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普遍应用于半导体及电光源2022年石英质料行业研究讲述?格栅灯平板灯

发布时间:2022-07-24 21:42人气:

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普遍应用于半导体及电光源2022年石英质料行业研究讲述

2022-07-04    

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  一、石英玻璃—高新手艺领域要害原质料

  石英玻璃是应用日益普遍的高新手艺质料。石英玻璃的因素为二氧化硅(SiO2),具有透光性高,耐温性好,膨胀系数低等优越的物化性子,因此被普遍应用于半导体、光伏、光学、光纤和军工等高新手艺领域。石英玻璃已成为近代科学手艺和现代工业不能或缺的主要质料。新质料领域的专家们把石英玻璃称为“玻璃王”,无论从制造的高指标或工艺的庞大性,照样应用场所的手艺难度来看,石英玻璃堪称玻璃质料的“皇冠”。

  1.1 石英玻璃质料及制品物化性子优越,应用领域普遍

  石英玻璃的力学、热学、光学和化学性能优越,在半导体、光学、光纤、光伏、电光源以及航空航天等领域应用普遍。石英玻璃是由二氧化硅单一组分组成的工业手艺玻璃,由于二氧化硅为原子晶体,Si-O 间是共价键,以是石英玻璃耐温性强且化学性子稳固;Si-O 间化学键能大且结构慎密,使得石英玻璃具有优越的机械性能,耐压力强;此外石英玻璃具有较小的密度,再加上石英玻璃的微观结构是由二氧化硅四周结构体结构单元组成的单纯网络,短程有序,长程无序,使得其光学性能优良且介电强度高。依附优越的物化性子,石英玻璃普遍应用于包罗半导体、光纤、光学、光伏、电光源以及航空航天等诸多高新手艺领域。

  1)半导体(占比约 65%):石英制品是主要的半导体耗材,用于半导体加工全历程。石英玻璃内二氧化硅纯度高,化学性子稳固,不与除氢氟酸和磷酸外的任何酸反映,充实知足半导体制造历程中需要抗高温、变形性能强、不活跃的质料作为晶圆承载和洗濯等容器的要求,被普遍运用于半导体生产历程。此外,由于石英玻璃折射率低,耐温性强,能够知足掩膜版对于基版质料光学透过率高,热膨胀率低的要求,是高精度玻璃掩膜版的主要质料。

  2)光纤(占比约 14%):石英玻璃质料是生产光纤预制棒和光纤拉丝历程中主要的消耗质料。石英玻璃的折射率极低,吸光系数小而且透光波段局限宽,而光纤作为以全内反射原理传输的光传导工具,对折射率有极高的要求,因此石英玻璃被大量应用于光纤制造,主要产物有预制棒、炉芯管、石英管等。

  3)光学(占比约 10%):石英玻璃组成的部件是光学仪器中的要害性元件。透明石英玻璃的光学性能好,折射率低,可以知足 185-3500mμ波段局限内随便透光波段,因此 既可以作为光学仪器的透紫外质料也可以作为透红外质料,主要产物为制造摄谱仪、红外照相机、棱镜以及透镜。同时,石英玻璃具有很强的热稳固性,数值在 800~1000℃之间, 光学石英玻璃还普遍应用于高空高温照相,好比:高温作业窥视窗口、高精度测距仪以及大型天文望远镜。

  4)光伏(占比约 7%):光伏领域生产加工环节中,石英玻璃制品为硬性耗材。石英玻璃所制造的石英坩埚依附清洁、同质和耐高温的性能,一样平常作为熔融多晶硅料的艳服用具,用于后续拉制单晶硅棒/多晶硅锭的历程,是生产历程中的主要耗材。随着新能源产业的强劲生长,中国光伏产业规模不停壮大,自然石英产物尤其是石英坩埚产物的市场需求不停扩大。

  5)电光源(占比约 4%):在电光源领域,石英玻璃电光源产物在家居、医疗、交通、娱乐等行业应用普遍。汽车照明用的氙灯,卫生消毒用的紫外线杀菌灯以及娱乐场所用的金属卤化物灯,都接纳石英玻璃作为照明用具。

