高纯石英（砂）是一种由天然石英矿物经过物理和化学提纯技术加工而成的关键 基础材料。高纯石英通常是指由天然石英矿物经过一系列物理、化学提纯技术生 产的粒度集中分布在 0.10～0.45mm 的 SiO2纯度极高的石英砂产品。目前，关 于高纯石英还没有明确的定义，通常认为高纯石英是指 SiO2 含量>99.995% （4N5）的石英产品，同时石英中有害元素总含量不应高于 50µg/g，且对关键 元素 Al、Ti、Na、K、Ca、Fe 和 P 等均有限定。 高纯石英砂的三个特征：纯度特征：最显著特征是 SiO2纯度高。 粒度特征：粒度范围一般是 40～150 目，具体粒度应根据工业应用确定。采 用真空气氛下电熔工艺制备石英玻璃，粒度要求 40～80 目；提拉法制备单晶硅 的石英坩埚，粒度要求 80～140 目；以氢气与氧气为能源的气炼工艺制备石英 玻璃，粒度要求 100～200 目。 物相特征：物相为晶相，即石英矿物晶体。
2.1 需求：半导体和光伏场景较为重要
高纯石英砂上游主要包括高纯石英原料矿的资源开发、高纯石英砂提纯生产等领 域，具体包括高纯石英原料矿调查与评价、矿产勘探，原料评价分级、矿产开发 和高纯石英砂提纯生产等。中游产业主要包括各种高纯石英制品及材料相关产 业，具体包括利用高纯石英砂生产制备各种石英材料和石英制品。下游产业聚集 了大量高纯石英制品的应用行业，主要包括光伏、半导体、光纤、电光源、精密 光学、航空航天等行业对石英材料和制品的应用。
目前，国际上高纯石英制品生产企业主要有东曹、贺利氏、Covalent、信越、 昆希等，其中半导体石英坩埚主要被贺利氏、信越、迈图等企业垄断。
2.2 供给：受制于美国，半导体级及光伏坩埚内层尤甚
中国是高纯石英砂消费大国，也是全球第一大高纯石英砂进口国。2023 年，中 国高纯石英进口量约占全球进口总量的 50%。整体而言，中低端产品能够自给， 部分出口；高端产品仍主要依赖进口。目前，中国高纯石英 4N8 级别以上原料 矿全部依靠进口1。我国在高纯石英加工技术研究方面开展工作较多，但受矿石 品质和高纯石英精深加工技术的限制，与国际先进水平仍有一定差距。 2015-2024 年，中国从国外进口≥4N 高纯石英 4.0-15.9 万吨，贸易额为 8.2-26.5 亿美元；同期，中国出口≥4N 高纯石英 0.12-4.0 万吨，除 2021、2022 及 2024 年外均在 1 万吨以下。
2.3 优质矿源是美国企业的优势来源
美国矽比科（控股尤尼明）公司在高纯石英砂领域占据绝对优势，4N8(SiO2 含 量为 99.998%)及以上的高纯石英产品几乎被其垄断。其“IOTA”商标被世界石 英玻璃制造企业公认为是最为著名的商标，其纯度被当作“国际标准纯度”，世 界上其他厂家的产品皆以此标准衡量质量。 美国矽比科公司 IOTA 系列高纯石英产品主要应用于半导体级熔融石英坩埚、单 晶硅生长用石英坩埚和石英照明设备等高技术领域。IOTA 标准包括杂质元素含 量或 SiO2 纯度要求。此外，根据《高纯石英的概念及原料品级划分》中的研究， 若能达到该标准，则在高纯石英的各种工业应用中的气液包裹体杂质含量也必然 很少。
矽比科的核心优势在于其 SprucePine 伟晶岩型高纯石英原料矿。截止 2019 年， 全球可加工生产 3N 级及以上高纯石英资源约 7000 万吨，主要分布在巴西（2111 万吨）、美国（1822 万吨）、加拿大（1000 万吨）等国家。其中，可以加工 4N5 级及以上质量的高端高纯石英资源量约 2000 万吨，约 90%集中在美国 （1822 万吨）。矽比科的高纯石英砂原矿的花岗伟晶岩矿床，具有矿体规模大、 石英中流体杂质少、矿石品质稳定等优点。据统计，矽比科的高纯石英保有资源 量可满足数十年的矿山服务年限。
3.1 高纯石英砂提纯制备环节相对成熟
高纯石英砂制备相对成熟，但需要根据不同的矿源进行适配调整优化迭代；主要 由于不同的矿源其杂质分布、包裹体等情况不同，提纯工艺会有一定差异。对于 高纯石英砂企业而言，优质且供应稳定的矿源是其产品升级迭代的必要条件。 高纯石英加工中是允许原料中有一定量杂质存在，根据原料中杂质的类型与含 量，生产加工所得的成品需要做出一定的调整。但是从整体来看，高纯石英材料 中最理想的状态是无杂质，杂质比重越小，意味着高纯石英成品的质量越高。从 目前研究成果来看，高纯石英材料中的杂质主要有脉石矿物类杂质、气液包裹体 类杂质与类质同象类杂质。
