技术详细介绍
项目简介：
1、背景及意义
高纯石英是一种新型的无机非金属材料，主要用于制造大规格光刻基板、光纤支架、全透紫外光学器件、石英坩埚、扩散炉管等高纯石英玻璃，是光通讯、半导体、芯片、新能源太阳能电池、大规模及超大规模集成电路等高技术领域不可缺少的基础材料之一。由于生产原料的特殊性和技术保密等原因，高纯石英及其原料的生产和出口高度集中在世界少数国家和企业中，其中4N8(SiO2含量＞99.998%)及以上高纯石英产品几乎被美国矽比科公司（原尤尼明公司）一家垄断。
我国的高端高纯石英主要依靠进口。从海关进口数据中可以看出：每年主要从美国进口的高纯石英砂基本维持在1万吨以上。但是，近几年自中美经贸摩擦以来，经济政治上的竞合关系直接影响着双方各领域的重大制度安排，贸易的安全性也变得越来越不可琢磨。自2018年以来我国从美国进口高纯石英（≥4N）的数量逐年下降。2020年上半年美国直接出口中国的高纯石英（≥4N）仅为5.62t，这除了受到新疫情的影响外，很大程上受到政治因素的波及。
除美国外，我国高纯石英及其原料在俄罗斯联邦和挪威等国家的贸易通道安全也存在不确定性。俄罗斯总统普京最近签署总统令，要求不再公开高纯石英原料等战略矿产的开采量和使用量，其必然会影响到高纯石英原料的出口政策，我国想要从俄罗斯联邦获取高纯石英及其原料资源也将更加困难。挪威TQC公司所生产的高纯石英及原料，其资源大部分来自于美国Spruce Pine地区，以前阶段美国制裁华为和中芯国际的形势来看，未来我国想要从挪威进口高纯石英及其原料将面临较大风险。
为尽快摆脱长期依赖进口受制于人的被动局面，降低高纯石英及其原料的供应风险，我国各级政府多次相继发文，支持和鼓励发展高纯石英新材料。早在2011年，国务院办公厅发布《找矿突破战略行动纲要（2011～2020年）》就明确将高纯石英等作为战略性新兴产业所需的矿产。由国家发改委牵头、有关部委参与起草的《战略性新兴产业发展“十二五”规划》提出的七大战略新兴产业之一的电子信息新材料中就包含高纯石英材料；“十三五”国家科技创新规划明确指出：要突破新材料基础材料关键技术国产化，其中就包含了光刻玻璃基板、透紫外光学玻璃、新型显示器、石英系光纤光缆材料等光电子材料，高纯石英被列为基础性关键材料国产化目标之一。在2017～2019年版《重点新材料首批次应用示范指导目录》中多次提到高纯石英及其原料。最近四部委联合出台的《关于扩大战略性新兴产业投资培育壮大新增长点增长极的指导意见》（发改高技〔2020〕1409号）中，也明确要求聚焦重点产业领域，加快重点材料、关键芯片、高端元器件等核心技术的攻关。高纯石英及其原料与这些领域息息相关，目前与高纯石英有关的部分核心技术尚未取得突破，有必要将高纯石英相关的核心技术上升到国家战略的角度进行攻关。到2035年，我国要在世界材料强国行列中占有一席之地；围绕保障国家安全、产业安全、科技安全的重大需求，核心系统、关键器件受制于人的问题基本解决；对事关国计民生和国家安全重点领域的器件与材料需求，构建系统性、全方位的支撑保障能力；全面提升材料行业的国际竞争力，基本建成材料自主创新体系。与高纯石英砂紧密相关联的高纯石英玻璃及制品、Si基太阳能电池材料、大尺寸硅半导体材料等已被中国工程院于2017 年 12 月正式启动的“新材料强国 2035 战略研究”列为关键战略材料。
高纯石英材料得到国家层面如如此重视，足见其对国民经济和社会发展及国家安全的影响之大。随着国际政治局势的不断变化，未来我国高纯石英及其原料的贸易通道将面临巨大的不安全性，获取境外的高纯石英资源将越来越困难。因此，必须抓紧自主创新，自主开发高端石英原料制备关键技术，对摆脱依赖进口的被动局面，推动我国高端石英及关联产业发展和国家安全具有重要意义。
2、生产技术现状
国外情况。经过多年持续不断地开发，目前美国矽比科公司的高纯石英砂已形成ITOA-STD、ITOA-4、ITOA-6、ITOA-8、IOTA-CG等全系列产品，纯度SiO2含量从99.998%到99.9992%，可分别满足低膨胀系数低成本半导体石英制品、硅片处理、提单晶硅用半导体石英坩埚、低碱石英制品、扩散管、CZ型坩埚、超高纯石英玻璃、超大规格硅片等不同领域高端石英制品需求，成为世界标准，占据全球高纯石英砂市场份额90%以上，具有绝对性垄断优势。
而我国还在零敲碎打，中低端领域用的石英砂基本实现了国产化，高纯度、高熔点、低铝等高端石英原料还是依赖进口。自20世纪90年代至今，已有不少科研机构及生产企业在高纯石英加工提纯和检测技术等方面投入了大量的研究工作，取得一定成果，初步具有4N高纯石英中端产品的批量生产能力，但与国际先进水平的差距依然很大。除原料自身特性原因外，在生产制备技术方面存在许多不足，有待深入研发。
2、该技术特点及优势
中南冶金地质研究所胡修权教授级高工（TEL018608600895）带领团队经过多年潜心研究，现已形成以天然石英矿物为原料制备超纯石英砂并联产高纯球形硅微粉先进技术及成熟配套方案。具体包括以下四个方面：
一是研究出一套独特的适宜高端石英超纯石英砂生产用特定天然石英矿石科学鉴别方法。经本方法综合评价可以鉴别出石英原矿石品质档次等级。
二是获得高效前体石英砂无污染研磨制造方法，一次磨矿有效粒级石英砂产率达80%以上，保证原料高收率高利用率。
三是获得一套独特成熟超纯石英生产制备技术。前体砂可不经色选、磁选等物理选矿分离除铁工序便可直接进行石英砂的深度提纯，大大减少提纯程序、缩短提纯工序，降低提纯成本，避免冗长环节带来的二次污染。
四是在前体石英砂制备过程中形成的部分过细石英粉不需任何提纯手段便可直接进行超细及球形化，采用特种火焰法球形化技术制备的球形硅微粉纯度可达3N-4N以上，球形率及非晶质化均达到98%以上。经特殊工艺处理可进一步进获得粒径小于3um和1um以下亚纳米及准纳米级球硅微粉。
项目核心创新点：采用自主研发独特的低温等离子体电离气化技术进行深度精炼提纯，可将特定石英砂中流体包裹体羟基、微裂隙及[SiO4]四面体晶格中微痕量杂质金属元素清除，纯度达到5N级以上，达到美国矽比科（前尤尼明）公司IOTA-4高纯石英砂国际先进水平，接近IOTA-6指标，在国内处于领先地位。
项目详细用途：超纯石英砂和球形硅微粉分别能替代进口原料用于高端半导体石英制品及超大规模集成电路封装材料等领域，具有广阔应用前景和无可替代的市场地位。
预期效益说明：采用本技术可使石英矿价值由每吨几十元或几百元提升至几万元甚至十万元以上，利润空间巨大，产生极好的经济效益和社会效益。