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  • 神秘的高純石英礦

    2022-12-08 16:27:56 來源:

     石英

     

    (Quartz)是我們日常生活中非常常見的一種礦物,成分為SiO2,SiO2的單晶體就是水晶,而多晶體則形成玉髓、瑪瑙,我們平時看到的普通玻璃是不具備晶體結構的SiO2,海灘上的沙子基本上就是由石英和長石組成。相信大家對石英也并不陌生,然而近幾年,隨著美國禁“芯”令的頒布以及石英股價的高漲,石英搖身一變,掀起了“高純石英砂熱”。什么是高純石英呢?它與我們常見的石英有哪些區別?能用于造芯片的沙子又是什么樣的呢?

     

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    石英

     

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    什么是高純石英?

    高純石英指SiO2純度極高,雜質元素含量極低的石英及其產品,大量應用于半導體、光伏、光纖、精密光學、高級照明設備、新型玻璃等產業。但是,由于不同產業需要不同質量的石英,使得高純石英沒有普適性的質量評價指標。不同的人有不同的定義。早期的研究認為,高純石英的雜質含量應小于50×10-6,即SiO2純度大于99.995%的石英為高純石英。挪威地質調查局則提出更詳細的指標,要求不僅雜質總質量要小于十萬分之五,而且Al的含量應小于十萬分之三,Ti的含量應小于十萬分之一,Na和K的含量應小于百萬分之八,Li、Ca的含量應小于百萬分之五,Fe的含量應小于百萬分之三,P的含量應小于百萬分之二,B的含量應小于百萬分之一。2014年,Flook根據市場產業需求,提出新的質量指標,認為SiO2純度在99.95%、總雜質含量小于萬分之五的石英即為高純石英,純度為99.5%~99.8%的石英可滿足半導體填料、光纖、液晶屏生產行業的要求,純度小于99.5%的石英可用在透明玻璃行業。

     

    我國汪靈學者認為,SiO2純度大于99.9%的石英即為高純石英。近年來,新興起的光伏玻璃、超白浮法玻璃等新型玻璃產業,降低了對SiO2的純度要求。因此,綜合不同的指標體系,在考慮原料礦石質量、測試手段、現有提純工藝和行業質量要求的情況下,我國采用的高純石英的標準是:SiO2純度大于99.9%的石英。

     

    石英在自然結晶的過程中常會摻雜微量的雜質,主要為晶體間隙的脈石礦物、包裹體、晶格雜質等。像我們平時常見的河砂、天然砂含有太多雜質,河砂的含硅量一般在65%~85%,硅含量太低,不能用于生產芯片。雜質元素的種類和含量會對會石英性能造成影響,比如,Al的存在會影響石英中的光傳導速率,Fe、Mn等金屬元素降低石英的光透過率,P和B含量過高的石英不能用于光伏產業,因此在生產高純石英時,必須對原料礦石進行提純,盡可能降低Al、K、Na、Li、Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Cr、Ni、B、P等雜質的含量。

     

    拿超白玻璃與普通玻璃相比較來說,超白玻璃晶瑩剔透,透光率高,具有極低的含鐵量(Fe2O3質量分數不超過150×10-6),僅是普通玻璃的1/10,甚至更低,當鐵含量超標時,做出來的玻璃不僅透明度下降,制品還將呈現出黃綠色。并且超白玻璃更具安全性,其自爆率僅為萬分之一左右,遠比普通玻璃(自爆率為千分之三左右)低得多,特別適用于建造重要建筑和高層樓房中,如北京奧運會的“鳥巢”、“水立方”體育場館、上海世博會的“中國館”、以及北京國家大劇院、南京中國藝術中心等均有超白玻璃的身影。所以在雜質元素含量、硅含量要求方面,新型玻璃產業、半導體產業都會要求更為嚴格苛刻。

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    石英晶體展示透明度

     

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    嚴格來說,高純石英不是一種礦產,而是由水晶、脈石英、石英巖、花崗偉晶巖等礦石作為原料經過提純后的一種產品。這種高純度的石英砂在自然界是不存在的,需要從石英礦中開采提純后才能用于半導體制造。因此,能夠提純生產高純石英的礦床稱為高純石英原料礦。制備高純石英砂的最理想選擇便是高純度石英礦原料,石英或石英巖脈很常見,但是高純度石英礦,尤其是具備經濟開采價值的高純度石英礦卻又少之又少。

     

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    普通硅石礦

     

    高純石英砂是芯片制造不可或缺的原料,是硅產業高端產品的物質基礎,而高純石英原料礦極為稀缺。我國硅質資源豐富,但是大部分礦床為普通硅石礦,用于普通玻璃、石材、建筑用砂等。同時,受礦石品質的限制,生產出來的產品主要為低端高純石英。對于高純石英砂、原料礦石及高端石英制品每年都大量依賴進口。因此,對于全球高純石英原料礦的分布和開發現狀,我們要有所了解。目前,高純石英原料礦床主要分布于美國、挪威、澳大利亞、俄羅斯、毛里塔尼亞、中國、加拿大等7個國家。除中國外,美國斯普魯斯派恩(Spruce Pine)礦的高純石英原料資源規模最大,超過1000萬噸;資源量最小的是挪威德拉格(Drag)礦,僅有26.7萬噸(王九一,2021;表1)。

     

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    全球高純石英原料礦床分布圖(引自王九一,2021)

     

    表1 全球高純石英原料礦床的資源分布與開發現狀(引自王九一,2021)

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