高纯石英材料的深度提纯技术：酸处理技术是高纯石英材料深度提纯中应用的主 要技术类型；热处理技术是为了降低高纯石英材料深度提纯对环境的影响而提出 的新型处理技术。从目前的研究成果来看，在高纯石英的酸处理深度提纯技术中， 有氟浸出技术仍然是主流的技术模式。
高纯石英典型的提纯工艺为“破碎-筛分-磁选-擦洗-水洗-浮选-焙烧水淬-酸浸”， 涉及的提纯技术可分为物理法和化学法，物理法包括破碎、水洗、擦洗、磁选和 浮选等，化学法则主要为酸浸和热处理。
3.2 矿源卡住了我国高纯石英产业链的“脖子”
高纯石英砂的供给是中国高纯石英产业链“卡脖子”的瓶颈，缺乏稳定满足工业 生产需要的高纯石英优质原料是 4N8 级高纯石英高端产品未能国产化的根本原 因。因此，在国内寻找到能够稳定供应工业生产用的高纯石英原料，并且掌握配 套的产业化提纯技术，是解决高纯石英“卡脖子”问题的关键。 国内龙头石英股份近年来依靠进口解决原料短缺的问题，特别是 2019 年以来石 英股份高纯石英原料矿 93%以上需要进口，主要为印度和巴西等国家。
3.3 我国高纯石英矿源有重大突破
近年来，我国围绕海外优质石英矿矿源成因的思路，从矿床成矿系列角度, 指出 了如何在花岗伟晶岩、石英脉、水晶矿、滨海石英砂矿产出区域寻找高纯石英原 料矿。目前已在河南、新疆等地发现多处高纯石英矿。
国内河南省东秦岭地区部分样品 SiO2纯度突破 4N8 以上级别。根据《东秦岭河 南段高纯石英原料调查评价报告》，经过 600 余件的样品分析，镜下观察发现 样品中石英颗粒包裹体含量少，石英颗粒净度极高，这有别于国内其他地区石英 包裹体含量高的情况，有利于后期开发利用。通过对不同伟晶岩脉体样品提纯试 验发现：东秦岭地区花岗伟晶岩中的石英杂质总含量整体低于 100μg/g，其中 40 余条花岗伟晶岩脉中石英的 SiO2纯度达到 4N 以上，部分样品 SiO2纯度突破 4N8 以上级别，并达到全球范围内高纯石英砂高端产品指标。 从河南省东秦岭地区批量制备出的 4N8 级高纯石英砂，SiO2纯度在 99.998%以 上，各项理化指标符合国际公认的 IOTA-CG 标准和国内 GB/T32649-2016 标准， 可适用于光伏用高纯石英砂的质量要求，并具备符合 IOTA-4 标准以及半导体制 程用高纯石英砂的应用潜力。此外，河南其他地区2、新疆3、湖南4等多地均发现 可制备 4N8 等级石英矿体。
高纯石英的价格与其纯度正相关。人工合成石英砂的纯度最高，合成石英砂目前 从检测参数上看，有杂质更低的优势。在天然砂纯度不满足要求的情况下，例如 半导体单晶炉坩埚内涂层、高端光学玻璃应用等方向，可以考虑用合成砂进行替 代。此外，半导体制程对石英制品高纯、无污染、耐高温的要求，尤其是随着半 导体芯片线宽越来越窄，普通的天然石英材料已经无法满足高端生产工艺的要 求，合成石英成 10nm 制程以下的半导体芯片刻蚀环节中的重要部件5。
2023 年，洛阳中硅高科技有限公司及中国恩菲工程有限公司的研究团队，对国 产某型号合成石英砂、三菱石英砂（合成石英砂）及矽比科高纯石英砂进行相关 测试。从纯度角度来看，国产合成石英砂已经达到并优于三菱石英砂的技术指标。 不过，彼时国产合成砂尚处于小量中试，产品迭代优化及工业化量产还在推进。
半导体石英坩埚内层涂料场景：拉制半导体硅单晶时，熔硅会与石英坩埚起反应 作用，使石英溶入硅熔液中，同时把石英中的杂质带进硅中。同时坩埚的寿命也 受到杂质影响，例如碱金属杂质含量过高会促使坩埚析晶，使坩埚失透和变形， 羟基含量过高会导致坩埚鼓包等。合成石英砂纯度高于天然石英砂纯度，可用于 坩埚内层接触硅液部分，有效降低单晶硅因坩埚造成的杂质引入。但同时，由于 合成砂熔融和天然砂熔融所需热值和温度不同，在更换为合成砂后，需要探索合 适的生产工艺。测试显示：透明层合成砂和气泡层天然砂融合良好，未出现不粘 连的情况；透明层内无絮状物，但存在极个别小气泡，仍然需要改善。可见采用 合成石英砂可以制造合格石英坩埚，具体使用寿命情况、与天然砂的配合比例等 问题，需要进一步在产业链进行验证。 高纯石英玻璃场景：合成石英砂熔制成为石英锭后，通过切片、抛光等工序，最 后对玻璃板进行检测，结果评定：熔制效果良好，无条纹、不熔物、颗粒不均匀 或色斑，透光性优良，气泡 2 级(JC/T185-2013)。从结果来看，合成砂可以替 代天然砂进行石英玻璃的熔制，在气泡方面仍有待提高。未来结合合成砂的生产 成本，以及合成砂较低杂质水平的优势，可以作为部分高端玻璃产品的原料。
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