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引言
高纯石英（high-purity quartz），又称高纯石英砂。它是二氧化硅纯度大于99.9%（3N）的石英砂系列产品总称，其本质是一种石英晶体原材料，它以天然石英矿为原料，经提纯加工而获得，具有极高二氧化硅纯度及一定粒度。SiO2纯度≥99.998%（4N8）的高纯石英高端产品不仅是半导体、光伏、航天航空和高端电光源等行业的关键基础材料，而且是我国芯片发展（晶圆制造与芯片封装等）不可或缺的关键材料之一，在电子信息、新材料和新能源等战略性新兴产业以及国防军工、国家安全中具有十分重要的作用和地位。
1 高纯石英原料
地壳中SiO2主要以石英等矿物的形式存在，石英在地壳中分布是仅次于长石的矿物，占到地壳质量的12.6%。石英的成因多种多样，但其矿床工业类型有天然水晶、石英砂岩、石英岩、粉石英、脉石英、天然石英砂和花岗伟晶岩石英等7种。石英原料决定了高纯石英质量，选择合适的石英原料是成功加工出高纯石英的关键。目前，能够用作高纯石英原料的矿床工业类型只有其中的天然水晶、脉石英和花岗伟晶岩石英等3种。
1.1天然水晶
天然水晶是一种无色透明的石英结晶体矿床，主要成分为SiO2，其杂质含量低，可以直接提纯加工得到高纯石英，虽然我国的天然水晶分布广泛，但矿床规模小，储量少，目前主要用作工艺品原料。此外还存在开采条件差，价格昂贵，成分不稳定等缺点，从而使其难以实现标准化。
1.2脉石英
脉石英是一种几乎全部是致密石英块体组成的脉状体，矿石由隐晶质石英组成，白色、乳白色，多呈粒状结构、块状构造，主要成分都是SiO2，脉石英的形成主要与花岗岩有关的岩浆热液作用有关，致密块状构造，其矿物成分单一，几乎全部为石英，SiO2含量一般在99%以上，是加工高纯石英的理想矿物原料。
我国的脉石英矿产资源具有分布广泛、局部集中、矿床少、矿点多的特点，主要分布在江西、四川、安徽、黑龙江、新疆、陕西、浙江7个省(区)，约占总资源储量的84.74%。与天然水晶相比，其资源储量相对比较丰富，同一矿区的脉石英矿石质量相对比较稳定，为矿物原料均一化加工创造了条件，所以是生产高纯石英的重要矿物。
但是由于我国对于高纯石英用脉石英原矿勘探没有详细的标准，且脉石英多呈脉状、鸡窝状分布，矿床规模小，矿石品质不稳定，这些脉石英矿床中可能只有很少一部分能生产出适用于半导体工业和芯片制造行业的高纯石英砂，难以满足高纯石英高端产品大规模生产的需要，亟待寻找矿体规模大、矿石品质稳定的新类型资源。
1.3花岗伟晶岩石英
花岗伟晶岩石英又叫花岗岩石英或伟晶岩型石英。是一种具有与花岗岩相似的造岩矿物，产出粗大晶体、文象结构、内部矿物－结构分带等特征性结构的火成岩。
花岗伟晶岩是稀有金属、云母、陶瓷长石、高纯石英和宝石的重要赋存岩石。花岗伟晶岩石英含量仅30%左右，但石英晶粒极粗，磨矿后与脉石完全解离，且单体石英杂质含量极少。
花岗伟晶岩石英呈脉状、透镜体、板状、岩种体、不规则体等形态产出，常呈伟晶岩群出现。其伟晶岩脉规模不等，出露宽几十厘米至几百米不等，延伸长可达几公里。花岗伟晶岩石英矿具有规模大、品质高的特点。
2 高纯石英制品及应用领域
高纯石英根据SiO2含量不同，应用领域也不同，其中含量为99.5%～99.99%用于光源行业；含量高于99.99％用于高端光学器件、激光器件；含量为99.995％～99.9999％用于半导体、光伏等产业。对高端石英玻璃加工时，石英玻璃在1×10－６水平上的纯度差异对等离子体电阻性能没有影响，不同工艺制备的样品的蚀刻速率之间没有差异 。
2.1石英坩埚
石英坩埚是具有不同尺寸大小的圆埚状石英玻璃制品，具有气泡极少（内层）、二氧化硅纯度极高和熔点高等优势，用于直拉法拉制芯片和光伏产业必需的单晶硅棒。
