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/ 石英矿业：半导体行业的支柱 /
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石英矿业在多个行业中发挥着关键作用，尤其是在半导体行业。石英主要由二氧化硅（SiO₂）组成，是地球上最丰富的矿物之一，也是制造半导体的基本材料——硅的主要来源。
本文将概述石英矿业的相关内容、其加工过程以及在全球半导体行业中扮演的重要角色。
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石英有多种类型，每种类型的开采用途各不相同：
晶体石英：透明的石英晶体因其美观和电气特性广泛用于珠宝和电子产品中。
隐晶质石英：如玉髓和玛瑙，这类石英常用于装饰物品。
硅砂：高纯度硅砂经过加工后用于玻璃制造、铸造厂和石油开采中的水力压裂。
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石英通常通过两种主要的采矿方法进行开采：
3.1
A. 露天采矿
露天采矿是最常见的石英开采方法。这种技术通过移除覆盖层（包括土壤和岩石）来接近地表的石英矿床。使用反铲、推土机等重型机械清理区域并暴露石英脉。一旦暴露，矿工使用镐和凿等手工工具提取矿物。在某些情况下，可能会使用炸药来破碎坚硬的岩石结构，但由于石英对热冲击敏感，这种情况相对较少。
3.2
B. 地下采矿
当石英矿床位于地下深处时，会采用地下采矿技术。这种方法需要广泛的隧道挖掘，通常比露天采矿更复杂且成本更高。选择露天采矿还是地下采矿取决于石英矿床的深度、地质条件和经济考量。
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石英采出后，需要经过几个步骤的加工才能为不同用途做好准备：
4.1
A. 破碎
开采出的石英首先通过颚式或圆锥破碎机等破碎设备将其破碎成较小的碎片。这一步骤减小石英的尺寸，使后续加工更加高效。
4.2
B. 筛分
破碎后的石英进行筛分，将其按预定用途分成不同的尺寸。筛分确保石英满足下游应用的特定尺寸要求。
4.3
C. 纯化
根据最终产品的不同，石英可能还需进一步纯化。采用磁选、泡沫浮选或酸浸等技术去除杂质，提高石英的纯度。
4.4
D. 干燥与包装
纯化后的石英经过干燥并包装，以便分发到各个行业，包括建筑（用于混凝土）、电子（用于组件）和装饰用途（用于珠宝）。
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全球范围内，重要的石英矿床主要位于以下地区：
美国：阿肯色州因其高质量的石英晶体而闻名。
巴西：是天然石英晶体的主要生产国。
印度：印度的多个邦拥有大量的晶体石英和硅砂储备。
美国北卡罗来纳州：特别是斯普鲁斯派恩镇，这里对半导体行业至关重要。
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6.1
A. 著名石英矿场
韦格纳石英晶体矿（阿肯色州）：一家家族经营的矿场，提供游客挖掘自己石英晶体的机会。罗恩·科尔曼矿业（阿肯色州）：以生产大型石英簇而闻名，游客可以通过尾矿堆挖掘石英晶体。阿凡特矿业费舍尔山：全球最大的石英晶体开采公司，拥有 23 座矿场，覆盖超过 12,000 英亩的土地。甜蜜投降晶体矿（阿肯色州）：一个运营中的商业矿场，允许游客在自然环境中寻找石英晶体。双溪晶体矿（阿肯色州）：一家家族经营的矿场，提供各种适合爱好者的挖掘选择。
6.2
B. 主要石英晶体供应公司
Unique Crystal Minerals（印度拉贾斯坦邦）：一家主要生产和供应石英产品的公司，包括砂粒、石英块和石英粉。Zillion Sawa Minerals Pvt. Ltd.（印度拉贾斯坦邦）：专注于为玻璃制造和家居内饰行业提供高质量的石英石。Baba Quartz（印度拉贾斯坦邦）：生产用于台面、地板和墙面覆层的工程石英表面，并拥有全球分销网络。
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斯普鲁斯派恩是北卡罗来纳州一个关键的石英矿区，Sibelco North America 和 The Quartz Corp 在此运营。这些公司是半导体制造中所需的超纯石英的重要供应商。
7.1
A. 斯普鲁斯派恩石英的重要性
独特的纯度：斯普鲁斯派恩石英具有卓越的纯度，通常超过 99.99999999%，使其在制造硅晶圆中不可或缺。供应链依赖性：由于没有已知的替代品能与其质量和成本效益相匹敌，斯普鲁斯派恩成为半导体供应链中的一个关键瓶颈。它供应了全球约 70% 的半导体生产所需的高纯度石英（HPQ）。地质意义：斯普鲁斯派恩石英独特的地质历史使其具有无与伦比的纯度，成为半导体制造中的稀有资源。
7.2
B. 赫伦飓风的影响
