高纯石英为什么如此珍贵？

2024.07.30 中国矿业报   

　　◎  马亚梦

　　高纯石英因其独特的分子链结构、晶格形状和晶格变化规律，使其具有极好的化学稳定性、极低的体膨胀系数、极高的耐温性、高绝缘耐压能力、低而稳定的超声延迟性能、高于普通玻璃的机械性能、透紫外光谱性能以及透可见光及近红外光谱性能，在半导体、光伏、光纤、电光源等领域占有举足轻重的地位。

　　在半导体领域，高纯石英砂是制造芯片的重要战略性核心原材料之一，芯片制造环节主要分为硅片制造-晶圆制造-芯片制造，各工序中使用的高纯石英材料主要包括硅片制造环节拉制单晶硅棒的石英坩埚，晶圆制造环节石英玻璃扩散管以及配套的石英法兰、石英玻璃炉管、石英舟等石英玻璃器具，芯片制造环节光刻、刻蚀和薄膜沉淀使用的光掩膜基板等。不同的石英制品，对高纯石英砂的纯度、包裹体含量、粒度等要求不同，其中以拉制单晶硅的高纯石英坩埚要求最为严格。

　　在光伏领域，石英坩埚用于盛装熔融硅并制成后续工序所需晶棒，是光伏行业不可或缺的重要支撑材料，是硅材料生产的重要配套关键性耗材。近年来，我国光伏产业迅猛发展，产业处于快速变革期，光伏硅片的消费量急剧上涨，市场对石英坩埚的需求量也随之猛增，尤其是当前单晶占比快速提升、光伏电池组件正处于P型到N型的转型变革期，对石英坩埚尺寸、纯度、拉晶时间和拉晶次数均提出了更高的要求，大尺寸、高纯度、长寿命、多次数高纯石英坩埚将是未来技术的发展方向。

　　在光纤领域，由于石英光纤具有传输距离更远、速度更快、信号损耗率更低、不受电磁信号影响等优点，高纯石英玻璃产品是光纤生产过程中的重要材料，主要应用于光纤预制棒制成和光纤拉丝工艺中，光纤预制棒是决定光纤性能的原始棒体材料。石英中的羟基会扩散到芯层内，导致光纤衰减超标；过渡金属离子会导致微观不均匀，增加光纤损耗，严重时会导致信号失真。

　　在电光源领域，高纯石英的应用极为广泛，在透明石英玻璃管中，可用于钨灯用透明石英玻璃管，高压汞灯用透明石英玻璃管，金属卤化物灯用透明石英玻璃管和其他工业用透明石英玻璃管；在光学仪器中，可用于制造显微光学仪器、扫描打印设备、照相机或其他机械系统的透镜、棱镜、反射镜等；其他高附加值电光源材料，如电真空仪表等。

　　高纯石英之所以如此珍贵，除了其是战略性高新产业不可或缺的原材料，还由于其受原矿属性和提纯工艺双重壁垒。高品质且稳定的矿源供给和提纯关键技术是制备高纯石英砂的两个必备条件。全球高纯石英原料矿床主要分布于美国、挪威、加拿大、澳大利亚、俄罗斯、中国等，其中美国的Spruce Pine矿是世界公认的优质石英矿床，具有规模大、流体杂质少和矿石品质稳定等优点。目前能稳定生产高端高纯石英的企业主要有美国矽比科（原尤尼明）、挪威TQC、中国石英股份等。近年来，在国家政策的支持下，产业发展的驱动下，以及下游日益旺盛的市场需求下，高纯石英行业迎来了巨大的机遇，越来越多的企业、研究院所从资源、技术等方向进入高纯石英行业。随着找矿的持续突破、关键技术的不断研发，高端高纯石英国产化有望加速，产业结构将持续完善。

　　（作者单位：中国地质调查局郑州矿产综合利用研究所）

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