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    神秘的高纯石英矿

    2022-12-08 16:27:56 来源:

     石英

     

    (Quartz)是我们日常生活中非常常见的一种矿物,成分为SiO2,SiO2的单晶体就是水晶,而多晶体则形成玉髓、玛瑙,我们平时看到的普通玻璃是不具备晶体结构的SiO2,海滩上的沙子基本上就是由石英和长石组成。相信大家对石英也并不陌生,然而近几年,随着美国禁“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?它与我们常见的石英有哪些区别?能用于造芯片的沙子又是什么样的呢?

     

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    石英

     

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    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,大量应用于半导体、光伏、光纤、精密光学、高级照明设备、新型玻璃等产业。但是,由于不同产业需要不同质量的石英,使得高纯石英没有普适性的质量评价指标。不同的人有不同的定义。早期的研究认为,高纯石英的杂质含量应小于50×10-6,即SiO2纯度大于99.995%的石英为高纯石英。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于十万分之五,而且Al的含量应小于十万分之三,Ti的含量应小于十万分之一,Na和K的含量应小于百万分之八,Li、Ca的含量应小于百万分之五,Fe的含量应小于百万分之三,P的含量应小于百万分之二,B的含量应小于百万分之一。2014年,Flook根据市场产业需求,提出新的质量指标,认为SiO2纯度在99.95%、总杂质含量小于万分之五的石英即为高纯石英,纯度为99.5%~99.8%的石英可满足半导体填料、光纤、液晶屏生产行业的要求,纯度小于99.5%的石英可用在透明玻璃行业。

     

    我国汪灵学者认为,SiO2纯度大于99.9%的石英即为高纯石英。近年来,新兴起的光伏玻璃、超白浮法玻璃等新型玻璃产业,降低了对SiO2的纯度要求。因此,综合不同的指标体系,在考虑原料矿石质量、测试手段、现有提纯工艺和行业质量要求的情况下,我国采用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;岵粼游⒘康脑又,主要为晶体间隙的脉石矿物、包裹体、晶格杂质等。像我们平时常见的河砂、天然砂含有太多杂质,河砂的含硅量一般在65%~85%,硅含量太低,不能用于生产芯片。杂质元素的种类和含量会对会石英性能造成影响,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用于光伏产业,因此在生产高纯石英时,必须对原料矿石进行提纯,尽可能降低Al、K、Na、Li、Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Cr、Ni、B、P等杂质的含量。

     

    拿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,具有极低的含铁量(Fe2O3质量分数不超过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,其自爆率仅为万分之一左右,远比普通玻璃(自爆率为千分之三左右)低得多,特别适用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”体育场馆、上海世博会的“中国馆”、以及北京国家大剧院、南京中国艺术中心等均有超白玻璃的身影。所以在杂质元素含量、硅含量要求方面,新型玻璃产业、半导体产业都会要求更为严格苛刻。

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    石英晶体展示透明度

     

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    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、花岗伟晶岩等矿石作为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用于半导体制造。因此,能够提纯生产高纯石英的矿床称为高纯石英原料矿。制备高纯石英砂的最理想选择便是高纯度石英矿原料,石英或石英岩脉很常见,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少之又少。

     

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    普通硅石矿

     

    高纯石英砂是芯片制造不可或缺的原料,是硅产业高端产品的物质基础,而高纯石英原料矿极为稀缺。我国硅质资源丰富,但是大部分矿床为普通硅石矿,用于普通玻璃、石材、建筑用砂等。同时,受矿石品质的限制,生产出来的产品主要为低端高纯石英。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布和开发现状,我们要有所了解。目前,高纯石英原料矿床主要分布于美国、挪威、澳大利亚、俄罗斯、毛里塔尼亚、中国、加拿大等7个国家。除中国外,美国斯普鲁斯派恩(Spruce Pine)矿的高纯石英原料资源规模最大,超过1000万吨;资源量最小的是挪威德拉格(Drag)矿,仅有26.7万吨(王九一,2021;表1)。

     

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    全球高纯石英原料矿床分布图(引自王九一,2021)

     

    表1 全球高纯石英原料矿床的资源分布与开发现状(引自王九一,2021)

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