  6)军工:在航空航天领域,石英玻璃制品为宇宙飞船和航天飞机的焦点元件。石英玻璃的密度小,抗压能力强且光学性能好,知足太空窗口质料滤紫外耐辐射的要求,阻止高能射线照射下形成“色心”,被普遍应用于卫星及宇宙飞船,耐辐照的石英玻璃可以有用控制航天器姿态,高强度抗辐照玻璃盖片能为宇宙飞船的太阳能电池能源系统提供有用珍爱,此外,石英玻璃纤维隔热性能优良,介电性能好,被普遍用于机载天线罩用复合质料中。

  1.2 石英产业链集中度较高,外洋企业占主导

  完整的石英玻璃制品产业链包罗从高纯石英砂质推测下游应用领域的全历程:高纯石英砂—石英玻璃质料—石英玻璃制品—下游应用领域。石英产业是以二氧化硅为主要原质料因素的质料及制品行业。产业链中,上游为高纯石英砂生产及供应。现阶段,由于高纯石英砂的生产与高品质矿源亲热相关,产业内主要被背靠高品质石英矿的外洋企业垄断, 主要介入者包罗尤尼明、挪威 TQC 等,海内石高纯英砂龙头生产厂家为石英股份。中游石英玻璃质料一样平常会以锭、筒、棒、管等形态保留,现在产业内主要竞争者包罗外洋的迈图、 贺利氏、东曹、昆希、以及海内的菲利华、石英股份等;下游的石英制品是以石英玻璃为 质料制成的一系列器件,包罗石英舟、钟罩、坩锅等,其对生产手艺职员和生产装备要求高,海内石英制品加工企业手艺与外资企业仍有差距,贺利氏信越、杭州大和、沈阳汉科、 泰谷诺等外资企业占有主要市场份额,海内石英制品加工企业主要有凯德石英,菲利华石创、东科石英以及强华股份等;石英制品下游客户主要包罗半导体装备商和晶圆制造商、 光伏石英坩埚制造商、光伏硅片制造厂商、以及光学、光纤、军工和电光源领域相关生产厂商,其中半导体市场为主要应用市场。

  二、上游:高纯石英砂资源属性强,呈寡头竞争名目

  2.1 高纯石英砂是上游原质料,产物纯度决议其应用领域

  高纯石英砂是石英玻璃制备要害原质料,产物纯度尺度决议其应用领域。高纯石英砂是指 Si 含量大于 99.9%,Fe2O3 含量小于 0.0001%、Al2O3 含量小于 0.01%的石英砂。根据纯度指标高纯石英砂可分为 3N(低端)、4N(中端)、4N8(高端)、5N2(超纯)、 6N(高纯 SiCl4),纯度决议其应用领域。半导体:6N 的 SiCl4 用来制作光掩模基板,5N2 砂可制硅生长坩埚,4N 和 4N8 砂可制硅片氧化、扩散等用的石英质料;光纤:6N 的 SiCl4 用于制备芯棒,4N8 和 4N 砂可制沉积环节的种子棒与预制棒烧结的炉芯管;光伏:4N8 砂可制硅生长坩埚,4N 砂可制光伏电池扩散等用石英质料;光源:4N8 和 4N 砂可制特种、汽车灯和红外光源用石英质料;军工与航空航天:6N 的 SiCl4 可制对精度要求极高的传感器,4N 砂可以生产石英纤维;光学:6N 的 SiCl4 制玻璃可作光刻镜头,激光陀螺等高端产物,4N、4N8 砂可用来制作镀膜锭等产物。

  2.2 矿物提纯是主流制备工艺,矿物质量和晶格除杂是要害

  高纯石英砂的制备工艺凭证自然和合成可以分为矿物提纯和四氯化硅合成两种方式, 受制于质料储量和成本,当前矿物提纯为主要制备工艺。自然高纯石英砂可以通过自然水晶经由破坏-磁选-浮选-酸浸-干燥-焙烧传统工艺获得,也可以通过花岗伟晶岩、脉石英岩等在改善传统工艺环节的基础上增添络合和氯化煅烧等历程除去包裹体和晶格内的杂质深度提纯获得。合成四氯化硅制备通过光反映提高四氯化硅杂质的沸点,再通过精馏除杂制备。由于自然水晶的储量小且质料价钱高,合成四氯化硅的制备成本高,难以大规模生产,因此,石英矿物提纯加工是当前高纯石英砂的主要制备方式。

