新金路国内首次突破的4N8高纯石英到底多牛-韭研公社

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新金路国内首次突破的4N8高纯石英到底多牛

低位逻辑

躺平的老韭菜

2023-12-29 13:22:10

在光伏和半导体工业中，石英是提炼硅的原料，也被加工成各类重要的工具和耗材。去年在分析暂停天然砂对台湾地区出口与半导体产业的关联时，曾经提到我国的高端高纯石英砂依赖从美国进口。今天，就来具体讲讲这到底是怎么回事。
纯度高于99.9%（3N）的石英被称为高纯石英，在光伏和半导体工业中被用在：

1⃣️直拉法生产单晶硅所用的石英坩埚
2⃣️承载硅片的石英舟，硅片制造过程还要用到s炉管、支架等诸多石英制品
3⃣️光伏多晶硅铸锭所用的熔融石英坩埚

石英，也就是二氧化硅（SiO2），由地壳中最多的两种元素——氧（占地壳总质量的46%）和硅（占28%）组成，但大部分硅和氧其实都以硅酸盐的形式与其他元素（铝、铁、钙、钠、镁、钾等）结合在岩石中，例如长石类矿物占地壳质量的60%，而石英只占地壳12%。

地下的热液会沿着岩石裂隙流动，如果直接在裂隙中结晶成脉状分布的石英，就形成石英脉，又称脉石英（上图为在内蒙古包头郊外的阴山游览时，看到的花岗岩中的脉石英，石英脉的厚度可以从厘米级到十几米），而晶洞其实就分布在石英脉膨大、交叉或拐弯的部位。相比于可遇而不可求的水晶，脉石英是更加可靠的高纯石英资源。湖北黄冈蕲春、安徽宣城旌德和安庆太湖县也是我国重要的高纯脉石英原料产地。即便如此，

高纯石英也只占我国石英资源的不到1%。

采用物理的选矿方法（如利用密度差异来分离的浮选法、利用磁性差异来分离的磁选法等），可以把石英与其他矿物分离。然而，石英晶体在生长过程中会夹带多种杂质，如铁、铝、钛、铬、钾、钠等杂质元素，以杂质颗粒的形式混杂在石英中或取代硅而处于石英晶格内，另外还有水、二氧化碳、甲烷等包裹在石英孔隙中的气液成分。所以说，

高纯石英原料是可遇而不可求的，并且要根据原料特点和纯度要求进行提纯。

熔融石英的一大用途是制造多晶硅铸锭所用的熔融石英坩埚。把熔融石英粉加水配成浆料，采用陶瓷成型工艺（如利用多孔模具吸水的注浆成型、利用有机聚合物交联固化的注凝成型等）做出坩埚生坯，在1200℃左右烧结，使石英颗粒之间相互连接，烧成一个整体（与陶瓷烧结的原理类似）。由于石英颗粒间有大量气孔，散射了光线，因此熔融石英坩埚是不透明的，外观也与普通的瓷器类似（瓷器之所以不像玻璃那样透明，正是因为瓷器内部的颗粒和气孔界面散射了光线）。这种坩埚也被称为石英陶瓷坩埚（虽然它的主要成分是石英玻璃）。

随着单晶硅成本的下降，高效率的单晶硅太阳能电池已经成为光伏市场的主流，半导体硅片也是单晶硅，但单晶硅所用的圆形石英坩埚需要更高纯度的石英原料。

在主流的提拉法单晶硅生产工艺中，把多晶硅料置于坩埚中熔化，在液面上放一小块单晶硅籽晶，引导硅液依附于籽晶凝固，不断旋转、提拉籽晶，就能长出一根粗大的单晶硅棒。这也就意味着，硅液可能把石英坩埚中的杂质带到单晶硅中造成污染，脱落的石英碎片也会影响单晶硅的生长。另外，提拉法的生长速率只有每小时1厘米左右，要长成几米长的单晶硅棒需要数百个小时，对石英坩埚的抗结晶性提出了更高的要求，这也与石英的纯度密切相关。

与硅液直接接触的坩埚内层采用纯度在4N8（99.998%）乃至5N（99.999%）的高纯石英砂

，并且要尽量消除气泡（包括石英原料中的气液包裹体和制造坩埚时产生的气泡），以避免气泡破裂产生杂质，这被称为透明层。外层则可使用4N5（99.995%）的石英砂以降低成本（但仍然需要相当高的纯度，避免高温下杂质向内层扩散），且在制备过程中保留气泡，起到散射热辐射、使坩埚内温度均匀的作用，被称为气泡层。纯度在4N5以上的石英砂被称为超高纯石英砂，其中4N8以上的纯度被认为是高端产品。

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