При строгите изисквания за висока прецизност и висока надеждност в полупроводниковата индустрия, въпреки че гранитът е един от основните материали, неговите свойства носят и определени ограничения. Следните са основните му недостатъци и предизвикателства в практическите приложения:
Първо, материалът е много крехък и труден за обработка
Риск от напукване: Гранитът е по същество естествен камък с естествени микропукнатини и граници от минерални частици вътре и е типичен крехък материал. При ултрапрецизна обработка (като наномащабно шлифоване и обработка на сложни извити повърхности), ако силата е неравномерна или параметрите на обработка са неподходящи, е възможно да възникнат проблеми като отчупване и разпространение на микропукнатини, което води до отчупване на детайла.
Ниска ефективност на обработка: За да се избегне крехко счупване, са необходими специални процеси като нискоскоростно шлифоване с диамантени шлифовъчни дискове и магнитореологично полиране. Цикълът на обработка е с 30% до 50% по-дълъг от този на металните материали, а инвестиционните разходи за оборудване са високи (например, цената на петосен обработващ център надвишава 10 милиона юана).
Ограничения на сложните структури: Трудно е да се произвеждат кухи леки конструкции чрез леене, коване и други процеси. Използва се най-вече в прости геометрични форми като плочи и основи, а приложението му е ограничено в оборудване, което изисква неправилни опори или вътрешна интеграция на тръбопроводи.
Второ, високата плътност води до голямо натоварване на оборудването
Трудност при обработка и монтаж: Плътността на гранита е приблизително 2,6-3,0 g/cm³, а теглото му е 1,5-2 пъти по-голямо от това на чугуна при същия обем. Например, теглото на гранитна основа за фотолитографска машина може да достигне от 5 до 10 тона, което изисква специално повдигащо оборудване и удароустойчиви основи, което увеличава разходите за изграждане на фабрика и разполагане на оборудване.
Забавяне на динамичния отговор: Високата инерция ограничава ускорението на движещите се части на оборудването (като роботи за трансфер на пластини). В сценарии, където се изисква бързо стартиране и спиране (като например високоскоростно оборудване за инспекция), това може да повлияе на производствения ритъм и да намали ефективността.
Трето, цената на ремонта и итерацията е висока
Дефектите са трудни за отстраняване: Ако по време на употреба възникне износване на повърхността или повреда от сблъсък, тя трябва да бъде върната във фабриката за ремонт с професионално шлифовъчно оборудване, което не може да се обработи бързо на място. За разлика от това, металните компоненти могат да бъдат ремонтирани незабавно чрез методи като точково заваряване и лазерно наплакване, което води до по-кратко време на престой.
Цикълът на итерация на проектиране е дълъг: Разликите в естествените гранитни жилки могат да причинят леки колебания в свойствата на материала (като коефициент на термично разширение и коефициент на затихване) на различните партиди. Ако дизайнът на оборудването се промени, свойствата на материала трябва да бъдат съобразени отново, а цикълът на проверка на научноизследователската и развойна дейност е сравнително дълъг.
Iv. Ограничени ресурси и екологични предизвикателства
Естественият камък е невъзобновяем: Висококачественият гранит (като „Jinan Green“ и „Sesame Black“, използвани в полупроводниците) разчита на специфични жили, има ограничени запаси и добивът му е ограничен от политиките за опазване на околната среда. С разрастването на полупроводниковата индустрия може да съществува риск от нестабилни доставки на суровини.
Проблеми със замърсяването при обработката: По време на процесите на рязане и шлифоване се отделя голямо количество гранитен прах (съдържащ силициев диоксид). Ако не се обработва правилно, може да причини силикоза. Освен това, отпадъчните води трябва да се пречистват чрез утаяване преди изпускане, което увеличава инвестициите за опазване на околната среда.
Пето. Недостатъчна съвместимост с нововъзникващите процеси
Ограничения на вакуумната среда: Някои полупроводникови процеси (като вакуумно покритие и електроннолъчева литография) изискват поддържане на високо вакуумно състояние вътре в оборудването. Микропорите на повърхността на гранита обаче могат да адсорбират газови молекули, които бавно се освобождават и влияят на стабилността на степента на вакуум. Следователно е необходима допълнителна обработка за уплътняване на повърхността (като импрегниране със смола).
Проблеми с електромагнитната съвместимост: Гранитът е изолационен материал. В сценарии, където се изисква разреждане на статично електричество или електромагнитно екраниране (като например платформи за електростатична адсорбция на пластини), е необходимо да се комбинират метални покрития или проводими филми, което увеличава структурната сложност и разходите.
Стратегия за реагиране на индустрията
Въпреки гореспоменатите недостатъци, полупроводниковата индустрия частично компенсира недостатъците на гранита чрез технологични иновации:
Дизайн на композитна конструкция: Използва се комбинация от „гранитна основа + метална рамка“, като се вземат предвид както твърдостта, така и лекото тегло (например, определен производител на фотолитографски машини вгражда структура от алуминиева сплав тип „пчелна пита“ в гранитната основа, намалявайки теглото с 40%).
Изкуствени синтетични алтернативни материали: Разработване на керамични матрични композити (като силициево-карбидна керамика) и изкуствени камъни на базата на епоксидна смола, за да се симулира термичната стабилност и устойчивостта на вибрации на гранит, като същевременно се подобри гъвкавостта на обработката.
Интелигентна технология за обработка: Чрез въвеждане на алгоритми с изкуствен интелект за оптимизиране на пътя на обработка, симулация на напрежение за прогнозиране на рисковете от пукнатини и комбиниране на онлайн откриване за регулиране на параметрите в реално време, процентът на брак при обработка е намален от 5% до под 1%.
Обобщение
Недостатъците на гранита в полупроводниковата индустрия произтичат основно от играта между неговите естествени свойства и индустриалните изисквания. С напредъка на технологиите и разработването на алтернативни материали, неговите сценарии на приложение могат постепенно да се свият до „незаменими основни референтни компоненти“ (като хидростатични направляващи релси за фотолитографски машини и ултрапрецизни измервателни платформи), като постепенно отстъпват място на по-гъвкави инженерни материали в некритичните структурни компоненти. В бъдеще как да се балансира производителността, цената и устойчивостта ще бъде тема, която индустрията ще продължи да изследва.
Време на публикуване: 24 май 2025 г.