元素鉱物は単独の元素や合金から成る特殊な鉱物群です。自然金や自然銀など30種類以上が存在し、金属・半金属・非金属に分類されます。それぞれの特徴や産地、希少性について知っていますか?
石英の用途（工業）：半導体製造・光ファイバー・高純度材料の活用
石英は半導体、光学、化学など多様な工業分野で活用される重要な素材です。その優れた耐熱性、化学安定性、光透過性が産業を支える理由とは何でしょうか？
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石英の工業用途
石英の半導体製造における用途
半導体産業において石英は製造工程の中核を担う素材として欠かせない存在です。シリコンウェハを製造する際には、約1420℃で多結晶シリコンを溶融するための石英ルツボが使用されます。この石英ルツボは金属不純物の濃度がppb（10億分の1）レベル以下に高純度化された環境を維持できるため、半導体の電気特性を左右する重要な役割を果たしています。
参考）https://doujinsangyo.jp/quartzglass/
半導体製造装置の内部パーツとしても石英は多用されており、炉心管、ボート、キャップ、洗浄槽、チャンバー、トレイなど多岐にわたります。これらの部品は高温環境や化学薬品に晒されるため、石英の優れた耐熱性と化学安定性が不可欠です。特に石英槽は半導体の洗浄工程や熱処理工程で使用され、その高い純度と化学的安定性により製造プロセスの品質を保証しています。
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フォトマスク基板としての石英は、半導体の露光工程において極めて重要な役割を担います。透過性が高く熱膨張が少ない石英ガラスをフォトマスクの基板に使用することで、ナノメートル精度の回路パターン形成が可能になります。合成石英は天然石英よりも高純度であり、99.99%以上の純度を持つため、最先端の半導体製造に適しています。
参考）フォトマスクの作り方！半導体製造に不可欠なプロセスを徹底解説…
石英は半導体市場全体の約40%を石英装置が占め、約30%を石英基板が占めるなど、市場における存在感も大きくなっています。2022年には半導体石英ガラス材料の世界市場規模が約30億米ドルに達すると予想されており、その需要は今後も拡大が見込まれます。
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石英の光学・通信分野での用途
光学分野において石英ガラスは、その優れた光透過性により重要な役割を果たしています。合成石英の使用波長は200～2500nmで、紫外線から赤外線まで広範囲の光を透過させることができます。可視光領域では透過率が93～94%に達し、特に紫外線領域でも80%以上の高い透過率を維持するため、精密光学機器に最適な素材とされています。
参考）半導体製造における石英のさまざまな用途 - ニュース - セ…
光ファイバーのコア材には高純度石英が使用され、長距離通信における低損失化を実現しています。石英ガラスは伝送損失が小さく、広帯域の長距離伝送用通信ケーブルの材料として不可欠です。特にSUPRASIL-F300と呼ばれる高純度石英は、包含泡や異物、金属不純物がないため高強度で長尺の光ファイバを高収率で製造できます。
参考）光ファイバ用途｜信越石英株式会社
医療用レーザー機器や半導体製造用露光装置では、波長のわずかな変動にも耐える光学部材が必要とされ、石英はこの厳しい条件を満たします。レンズ、ミラー、プリズム、ウィンドウなど各種光学素子の材料としても広く採用されており、その用途は多岐にわたります。紫外線透過フィルターや分光器の窓材としても石英ガラスは活躍しており、その高い透過性能が評価されています。
参考）光学用石英ガラス
通信分野では、5G基地局やデータセンターの高帯域化に伴い、光学部品の性能要件が厳しくなっています。石英は広い周波数範囲で電気絶縁性とマイクロ波透過性の両方を保持できるため、次世代通信インフラを支える素材として期待されています。
参考）石英の性質 href="https://www.momentivetech.co.jp/quartz-properties-copy" target="_blank">https://www.momentivetech.co.jp/quartz-properties-copyamp;#8211; Momentive Techno…
石英の高純度材料としての特性と用途
石英は製造方法により天然（溶融）石英と合成石英の2種類に大別されます。天然石英は天然の水晶を原料として精製した石英粉から作られ、純度は99.9%以上です。一方、合成石英は超高純度の四塩化珪素（SiCl4）を原料に化学的に合成され、純度は99.99%以上に達します。この高純度性が、合成石英を最先端の電子機器や精密機器に適した素材としています。
