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引言
高純石英（high-purity quartz），又稱高純石英砂。它是二氧化硅純度大于99.9%（3N）的石英砂系列產品總稱，其本質是一種石英晶體原材料，它以天然石英礦為原料，經提純加工而獲得，具有極高二氧化硅純度及一定粒度。SiO2純度≥99.998%（4N8）的高純石英高端產品不僅是半導體、光伏、航天航空和高端電光源等行業(yè)的關鍵基礎材料，而且是我國芯片發(fā)展（晶圓制造與芯片封裝等）不可或缺的關鍵材料之一，在電子信息、新材料和新能源等戰(zhàn)略性新興產業(yè)以及國防軍工、國家安全中具有十分重要的作用和地位。
1 高純石英原料
地殼中SiO2主要以石英等礦物的形式存在，石英在地殼中分布是僅次于長石的礦物，占到地殼質量的12.6%。石英的成因多種多樣，但其礦床工業(yè)類型有天然水晶、石英砂巖、石英巖、粉石英、脈石英、天然石英砂和花崗偉晶巖石英等7種。石英原料決定了高純石英質量，選擇合適的石英原料是成功加工出高純石英的關鍵。目前，能夠用作高純石英原料的礦床工業(yè)類型只有其中的天然水晶、脈石英和花崗偉晶巖石英等3種。
1.1天然水晶
天然水晶是一種無色透明的石英結晶體礦床，主要成分為SiO2，其雜質含量低，可以直接提純加工得到高純石英，雖然我國的天然水晶分布廣泛，但礦床規(guī)模小，儲量少，目前主要用作工藝品原料。此外還存在開采條件差，價格昂貴，成分不穩(wěn)定等缺點，從而使其難以實現(xiàn)標準化。
1.2脈石英
脈石英是一種幾乎全部是致密石英塊體組成的脈狀體，礦石由隱晶質石英組成，白色、乳白色，多呈粒狀結構、塊狀構造，主要成分都是SiO2，脈石英的形成主要與花崗巖有關的巖漿熱液作用有關，致密塊狀構造，其礦物成分單一，幾乎全部為石英，SiO2含量一般在99%以上，是加工高純石英的理想礦物原料。
我國的脈石英礦產資源具有分布廣泛、局部集中、礦床少、礦點多的特點，主要分布在江西、四川、安徽、黑龍江、新疆、陜西、浙江7個省(區(qū))，約占總資源儲量的84.74%。與天然水晶相比，其資源儲量相對比較豐富，同一礦區(qū)的脈石英礦石質量相對比較穩(wěn)定，為礦物原料均一化加工創(chuàng)造了條件，所以是生產高純石英的重要礦物。
但是由于我國對于高純石英用脈石英原礦勘探沒有詳細的標準，且脈石英多呈脈狀、雞窩狀分布，礦床規(guī)模小，礦石品質不穩(wěn)定，這些脈石英礦床中可能只有很少一部分能生產出適用于半導體工業(yè)和芯片制造行業(yè)的高純石英砂，難以滿足高純石英高端產品大規(guī)模生產的需要，亟待尋找礦體規(guī)模大、礦石品質穩(wěn)定的新類型資源。
1.3花崗偉晶巖石英
花崗偉晶巖石英又叫花崗巖石英或偉晶巖型石英。是一種具有與花崗巖相似的造巖礦物，產出粗大晶體、文象結構、內部礦物－結構分帶等特征性結構的火成巖。
花崗偉晶巖是稀有金屬、云母、陶瓷長石、高純石英和寶石的重要賦存巖石。花崗偉晶巖石英含量僅30%左右，但石英晶粒極粗，磨礦后與脈石完全解離，且單體石英雜質含量極少。
花崗偉晶巖石英呈脈狀、透鏡體、板狀、巖種體、不規(guī)則體等形態(tài)產出，常呈偉晶巖群出現(xiàn)。其偉晶巖脈規(guī)模不等，出露寬幾十厘米至幾百米不等，延伸長可達幾公里�；◢弬ゾr石英礦具有規(guī)模大、品質高的特點。
2 高純石英制品及應用領域
高純石英根據(jù)SiO2含量不同，應用領域也不同，其中含量為99.5%～99.99%用于光源行業(yè)；含量高于99.99％用于高端光學器件、激光器件；含量為99.995％～99.9999％用于半導體、光伏等產業(yè)。對高端石英玻璃加工時，石英玻璃在1×10－６水平上的純度差異對等離子體電阻性能沒有影響，不同工藝制備的樣品的蝕刻速率之間沒有差異 。
2.1石英坩堝
石英坩堝是具有不同尺寸大小的圓堝狀石英玻璃制品，具有氣泡極少（內層）、二氧化硅純度極高和熔點高等優(yōu)勢，用于直拉法拉制芯片和光伏產業(yè)必需的單晶硅棒。