  自然高纯石英砂制备接纳物理和化学提纯相连系的方式,矿石质量和晶格除杂工艺是产物质量决议因素。制备历程包罗粗选-破碎-水淬-破坏-磁选-分级-焙烧-水碎-浮选-去离子水洗-干燥-酸浸等 12 个步骤。石英矿物提纯工艺流程较为庞大,矿石质量和晶格除杂工艺是产物质量的决议性因素。

  矿石质量:矿石中差异矿物包裹体、流体包裹体和晶格杂质含量决议了石英矿提纯和加工后的高纯石英砂最终质量。凭证差异成矿特征和理化特征,石英岩可分为花岗伟晶岩、脉石英岩、石英岩和石英砂岩,其中,前两类岩石晶粒结晶粒度粗,易于单体解离,是中高端高纯石英砂的理想质料。现在以为,质料评价应当以化学因素、嵌布粒度、脉石矿物、 包裹体和晶格杂质作为要害指标综合评价,当石英质料在 5 个指标中有 3 个及以上到达 A 级时,可以推荐为高纯石英质料。凭证中国粉体网数据,当前,全球高纯石英质料矿床漫衍于美国、挪威、澳大利亚、俄罗斯、印度、加拿大、中国等 7 个国家,除中外洋有 14 处矿床,其中尚未开采的有 7 处,矿源质量最高和储量最大的为美国 Spruce Pine 矿。深度绑定高品质矿石资源是行业内企业竞争要害。

  晶格除杂:石英矿物中的 Al 离子和 Fe 离子容易替换石英晶格中的硅离子,形成新的铝氧四周体和氧铁四周体,同时造成晶格内部电荷缺陷而引入 K、Na、Li、H 等电荷抵偿杂质,该种杂质需要改变晶格结构才气得以去除,因此,晶格除杂为高纯石英砂加工历程中难以突破的瓶颈。我国现在试图通过氯气、氯化氢与矿物反映,高温焙烧改变石英晶体结构到达除杂效果,然则受制于温度和酸浸参数,我国氯化焙烧处置能力仍处于较弱水平。尤尼明矿石的液体包裹体小于 5 个/cm2,我国则到达 15 个/cm2,通过高温焙烧对 Al 和 Fe 的去除率划分能够到达 96.7%和 87.7%,在确定起始温度、焙烧时间、酸浓度及反映时间方面,仍有待一步突破。

  高纯四氯化硅制备以光化和精馏连系工艺为主,除杂环节成本高昂是我国企业手艺蹊径的“卡脖子”环节,三孚股份率先实现手艺突破。现在工业界接纳光化与精馏连系的方式制备高纯四氯化硅,详细工艺流程如下:(1)光化反映:行使光照条件将氯分子解离为氯自由基,取代三氯氢硅及其它含有氢杂质含氯化合物上的氢原子,获得 HCl、SiCl4 和其他含氢化合物。光化反映对去除三氯氢硅杂质极为有用,可以将某些杂质转化为沸点更高 的杂质;(2)精馏:主要凭证四氯化硅与种种杂质沸点差异来实现星散,可以将 SiCl4 中的低沸点组分和高沸点组分星散出来,然则 AlCl3,FeCl3 等极性重金属氯化物有可能形成配合物,挥发度同四氯化硅相近,精馏法不能到达理想效果。此类杂质可用吸附法进一步提纯,然则活化处置十分繁杂且用度高,给除杂带来难题,杂质吸附环节是手艺蹊径中要害成本环节。近年随着海内精馏手艺的提升,三孚股份率先完成手艺突破,产物到达 9N 级别,实现对原质料要求较为苛刻的 PCVD 芯棒生产工艺的规模化供应,开端完成入口替换。现在公司 3 万吨高纯四氯化硅产能已所有投产,国产化历程加速。

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  2.3 光伏石英砂需求兴旺,供应连续主要,行业景气高企

  我们预计到 2024 年,全球光伏用高纯石英砂市场空间有望达 9.15 万吨,21-24 年 CAGR 到达 27.3%。在光伏领域,高纯石英砂主要用来制作拉制单晶硅棒的石英坩埚。在全球“双碳”目的和光伏发电成本不停下降的双重驱动下,全球光伏装机量迎来高增进。凭证新增光伏装机量,硅片生长炉事情时间及产能,石英坩埚平均使用寿命,可以测算出高纯石英砂的需求量。我们作出如下假设:

  (1)全球硅片产量:我们展望,21-24 年全球新增光伏装机量为 240、300、350GW。在制备组件/电池片/切片历程中的良品率划分为 99%/98%/99%,新增装机量和硅片产量 比例也许为 1:1.25,21-24 年光伏硅片产量预计为 299、373、435GW。

  (2)生长炉产能:凭证海内手艺与规模双领先的光伏装备供应商晶盛机电晶体生长设的收入和销量,可以盘算出生长炉的单价为 218.5 万元。又凭证隆基股份通告,1GW 硅片产能约需要 2 亿元晶硅生长炉。由此可得,晶体生长炉的产能约为 10.9MW/台/年,假设行业平均晶体生产炉产能为 10 MW/台/年。随着生长炉装备企业研发的连续投入与手艺的不停突破,预计单台装备产能 22-24 年增进为 0.8、1、1MW/台/年,21-24年单台生长炉产能为:10/10.8/11.8/12.8MW/台/年。

  (3)生长炉事情时间:随着光伏领域制造装备的不停改善,高控制精度全自动晶体生长炉的普及,已经可以实现全历程盘算机控制自动生长,延伸了装备的事情时间。因此,我们假设 22-24 年每台生长炉事情时长为 7750、8000、8200h。

  (4)石英坩埚寿命:由于光伏行业对于石英坩埚的纯度、清洁度、精度具有严酷尺度,同时大硅片的演进也使得石英坩埚工艺手艺一直向“高纯度、大尺寸、低成本、长寿命”偏向生长。凭证晶盛机电和欧晶科技的通告,我们假设 21 年坩埚平均寿命为 350 小时,随着坩埚寿命的不停提升,我们假设 22-24 年坩埚使用寿命为 360、380、400h。

  (5)中国硅片产量占全球比例:凭证 CPIA 数据,我国硅片产量的全球份额不停提升,从 2022 年的 93.04%增进至 2022 年的 99.23%。随着全球光伏硅片龙头企业隆基、中环等连续扩产,我们预计我国光伏硅片产量占全球比例将进一步提升,22-25 年均维持在 99.5%。综上,我们预计 21-24 年,全球的光伏用高纯石英砂需求为 4.43/6.31/8.07/9.15 万吨。我们预计 22-24 年市场供应约 5.5/7.5/8.9 万吨,供应偏紧,未来三年仍有 0.81、 0.57、0.25 万吨的缺口,景心胸将连续,随着产能释放,预计 25 年最先供应将逐步宽松。

  2.4 外洋企业高度垄断市场,我国企业快速崛起

  高纯石英砂市场被美国尤尼明耐久垄断,海内仅石英股份可规模量产。尤尼明拥有美国北卡罗莱纳州 Spruce Pine 区域花岗质伟晶岩原矿,储量跨越 1000 万吨,是全球最理想的高纯石英砂提纯矿石,其还掌握先进的提纯工艺,能够运用数学模子验证矿体,保证产物稳固供应,因此,耐久处于垄断职位,占有全球 70%以上的高纯石英砂市场。挪威 TQC 依赖美国 Spruce Pine 区域的优质矿源和内陆石英矿成为第二大石英砂供应商,占有 10% 的市场份额。我国石英股份公司 2009 年取得重大手艺突破,成为全球第三家,海内唯逐一家能够规模量产高纯石英砂的企业。石英股份深度绑定上游矿源,辅助企业连续生产高品质高纯石英砂,保证产物产量和连续供应能力,快速崛起。

  高纯石英砂制备手艺海内外差距逐渐缩小,国产替换为一定趋势。外洋已经可以规模量产 5N2 的高纯石英砂,我国尚处 4N8 阶段,多数高端产物依赖入口。我国的矿源主要为脉石英和石英岩,杂质含量多,提纯难度大,现在 3N 和 4N 产物已经实现国产化,石英股份生产的半导体和光伏级高纯石英砂都到达了 4N8 水平,与尤尼明 IOTA-尺度产物到达相同纯度。随着我国选矿评价系统的完善和提纯工艺的提高,国产替换成为一定趋势。

