于5N8純度的產(chǎn)品，通常應(yīng)用于半導(dǎo)體坩堝。當(dāng)下，半導(dǎo)體坩堝完全依賴(lài)進(jìn)口。值得注意的是，并非石英砂純度越高就越好，一旦超過(guò)特定純度，坩堝的使用壽命會(huì)大幅縮短，且容易出現(xiàn)軟化現(xiàn)象。
對(duì)于坩堝用石英砂而言，不僅要求純度達(dá)標(biāo)，對(duì)雜質(zhì)含量的控制也十分講究，部分雜質(zhì)甚至對(duì)坩堝性能有益。因此，要實(shí)現(xiàn)進(jìn)口替代，就必須對(duì)標(biāo)進(jìn)口砂的指標(biāo)，展開(kāi)針對(duì)性攻關(guān)。從我們前幾年的研究成果來(lái)看，在堿金屬總含量方面，我們的產(chǎn)品略高于進(jìn)口產(chǎn)品；與之相反，鋁含量方面，我們的產(chǎn)品相對(duì)偏低。如何進(jìn)一步降低堿金屬含量，是我們正在努力的方向。除了堿金屬和鋁之外，鈣、鐵等元素的含量也至關(guān)重要，它們都是影響石英砂品質(zhì)和坩堝性能的關(guān)鍵因素。
中國(guó)粉體網(wǎng)：好的，感謝袁老師接受我們的采訪。
袁博士：好，謝謝。
