高纯石英砂（纯度通常≥99.9%，杂质含量低至 ppm 级）在半导体、光伏、光纤等高端领域应用广泛，但其量产难度较大。目前，全球只有少数公司能够规模化供应高纯度石英砂（HPQ），它们控制着高端石英砂的核心产能，尤其在光伏和半导体领域占据关键地位。高纯石英砂（纯度≥99.9%）的量产对国家战略新兴产业、产业链安全及全球竞争格局具有关键意义。
一、原材料稀缺：矿源高度集中
高纯石英砂的原料主要依赖天然水晶、脉石英、石英岩等矿物，其中杂质（如 Al、Fe、K、Na、Li 等金属离子，以及羟基、包裹体等）含量需极低。全球符合半导体级（99.999% 以上）的矿源集中在美国北卡罗来纳州的 Spruce Pine 矿、挪威的 Telemark 矿等少数地区，国内高纯矿源（如新疆、内蒙古、安徽、江苏等地）储量有限且品质不稳定，部分高端领域仍依赖进口。高品质石英矿的形成条件苛刻（需特定地质构造和热液活动），全球可商业开采的矿点极少。天然矿石中，石英晶体的生长环境（如纯净度、生长速率、地质作用）直接影响杂质含量，优质矿源形成周期长，不可再生，开采后需长期勘探新矿。即使是同一矿脉，不同矿体的杂质分布也不均匀，需通过光学分选、X 射线荧光分析（XRF）等技术逐粒筛选，剔除含包裹体、裂隙或杂质富集的颗粒，分选效率低且成本高。
二、提纯工艺复杂，技术壁垒高
从原矿到高纯砂需经过破碎、筛分、磁选、酸洗（氢氟酸、硝酸、盐酸等混合酸）、高纯水处理、高温焙烧（1000℃以上去除羟基）、气流分级等步骤，稍有不慎即导致产品纯度不达标，每个环节均需严格控制：酸洗：需使用电子级高纯试剂，去除金属离子（如 Fe²⁺、Al³⁺），但酸液配比、反应时间、温度控制不当易导致杂质残留或引入新污染（如酸洗设备材质中的金属溶出）。高温处理：需在高纯氮气或氩气氛围中进行，避免空气中的氧、水汽二次污染，设备能耗高且产能受限。半导体级石英砂要求杂质总含量＜10ppm，部分关键元素（如 B、P、Li）需＜0.1ppm，而原料中这些杂质可能以纳米级包裹体形式存在，传统物理化学方法难以完全去除，需研发新型提纯技术（如微波辅助酸洗、生物浸出等），技术迭代周期长。
三、设备与量产工艺的稳定性难题
生产过程中，设备材质（如不锈钢、陶瓷、聚四氟乙烯）若含有杂质，可能在研磨、酸洗、烘干环节释放金属离子，污染产品。高端产线需使用高纯石英内衬设备、超纯水系统，设备投资成本是普通石英砂产线的 10 倍以上。小规模试验中可通过手工操作、精细分选实现高纯度，但量产时需放大破碎筛分设备、酸洗反应釜等，容易出现物料混合不均匀导致酸洗不彻底；高温焙烧炉内温度梯度差异，导致部分颗粒羟基残留；气流分级时因气压波动，混入粗颗粒或细粉杂质。这些规模化生产中的质量波动问题需通过长期工艺优化才能稳定解决。依赖精密检测技术，需使用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）、原子吸收光谱仪（AAS）、红外光谱（IR）等设备，对每批次产品进行全元素分析（检测项目达 30 + 种），单次检测成本数千元，且检测周期长达数小时，难以实时监控生产过程。有些高端设备长期被欧美企业垄断，中国等后发国家需自主研发或高价进口。高纯石英砂的上游（高纯试剂、特种陶瓷设备）、下游（半导体晶圆、光伏硅片）均需高精度配套，产业链协同效率低，制约量产进度。高纯石英砂生产过程中的环保问题，如酸洗过程产生的废酸（含氟化物、重金属）需配套高成本污水处理设施（如中和沉淀、膜过滤），环保标准提升进一步压缩利润空间，中小企业难以承受。尾矿资源化利用率不足，可从尾矿中回收高纯石英，但提纯技术有待升级。
