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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(chǎn)品總稱，其本質(zhì)是一種石英晶體原材料，它以天然石英礦為原料，經(jīng)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(chǎn)品不僅是半導(dǎo)體、光伏、航天航空和高端電光源等行業(yè)的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料，而且是我國(guó)芯片發(fā)展（晶圓制造與芯片封裝等）不可或缺的關(guān)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(chǎn)業(yè)以及國(guó)防軍工、國(guó)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(zhǎng)石的礦物，占到地殼質(zhì)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(zhì)量，選擇合適的石英原料是成功加工出高純石英的關(guān)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(wú)色透明的石英結(jié)晶體礦床，主要成分為SiO2，其雜質(zhì)含量低，可以直接提純加工得到高純石英，雖然我國(guó)的天然水晶分布廣泛，但礦床規(guī)模小，儲(chǔ)量少，目前主要用作工藝品原料。此外還存在開(kāi)采條件差，價(jià)格昂貴，成分不穩(wěn)定等缺點(diǎn)，從而使其難以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)石英組成，白色、乳白色，多呈粒狀結(jié)構(gòu)、塊狀構(gòu)造，主要成分都是SiO2，脈石英的形成主要與花崗巖有關(guān)的巖漿熱液作用有關(guān)，致密塊狀構(gòu)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(guó)的脈石英礦產(chǎn)資源具有分布廣泛、局部集中、礦床少、礦點(diǎn)多的特點(diǎn)，主要分布在江西、四川、安徽、黑龍江、新疆、陜西、浙江7個(gè)省(區(qū))，約占總資源儲(chǔ)量的84.74%。與天然水晶相比，其資源儲(chǔ)量相對(duì)比較豐富，同一礦區(qū)的脈石英礦石質(zhì)量相對(duì)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(chǎn)高純石英的重要礦物。
但是由于我國(guó)對(duì)于高純石英用脈石英原礦勘探?jīng)]有詳細(xì)的標(biāo)準(zhǔn)，且脈石英多呈脈狀、雞窩狀分布，礦床規(guī)模小，礦石品質(zhì)不穩(wěn)定，這些脈石英礦床中可能只有很少一部分能生產(chǎn)出適用于半導(dǎo)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(chǎn)品大規(guī)模生產(chǎn)的需要，亟待尋找礦體規(guī)模大、礦石品質(zhì)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(chǎn)出粗大晶體、文象結(jié)構(gòu)、內(nèi)部礦物－結(jié)構(gòu)分帶等特征性結(jié)構(gòu)的火成巖。
花崗偉晶巖是稀有金屬、云母、陶瓷長(zhǎng)石、高純石英和寶石的重要賦存巖石。花崗偉晶巖石英含量?jī)H30%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(zhì)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(chǎn)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(zhǎng)可達(dá)幾公里�；◢弬ゾr石英礦具有規(guī)模大、品質(zhì)高的特點(diǎn)。
2 高純石英制品及應(yīng)用領(lǐng)域
高純石英根據(jù)SiO2含量不同，應(yīng)用領(lǐng)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(xué)器件、激光器件；含量為99.995％～99.9999％用于半導(dǎo)體、光伏等產(chǎn)業(yè)。對(duì)高端石英玻璃加工時(shí)，石英玻璃在1×10－６水平上的純度差異對(duì)等離子體電阻性能沒(méi)有影響，不同工藝制備的樣品的蝕刻速率之間沒(méi)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(nèi)層）、二氧化硅純度極高和熔點(diǎn)高等優(yōu)勢(shì)，用于直拉法拉制芯片和光伏產(chǎn)業(yè)必需的單晶硅棒。
