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(qū)別？能用于造芯片的沙子又是什么樣的呢？

石英

01

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(yè)。但是，由于不同產業(yè)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，F(xiàn)e 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，F(xiàn)look 根據市場產業(yè)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(yè)的要求，純度小于 99.5% 的石英可用在透明玻璃行業(yè)。

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(yè)，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(xiàn)有提純工藝和行業(yè)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，F(xiàn)e、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(yè)，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(shù)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(xiàn)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(yè)、半導體產業(yè)都會要求更為嚴格苛刻。

石英晶體展示透明度

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。

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(yè)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(fā)現(xiàn)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(guī)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）。

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(fā)現(xiàn)狀（引自王九一，2021）

02

全球七大國高純石英原料礦分布

1.

美國

1.1 斯普魯斯派恩礦床

斯普魯斯派恩（Spruce Pine）高純石英原料礦坐落于美國北卡羅來納州西部米切爾縣（Mitchell County）的斯普魯斯派恩鎮(zhèn)。采礦區(qū)有超過 100 年的悠久采礦歷史。石英的雜質元素含量極低，經機械和化學提純后，制得的高純和超純石英主要用于半導體晶體、精密光學玻璃以及光伏、照明等產業(yè)。該礦供給了全球 90% 以上的高純石英砂需求量，在相當長時間內甚至是唯一的來源地。2009 年 BBC 稱此地為 " 地球上最具戰(zhàn)略價值的平方英畝 "（Nelson，2009）。

斯普魯斯派恩礦床

1.2 博維爾礦床

博維爾礦位于愛達荷州北部拉塔縣博維爾鎮(zhèn) ( Bovill，Latah County ) 。經電子探針分析，該礦石中石英晶體的純度大于 99.9%。2010 年，艾礦產股份公司 ( I-Minerals，Inc. ) 完成預可行性研究，研發(fā)出 SiO2 純度為 99.9%~99.997% 的高純石英砂產品。礦床鉀長石和石英的探明資源量 437.8 萬噸，控制資源量 885.7 萬噸，共計 1323.5 萬噸 ( I-Minerals，2020a ) 。博維爾礦高純石英資源量巨大，礦石的提純加工難度較低。采用傳統(tǒng)浮選提純工藝，即可生產高純石英砂。

高純石英礦石

2.

澳大利亞

澳大利亞的石英資源非常豐富，主要分布于昆士蘭州北部、維多利亞州和西澳大利亞州。其中，昆士蘭州北部為主要的高純石英原料礦來源地，目前已發(fā)現(xiàn)燈塔（Lighthouse）、糖袋山（Sugarbag Hill）、白泉（White Springs）、石英山（Quartz Hill）等多處礦床。

2.1 燈塔礦床

礦床位于昆士蘭州北部的喬治敦區(qū) ( Georgetown ) 。艾恩斯利 ( Einasleigh ) 鎮(zhèn)在礦區(qū)西南 16km，是最近的城鎮(zhèn)。燈塔礦床由東、西兩座狀似燈塔、高出地表約 440m 的石英山峰組成，因此得名。該礦區(qū)礦石純凈、呈半透明或乳白色、塊狀，近直立狀充填于斷層中。經測試東、西礦體的礦石純度＞99.9%，主要雜質元素 Al、Ti、Fe、P、Ca 等含量均較低，經過簡單機械提純后，純度即可達 99.95% 以上，證明燈塔礦床為優(yōu)質的高純石英原料礦。

燈塔礦（引自 ROCKFIRE RESOURCES 官網）

2.2 糖袋山礦床

礦床位于喬治敦區(qū)（Georgetown），西北距離喬治敦鎮(zhèn)約 25km，東距燈塔礦 60km。礦石質量極為優(yōu)質，原位 SiO2 純度可達 99.99% 以上。2016 年普查結果表明，礦體長約 600m，平均厚度 20m，鉆孔揭示礦體深度 60~80m ( Alper，2019 ) 。經取樣測試和選礦提純實驗，可制得高純石英砂純度達 99.995%~99.999%，滿足太陽能和半導體產業(yè)的質量要求。目前，糖袋山礦床尚未開采和生產高純石英砂，但其探明和控制的資源量規(guī)?？捎^，可露天開采。

糖袋山礦區(qū)