四、认证周期长：产业链壁垒森严
下游半导体设备厂商对于石英材料要求较高，认证壁垒高企。半导体设备厂商会对高纯石英砂、石英玻璃材料厂商及石英器件加工商进行资质认证，只有通过资质认证的供应商产品才有资格进入下游设备厂商的供应链系统。高端产品的认证流程相对复杂验证周期长达2-3年，且需持续保证批次稳定性。产品能否通过认证是其能否成功大规模放量，提升下游渗透率的核心要素。
五、全球量产高纯石英砂的企业
美国矽比科（Sibelco）旗下Unimin（现属Covia）在当前的全球石英行业中，Sibelco（由Unimin和Santrol于2018年合并为Covia成立，Sibelko是Covia的控股母公司）占据绝对主导地位，是全球最大高纯石英砂生产商。Sibelco拥有超过60年的技术积累，垄断了4N8及以上纯度的高端石英砂产品，即光伏坩埚用砂（内层砂）国际市场。美国尤尼明生产的优质高纯石英砂，广泛应用于电光源、光伏、半导体、光纤、光学等各个领域。尤尼明主要生产和销售石英、长石、霞石正长岩、橄榄石、碳酸钙、粘土、高岭土、石灰和石灰石产品。Sibelco的二氧化硅（石英）是一种高熔点的化学惰性矿物，在玻璃、陶瓷、建筑和冶金领域有着广泛的应用。该公司的二氧化硅产品包括干砂、湿砂、低铁砂和煅烧砂。
尤尼明的方石英是一种高纯度石英的高温多晶型物，是通过在1500°C下煅烧和无铁研磨制成的。Sibelco的方石英在白度和耐用性方面具有很强的优势，使其广泛应用于工程石材、涂料和聚合物。
尤尼明高纯石英砂原料产自北卡罗来纳州Spruce Pine地区的花岗伟晶岩，是全球唯一的白岗岩型高纯石英矿床，形成于 3.8 亿年前的花岗伟晶岩侵入过程，矿石中杂质含量极低，经提纯后二氧化硅纯度可达 99.998% 以上（IOTA-8 标准）。主要矿物为长石和石英，石英含量25%～35%，次要矿物为白云母、石榴石和绿帘石。该矿山最初是用来生产长石和白云母，少部分品质好的石英砂用作建筑用砂，大部分石英砂被丢弃，后来在全球水晶资源枯竭各国寻找水晶替代资源的背景下，尤尼明公司通过改进技术，利用花岗质伟晶岩中的石英生产出了高纯石英，成为全球最重要的高纯石英供应商。采用北卡罗来纳州矿物研究实验室（MRL）研发的化学浮选技术，结合酸浸、高温焙烧等流程，确保杂质元素（如 Al、Fe、K）含量低于 1ppm。根据纯度和应用场景，矽比科将产品分为 IOTA-CG（光伏级）、IOTA-4（半导体级）、IOTA-8（超纯级），其中 IOTA-8 标准成为全球半导体行业的基准。目前，尤尼明公司高纯石英砂产量约3.5万t，2023年公布其2亿美元扩产计划，计划在2023-2025年间增加高纯石英砂产能1.5万吨左右。挪威The Quartz Corp（TQC）全球高纯石英砂第二大供应商挪威The Quartz Corp（TQC）是法国Imerys SAS公司和挪威Norsk Mineral AS公司于2011年合资成立的公司。公司生产高纯石英砂主要应用于半导体、光伏、光学等领域。
