石英可以形成于巖漿冷卻結(jié)晶過程中，也可以由富含二氧化硅的熱液冷卻后形成。由于石英結(jié)晶時的溫度和壓力條件不同，因此也就形成了低溫石英（α-石英）、高溫石英（β-石英）和柯石英等不同的石英族礦物。其中，自然界分布最廣的是低溫石英（α-石英）。石英是一種礦物，與其他礦物一起組成集合體就形成了各種巖石。以石英作為單礦物的巖石包括：水晶、瑪瑙、蛋白石、脈石英、石英巖、石英砂巖、深海放射蟲硅質(zhì)巖，等等。在這類巖石中，具有經(jīng)濟(jì)開采利用價值的就成為石英礦石。一些含有石英礦物的巖漿巖，如花崗偉晶巖、白崗巖等，所含的石英如果具有經(jīng)濟(jì)開采利用價值，也會作為一種石英的來源礦石。
石英是硅元素的氧化物，分子式是SiO2，由一個硅原子和四個氧原子組成硅氧四面體晶體結(jié)構(gòu)。石英晶體在結(jié)晶過程中以及后來經(jīng)歷的變質(zhì)作用下，經(jīng)常摻雜一些雜質(zhì)元素。這些雜質(zhì)元素有三種來源。
石英晶格結(jié)構(gòu)和晶格雜質(zhì)元素示意圖
第一種來源是晶格雜質(zhì)，例如：鋁、鐵、鈦、鍺、磷、硼等三價、四價或五價離子常常會替代硅原子，占據(jù)硅原子所在的位置，而鋰、鉀、鈉等單價離子常與鋁、鐵、鈦、鍺、磷、硼離子結(jié)合在一起，“漂浮”在硅氧鍵上，來達(dá)到晶體電荷平衡。替代硅原子或處在“漂浮”態(tài)的這些雜質(zhì)元素被稱為石英晶格雜質(zhì)元素。
石英晶體中的包裹體
第二種是包裹體。石英的包裹體究竟是什么呢？石英晶體在結(jié)晶的過程中，由于種種原因，會將一些液體、氣體和固體包裹在晶體中，從而就形成了固、氣、液三種類型的包裹體。這些包裹體中含有的元素不是硅元素，而是鉀、鎂、鈣、鈉等元素，從而也成為石英的雜質(zhì)來源。
第三種雜質(zhì)來源是其他的礦物。因為石英晶體在形成時，石英晶體之間也常常伴生一些其他礦物，例如長石、云母等。這些礦物包含了鉀、鋁、鐵等各種雜質(zhì)元素。
脈石英礦石中的白云母
一般來說，石英的純度越高，雜質(zhì)元素含量越低，質(zhì)量就越好。這是因為，純度高的石英具有更好的耐高溫、耐腐蝕、低熱膨脹性、高絕緣性和透光性等特性，才能滿足半導(dǎo)體芯片、太陽能光伏、精密光學(xué)等高科技產(chǎn)業(yè)的質(zhì)量要求。
不過，不同的雜質(zhì)元素對這些產(chǎn)業(yè)的影響不同。例如：用作半導(dǎo)體和電光源產(chǎn)業(yè)的石英玻璃，鋁、鈉、鉀、鈣、鎂和重金屬元素含量要盡可能低，否則就會影響到這些材料的耐高溫和高絕緣性能；用在光伏行業(yè)的石英坩堝，則要求硼和磷的含量要盡可能低。石英坩堝是拉制大直徑單晶硅必不可少的基礎(chǔ)材料，用于半導(dǎo)體和太陽能光伏產(chǎn)業(yè)；而用在精密光學(xué)中的石英，則要求鐵、鉻、鎳、鈦等金屬元素含量不能過高，否則就會影響透光性。
由于不同產(chǎn)業(yè)對石英的質(zhì)量要求千差萬別，所以，時至今日全世界也沒有統(tǒng)一的高純石英質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。不過，國內(nèi)外的學(xué)者根據(jù)石英在高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用情況，歸納出了一些標(biāo)準(zhǔn)。例如，挪威和美國一些學(xué)者依據(jù)用在半導(dǎo)體和光伏產(chǎn)業(yè)的石英玻璃的質(zhì)量要求，認(rèn)為石英的雜質(zhì)總含量要小于百萬分之50，也就是說SiO2的純度要達(dá)到99.995%以上，才能稱為高純石英。我國一些學(xué)者認(rèn)為SiO2純度達(dá)到99.9%或者99.99%以上的石英，就是高純石英。我國海關(guān)總署在統(tǒng)計進(jìn)口貨物分類時，也把“其他含硅量超過99.99%的硅”單獨(dú)歸為一類，而把低于此數(shù)值的石英歸入“硅砂及石英砂”類。
脈石英的礦床和巖石
既然高純石英只是指純度很高的石英，那么嚴(yán)格來說，可以從天然礦石中提取，或者通過人工合成的方式制得高純石英。不過，從經(jīng)濟(jì)成本和社會消費(fèi)量的角度，人工合成高純石英難以滿足工業(yè)需求。因此，絕大多數(shù)高純石英還是要從天然礦石中制得。根據(jù)當(dāng)前技術(shù)水平，人們可以從脈石英、石英巖、粉石英和偉晶巖等礦產(chǎn)資源中，甚至是一些金屬礦的尾礦中提純出高純石英。
