当前，以云计算、大数据、智能制造和5G为代表的新一代信息和通信科学技术(ICT)的发展，加快催生了新一轮科技革命和产业变革，发展半导体、光伏、光通讯等战略性新兴产业是解决当今中国产业发展问题的关键。而高纯石英砂凭借极好的化学稳定性、高绝缘耐压能力和极低的体膨胀系数，成为了这些高新技术产业不可替代的矿物原料。不过，由于不同行业间的差异，对高纯石英砂的要求也有所不同。接下来，小编将浅谈一下高纯石英砂在半导体、光纤、光伏领域的应用差异。

一、半导体领域

半导体石英器件在石英市场占比约65%，是石英制品下游市场中占比最大的应用领域。高纯石英砂主要用于生产拉制单晶硅棒的石英坩埚和石英管棒等，在芯片制造环节则用于生产光刻、刻蚀和薄膜沉淀使用的光掩膜基板等。

石英器件在半导体产业中的应用

（来源：凯德石英招股说明书，华福证券研究所）

1、半导体用石英坩埚

半导体用石英砂品质要求通常非常高。以半导体工业中不可或缺的容器石英坩埚为例，其主要用于生长单晶硅，由于需要在千度以上连续工作数小时，其需要具有耐高温、热稳定性好、不易变形等性能，而影响石英玻璃性能稳定性的主要因素包括气泡数量、杂质含量以及羟基含量。因此与其他领域相比，该领域应用的石英坩埚对石英砂纯度和粒度等都有着极高的要求，尤其要求低铁含量、低碱金属含量。

通常，半导体用石英坩埚（B级）品质纯度要求达5N以上（>99.999%），为避免碱金属杂质的存在影响石英坩埚的透明度和热学性能，K、Na、Li等杂质质量分数之和应小于2×10^-6。同时Fe杂质含量要求小于0.3×10^-6，以避免石英与石墨之间的反应。除此之外，由于坩埚中的羟基会对改变SiO₂的键合结构，致使坩埚强度下降，耐温性能大幅降低，因此半导体级石英坩埚所用的是高纯石英砂还要求羟基含量控制在50-60个ppm，同时粒度分布集中。目前，该级别的高纯石英砂主要是依靠国外进口，价格可达100万元/吨左右。

2、光掩膜基板

光刻是制造半导体器件的必要工艺之一，高纯石英砂在光刻领域中同样扮演着重要角色。它用于制作光掩膜版，作为液晶显示器、半导体等制造过程中的图形“底片”转移用的高精密工具，高质量的高纯石英砂可以减少光刻过程中的缺陷，保证芯片制造的精度和稳定性，提高产品的可靠性。

光掩膜基板及其作用（来源：苏州硅时代电子科技有限公司）

根据光掩模石英玻璃基板现行标准号：GB/T 34178-2017，石英玻璃基板中13种杂质元素（Al、Fe、Ca、Mg、Ti、Cu、Co、Mn、Ni、Li、Na、K、B）含量的质量分数总和应不大于2.0μg/g。其中Li、Na、K3种杂质元素含量的质量分数之和应不大于1.0μg/g，单一杂质元素含量的质量分数应不大于0.5μg/g。

二、光伏

随着新能源产业的强劲发展，中国光伏产业规模不断壮大，应用于其中的天然石英产品的市场需求依旧不断扩大。与半导体领域一样，光伏用高纯石英砂也是主要用于生产石英坩埚、石英舟、石英瓶等起承载作用的部件，同时还用于生产光伏玻璃。

（1）石英坩埚等载具

与半导体领域相比，光伏制造中对石英部件的要求虽然相对较低，但随着下游客户对光伏硅片大尺寸化的要求以及硅片技术的革新，对用于制作石英坩埚等载具的高纯石英砂要求也在日益提升。