2024 年 9 月底，赫伦飓风对斯普鲁斯派恩造成了严重影响，导致大范围的洪水、停电和基础设施损坏。因此，Sibelco North America 和 The Quartz Corp 于 2024 年 9 月 26 日不得不暂停其采矿作业。此次中断突显了半导体供应链的脆弱性，特别是斯普鲁斯派恩在全球半导体生产中高纯度石英供应方面的关键角色。
7.3
C. 恢复与未来影响
两家公司尚未提供恢复运营的明确时间表，原因是它们仍在努力恢复基本服务并确保员工安全。预计恢复期可能需要数周至数月，具体取决于电力、通信系统和交通路线的恢复情况。长期的中断可能需要寻找替代石英来源或开发新的供应链，可能会增加成本并影响全球的半导体生产。
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Czochralski 工艺是半导体行业中用于生长单晶硅的关键方法，这对于制造硅晶圆至关重要。
该工艺在很大程度上依赖于斯普鲁斯派恩的超纯石英，主要原因如下：
8.1
A. 熔融石英坩埚
高纯度：斯普鲁斯派恩石英用于制造能够承受 1,400°C 高温的坩埚，在多晶硅的熔化过程中使用。防止污染：斯普鲁斯派恩石英的卓越纯度确保了熔融硅不会受到杂质污染，从而保持硅晶圆的完整性。
8.2
B. 纯度要求
即使是微小的杂质也会严重影响硅晶圆的电学性能。因此，斯普鲁斯派恩的高质量石英对于确保晶圆符合严格的行业标准至关重要。
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除了石英之外，几种其他材料在半导体晶圆的生产中也是不可或缺的：
硅：半导体晶圆的主要材料，来源于高纯度石英。硅是大多数半导体器件的基底。
锗：由于其优于硅的电子迁移率，锗常用于某些高速器件中作为基底材料。
砷化镓（GaAs）：以其卓越的电子迁移率著称，用于高频应用，如射频（RF）器件和发光二极管（LED）。
碳化硅（SiC）：由于其宽禁带和高热导率，在高功率和高温应用中越来越受欢迎。
磷化铟（InP）：主要用于高频和光电子应用，特别是在光纤通信系统中。
氮化镓（GaN）：对高功率和高频应用至关重要，例如电力电子和射频设备。
蓝宝石（Al₂O₃）：用作生长氮化镓层的基底，对于制造 LED 和其他光电器件至关重要。
氧化锌（ZnO）：因其宽禁带和高电子迁移率，正在探索用于透明导电薄膜和光电设备中。
金刚石：由于其卓越的热导率和宽禁带，金刚石正被研究用于未来的高性能电子设备。
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石英矿业需要负责任的资源管理，以尽量减少对环境的影响。可持续的采矿实践包括：
进行全面的环境影响评估，以识别潜在风险并制定减缓策略。
通过回收和高效的加工技术，尽量减少水资源的使用。
采取适当的废物管理措施，包括废水处理和矿业副产品的安全处置。
通过植被恢复和土地复原工作，修复被采矿破坏的区域。
半导体行业也强调回收硅和其他材料以减少废物并促进可持续发展。这包括：
从废弃的晶圆和锭中回收硅，用于太阳能电池板或其他用途。
从报废的电子设备中回收金、银、钯等贵金属。
实施闭环系统，尽量减少制造过程中有害物质的释放。
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11.1
A. 替代材料
虽然硅仍然是半导体中的主导材料，但研究人员正在探索如氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）等替代材料在特定应用中的优势。这些材料在功率处理、高频操作和温度耐受性方面表现出色。
11.2
B. 先进采矿技术
采矿技术的创新旨在提高石英开采的效率并减少环境足迹。这些技术包括：
自动化采矿设备，提高生产效率和安全性。
先进的传感器技术，用于实时监控采矿作业和环境条件。
数据分析和人工智能，用于优化资源开采并减少浪费。
11.3
C. 供应链韧性
赫伦飓风引发的中断突显了半导体行业对更具韧性的供应链的需求。应对风险的策略包括：
多样化石英来源，减少对单一矿区的依赖。
投资替代材料，以在供应链中断时提供选择。
加强矿业公司、半导体制造商和政府之间的合作，以确保关键材料的稳定供应。
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石英矿业是半导体行业不可或缺的一部分，作为硅的主要来源，硅是现代电子设备的支柱。通过提取和纯化石英制成高纯度硅，使得生产从智能手机到计算机再到先进医疗设备和可再生能源技术的半导体设备成为可能。
2024 年赫伦飓风对北卡罗来纳州斯普鲁斯派恩的影响，突显了石英矿业在全球技术制造中的关键作用，以及供应链中的脆弱性。随着对半导体需求的持续增长，石英矿业和可持续发展实践的重要性愈加凸显。应对供应链韧性、环境可持续性和技术创新的挑战将是半导体行业及其无数应用未来发展的关键。