2.3 白泉和石英山礦床

從喬治敦鎮(zhèn)到驚喜山鎮(zhèn) ( Mt.Surprise ) 的 1 號公路沿線分布著白泉和石英山礦。礦床均為熱液石英脈型。白泉礦的礦石質量優(yōu)異，原料 SiO2 純度達 99.99% 以上，被推斷高純石英的資源量 150 萬噸。石英山礦石原料純度大于 99.5%，預測高純石英資源量達 1400 萬噸，資源規(guī)模巨大。白泉礦可生產的高純石英砂純度涵蓋 99.99%~99.999%，年產高純石英砂 3 萬噸，應用于光伏和半導體產業(yè)領域。目前，石英山礦床尚未進入開采期。

1 號公路沿線

2.4 克雷西克礦床

礦床位于澳大利亞維多利亞州（Victoria）中南部的克雷西克區(qū)（Creswick）。礦床為金礦尾礦型，由 19 世紀淘金熱開采金礦廢棄后的尾礦組成 ( Hughes，2013 ) 。礦石是尾礦中 6～200mm 的石英礫石，質量優(yōu)異，雜質元素含量低，尤其是 B 和 P 含量很低，可用于液晶顯示器、光伏、半導體、光學玻璃等產業(yè)。經澳大利亞聯(lián)邦科學與工業(yè)研究組織 ( CSIRO ) 采用傳統(tǒng)機械和化學提純工藝處理后，制得的高純石英砂 SiO2 純度可達 99.995%。

克雷西克礦區(qū)

3.

俄羅斯

在俄羅斯烏拉爾山脈的東側，有 2 處高純石英礦床，分別是亞極地烏拉爾的薩蘭保爾 ( Saranpaul ) 礦床和南烏拉爾的克什特姆 ( Kyshtym ) 礦床。其中，克什特姆礦的規(guī)模較大，開發(fā)程度高，其高純石英產品質量優(yōu)，在國際市場占有一定比例。

3.1 克什特姆礦床

克什特姆礦床位于俄羅斯車里雅賓斯克州（Chelyabinsk）的克什特姆市 ( Kyshtym ) ，東南距離車里雅賓斯克市 100km。礦床為熱液脈石英型。礦區(qū)總長 15km，寬 1~3km，面積 20km2，石英儲量 136 萬噸。礦床開發(fā)始于 20 世紀 60~70 年代，至今已超過 50 年。早期采礦主要用于建筑材料、玻璃等傳統(tǒng)行業(yè)。2011 年之后開始開采生產高純石英砂。2022 年產能預計達 6000 噸 / 年，礦山可滿足滿負荷生產 30 年服務年限。

石英礦

3.2 薩蘭保爾礦床

薩蘭保爾礦床地處俄羅斯?jié)h特－曼西自治區(qū) ( Khanty-Mansi Autonomous Okrug-Ugra ) 別列佐夫斯基區(qū) ( Berezovsky District ) 的西北緣，東南距薩蘭保爾村 ( Saranpaul＇ ) 85km。礦床為熱液脈石英型。礦石呈半透明－透明狀，玻璃光澤。根據 2014 年礦區(qū)的勘探報告，可用作高純石英的資源量為 33 萬噸 ( Development Corporation JSC，2017 ) 。此外，在礦區(qū)范圍外發(fā)現(xiàn)有多條尚未勘探的石英脈，遠景資源量可能更為可觀。

薩蘭保爾地區(qū)

4.

毛里塔尼亞

4.1 烏姆阿奎尼納礦床

礦床位于毛里塔尼亞西部的努瓦迪布灣省 ( Dakhlet Nouadhibou ) ，西距努瓦迪布（Nouadhibou）港口 130km。礦床為熱液脈石英型。礦石呈淺灰色的半透明狀、光滑透明狀，部分采樣礦石的 SiO2 含量大于 99.8%。地表出露的礦體表現(xiàn)為破碎的大塊脈石英礫石，其上覆蓋少量紅土。石英的推斷資源量為 500~1000 萬噸 ( Feytis，2010 ) ，但因缺少鉆孔驗證和測試分析以及必備的選礦實驗，可用作高純石英原料的資源量不明。截至目前未進行有效的采礦活動。

烏姆阿奎尼納礦床

4.2 查米礦床

查米礦床位于努瓦迪布灣省 ( Dakhlet Nouadhibou ) 東部，距烏姆阿奎尼納礦 20km。礦床成因、礦石類型、圍巖、賦存特征與烏姆阿奎尼納礦類似，礦石呈半透明狀、光滑透明狀，礦石 SiO2 含量為 98% ~99.9%。表層 2.7m 以上礦體的高純石英原料探明儲量 72.5 萬噸 ; 2.7m 以下礦體可延伸至 8m，探明儲量有進一步擴大的空間。

毛里塔尼亞優(yōu)質石英礦

5.