根据国家标准《GB/T 32649-2016光伏用高纯石英砂》，光伏用高纯石英砂的粒径应在70μm~350μm范围内，且在该粒径范围的累积质量分数应大于或等于90%。粒径小于100μm或大于300μm的累积质量分数均应小于1%；光伏用高纯石英砂中二氧化硅含量应大于或等于99.99%（4N级），灼烧失量应小于或等于0.01%；光伏用高纯石英砂杂质元素总含量应小于或等于25μg/g，其中钾、钠含量总和小于2.5μg/g。

然而在实际应用中，石英坩埚内、中、外三层所用石英砂品质有所差异，内层坩埚使用的高纯石英砂纯度要求达4N8（大于99.998%），且对气液包裹体、晶格杂质、稳定性也有较高要求，目前主要的供应公司包括美国尤尼明、挪威TQC公司和石英股份，价格在30万元/吨及以上；中外层则一般需达4N5级（大于99.995%），由于品质要求相对内层砂较低，目前已基本实现国产替代，价格普遍在7万元/吨及以上。

（2）光伏玻璃

光伏超白玻璃是太阳能光伏电池的重要组件之一，主要作用是为了保护电池片免受水分和气体氧化及锈蚀电极。为了能够充分利用太阳辐射发电，光伏超白玻璃对透光率要求很高，这也就对作为占光伏玻璃重量比60%以上的石英砂质量提出了要求。

其实，光伏玻璃对石英砂的纯度要求并不是特别高，达到99.2%即可，但对铁、钛含量、难熔重矿物等的含量以及粒度要求较高：铁含量是影响光伏玻璃透过率的重要指标，玻璃中Fe在氧化条件下以Fe³⁺存在，玻璃呈现黄绿色；在还原状态下以Fe²⁺存在，使玻璃呈绿色，导致玻璃透过率降低且影响玻璃熔化和澄清效果，因此应用于光伏玻璃的石英砂铁含量通常要求不超过100ppm；值得注意的是，含钛氧化物同样会使玻璃发黄，造成紫外线、可见光透过率明显降低，因此其含量也需控制在300ppm以内。此外，为得到高质量玻璃液以及降低熔化玻璃能耗，超白玻璃用石英砂有严格的粒度要求，一般粒度需严格控制在0.71mm以下，且0.104mm以下占比不超过5%；而对于难熔重矿物的总量要求则需小于5ppm（以Cr₂O₃计），单个颗粒直径≤0.25mm，以避免在光伏玻璃上形成结石，对后期成品加工产生影响。

三、光纤领域

光纤通信是一种利用光波在光导纤维中传输信息的通信技术，具有高速、大容量、低损耗、抗干扰能力强、安全性高等优点，是现代通信网络的重要组成部分。

为降低光纤损耗，保证传输效率，作为光传导工具的光纤，二氧化硅含量需达到99.99%以上，因此其通常是以高纯四氯化硅为原料制作成杂质元素总含量低于2ppm的高纯合成石英，即光纤预制棒，然后在2000度高温下软化拉制成丝制得。而天然高纯石英砂则由于达到高纯度难度较大，主要用于生产拉丝过程中所用的外套管、把持棒/管、支撑棒、尾棒尾管、烧结用大口径炉芯管、拉丝炉用密封法兰等。通常这些石英部件所用的高纯石英砂纯度要求高达99.995%以上，目前价格在4.8-5.5万左右/吨。

光纤预制棒（来源于网络）

光纤用石英制品（来源：国联云）

总结

高纯石英因其独特的晶体结构和晶格特征成为了半导体、光伏、光学及光纤通信等行业必不可少的原料。随着这些高新技术领域的迅速发展，高纯石英的战略地位日益突显，对其品质也提出了更加严苛的要求。然而，我国由于优质矿源较为稀缺，高纯石英砂，尤其是半导体级高纯石英砂长期以来依赖进口，在一定程度上限制了我国高新技术领域的发展。因此，未来我国还需不断寻找优质矿源，改进高纯石英提纯工艺，同时加速发展其人工合成技术。

参考来源：

1、武志超,张海啟,谭秀民,等.高纯石英应用及化学提纯技术研究进展[J].化工矿物与加工.

粉体圈Corange整理