石英（Quartz）是我們日常生活中非常常見的一種礦物，成分爲SiO2，SiO2的單晶體就是水(shuǐ)晶，而多晶體則形成玉髓、瑪瑙，我們平時(shí)看(kàn)到(dào)的普通玻璃是不具備晶體結構的SiO2，海灘上(shàng)的沙子基本上(shàng)就是由石英和(hé)長石組成。相信大(dà)家對(duì)石英也(yě)并不陌生，然而近幾年，随着美(měi)國禁“芯”令的頒布以及石英股價的高(gāo)漲，石英搖身一變，掀起了(le)“高(gāo)純石英砂熱”。什(shén)麽是高(gāo)純石英呢(ne)？它與我們常見的石英有哪些(xiē)區(qū)别？能(néng)用(yòng)于造芯片的沙子又是什(shén)麽樣的呢(ne)？
什(shén)麽是高(gāo)純石英？
高(gāo)純石英指SiO2純度極高(gāo)，雜(zá)質元素含量極低(dī)的石英及其産品，大(dà)量應用(yòng)于半導體、光伏、光纖、精密光學、高(gāo)級照明(míng)設備、新型玻璃等産業。但(dàn)是，由于不同産業需要不同質量的石英，使得高(gāo)純石英沒有普适性的質量評價指标。不同的人有不同的定義。早期的研究認爲，高(gāo)純石英的雜(zá)質含量應小(xiǎo)于50×10-6，即SiO2純度大(dà)于99.995%的石英爲高(gāo)純石英。挪威地質調查局則提出更詳細的指标，要求不僅雜(zá)質總質量要小(xiǎo)于十萬分之五，而且Al的含量應小(xiǎo)于十萬分之三，Ti的含量應小(xiǎo)于十萬分之一，Na和(hé)K的含量應小(xiǎo)于百萬分之八，Li、Ca的含量應小(xiǎo)于百萬分之五，Fe的含量應小(xiǎo)于百萬分之三，P的含量應小(xiǎo)于百萬分之二，B的含量應小(xiǎo)于百萬分之一。2014年，Flook根據市場産業需求，提出新的質量指标，認爲SiO2純度在99.95%、總雜(zá)質含量小(xiǎo)于萬分之五的石英即爲高(gāo)純石英，純度爲99.5%~99.8%的石英可滿足半導體填料、光纖、液晶屏生産行業的要求，純度小(xiǎo)于99.5%的石英可用(yòng)在透明(míng)玻璃行業。
我國汪靈學者認爲，SiO2純度大(dà)于99.9%的石英即爲高(gāo)純石英。近年來(lái)，新興起的光伏玻璃、超白(bái)浮法玻璃等新型玻璃産業，降低(dī)了(le)對(duì)SiO2的純度要求。因此，綜合不同的指标體系，在考慮原料礦石質量、測試手段、現(xiàn)有提純工(gōng)藝和(hé)行業質量要求的情況下(xià)，我國采用(yòng)的高(gāo)純石英的标準是：SiO2純度大(dà)于99.9%的石英。
石英在自(zì)然結晶的過程中常會(huì)摻雜(zá)微量的雜(zá)質，主要爲晶體間隙的脈石礦物、包裹體、晶格雜(zá)質等。像我們平時(shí)常見的河(hé)砂、天然砂含有太多雜(zá)質，河(hé)砂的含矽量一般在65%~85%，矽含量太低(dī)，不能(néng)用(yòng)于生産芯片。雜(zá)質元素的種類和(hé)含量會(huì)對(duì)會(huì)石英性能(néng)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(jīn)屬元素降低(dī)石英的光透過率，P和(hé)B含量過高(gāo)的石英不能(néng)用(yòng)于光伏産業，因此在生産高(gāo)純石英時(shí)，必須對(duì)原料礦石進行提純，盡可能(néng)降低(dī)Al、K、Na、Li、Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Cr、Ni、B、P等雜(zá)質的含量。
拿超白(bái)玻璃與普通玻璃相比較來(lái)說，超白(bái)玻璃晶瑩剔透，透光率高(gāo)，具有極低(dī)的含鐵(tiě)量（Fe2O3質量分數不超過150×10-6），僅是普通玻璃的1/10，甚至更低(dī)，當鐵(tiě)含量超标時(shí)，做出來(lái)的玻璃不僅透明(míng)度下(xià)降，制品還将呈現(xiàn)出黃綠色。并且超白(bái)玻璃更具安全性，其自(zì)爆率僅爲萬分之一左右，遠比普通玻璃（自(zì)爆率爲千分之三左右）低(dī)得多，特别适用(yòng)于建造重要建築和(hé)高(gāo)層樓房中，如北京奧運會(huì)的“鳥巢”、“水(shuǐ)立方”體育場館、上(shàng)海世博會(huì)的“中國館”、以及北京國家大(dà)劇(jù)院、南京中國藝術中心等均有超白(bái)玻璃的身影。所以在雜(zá)質元素含量、矽含量要求方面，新型玻璃産業、半導體産業都會(huì)要求更爲嚴格苛刻。
嚴格來(lái)說，高(gāo)純石英不是一種礦産，而是由水(shuǐ)晶、脈石英、石英岩、花(huā)崗偉晶岩等礦石作(zuò)爲原料經過提純後的一種産品。這(zhè)種高(gāo)純度的石英砂在自(zì)然界是不存在的，需要從(cóng)石英礦中開(kāi)采提純後才能(néng)用(yòng)于半導體制造。因此，能(néng)夠提純生産高(gāo)純石英的礦床稱爲高(gāo)純石英原料礦。制備高(gāo)純石英砂的最理(lǐ)想選擇便是高(gāo)純度石英礦原料，石英或石英岩脈很(hěn)常見，但(dàn)是高(gāo)純度石英礦，尤其是具備經濟開(kāi)采價值的高(gāo)純度石英礦卻又少之又少。
而高(gāo)純石英砂是芯片制造不可或缺的原料，是矽産業高(gāo)端産品的物質基礎，而高(gāo)純石英原料礦極爲稀缺。我國矽質資源豐富，但(dàn)是大(dà)部分礦床爲普通矽石礦，用(yòng)于普通玻璃、石材、建築用(yòng)砂等。同時(shí)，受礦石品質的限制，生産出來(lái)的産品主要爲低(dī)端高(gāo)純石英。對(duì)于高(gāo)純石英砂、原料礦石及高(gāo)端石英制品每年都大(dà)量依賴進口。因此，對(duì)于全球高(gāo)純石英原料礦的分布和(hé)開(kāi)發現(xiàn)狀，我們要有所了(le)解。目前，高(gāo)純石英原料礦床主要分布于美(měi)國、挪威、澳大(dà)利亞、俄羅斯、毛裏塔尼亞、中國、加拿大(dà)等7個國家。除中國外(wài)，美(měi)國斯普魯斯派恩（Spruce Pine）礦的高(gāo)純石英原料資源規模最大(dà)，超過1000萬噸；資源量最小(xiǎo)的是挪威德拉格（Drag）礦，僅有26.7萬噸（王九一，2021；表1）。