由于單晶硅棒生長(zhǎng)時(shí)間長(zhǎng)、工藝條件苛刻，所以對(duì)坩堝用高純石英砂技術(shù)指標(biāo)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(duì)其他雜質(zhì)的分項(xiàng)指標(biāo)也有嚴(yán)格的要求，即鋁為8×10-6～15×10-6，鈦≤2×10-6，其他雜質(zhì)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(shì)，主要用于生產(chǎn)半導(dǎo)體石英玻璃制品，包括石英舟、石英法蘭和石英鐘罩等產(chǎn)品，以及各種光學(xué)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(chǎn)品規(guī)格，如大管和小管，所對(duì)應(yīng)的石英砂分別稱為大管料和小管料。石英玻璃管具有熔點(diǎn)高、抗熱震性能優(yōu)異和易于擴(kuò)縮加工等優(yōu)勢(shì)，主要用于芯片和光伏半導(dǎo)體硅片加工處理的擴(kuò)散爐管等，在航天航空、武器裝備領(lǐng)域用來(lái)制作整流罩、雷達(dá)罩、隔熱罩、透波材料及耐高溫材料等，還用于制造鹵素?zé)舻雀鞣N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(wú)機(jī)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(diǎn)，是一種良好的耐高溫材料，并可作為先進(jìn)復(fù)合材料的增強(qiáng)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(qiáng)、耐溫性好、導(dǎo)熱率低，且其化學(xué)穩(wěn)定性高，介電性能也較為優(yōu)良。
3 高純石英市場(chǎng)結(jié)構(gòu)
3.1高純石英砂主要生產(chǎn)企業(yè)
我國(guó)高純石英砂產(chǎn)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(guó)內(nèi)石英股份生產(chǎn)的高純石英砂最為突出，可做石英坩堝內(nèi)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(chǎn)、銷售為一體的高端石英材料深加工企業(yè)，是國(guó)內(nèi)第一家、全球第三家具備規(guī)�；a(chǎn)高純石英砂的企業(yè)。公司生產(chǎn)的石英材料廣泛應(yīng)用于光源、光伏、光纖、光學(xué)及半導(dǎo)體等領(lǐng)域，主導(dǎo)產(chǎn)品有高純石英砂、石英管（棒）、大口徑石英擴(kuò)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(duì)外出售少量4N級(jí)高純石英砂。石英股份生產(chǎn)高純石英所用石英資源主要來(lái)自印度脈石英。截至目前，石英股份年產(chǎn)6萬(wàn)噸高純石英砂項(xiàng)目已順利完成，半導(dǎo)體三期新項(xiàng)目部分建成，高純石英砂的生產(chǎn)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(guó)內(nèi)外具有較大影響力和規(guī)模優(yōu)勢(shì)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(chǎn)能力的制造商。截至目前，菲利華已具備光伏領(lǐng)域用高純石英砂、石英玻璃材料、石英玻璃制品全產(chǎn)業(yè)鏈經(jīng)營(yíng)能力。其高純石英砂項(xiàng)目一期10000噸目前已建成達(dá)產(chǎn)，產(chǎn)品主要應(yīng)用于光伏和光通訊等領(lǐng)域。
3.1.3凱盛科技
目前凱盛科技有兩種生產(chǎn)工藝：一種是合成法制備的高純二氧化硅主要應(yīng)用于晶圓用CMP、5G、光伏、半導(dǎo)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(zhì)方式生產(chǎn)的高純石英砂，產(chǎn)品純度可達(dá)4N8以上，產(chǎn)品主要用于光伏/半導(dǎo)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(chǎn)能有5000噸。提純法中試線產(chǎn)品可用于中內(nèi)層，已經(jīng)有小量供貨。
3.2消費(fèi)領(lǐng)域
高純石英具有耐高溫、耐腐蝕、強(qiáng)度高、透光率高、熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)異的物理化學(xué)特性，是石英玻璃、硅材料及相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，廣泛運(yùn)用于電子信息、光伏、半導(dǎo)體、光纖通信和電光源等行業(yè)。據(jù)粉體價(jià)格指數(shù)報(bào)道，在高純石英的終端應(yīng)用中，半導(dǎo)體、光纖、光伏、光學(xué)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(dǎo)體是增長(zhǎng)較快的領(lǐng)域。
3.2.1光伏
在光伏行業(yè)，隨著國(guó)家政策的支持、行業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，發(fā)電成本將進(jìn)一步降低，我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)存在巨大的市場(chǎng)空間及發(fā)展?jié)摿ΑｋS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(dòng)高純石英砂需求持續(xù)放量。
光伏級(jí)高純石英砂通常用在光伏管、棒，光伏坩堝外層料、內(nèi)層料等，具有好的抗析晶性，耐高溫、強(qiáng)度高等特點(diǎn)。光伏管、棒，光伏坩堝外層料通�？傠s質(zhì)含量≤25μg/g，其中K、Li、Na含量和≤2.5μg/g；粒度70～350μm；光伏坩堝內(nèi)層料通常低堿，低包裹體，超高純，粒度70～350μm，如美國(guó)尤尼明公司IOTA−8。
3.2.2半導(dǎo)體
半導(dǎo)體級(jí)高純石英砂通常用在半導(dǎo)體坩堝、半導(dǎo)體管、外層料等產(chǎn)品中，半導(dǎo)體級(jí)高純石英砂產(chǎn)品，具有純度高，有好的抗析晶性，耐高溫、強(qiáng)度高等特點(diǎn)。半導(dǎo)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(dǎo)體坩堝原料通常低堿，低包裹體，超高純，粒度70～350μm，如美國(guó)尤尼明公司IOTA−8。