参考）石英ガラスとは？特徴や用途について - 株式会社安中特殊硝子…
石英ガラスに含まれる金属不純物の量は極めて少なく、多いもので数十ppm（10万分の1）、少ないものでは10ppb（1億分の1）以下という驚異的な純度を誇ります。この高純度特性により、石英は半導体製造における汚染リスクを最小限に抑え、デバイスの歩留まりと生産効率を向上させます。
参考）https://patents.google.com/patent/JP6347019B1/ja
電気的特性においても石英は優れており、溶融石英の導電性はイオン性であり、アルカリイオンが微量成分としてしか存在しないため、電気絶縁性に優れた誘電体特性を持ちます。350℃における電気抵抗は7×10⁹Ω-cmに達し、誘電損失係数は20℃、1MHzで0.0004未満という非常に低い値を示します。これらの特性により、石英は高温環境下での電気絶縁材料としても重宝されています。
化学産業では、石英ガラスの優れた化学耐性が活用されています。腐食性の高い液体や薬品を扱う容器、パイプライン、反応器などに石英が使用され、高温環境においても安定性を保つため高温熱交換器や燃焼器具の部品としても利用されています。理化学用途では、フラスコ、ビーカー、シャーレ、試験管などの実験器具に古くから採用されており、その高耐熱性、高耐薬品性、低熱膨張性の特徴が評価されています。
参考）石英ガラスの特性と研削方法｜研削技術サイト - ジェイテクト…
石英の建設・コンクリート産業での用途
建設業界において石英砂は、コンクリート、セメント系材料、道路建設材料の重要な構成要素として使用されています。石英粉は耐久性、耐薬品性、汎用性を備えており、高性能コンクリートの性能向上に貢献します。石英微粉末を添加することで、コンクリートの強度や耐久性が向上し、建設材料としての品質が高まることが確認されています。
参考）石英粉末市場の展望：成長傾向、課題、機会（2024-2034…
人造大理石やセメント物理試験材料（標準セメント砂）としても石英は広く活用されており、その安定した物性が評価されています。石英は化学的に危険ではない重要な工業用鉱物原料であり、ガラス製造、鋳造、セラミック、耐火材料などにも使用される多目的な素材です。
参考）業界別石英砂の用途トップ10：用途とメリット
特筆すべきは、液体ガラス（主成分が二酸化ケイ素SiO2）を混和剤として生コンに配合することで、コンクリート自体が石英ガラス状に硬化し、劣化防止効果が得られる技術が開発されている点です。この技術により、高硬度、耐水性、耐候性、変質変色の防止が実現し、永久的に新品同様の状態を維持できる非劣化コンクリートの製造が可能になります。二酸化ケイ素はガラスを主成分とし風化に強い特長があるため、構造物の長寿命化に寄与します。
ロシアの石英砂岩を使用した研究では、鉱山廃棄物を建設材料として活用することで、コスト削減と廃棄物の有効利用を同時に実現できることが示されています。このように石英は、環境配慮型の建設材料としても注目を集めています。
参考）https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC7730853/
石英の未来技術分野での用途展望
電気自動車（EV）と再生可能エネルギー分野において、石英はパワー半導体（SiCやGaNなど）の製造に多用されています。高温プロセスや化学処理に耐える拡散炉管、反応容器、光学窓などには、耐熱性と化学安定性に優れた石英が最適とされており、次世代エネルギー技術を支える重要な素材として期待されています。
太陽光発電分野では、石英ガラス材料が重要な役割を果たしており、現在、半導体と太陽光発電が石英ガラス市場の主な成長エンジンとなっています。石英は優れた機械的、熱的、光学的、化学的特性を備えているため、太陽電池パネルの製造工程でも広く使用されています。
量子技術や宇宙開発の分野でも石英の利用が進んでいます。量子コンピュータでは極低温かつ高真空環境での光学制御が必要であり、熱膨張が小さく高純度な石英が採用されます。宇宙産業では、量子コンピューティングを活用したロケット燃料や宇宙機の耐熱材料を分子レベルから設計する研究が進んでおり、より効率的な推進システムや軽量で高強度の宇宙機材料の開発が加速すると期待されています。
参考）量子コンピューティングが変える宇宙ビジネスの未来｜宇宙ビジネ…
半導体製造の高度化により、製造装置や部材に求められる精度はナノメートル単位にまで引き上げられています。露光工程では極めて高い光学精度が必要とされ、耐熱性、寸法安定性、光透過性を兼ね備えた石英は、依然として最適な素材として位置づけられています。技術の進歩とともに石英の用途はさらに広がり、未来の産業を支える基盤材料としての重要性が増していくことでしょう。