但是，自然界中的高純石英原料礦卻極為稀缺。目前，能夠生產(chǎn)高純石英的礦山主要分布在美國、俄羅斯、挪威和澳大利亞等國。其中，美國北卡羅來納州的斯普魯斯派恩礦山，通過一系列提純流程，從花崗偉晶巖中提純出純度很高的高純/超純石英砂，一度供應(yīng)了全世界100%的半導(dǎo)體級高純石英砂。近些年，各國都在抓緊研究本國的石英礦產(chǎn)資源，開發(fā)先進(jìn)的提純工藝。
石英巖的礦床和巖石
我國對高純石英砂的需求增長迅猛，但絕大部分需要從國外進(jìn)口，每年需花費(fèi)15億美元左右外匯。原因包含多個方面，一方面，國內(nèi)多年來沒有重視石英礦產(chǎn)資源，許多優(yōu)質(zhì)且具有高純石英原料潛力的石英礦，本可以用來生產(chǎn)半導(dǎo)體和光伏產(chǎn)業(yè)等高精尖端產(chǎn)業(yè)所需的零件，卻被用來為玻璃、冶金、建筑裝飾、鋪路等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)提供服務(wù)，資源浪費(fèi)情況極其嚴(yán)重。第二，近年來我國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展極為迅速，需要大量的高純石英砂用來生產(chǎn)石英坩堝等必需的石英消耗品。第三，我國的石英提純工藝相對落后，目前使用的傳統(tǒng)提純工藝，通常只能將原料的含硅量提高到99.9%—99.995%，僅能達(dá)到一些中低端高新產(chǎn)業(yè)要求，難以滿足芯片、光伏等高端產(chǎn)業(yè)的需求。一些新型提純工藝尚處在實驗室階段，無法投入商業(yè)應(yīng)用。
石英礦石
高純石英一般應(yīng)用在高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，包括并不限于以下行業(yè)。
半導(dǎo)體業(yè)。半導(dǎo)體業(yè)對石英純度的要求極高。在半導(dǎo)體生產(chǎn)過程中，無論是提拉法生產(chǎn)單晶硅，還是清洗單晶硅和印制集成電路，都需要用到高純石英砂、硅微粉、多晶硅、石英坩堝和石英玻璃等。可見，半導(dǎo)體工業(yè)的原料和生產(chǎn)過程離不開高純石英及其制品。
照明行業(yè)。高純石英具有高透射性、耐高溫、熱膨脹系數(shù)小等特性，是生產(chǎn)耐高溫石英燈管的基礎(chǔ)原料，常用來生產(chǎn)耐高溫、性能好的燈具，如：鹵素?zé)?、紫外燈、高溫汞燈和氙燈等?/span>
通信行業(yè)。在通信行業(yè)中，石英玻璃廣泛用于光纖和其他光電設(shè)備。在微電子工業(yè)中，其主要應(yīng)用是用作電子部件的環(huán)氧模塑化合物（EMC）中的填料。
光學(xué)領(lǐng)域。在光學(xué)領(lǐng)域，高純石英可滿足許多需求，可用于高性能的光學(xué)儀器，如：高清晰度、高透光率的光學(xué)透鏡；高精度顯微光學(xué)儀器；準(zhǔn)分子激光光學(xué)系統(tǒng)、投影儀和其他特殊設(shè)備等。
光伏行業(yè)。作為一種新能源，太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有助于減少使用化石燃料，降低人類活動產(chǎn)生的二氧化碳排放量，對助力國家實現(xiàn)“碳達(dá)峰”“碳中和”的目標(biāo)具有重要的戰(zhàn)略價值。光伏產(chǎn)業(yè)需要消耗大量的高純石英，生產(chǎn)1公斤適合制造太陽能電池的硅，需要約15公斤高純石英。在單晶硅的生產(chǎn)過程中高純石英砂的消耗要高出單晶硅產(chǎn)量的5%左右。
通過上述的介紹，相信大家能夠看出，雖然石英是一種非常普通且常見的礦物，但高純石英卻是一種稀缺的礦物原料，是新能源、新材料等新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域不可缺少的礦物資源。保障高純石英供應(yīng)渠道、建立自主供應(yīng)鏈，對國家安全和經(jīng)濟(jì)社會運(yùn)行，以及國與國之間的競爭都具有至關(guān)重要的戰(zhàn)略價值。因此，我國需要加大對高純石英原料礦石的質(zhì)量評價和潛力評估，對優(yōu)質(zhì)石英原料進(jìn)行保護(hù)性開采，并且研發(fā)先進(jìn)的提純工藝技術(shù)流程，力爭早日實現(xiàn)高純石英砂和超純石英砂的規(guī)模性商業(yè)生產(chǎn)，保障國家高純石英供應(yīng)安全。