  本土龙头石英股份加速扩产,国产化历程提速。在国产替换及高纯石英砂需求激增的驱动下,石英股份起劲扩产迎接时机,市场份额有望进一步提升。石英股份已有高纯石英砂产能 1.5 万吨,新建的 2 万吨已基本建成,尚有 1.5 万吨高纯石英砂项目设计 2023 年投产,菲利华设计建设两万吨超纯石英砂产能,预计 23 年投产 1 万吨,25 年两万吨所有投产。尤尼明、TQC 和 Russian Quartz 近两年无显著扩产设计,随着高纯石英砂需求的不停走高,预计 2022 年高纯石英砂仍有缺口,国产化历程提速显著。

  三、中游:石英玻璃手艺壁垒高企,海内企业快速追赶

  3.1 纯度和差异杂质含量决议石英玻璃质料应用领域

  石英玻璃质料分为自然石英玻璃和合成石英玻璃,主要制备方式包罗电熔法、气炼法以及化学合成法,纯度和差异杂质含量决议其应用领域。石英玻璃由高纯度的二氧化硅组成,一样平常以棒、管、片或锭的形态保留,根据质料的差异,可以分为自然石英玻璃和合成石英玻璃。凭证制备工艺,可以分为电熔法和气炼法和化学合成法。电熔法羟基含量低于气炼法,金属杂质含量较高通常用于电光源和半导体扩散氧化等高温环节,气炼法羟基含量较高,气泡少,主要用于光源和半导体刻蚀等低温环节。CVD 法制得的石英玻璃纯度高,金属杂质含量低,但成本高,能耗大其被普遍应用于高端光学,半导体光掩模板以及光纤 等。

  3.2 电熔和气炼法是主要制备工艺,CVD 法是未来生长偏向

  电熔法和气炼法为石英玻璃的主流制备工艺,二者都行使高温熔融石英砂的原理,但加热方式差异导致产物羟基和金属杂质含量有差异。电熔法工艺流程为:将处置好的石英砂加入反映炉中,通电抽真空并注入氮气或氢气,加热翻料熔融,将熔融态石英举行机械拉管、切割、磨平、酸洗等工序制成石英玻璃,该法制备玻璃品质主要取决于质料纯度,金属杂质含量较高。气炼法工艺流程为:氢气和氧气点燃形成氢氧焰,喷洒到石英玻璃靶托上,靶托匀速旋转并下降,石英砂粉末不停融化成玻璃态,后续流程同电熔法,由于气炼法采氢氧焰加热,氢气会渗入石英玻璃,以是该种方式羟基含量较高。

  化学气相沉积工艺(CVD)是合成玻璃的制备工艺,产物纯度更高,改善加热方式和制备步骤可进一步降低羟基含量。CVD 法的详细制备流程为:(1)氢气和氧气划分过滤后通入反映熔炉,燃烧形成氢氧焰作高温热源;(2)氢气作为载流气体将鼓泡瓶中的高纯 SiCl4 通过上料管运送入反映熔炉;(3)SiCl4 在氢氧焰中高温水解或氧化天生 SiO2 微粒,并逐层沉积在旋转的基体上形成透明石英玻璃;(4)冷却后出炉引料头,通过机械拉管、 切割与酸洗获得石英玻璃制品。CVD 制得的石英玻璃 SiO2 含量可达 6N,但羟基含量超 1000ppm。若接纳等离子(PCVD)取代氢氧焰加热,羟基含量可降至 5ppm;若接纳低 温 CVD 沉积再举行烧结(间接合成法),羟基含量可降至 1ppm。

  电熔法制备石英玻璃的优点是羟基含量少,但金属杂质多;气炼法制备金属杂质少但羟基含量高;四氯化硅合成的石英玻璃杂质和羟基含量都较少,然则制备成本较高。电熔和气炼工艺均是以高纯石英砂为质料,经由 1800℃以上高温熔制成石英玻璃,由于质料纯度和熔制工艺自身的局限,所制备的石英玻璃纯度较低、存在较多气泡、杂点,手艺空间提升小等缺陷,但手艺成熟,是现在石英玻璃主流的制备方式。接纳化学合成方式(CVD、 PCVD、两步 CVD)制备出的合成石英玻璃不只品质较高,而且以四氯化硅为质料也很好地解决了多晶硅产业副产物对环境的污染问题,但制备成本高,工艺流程较为庞大,是未来手艺主要生长偏向,其中两步 CVD 法战胜了电熔法对质料纯度的依赖以及一步法中羟基 含量过高的瑕玷,为制备大尺寸低羟基石英玻璃提供领会决设施,是工业界近年来的重点生长偏向。

