我国发现新矿种！半导体和光伏不可或缺，不用被美国“卡脖子”了

我们生活当中矿物质无处不在，但是在自然界里面很多矿物都是很稀有的存在。

在现代科技产业中，有一种看似普通的矿物，却是光伏发电和半导体两大关键领域都必不可少。

它就是高纯度石英矿，这种白色晶体不仅是光伏板实现光电转换的必要条件，也是半导体芯片制造的基石。

最近在我国发现的这种新矿种，有可能打破一直以来我们国家都需要依靠进口美国的局面！

高纯度石英矿

首先我们要知道石英矿的主要成分就是二氧化硅，这是地球上最常见的矿物之一，像我们在沙滩上踩的沙子和家里的水晶吊灯都有石英的存在。

但普通石英砂与高纯石英却有天壤之别，高纯石英的制备需要经过多道严苛工序，复杂程度不亚于将石墨变成钻石。

首先通过简单的磁选去除掉在石英矿内的铁元素，再用强磁二次去除，在这之后通过在溶液中的浮选分离掉其他的矿物，接着还得用酸洗溶解掉金属的杂质。

最后通过高温的氯化处理将石英的纯度提升到4N8级（99.998%)，这样就制作出了我们所需要的高纯度石英砂了。

从低端石英到高纯度石英砂，每一个步骤都有很高的质量要求，就像去除的金属杂质、石英的结晶程度都有一个严格的数据要求。

那些纯度达到99.998%以上的特殊石英材料，在被极致提纯之后又会获得三个核心特性。

首先就是耐高温，这些石英在极致提纯下能够在1600℃高温中仍然保持着结构的稳定，然后就是低膨胀性，相比于我们常见的玻璃，这种石英的热膨胀系数只有普通玻璃的十分之一。

最重要的就是提纯之后能够达到高纯度，在极致提纯的石英中金属杂质的含量不超过20ppm（百万分之二十），在高科技制造业中这是必不可少的条件。

也正是因为这些特性，让高纯石英成为光伏和半导体产业不可或缺的关键材料。

光伏行业的基石

在光伏产业链中，高纯石英常常用在制造单晶硅时需要的核心物品“石英坩埚”，这种直径超过80厘米的透明容器，是硅料熔融结晶的关键载体。

半导体的核心材料是高纯度硅，这是需要达到99.9999999%以上的纯度。

当多晶硅料在1400℃左右的高温下熔融时，石英坩埚需要连续工作300小时以上，普通材料此时早已软化变形，而高纯石英制成的坩埚能够时刻保持形状稳定，这对于需要稳定的高科技实验室来说是一个必不可少的条件。

而且高纯度的坩埚也不会含有钠、钾等杂质，在熔融状态下一丁点的杂质，就会导致硅晶体出现位错缺陷。

实验数据显示，当石英内杂质含量每增加1ppm，硅片的转换效率就会下降0.05%，意味着一个普通石英坩埚可能使整批光伏板发电量减少5%以上。

所以在全球的光伏行业中高纯度石英砂都是一个消耗品，每年的全球光伏行业每年消耗约121.44万吨高纯石英砂。

其中的80%都用来制作高纯度石英坩埚，随着N型单晶硅片渗透率突破94%，由于关税的增加，直接导致2023年高纯石英砂价格同比上涨30%，

而且对于石英的纯度要求也有了更高的要求，可以说拥有大量的高纯度石英砂就是光伏产能扩张的重要因素，同时高纯石英对于半导体行业也十分重要。

半导体行业的基础

在半导体领域，高纯石英的应用更为广泛，从晶圆制造到芯片封装，至少有20道工序依赖这种特殊材料。

从单晶硅生产所需要的5N级石英坩埚和保温桶，当芯片制程进入3nm节点，晶圆加工温度突破1450℃，就需要长时间处于1450℃的温度。

这个温度下普通石英器件会产生纳米级形变，导致曝光精度下降，所以不会形变的高纯度石英坩埚就十分重要，每提升一个制程节点，对石英器件的纯度要求就提高一个数量级。

而且在石英炉管、舟皿的要求上，石英炉管需要承受1000℃的磷扩散环境，同时越光滑越好，任何细微的金属析出都会导致晶圆污染，从而毁坏一大批材料导致数千万美元的损失。

高纯度石英坩埚的表面粗糙度甚至能够小于0.2μm，台积电的实践表明，使用6N级石英炉管可使芯片良率提升0.3%。

同时半导体的光刻工艺也需要这种材料的透明度，就像光刻机使用的光掩模基板中，想要刻出28nm的芯片就需要在193nm的波长下 透光率大于99.5%。

这就要求石英材料在13.5nm波长下的透射损耗小于0.1%。这相当于在1米厚的材料中，光线只能衰减十万分之一，如此苛刻的光学性能，只有超高纯石英才能满足。

但是全球的高纯石英矿分布极不均衡，很多国家都受到了美国的制约。

突破封锁

在美国北卡罗来纳州的斯普鲁斯派恩矿山这里供应着全球90%的高纯度石英。

这种资源的垄断不仅使我们国内的光伏企业进口成本增加，而且如果对面不卖我们国内的半导体企业更是面临"断供"风险。

所以国内一直都在寻找这种高纯度的石英矿，在经过科研人员的不懈努力下，在河南的东秦岭、新疆的阿勒泰等地发现了高纯度石英矿的存在。

这些石英矿与我们常年进口的美国高纯石英矿相似，在中国自然资源部有关负责人的宣布下，我们国内的石英矿能够获取到99.995%的4N5级以上的石英矿，还有一些样品甚至能够达到99.998%的4N8级。

这次的发现让我们直接突破了美国的大部分封锁。

在以前面对着这些天然矿产的局限，我们国内也在不断的寻找突破方向，就像是人工合成石英和氮化硅陶瓷代替石英。

但是短期内这些替代方案是传统高纯度石英的3-5倍，根据行业共识来看，未来十年内高纯石英仍是不可替代的核心材料。

结言

所以我国此次找寻到高纯度石英矿这一消息，能够很好的帮助我们国内高新技术行业的快速发展，同时极大的鼓舞了国内的各种高科技行业。

以前被迫向国外进口高价石英矿，人家卖多少钱咱们就得掏多少钱，还得看人家的脸色，现在在自己的国内就买到石英矿了，再也不用被人“卡脖子”了！