石英（Quartz）是我们日常生活中非常常见的一种矿物(wù)，成分(fēn)為(wèi)SiO2，SiO2的单晶體(tǐ)就是水晶，而多(duō)晶體(tǐ)则形成玉髓、玛瑙，我们平时看到的普通玻璃是不具备晶體(tǐ)结构的SiO2，海滩上的沙子基本上就是由石英和長(cháng)石组成。相信大家对石英也并不陌生，然而近几年，随着美國(guó)禁“芯”令的颁布以及石英股价的高涨，石英摇身一变，掀起了“高纯石英砂热”。什么是高纯石英呢(ne)？它与我们常见的石英有(yǒu)哪些區(qū)别？能(néng)用(yòng)于造芯片的沙子又(yòu)是什么样的呢(ne)？
什么是高纯石英？
高纯石英指SiO2纯度极高，杂质元素含量极低的石英及其产品，大量应用(yòng)于半导體(tǐ)、光伏、光纤、精密光學(xué)、高级照明设备、新(xīn)型玻璃等产业。但是，由于不同产业需要不同质量的石英，使得高纯石英没有(yǒu)普适性的质量评价指标。不同的人有(yǒu)不同的定义。早期的研究认為(wèi)，高纯石英的杂质含量应小(xiǎo)于50×10-6，即SiO2纯度大于99.995%的石英為(wèi)高纯石英。挪威地质调查局则提出更详细的指标，要求不仅杂质总质量要小(xiǎo)于十万分(fēn)之五，而且Al的含量应小(xiǎo)于十万分(fēn)之三，Ti的含量应小(xiǎo)于十万分(fēn)之一，Na和K的含量应小(xiǎo)于百万分(fēn)之八，Li、Ca的含量应小(xiǎo)于百万分(fēn)之五，Fe的含量应小(xiǎo)于百万分(fēn)之三，P的含量应小(xiǎo)于百万分(fēn)之二，B的含量应小(xiǎo)于百万分(fēn)之一。2014年，Flook根据市场产业需求，提出新(xīn)的质量指标，认為(wèi)SiO2纯度在99.95%、总杂质含量小(xiǎo)于万分(fēn)之五的石英即為(wèi)高纯石英，纯度為(wèi)99.5%~99.8%的石英可(kě)满足半导體(tǐ)填料、光纤、液晶屏生产行业的要求，纯度小(xiǎo)于99.5%的石英可(kě)用(yòng)在透明玻璃行业。
我國(guó)汪灵學(xué)者认為(wèi)，SiO2纯度大于99.9%的石英即為(wèi)高纯石英。近年来，新(xīn)兴起的光伏玻璃、超白浮法玻璃等新(xīn)型玻璃产业，降低了对SiO2的纯度要求。因此，综合不同的指标體(tǐ)系，在考虑原料矿石质量、测试手段、现有(yǒu)提纯工艺和行业质量要求的情况下，我國(guó)采用(yòng)的高纯石英的标准是：SiO2纯度大于99.9%的石英。
石英在自然结晶的过程中常会掺杂微量的杂质，主要為(wèi)晶體(tǐ)间隙的脉石矿物(wù)、包裹體(tǐ)、晶格杂质等。像我们平时常见的河砂、天然砂含有(yǒu)太多(duō)杂质，河砂的含硅量一般在65%~85%，硅含量太低，不能(néng)用(yòng)于生产芯片。杂质元素的种类和含量会对会石英性能(néng)造成影响，比如，Al的存在会影响石英中的光传导速率，Fe、Mn等金属元素降低石英的光透过率，P和B含量过高的石英不能(néng)用(yòng)于光伏产业，因此在生产高纯石英时，必须对原料矿石进行提纯，尽可(kě)能(néng)降低Al、K、Na、Li、Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Cr、Ni、B、P等杂质的含量。
拿(ná)超白玻璃与普通玻璃相比较来说，超白玻璃晶莹剔透，透光率高，具有(yǒu)极低的含铁量（Fe2O3质量分(fēn)数不超过150×10-6），仅是普通玻璃的1/10，甚至更低，当铁含量超标时，做出来的玻璃不仅透明度下降，制品还将呈现出黄绿色。并且超白玻璃更具安全性，其自爆率仅為(wèi)万分(fēn)之一左右，遠(yuǎn)比普通玻璃（自爆率為(wèi)千分(fēn)之三左右）低得多(duō)，特别适用(yòng)于建造重要建筑和高层楼房中，如北京奥运会的“鸟巢”、“水立方”體(tǐ)育场馆、上海世博会的“中國(guó)馆”、以及北京國(guó)家大剧院、南京中國(guó)艺术中心等均有(yǒu)超白玻璃的身影。所以在杂质元素含量、硅含量要求方面，新(xīn)型玻璃产业、半导體(tǐ)产业都会要求更為(wèi)严格苛刻。
严格来说，高纯石英不是一种矿产，而是由水晶、脉石英、石英岩、花(huā)岗伟晶岩等矿石作為(wèi)原料经过提纯后的一种产品。这种高纯度的石英砂在自然界是不存在的，需要从石英矿中开采提纯后才能(néng)用(yòng)于半导體(tǐ)制造。因此，能(néng)够提纯生产高纯石英的矿床称為(wèi)高纯石英原料矿。制备高纯石英砂的最理(lǐ)想选择便是高纯度石英矿原料，石英或石英岩脉很(hěn)常见，但是高纯度石英矿，尤其是具备经济开采价值的高纯度石英矿却又(yòu)少之又(yòu)少。
而高纯石英砂是芯片制造不可(kě)或缺的原料，是硅产业高端产品的物(wù)质基础，而高纯石英原料矿极為(wèi)稀缺。我國(guó)硅质资源丰富，但是大部分(fēn)矿床為(wèi)普通硅石矿，用(yòng)于普通玻璃、石材、建筑用(yòng)砂等。同时，受矿石品质的限制，生产出来的产品主要為(wèi)低端高纯石英。对于高纯石英砂、原料矿石及高端石英制品每年都大量依赖进口。因此，对于全球高纯石英原料矿的分(fēn)布和开发现状，我们要有(yǒu)所了解。目前，高纯石英原料矿床主要分(fēn)布于美國(guó)、挪威、澳大利亚、俄罗斯、毛里塔尼亚、中國(guó)、加拿(ná)大等7个國(guó)家。除中國(guó)外，美國(guó)斯普鲁斯派恩（Spruce Pine）矿的高纯石英原料资源规模最大，超过1000万吨；资源量最小(xiǎo)的是挪威德拉格（Drag）矿，仅有(yǒu)26.7万吨（王九一，2021；表1）。