由于单晶硅棒生长时间长、工艺条件苛刻，所以对坩埚用高纯石英砂技术指标提出了极高要求，除要求气液包裹体极少外，还要求二氧化硅纯度≥99.998%（4N8），对其他杂质的分项指标也有严格的要求，即铝为8×10-6～15×10-6，钛≤2×10-6，其他杂质均＜1×10-6。
2.2石英砣
石英砣是呈圆砣状的透明石英玻璃原材料，具有透明度高、气泡少、膨胀系数低、抗热震性能优异和可加工性等优势，主要用于生产半导体石英玻璃制品，包括石英舟、石英法兰和石英钟罩等产品，以及各种光学石英玻璃制品等。
2.3石英管
石英玻璃管根据尺寸大小和二氧化硅纯度不同，有多种产品规格，如大管和小管，所对应的石英砂分别称为大管料和小管料。石英玻璃管具有熔点高、抗热震性能优异和易于扩缩加工等优势，主要用于芯片和光伏半导体硅片加工处理的扩散炉管等，在航天航空、武器装备领域用来制作整流罩、雷达罩、隔热罩、透波材料及耐高温材料等，还用于制造卤素灯等各种光电源器件，以及高纯石英提纯加工等。
2.4石英纤维
石英纤维是一种高性能无机纤维，制备原料为高纯度二氧化硅或天然的石英晶体。它保持了固体石英的部分性能和特点，是一种良好的耐高温材料，并可作为先进复合材料的增强体。石英纤维的纯度很高(≥99.9%)，这使得其具备一些良好的特性，如抗烧蚀性强、耐温性好、导热率低，且其化学稳定性高，介电性能也较为优良。
3 高纯石英市场结构
3.1高纯石英砂主要生产企业
我国高纯石英砂产能较为分散，主要分布在江苏、广西、湖北等地，高纯石英砂代表企业主要有石英股份、菲利华和凯盛科技等。目前国内石英股份生产的高纯石英砂最为突出，可做石英坩埚内层砂使用。
3.1.1石英股份
江苏太平洋石英股份有限公司是一家集科研、生产、销售为一体的高端石英材料深加工企业，是国内第一家、全球第三家具备规模化生产高纯石英砂的企业。公司生产的石英材料广泛应用于光源、光伏、光纤、光学及半导体等领域，主导产品有高纯石英砂、石英管（棒）、大口径石英扩散管、石英筒、石英锭和石英板等多种石英器件，除此之外每年仅对外出售少量4N级高纯石英砂。石英股份生产高纯石英所用石英资源主要来自印度脉石英。截至目前，石英股份年产6万吨高纯石英砂项目已顺利完成，半导体三期新项目部分建成，高纯石英砂的生产能力创新高。
3.1.2菲利华
湖北菲利华石英玻璃股份有限公司现为国内外具有较大影响力和规模优势的石英材料及石英纤维制造企业，全球少数几家具有石英纤维批量生产能力的制造商。截至目前，菲利华已具备光伏领域用高纯石英砂、石英玻璃材料、石英玻璃制品全产业链经营能力。其高纯石英砂项目一期10000吨目前已建成达产，产品主要应用于光伏和光通讯等领域。
3.1.3凯盛科技
目前凯盛科技有两种生产工艺：一种是合成法制备的高纯二氧化硅主要应用于晶圆用CMP、5G、光伏、半导体及集成电路芯片行业；另一种是是以晶体原料提纯杂质方式生产的高纯石英砂，产品纯度可达4N8以上，产品主要用于光伏/半导体用石英坩埚原材料等。提纯法制备的高纯石英砂主要是用于光伏石英坩埚外层，产能有5000吨。提纯法中试线产品可用于中内层，已经有小量供货。
3.2消费领域
高纯石英具有耐高温、耐腐蚀、强度高、透光率高、热膨胀系数低等优异的物理化学特性，是石英玻璃、硅材料及相关产业发展的物质基础，广泛运用于电子信息、光伏、半导体、光纤通信和电光源等行业。据粉体价格指数报道，在高纯石英的终端应用中，半导体、光纤、光伏、光学和电光源行业的占比分别为50%、23%、17%、5%和5%，其中光纤、光伏和半导体是增长较快的领域。
3.2.1光伏
在光伏行业，随着国家政策的支持、行业技术的进步，发电成本将进一步降低，我国光伏产业存在巨大的市场空间及发展潜力。随着光伏行业的迅速发展，单晶用电弧石英坩埚需求量随之走高，带动高纯石英砂需求持续放量。