  石英玻璃质量主要受制备方式和工艺影响,业内领军企业均保有高手艺壁垒。国际上:迈图在熔融石英行业处于领先职位,主要掌握生产熔融石英的气炼法和电熔法,占有半导体和光纤市场。贺利氏掌握气炼法制备石英玻璃手艺已有 117 年,拥有完整的熔融石英预制棒生产-拉丝工艺光纤产业链,深耕光纤领域。东曹主营领域为半导体,掌握氢氧焰融、 电熔法生产熔融石英玻璃,和火焰水解合成工艺生产合成石英玻璃的手艺,在半导体领域具有优势。昆希是全球唯一掌握等离子手艺的企业,在半导体领域具有怪异优势。我国石英玻璃制备手艺与外洋先进手艺水平相比,在高纯度、大尺寸石英玻璃制备、熔制装备和节能控制方面另有较大差距。

  菲利华、石英股份、亿仕达(退市)和鑫亿鼎(新三板)等海内石英质料生产企业逐步崛起,加大手艺投入,缩小外洋差距。菲利华:掌握电熔法、气熔法以及合成法三条工艺蹊径以及气炼电熔二步法生产大规模石英扩散管手艺,深挚的手艺积累助力菲利华的石 英质料周全结构,公司现在获得三概略害半导体装备厂商认证,产物质量获国际认可。同时,公司照样全球石英纤维主要提供商之一。石英股份:公司以电熔法工艺为主,为海内连熔手艺行业标杆,在连熔生产工艺手艺上创新生长,填补海内多项连熔法生产半导体级高级石英管、棒、板、筒等产物的空缺。产物品质稳固,具备成本优势。公司产物通过 TEL 扩散,LAM 刻蚀环节认证,AMAT 认证也取得阶段性功效。此外,亿仕达(退市)和鑫亿鼎(新三板)均掌握石英质料生产工艺,产物应用于电光源、半导体、光伏等多个领域。

  3.3 外洋龙头占有市场主要份额,我国企业起劲扩产加速替换

  石英玻璃市场集中度高,全球 CR5 约为 74%。现在全球高端石英玻璃市场(尤其是以半导体、光通讯为主的电子级石英玻璃市场),主要由贺利氏、迈图、东曹、昆希等外洋龙头企业掌握。这些外洋龙头企业历史悠久,具备怪异的手艺优势,各自有其善于的领域和市场,产物附加值高、竞争力强,且在耐久市场耕作历程中,积累了较强的上下游产业渠道优势和产业规模优势。凭证 IBISWorld 统计的数据,2022 年全球石英市场份额中, 美国迈图公司占比 38%、德国贺利氏占比 21%、日本东曹占比 8%,三家企业合计占比 67%。

  半导体为石英玻璃质料主要应用领域,我国企业加速完成半导体原厂认证,加速国产替换历程。现在全球只有 6 家石英玻璃制造企业获 得 TEL 认证,其中四家为外洋公司包罗迈图、贺利氏、昆希、东曹,中资企业有菲利华和石英股份。我国企业菲利华现在获得三概略害半导体装备厂商认证;石英股份通过 TEL 扩散,LAM 刻蚀环节认证,AMAT 认证也取得阶段性功效,加速完成半导体原场认证将助力我国企业快速生长,推动国产替换历程。

  石英股份大幅扩张产能,菲利华起劲结构全产业链。停止 2022 年底,石英股份具备 9500 吨/年石英质料产能,近年来均处于满产状态。2022 年公司刊行 3.6 亿可转债募投 6000 吨/年电子级石英质料以及 1800 吨/年石英砣产能,2022 年四序度完成扩产项目。随着扩产工程顺遂完工投产,公司产能及业绩规模将再上台阶。菲利华现有自然石英产能 2500 吨,合成石英锭约 400 吨的产能。2022 年宣布定增募投项目用于合成石英玻璃、 电熔石英玻璃的扩产,预计达产后石英玻璃新增收入达 2 亿元。

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