石英（Quartz）是我們日常生活中非常常見(jiàn)的一種礦物，成分為SiO2，SiO2的單晶體就是水晶，而多晶體則形成玉髓、瑪瑙，我們平時(shí)看到的普通玻璃是不具備晶體結構的SiO2，海灘上的沙子基本上就是由石英和長(cháng)石組成。相信大家對石英也并不陌生，然而近幾年，隨著(zhù)美國禁“芯”令的頒布以及石英股價(jià)的高漲，石英搖身一變，掀起了“高純石英砂熱”。什么是高純石英呢？它與我們常見(jiàn)的石英有哪些區別？能用于造芯片的沙子又是什么樣的呢？

什么是高純石英？

高純石英指SiO2純度極高，雜質(zhì)元素含量極低的石英及其產(chǎn)品，大量應用于半導體、光伏、光纖、精密光學(xué)、高級照明設備、新型玻璃等產(chǎn)業(yè)。但是，由于不同產(chǎn)業(yè)需要不同質(zhì)量的石英，使得高純石英沒(méi)有普適性的質(zhì)量評價(jià)指標。不同的人有不同的定義。早期的研究認為，高純石英的雜質(zhì)含量應小于50×10-6，即SiO2純度大于99.995%的石英為高純石英。挪威地質(zhì)調查局則提出更詳細的指標，要求不僅雜質(zhì)總質(zhì)量要小于十萬(wàn)分之五，而且Al的含量應小于十萬(wàn)分之三，Ti的含量應小于十萬(wàn)分之一，Na和K的含量應小于百萬(wàn)分之八，Li、Ca的含量應小于百萬(wàn)分之五，Fe的含量應小于百萬(wàn)分之三，P的含量應小于百萬(wàn)分之二，B的含量應小于百萬(wàn)分之一。2014年，Flook根據市場(chǎng)產(chǎn)業(yè)需求，提出新的質(zhì)量指標，認為SiO2純度在99.95%、總雜質(zhì)含量小于萬(wàn)分之五的石英即為高純石英，純度為99.5%~99.8%的石英可滿(mǎn)足半導體填料、光纖、液晶屏生產(chǎn)行業(yè)的要求，純度小于99.5%的石英可用在透明玻璃行業(yè)。

我國汪靈學(xué)者認為，SiO2純度大于99.9%的石英即為高純石英。近年來(lái)，新興起的光伏玻璃、超白浮法玻璃等新型玻璃產(chǎn)業(yè)，降低了對SiO2的純度要求。因此，綜合不同的指標體系，在考慮原料礦石質(zhì)量、測試手段、現有提純工藝和行業(yè)質(zhì)量要求的情況下，我國采用的高純石英的標準是：SiO2純度大于99.9%的石英。

石英在自然結晶的過(guò)程中常會(huì )摻雜微量的雜質(zhì)，主要為晶體間隙的脈石礦物、包裹體、晶格雜質(zhì)等。像我們平時(shí)常見(jiàn)的河砂、天然砂含有太多雜質(zhì)，河砂的含硅量一般在65%~85%，硅含量太低，不能用于生產(chǎn)芯片。雜質(zhì)元素的種類(lèi)和含量會(huì )對會(huì )石英性能造成影響，比如，Al的存在會(huì )影響石英中的光傳導速率，Fe、Mn等金屬元素降低石英的光透過(guò)率，P和B含量過(guò)高的石英不能用于光伏產(chǎn)業(yè)，因此在生產(chǎn)高純石英時(shí)，必須對原料礦石進(jìn)行提純，盡可能降低Al、K、Na、Li、Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Cr、Ni、B、P等雜質(zhì)的含量。

拿超白玻璃與普通玻璃相比較來(lái)說(shuō)，超白玻璃晶瑩剔透，透光率高，具有極低的含鐵量（Fe2O3質(zhì)量分數不超過(guò)150×10-6），僅是普通玻璃的1/10，甚至更低，當鐵含量超標時(shí)，做出來(lái)的玻璃不僅透明度下降，制品還將呈現出黃綠色。并且超白玻璃更具安全性，其自爆率僅為萬(wàn)分之一左右，遠比普通玻璃（自爆率為千分之三左右）低得多，特別適用于建造重要建筑和高層樓房中，如北京奧運會(huì )的“鳥(niǎo)巢”、“水立方”體育場(chǎng)館、上海世博會(huì )的“中國館”、以及北京國家大劇院、南京中國藝術(shù)中心等均有超白玻璃的身影。所以在雜質(zhì)元素含量、硅含量要求方面，新型玻璃產(chǎn)業(yè)、半導體產(chǎn)業(yè)都會(huì )要求更為嚴格苛刻。

嚴格來(lái)說(shuō)，高純石英不是一種礦產(chǎn)，而是由水晶、脈石英、石英巖、花崗偉晶巖等礦石作為原料經(jīng)過(guò)提純后的一種產(chǎn)品。這種高純度的石英砂在自然界是不存在的，需要從石英礦中開(kāi)采提純后才能用于半導體制造。因此，能夠提純生產(chǎn)高純石英的礦床稱(chēng)為高純石英原料礦。制備高純石英砂的最理想選擇便是高純度石英礦原料，石英或石英巖脈很常見(jiàn)，但是高純度石英礦，尤其是具備經(jīng)濟開(kāi)采價(jià)值的高純度石英礦卻又少之又少。
而高純石英砂是芯片制造不可或缺的原料，是硅產(chǎn)業(yè)高端產(chǎn)品的物質(zhì)基礎，而高純石英原料礦極為稀缺。我國硅質(zhì)資源豐富，但是大部分礦床為普通硅石礦，用于普通玻璃、石材、建筑用砂等。同時(shí)，受礦石品質(zhì)的限制，生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品主要為低端高純石英。對于高純石英砂、原料礦石及高端石英制品每年都大量依賴(lài)進(jìn)口。因此，對于全球高純石英原料礦的分布和開(kāi)發(fā)現狀，我們要有所了解。目前，高純石英原料礦床主要分布于美國、挪威、澳大利亞、俄羅斯、毛里塔尼亞、中國、加拿大等7個(gè)國家。除中國外，美國斯普魯斯派恩（Spruce Pine）礦的高純石英原料資源規模最大，超過(guò)1000萬(wàn)噸；資源量最小的是挪威德拉格（Drag）礦，僅有26.7萬(wàn)噸（王九一，2021；表1）。