挪威TQC公司高纯石英砂原料主要产自美国的Spruce Pine地区的花岗伟晶岩（与美国Unimin公司所用石英原料属同一矿带）和挪威的德拉格花岗伟晶岩，石英资源开采出来后都在挪威加工。TQC 在斯普鲁斯派恩矿区的年许可开采量为 3 万吨，矿石经初步分选后海运至挪威深加工，最终产品纯度与矽比科相当。TQC 与挪威科技大学（NTNU）合作研发新型提纯工艺，目标将杂质含量降低至 0.1ppm 以下，以满足下一代半导体晶圆的需求。挪威德拉格花岗伟晶岩带由数十条伟晶岩矿体组成，伟晶岩呈垂直筒状产于周边花岗片麻岩中，伟晶岩中石英颗粒平均粒径约6mm，石英中流体包裹体和矿物包裹体含量极少，目前探明资源量约26.7万t。TQC 的高纯石英砂主要供应光伏坩埚内层砂（占其产能的 60%）和半导体扩散管，光伏级砂全球市场份额仅次于矽比科。在生产过程中，来自美国的石英资源加工成的高纯石英产品可以达到半导体用砂和光伏用砂要求，而挪威的产品则更适合光学和电光源领域。
石英股份因尤尼明砂长协锁量和TQC扩产保守及国产替代政策推动，石英股份（603688）加速技术突破，成为全球第三大供应商的有力竞争者。石英股份在光源、光伏、光纤、光学及半导体等领域用石英材料的市场及技术位居行业前列。主导产品有高纯石英砂、石英管（棒）、大口径石英扩散管、石英筒、石英锭、石英板等及多种石英器件。在光源领域，公司主要产品有特种光源用石英管、棒，汽车灯光源用石英管、棒，红外光源用石英管；在光纤领域，公司产品有光纤级套管、光纤级炉芯管、光纤级石英管、光纤级石英棒；在半导体领域，主要产品有半导体级石英管、半导体级石英棒、半导体级石英筒、半导体级石英锭、半导体级石英板、石英陶瓷圆坩埚、半导体级石英砂；在光学领域，主要产品有紫外光学用合成石英材料、标准光学用石英材料、红外光学用石英材料；在光伏领域，主要产品有太阳能级石英管、太阳能级石英棒、太阳能级乳白石英锭、太阳能级石英砂等。
石英股份的石英石基本外购，2021年海外采购石英石占比为 93.32%，主要采购于巴西、非洲、印度、美国等国家和地区；主要供应商较为稳定，且签订长期框架协议。截至2022年3月末，公司拥有10500吨/年石英管棒产能、30000吨/年高纯石英砂产能及40000吨/年石英坩埚产能。
石英股份已通过TEL和LAM刻蚀环节石英砂认证，并获取千万级小批量订单，扩散环节石英砂认证已启动，预计明年通过。国内石英砂认证正在进行，预计6月通过，因为晶圆厂迫切希望实现去美国化。半导体石英材料已经通过了日本东京电子株式会社(TEL)和美国LAM等国际主流半导体设备商的认证。Unimin和TQC长期通过技术壁垒和资源控制主导市场，但中国企业的技术突破，市场格局变化，双寡头垄断松动，全球供应链正重组。高纯石英砂的量产难度本质是 “资源+技术+认证”三重壁垒的叠加，任何一环的突破均需长期投入，实现规模量产不仅仅是解决单一材料的供应问题，更是撬动高端制造升级、保障产业安全、激活经济新动能的关键支点。在全球科技竞争与 “双碳” 目标的双重驱动下，其意义已超越材料本身，成为衡量一个国家在半导体、新能源等战略性产业中自主创新能力和国际竞争力的重要标志。随着中国在矿源勘探、技术攻关、政策扶持上的持续投入，量产突破将为 “中国智造” 打开更广阔的市场空间，并重塑全球高纯石英材料的产业版图。
来源：石英产业