光伏级高纯石英砂通常用在光伏管、棒，光伏坩埚外层料、内层料等，具有好的抗析晶性，耐高温、强度高等特点。光伏管、棒，光伏坩埚外层料通常总杂质含量≤25μg/g，其中K、Li、Na含量和≤2.5μg/g；粒度70～350μm；光伏坩埚内层料通常低碱，低包裹体，超高纯，粒度70～350μm，如美国尤尼明公司IOTA−8。
3.2.2半导体
半导体级高纯石英砂通常用在半导体坩埚、半导体管、外层料等产品中，半导体级高纯石英砂产品，具有纯度高，有好的抗析晶性，耐高温、强度高等特点。半导体管、外层料原料通常低铁含量、低碱金属含量、低羟基含量，如江苏太平洋PQE系列；粒度一般在100～400μm左右；半导体坩埚原料通常低碱，低包裹体，超高纯，粒度70～350μm，如美国尤尼明公司IOTA−8。
3.2.3光纤
目前，我国已建成全球规模最大、技术领先的光纤宽带和移动通信网络。近年来，光纤发展较为平稳。但随着光纤行业的技术进步、政策支持的共同推动，未来发展前景广阔，预计将重回增长态势。
利用纤芯和包层折射率差实现光传导：纤芯加少量氧化锗，增强折射率；包层玻璃加入少量B，降低折射率。纤芯多为人造高纯石英；包层通常为低碱，超高纯，如挪威TQC公司NC4XF系列产品。
3.2.4电光源
电光源级高纯石英主要应用在汽车氙气灯、医用紫外线杀菌灯、高压汞灯、金属卤化物灯、特种光源用石英管棒等产品中，具有耐高温、透光度高等特点。不同领域对杂质要求不同，如美国尤尼明公司IOTA-6可做UHP光源玻璃；IOTA-CG，STD可做金属卤化物灯，粒度40~200目。
其中，特种石英光源因为其独特的性能优势持续平稳发展，尤其在红外加热、紫外固化、紫外线消毒、准分子灯等领域应用逐步提升。随着特种光源的深度发展，给特种光源用石英材料也带来了一定的机遇。
3.3市场规模
3.3.1进出口数据
我国是高纯石英砂的消费大国，2020年国内中高端高纯石英消费量约为21万t，4N5级及以上高端高纯石英消费量为6万t，国内高纯石英尤其是高端高纯石英原料供给严重不足，每年需要大量从国外进口，主要进口来源国为美国、挪威、日本以及德国。
3.3.2市场预测
全球半导体行业总体上保持着高速发展的态势，国内数字化产品需求将继续保持高速增长，随着我国越来越重视芯片半导体国产化生产，我国半导体行业生产规模也将快速扩大，根据CSIA的数据，预计到2025年，中国半导体行业规模复合增长率约为15%。中国是最大的光纤消费国，近年来，随着中国5G建设等，光纤消费需求增长迅速，近几年虽然增速有所下降，但未来仍将保持稳定增长，根据英国商品研究所CRU预测，到2025年中国光纤需求量将达到2.83亿芯公里，年复合平均增长率约为2.9%。
此外，除上述领域需求快速增长外，电光源、光学等领域也将保持相对稳定需求。综合各行业消费增长测算，预计到2025年我国4N级及以上高纯石英需求将快速增长到38.31万t，年复合增长率为12.8%，其中4N5级及以上高纯石英需求将超过8万t。
4结论
高纯石英是半导体、光纤通讯、光伏、航天、电光源、光学仪器等高新技术产业的重要原材料。随着相关产业的不断发展,对高纯石英的需求也在持续增长。未来伴随我国经济高质量发展，高纯石英消费量将进一步提升。预计到2025年我 国4N级及以上高纯石英需求将快速增长到38.31万t下一步，应进一步加强高纯石英的市场战略研究，合理引导国内高纯石英生产企业有序扩产，鼓励石英股份、菲利华、凯盛科技等高纯石英企业与国内科研院所、高校等进行联合攻关，突破技术瓶颈，不断提升企业产品品质。
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