當前，以云計算、大數據、智能制造和5G為代表的新一代信息和通信科學技術(ICT)的發展，加快催生了新一輪科技革命和產業變革，發展半導體、光伏、光通訊等戰略性新興產業是解決當今中國產業發展問題的關鍵。而高純石英砂憑借極好的化學穩定性、高絕緣耐壓能力和極低的體膨脹系數，成為了這些高新技術產業不可替代的礦物原料。不過，由于不同行業間的差異，對高純石英砂的要求也有所不同。接下來，小編將淺談一下高純石英砂在半導體、光纖、光伏領域的應用差異。

一、半導體領域

半導體石英器件在石英市場占比約65%，是石英制品下游市場中占比最大的應用領域。高純石英砂主要用于生產拉制單晶硅棒的石英坩堝和石英管棒等，在芯片制造環節則用于生產光刻、刻蝕和薄膜沉淀使用的光掩膜基板等。

石英器件在半導體產業中的應用

（來源：凱德石英招股說明書，華福證券研究所）

1、半導體用石英坩堝

半導體用石英砂品質要求通常非常高。以半導體工業中不可或缺的容器石英坩堝為例，其主要用于生長單晶硅，由于需要在千度以上連續工作數小時，其需要具有耐高溫、熱穩定性好、不易變形等性能，而影響石英玻璃性能穩定性的主要因素包括氣泡數量、雜質含量以及羥基含量。因此與其他領域相比，該領域應用的石英坩堝對石英砂純度和粒度等都有著極高的要求，尤其要求低鐵含量、低堿金屬含量。

通常，半導體用石英坩堝（B級）品質純度要求達5N以上（>99.999%），為避免堿金屬雜質的存在影響石英坩堝的透明度和熱學性能，K、Na、Li等雜質質量分數之和應小于2×10^-6。同時Fe雜質含量要求小于0.3×10^-6，以避免石英與石墨之間的反應。除此之外，由于坩堝中的羥基會對改變SiO?的鍵合結構，致使坩堝強度下降，耐溫性能大幅降低，因此半導體級石英坩堝所用的是高純石英砂還要求羥基含量控制在50-60個ppm，同時粒度分布集中。目前，該級別的高純石英砂主要是依靠國外進口，價格可達100萬元/噸左右。

2、光掩膜基板

光刻是制造半導體器件的必要工藝之一，高純石英砂在光刻領域中同樣扮演著重要角色。它用于制作光掩膜版，作為液晶顯示器、半導體等制造過程中的圖形“底片”轉移用的高精密工具，高質量的高純石英砂可以減少光刻過程中的缺陷，保證芯片制造的精度和穩定性，提高產品的可靠性。

光掩膜基板及其作用（來源：蘇州硅時代電子科技有限公司）

根據光掩模石英玻璃基板現行標準號：GB/T 34178-2017，石英玻璃基板中13種雜質元素（Al、Fe、Ca、Mg、Ti、Cu、Co、Mn、Ni、Li、Na、K、B）含量的質量分數總和應不大于2.0μg/g。其中Li、Na、K3種雜質元素含量的質量分數之和應不大于1.0μg/g，單一雜質元素含量的質量分數應不大于0.5μg/g。

二、光伏

隨著新能源產業的強勁發展，中國光伏產業規模不斷壯大，應用于其中的天然石英產品的市場需求依舊不斷擴大。與半導體領域一樣，光伏用高純石英砂也是主要用于生產石英坩堝、石英舟、石英瓶等起承載作用的部件，同時還用于生產光伏玻璃。

（1）石英坩堝等載具

與半導體領域相比，光伏制造中對石英部件的要求雖然相對較低，但隨著下游客戶對光伏硅片大尺寸化的要求以及硅片技術的革新，對用于制作石英坩堝等載具的高純石英砂要求也在日益提升。