由于單晶硅棒生長時間長、工藝條件苛刻，所以對坩堝用高純石英砂技術指標提出了極高要求，除要求氣液包裹體極少外，還要求二氧化硅純度≥99.998%（4N8），對其他雜質的分項指標也有嚴格的要求，即鋁為8×10-6～15×10-6，鈦≤2×10-6，其他雜質均＜1×10-6。
2.2石英砣
石英砣是呈圓砣狀的透明石英玻璃原材料，具有透明度高、氣泡少、膨脹系數(shù)低、抗熱震性能優(yōu)異和可加工性等優(yōu)勢，主要用于生產半導體石英玻璃制品，包括石英舟、石英法蘭和石英鐘罩等產品，以及各種光學石英玻璃制品等。
2.3石英管
石英玻璃管根據(jù)尺寸大小和二氧化硅純度不同，有多種產品規(guī)格，如大管和小管，所對應的石英砂分別稱為大管料和小管料。石英玻璃管具有熔點高、抗熱震性能優(yōu)異和易于擴縮加工等優(yōu)勢，主要用于芯片和光伏半導體硅片加工處理的擴散爐管等，在航天航空、武器裝備領域用來制作整流罩、雷達罩、隔熱罩、透波材料及耐高溫材料等，還用于制造鹵素燈等各種光電源器件，以及高純石英提純加工等。
2.4石英纖維
石英纖維是一種高性能無機纖維，制備原料為高純度二氧化硅或天然的石英晶體。它保持了固體石英的部分性能和特點，是一種良好的耐高溫材料，并可作為先進復合材料的增強體。石英纖維的純度很高(≥99.9%)，這使得其具備一些良好的特性，如抗燒蝕性強、耐溫性好、導熱率低，且其化學穩(wěn)定性高，介電性能也較為優(yōu)良。
3 高純石英市場結構
3.1高純石英砂主要生產企業(yè)
我國高純石英砂產能較為分散，主要分布在江蘇、廣西、湖北等地，高純石英砂代表企業(yè)主要有石英股份、菲利華和凱盛科技等。目前國內石英股份生產的高純石英砂最為突出，可做石英坩堝內層砂使用。
3.1.1石英股份
江蘇太平洋石英股份有限公司是一家集科研、生產、銷售為一體的高端石英材料深加工企業(yè)，是國內第一家、全球第三家具備規(guī)�；a高純石英砂的企業(yè)。公司生產的石英材料廣泛應用于光源、光伏、光纖、光學及半導體等領域，主導產品有高純石英砂、石英管（棒）、大口徑石英擴散管、石英筒、石英錠和石英板等多種石英器件，除此之外每年僅對外出售少量4N級高純石英砂。石英股份生產高純石英所用石英資源主要來自印度脈石英。截至目前，石英股份年產6萬噸高純石英砂項目已順利完成，半導體三期新項目部分建成，高純石英砂的生產能力創(chuàng)新高。
3.1.2菲利華
湖北菲利華石英玻璃股份有限公司現(xiàn)為國內外具有較大影響力和規(guī)模優(yōu)勢的石英材料及石英纖維制造企業(yè)，全球少數(shù)幾家具有石英纖維批量生產能力的制造商。截至目前，菲利華已具備光伏領域用高純石英砂、石英玻璃材料、石英玻璃制品全產業(yè)鏈經營能力。其高純石英砂項目一期10000噸目前已建成達產，產品主要應用于光伏和光通訊等領域。
3.1.3凱盛科技
目前凱盛科技有兩種生產工藝：一種是合成法制備的高純二氧化硅主要應用于晶圓用CMP、5G、光伏、半導體及集成電路芯片行業(yè)；另一種是是以晶體原料提純雜質方式生產的高純石英砂，產品純度可達4N8以上，產品主要用于光伏/半導體用石英坩堝原材料等。提純法制備的高純石英砂主要是用于光伏石英坩堝外層，產能有5000噸。提純法中試線產品可用于中內層，已經有小量供貨。
3.2消費領域
高純石英具有耐高溫、耐腐蝕、強度高、透光率高、熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)異的物理化學特性，是石英玻璃、硅材料及相關產業(yè)發(fā)展的物質基礎，廣泛運用于電子信息、光伏、半導體、光纖通信和電光源等行業(yè)。據(jù)粉體價格指數(shù)報道，在高純石英的終端應用中，半導體、光纖、光伏、光學和電光源行業(yè)的占比分別為50%、23%、17%、5%和5%，其中光纖、光伏和半導體是增長較快的領域。
3.2.1光伏
在光伏行業(yè)，隨著國家政策的支持、行業(yè)技術的進步，發(fā)電成本將進一步降低，我國光伏產業(yè)存在巨大的市場空間及發(fā)展?jié)摿�。隨著光伏行業(yè)的迅速發(fā)展，單晶用電弧石英坩堝需求量隨之走高，帶動高純石英砂需求持續(xù)放量。