加拿大

在加拿大魁北克省東南部約翰比茲灣 ( Johan Beetz Bay ) 的海岸帶，10 條北東－南西向的熱液脈石英礦體出露地表，即約翰比茲高純石英原料礦。結果顯示礦石的 SiO2 含量為 98.7%~99.6%，雜質元素 B 和 P 的平均含量分別低于 0.25×10-6 和 0.2×10-6，可用來生產光伏石英坩堝。在計入采礦損失后，2 號脈和 9 號脈地表礦體的高純石英控制資源量分別為 174.3 萬噸和 50.7 萬噸，合計 225 萬噸 ( Bathalon，2014 ) 。

約翰比茲灣 ( Johan Beetz Bay ) 海岸帶

6.

挪威

作為南北狹長的山地之國，挪威的石英資源非常豐富，并且擁有 TQC、埃肯股份 ( Elkem ASA ) 等全球石英產業(yè)巨頭。挪威地質調查局根據境內石英礦石的測試數(shù)據，還提出一套基于晶格雜質元素含量的高純石英質量評價指標 ( Müller et al., 2007; Müller et al., 2012 ) 。當前，北部的德拉格礦床和南部的內索登 ( Nesodden ) 礦床是挪威主要的高純石英原料產地。

6.1 德拉格礦床

德拉格礦區(qū)地處挪威北部諾爾蘭郡廷斯菲尤爾峽灣 ( Tysfjord ) 西側的德拉格村 ( Drag ) 附近，由分布在方圓 5km2 的數(shù)十個偉晶巖型的石英礦體組成。石英晶體純凈，粒徑平均 6mm，Al、Ti、Li、B 等晶格雜質元素均達到高純石英原料的質量要求 ( Müller et al，2012 ) 。德拉格礦區(qū)的開采始于 1907 年。早期的礦山以露天方式開采偉晶巖中的鉀長石，到了 1996 年開始采礦生產用于光學、照明設備、光伏的高純石英砂。

德拉格礦區(qū)地質簡圖

（引自 Müller et al., 2012）

6.2 內索登礦床

內索登礦 ( Nesodden ) 位于挪威西南部的霍達蘭郡的克文赫拉德市 ( Kvinnherad ) 。礦體長約 580m，寬 15m，延伸 150m，礦石中的石英晶體較大。截至目前，尚未開采內索登高純石英礦。但是，該礦對高純石英砂及制品行業(yè)具有相當大的影響。礦床的資源量大且礦區(qū)高純石英的后備資源相當豐富。在斷裂帶北段也發(fā)現(xiàn)了克瓦維克 ( Kvalvik ) 熱液脈石英礦，推斷資源量 70 萬噸，其礦石質量與內索登礦類似，可用作高純石英原料。

內索登礦區(qū)地質簡圖

（引自 Axel Müller et al., 2012）

7.

中國

近年來，我國一些石英砂礦山企業(yè)正努力研發(fā)高純石英的提純工藝，取得了突破性進展。湖北蘄春、江蘇東海、安徽旌德和太湖等地的優(yōu)質熱液脈石英可能具有高純石英原料的潛力 ( 焦麗香，2019 ) 。靈虬山脈石英礦位于湖北省蘄春縣西北約 20km 的橫車鎮(zhèn)。鉆孔取樣分析結果表明，礦石幾乎全由石英組成，晶體粒徑 1~2mm。礦石 SiO2 純度＞99.35%，Al2O3＜0.22%，F(xiàn)e2O3＜0.02%。目前，靈虬山石英礦采用露天開采，其設計礦山規(guī)模為年采 1.5 萬噸礦石。

中國高純石英砂