3.2.3光纖
目前，我國(guó)已建成全球規(guī)模最大、技術(shù)領(lǐng)先的光纖寬帶和移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。近年來(lái)，光纖發(fā)展較為平穩(wěn)。但隨著光纖行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步、政策支持的共同推動(dòng)，未來(lái)發(fā)展前景廣闊，預(yù)計(jì)將重回增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。
利用纖芯和包層折射率差實(shí)現(xiàn)光傳導(dǎo)：纖芯加少量氧化鍺，增強(qiáng)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(chǎn)品。
3.2.4電光源
電光源級(jí)高純石英主要應(yīng)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(chǎn)品中，具有耐高溫、透光度高等特點(diǎn)。不同領(lǐng)域?qū)﹄s質(zhì)要求不同，如美國(guó)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?yàn)槠洫?dú)特的性能優(yōu)勢(shì)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(zhǔn)分子燈等領(lǐng)域應(yīng)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(lái)了一定的機(jī)遇。
3.3市場(chǎng)規(guī)模
3.3.1進(jìn)出口數(shù)據(jù)
我國(guó)是高純石英砂的消費(fèi)大國(guó)，2020年國(guó)內(nèi)中高端高純石英消費(fèi)量約為21萬(wàn)t，4N5級(jí)及以上高端高純石英消費(fèi)量為6萬(wàn)t，國(guó)內(nèi)高純石英尤其是高端高純石英原料供給嚴(yán)重不足，每年需要大量從國(guó)外進(jìn)口，主要進(jìn)口來(lái)源國(guó)為美國(guó)、挪威、日本以及德國(guó)。
3.3.2市場(chǎng)預(yù)測(cè)
全球半導(dǎo)體行業(yè)總體上保持著高速發(fā)展的態(tài)勢(shì)，國(guó)內(nèi)數(shù)字化產(chǎn)品需求將繼續(xù)保持高速增長(zhǎng)，隨著我國(guó)越來(lái)越重視芯片半導(dǎo)體國(guó)產(chǎn)化生產(chǎn)，我國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)生產(chǎn)規(guī)模也將快速擴(kuò)大，根據(jù)CSIA的數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)到2025年，中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)規(guī)模復(fù)合增長(zhǎng)率約為15%。中國(guó)是最大的光纖消費(fèi)國(guó)，近年來(lái)，隨著中國(guó)5G建設(shè)等，光纖消費(fèi)需求增長(zhǎng)迅速，近幾年雖然增速有所下降，但未來(lái)仍將保持穩(wěn)定增長(zhǎng)，根據(jù)英國(guó)商品研究所CRU預(yù)測(cè)，到2025年中國(guó)光纖需求量將達(dá)到2.83億芯公里，年復(fù)合平均增長(zhǎng)率約為2.9%。
此外，除上述領(lǐng)域需求快速增長(zhǎng)外，電光源、光學(xué)等領(lǐng)域也將保持相對(duì)穩(wěn)定需求。綜合各行業(yè)消費(fèi)增長(zhǎng)測(cè)算，預(yù)計(jì)到2025年我國(guó)4N級(jí)及以上高純石英需求將快速增長(zhǎng)到38.31萬(wàn)t，年復(fù)合增長(zhǎng)率為12.8%，其中4N5級(jí)及以上高純石英需求將超過(guò)8萬(wàn)t。
4結(jié)論
高純石英是半導(dǎo)體、光纖通訊、光伏、航天、電光源、光學(xué)儀器等高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的重要原材料。隨著相關(guān)產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展,對(duì)高純石英的需求也在持續(xù)增長(zhǎng)。未來(lái)伴隨我國(guó)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展，高純石英消費(fèi)量將進(jìn)一步提升。預(yù)計(jì)到2025年我 國(guó)4N級(jí)及以上高純石英需求將快速增長(zhǎng)到38.31萬(wàn)t下一步，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)高純石英的市場(chǎng)戰(zhàn)略研究，合理引導(dǎo)國(guó)內(nèi)高純石英生產(chǎn)企業(yè)有序擴(kuò)產(chǎn)，鼓勵(lì)石英股份、菲利華、凱盛科技等高純石英企業(yè)與國(guó)內(nèi)科研院所、高校等進(jìn)行聯(lián)合攻關(guān)，突破技術(shù)瓶頸，不斷提升企業(yè)產(chǎn)品品質(zhì)。
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