根據國家標準《GB/T 32649-2016光伏用高純石英砂》，光伏用高純石英砂的粒徑應在70μm~350μm范圍內，且在該粒徑范圍的累積質量分數應大于或等于90%。粒徑小于100μm或大于300μm的累積質量分數均應小于1%；光伏用高純石英砂中二氧化硅含量應大于或等于99.99%（4N級），灼燒失量應小于或等于0.01%；光伏用高純石英砂雜質元素總含量應小于或等于25μg/g，其中鉀、鈉含量總和小于2.5μg/g。

然而在實際應用中，石英坩堝內、中、外三層所用石英砂品質有所差異，內層坩堝使用的高純石英砂純度要求達4N8（大于99.998%），且對氣液包裹體、晶格雜質、穩定性也有較高要求，目前主要的供應公司包括美國尤尼明、挪威TQC公司和石英股份，價格在30萬元/噸及以上；中外層則一般需達4N5級（大于99.995%），由于品質要求相對內層砂較低，目前已基本實現國產替代，價格普遍在7萬元/噸及以上。

（2）光伏玻璃

光伏超白玻璃是太陽能光伏電池的重要組件之一，主要作用是為了保護電池片免受水分和氣體氧化及銹蝕電極。為了能夠充分利用太陽輻射發電，光伏超白玻璃對透光率要求很高，這也就對作為占光伏玻璃重量比60%以上的石英砂質量提出了要求。

其實，光伏玻璃對石英砂的純度要求并不是特別高，達到99.2%即可，但對鐵、鈦含量、難熔重礦物等的含量以及粒度要求較高：鐵含量是影響光伏玻璃透過率的重要指標，玻璃中Fe在氧化條件下以Fe³⁺存在，玻璃呈現黃綠色；在還原狀態下以Fe²⁺存在，使玻璃呈綠色，導致玻璃透過率降低且影響玻璃熔化和澄清效果，因此應用于光伏玻璃的石英砂鐵含量通常要求不超過100ppm；值得注意的是，含鈦氧化物同樣會使玻璃發黃，造成紫外線、可見光透過率明顯降低，因此其含量也需控制在300ppm以內。此外，為得到高質量玻璃液以及降低熔化玻璃能耗，超白玻璃用石英砂有嚴格的粒度要求，一般粒度需嚴格控制在0.71mm以下，且0.104mm以下占比不超過5%；而對于難熔重礦物的總量要求則需小于5ppm（以Cr₂O₃計），單個顆粒直徑≤0.25mm，以避免在光伏玻璃上形成結石，對后期成品加工產生影響。

三、光纖領域

光纖通信是一種利用光波在光導纖維中傳輸信息的通信技術，具有高速、大容量、低損耗、抗干擾能力強、安全性高等優點，是現代通信網絡的重要組成部分。

為降低光纖損耗，保證傳輸效率，作為光傳導工具的光纖，二氧化硅含量需達到99.99%以上，因此其通常是以高純四氯化硅為原料制作成雜質元素總含量低于2ppm的高純合成石英，即光纖預制棒，然后在2000度高溫下軟化拉制成絲制得。而天然高純石英砂則由于達到高純度難度較大，主要用于生產拉絲過程中所用的外套管、把持棒/管、支撐棒、尾棒尾管、燒結用大口徑爐芯管、拉絲爐用密封法蘭等。通常這些石英部件所用的高純石英砂純度要求高達99.995%以上，目前價格在4.8-5.5萬左右/噸。

光纖預制棒（來源于網絡）

光纖用石英制品（來源：國聯云）

總結

高純石英因其獨特的晶體結構和晶格特征成為了半導體、光伏、光學及光纖通信等行業必不可少的原料。隨著這些高新技術領域的迅速發展，高純石英的戰略地位日益突顯，對其品質也提出了更加嚴苛的要求。然而，我國由于優質礦源較為稀缺，高純石英砂，尤其是半導體級高純石英砂長期以來依賴進口，在一定程度上限制了我國高新技術領域的發展。因此，未來我國還需不斷尋找優質礦源，改進高純石英提純工藝，同時加速發展其人工合成技術。

參考來源：

1、武志超,張海啟,譚秀民,等.高純石英應用及化學提純技術研究進展[J].化工礦物與加工.

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