光伏級高純石英砂通常用在光伏管、棒，光伏坩堝外層料、內層料等，具有好的抗析晶性，耐高溫、強度高等特點。光伏管、棒，光伏坩堝外層料通�？傠s質含量≤25μg/g，其中K、Li、Na含量和≤2.5μg/g；粒度70～350μm；光伏坩堝內層料通常低堿，低包裹體，超高純，粒度70～350μm，如美國尤尼明公司IOTA−8。
3.2.2半導體
半導體級高純石英砂通常用在半導體坩堝、半導體管、外層料等產品中，半導體級高純石英砂產品，具有純度高，有好的抗析晶性，耐高溫、強度高等特點。半導體管、外層料原料通常低鐵含量、低堿金屬含量、低羥基含量，如江蘇太平洋PQE系列；粒度一般在100～400μm左右；半導體坩堝原料通常低堿，低包裹體，超高純，粒度70～350μm，如美國尤尼明公司IOTA−8。
3.2.3光纖
目前，我國已建成全球規(guī)模最大、技術領先的光纖寬帶和移動通信網絡。近年來，光纖發(fā)展較為平穩(wěn)。但隨著光纖行業(yè)的技術進步、政策支持的共同推動，未來發(fā)展前景廣闊，預計將重回增長態(tài)勢。
利用纖芯和包層折射率差實現(xiàn)光傳導：纖芯加少量氧化鍺，增強折射率；包層玻璃加入少量B，降低折射率。纖芯多為人造高純石英；包層通常為低堿，超高純，如挪威TQC公司NC4XF系列產品。
3.2.4電光源
電光源級高純石英主要應用在汽車氙氣燈、醫(yī)用紫外線殺菌燈、高壓汞燈、金屬鹵化物燈、特種光源用石英管棒等產品中，具有耐高溫、透光度高等特點。不同領域對雜質要求不同，如美國尤尼明公司IOTA-6可做UHP光源玻璃；IOTA-CG，STD可做金屬鹵化物燈，粒度40~200目。
其中，特種石英光源因為其獨特的性能優(yōu)勢持續(xù)平穩(wěn)發(fā)展，尤其在紅外加熱、紫外固化、紫外線消毒、準分子燈等領域應用逐步提升。隨著特種光源的深度發(fā)展，給特種光源用石英材料也帶來了一定的機遇。
3.3市場規(guī)模
3.3.1進出口數(shù)據(jù)
我國是高純石英砂的消費大國，2020年國內中高端高純石英消費量約為21萬t，4N5級及以上高端高純石英消費量為6萬t，國內高純石英尤其是高端高純石英原料供給嚴重不足，每年需要大量從國外進口，主要進口來源國為美國、挪威、日本以及德國。
3.3.2市場預測
全球半導體行業(yè)總體上保持著高速發(fā)展的態(tài)勢，國內數(shù)字化產品需求將繼續(xù)保持高速增長，隨著我國越來越重視芯片半導體國產化生產，我國半導體行業(yè)生產規(guī)模也將快速擴大，根據(jù)CSIA的數(shù)據(jù)，預計到2025年，中國半導體行業(yè)規(guī)模復合增長率約為15%。中國是最大的光纖消費國，近年來，隨著中國5G建設等，光纖消費需求增長迅速，近幾年雖然增速有所下降，但未來仍將保持穩(wěn)定增長，根據(jù)英國商品研究所CRU預測，到2025年中國光纖需求量將達到2.83億芯公里，年復合平均增長率約為2.9%。
此外，除上述領域需求快速增長外，電光源、光學等領域也將保持相對穩(wěn)定需求。綜合各行業(yè)消費增長測算，預計到2025年我國4N級及以上高純石英需求將快速增長到38.31萬t，年復合增長率為12.8%，其中4N5級及以上高純石英需求將超過8萬t。
4結論
高純石英是半導體、光纖通訊、光伏、航天、電光源、光學儀器等高新技術產業(yè)的重要原材料。隨著相關產業(yè)的不斷發(fā)展,對高純石英的需求也在持續(xù)增長。未來伴隨我國經濟高質量發(fā)展，高純石英消費量將進一步提升。預計到2025年我 國4N級及以上高純石英需求將快速增長到38.31萬t下一步，應進一步加強高純石英的市場戰(zhàn)略研究，合理引導國內高純石英生產企業(yè)有序擴產，鼓勵石英股份、菲利華、凱盛科技等高純石英企業(yè)與國內科研院所、高校等進行聯(lián)合攻關，突破技術瓶頸，不斷提升企業(yè)產品品質。
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（中國粉體網編輯整理/九思）
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