W obliczu surowych wymagań wysokiej precyzji i wysokiej niezawodności w przemyśle półprzewodnikowym, chociaż granit jest jednym z podstawowych materiałów, jego właściwości również niosą ze sobą pewne ograniczenia. Oto jego główne wady i wyzwania w praktycznych zastosowaniach:
Po pierwsze, materiał jest bardzo kruchy i trudny w obróbce
Ryzyko pękania: Granit jest zasadniczo naturalnym kamieniem z naturalnymi mikropęknięciami i granicami cząstek mineralnych wewnątrz i jest typowym kruchym materiałem. W obróbce ultraprecyzyjnej (takiej jak szlifowanie w skali nano i złożona obróbka powierzchni zakrzywionych), jeśli siła jest nierównomierna lub parametry obróbki są nieodpowiednie, mogą wystąpić problemy takie jak odpryskiwanie i rozprzestrzenianie się mikropęknięć, co prowadzi do złomowania przedmiotu obrabianego.
Niska wydajność przetwarzania: Aby uniknąć kruchego pękania, wymagane są specjalne procesy, takie jak szlifowanie przy niskiej prędkości za pomocą diamentowych tarcz ściernych i polerowanie magnetoreologiczne. Cykl przetwarzania jest o 30% do 50% dłuższy niż w przypadku materiałów metalowych, a koszt inwestycji w sprzęt jest wysoki (na przykład cena pięcioosiowego centrum obróbczego przekracza 10 milionów juanów).
Ograniczenia złożonej struktury: Trudno jest produkować lekkie, puste struktury poprzez odlewanie, kucie i inne procesy. Jest on najczęściej stosowany w prostych kształtach geometrycznych, takich jak płyty i podstawy, a jego zastosowanie jest ograniczone w sprzęcie, który wymaga nieregularnych podpór lub wewnętrznej integracji rurociągów.
Po drugie, wysoka gęstość powoduje duże obciążenie sprzętu
Trudne w obsłudze i instalacji: Gęstość granitu wynosi około 2,6-3,0 g/cm³, a jego waga jest 1,5-2 razy większa od wagi żeliwa przy tej samej objętości. Na przykład waga granitowej podstawy maszyny do fotolitografii może sięgać 5 do 10 ton, co wymaga specjalnego sprzętu podnoszącego i odpornych na wstrząsy fundamentów, co zwiększa koszty budowy fabryki i rozmieszczenia sprzętu.
Opóźnienie odpowiedzi dynamicznej: Wysoka bezwładność ogranicza przyspieszenie ruchomych części sprzętu (takich jak roboty do transferu płytek). W scenariuszach, w których wymagany jest szybki start i zatrzymanie (takich jak sprzęt do szybkiej inspekcji), może to wpłynąć na rytm produkcji i zmniejszyć wydajność.
Po trzecie, koszty napraw i iteracji są wysokie
Wady są trudne do naprawienia: Jeśli podczas użytkowania nastąpi zużycie powierzchni lub uszkodzenie kolizyjne, należy odesłać urządzenie do fabryki w celu naprawy za pomocą profesjonalnego sprzętu szlifierskiego, którego nie można szybko naprawić na miejscu. Natomiast elementy metalowe można naprawić natychmiast za pomocą metod takich jak spawanie punktowe i nakładanie laserowe, co skutkuje krótszym przestojem.
Cykl iteracji projektu jest długi: Różnice w naturalnych żyłach granitowych mogą powodować niewielkie wahania właściwości materiału (takich jak współczynnik rozszerzalności cieplnej i współczynnik tłumienia) różnych partii. Jeśli projekt sprzętu ulegnie zmianie, właściwości materiału muszą zostać ponownie dopasowane, a cykl weryfikacji badań i rozwoju jest stosunkowo długi.
IV. Ograniczone zasoby i wyzwania środowiskowe
Kamień naturalny jest nieodnawialny: Wysokiej jakości granit (taki jak „Jinan Green” i „Sesame Black” używany w półprzewodnikach) opiera się na określonych żyłach, ma ograniczone rezerwy, a jego wydobycie jest ograniczone przez politykę ochrony środowiska. Wraz z rozwojem przemysłu półprzewodnikowego może istnieć ryzyko niestabilnej podaży surowców.
Problemy z zanieczyszczeniem przetwarzania: Podczas procesów cięcia i szlifowania powstaje duża ilość pyłu granitowego (zawierającego dwutlenek krzemu). Jeśli nie jest on odpowiednio obsługiwany, może powodować krzemicę. Ponadto ścieki muszą zostać oczyszczone przez sedymentację przed odprowadzeniem, co zwiększa inwestycje w ochronę środowiska.
Piątka. Niewystarczająca zgodność z powstającymi procesami
Ograniczenia środowiska próżniowego: Niektóre procesy półprzewodnikowe (takie jak powlekanie próżniowe i litografia wiązką elektronów) wymagają utrzymania wysokiego stanu próżni wewnątrz urządzenia. Jednak mikropory na powierzchni granitu mogą adsorbować cząsteczki gazu, które są powoli uwalniane i wpływają na stabilność stopnia próżni. Dlatego też konieczne jest dodatkowe zagęszczanie powierzchni (takie jak impregnacja żywicą).
Problemy ze zgodnością elektromagnetyczną: Granit jest materiałem izolacyjnym. W scenariuszach, w których wymagane jest wyładowanie elektryczności statycznej lub ekranowanie elektromagnetyczne (takie jak platformy adsorpcji elektrostatycznej płytek), powłoki metalowe lub przewodzące folie muszą być złożone, co zwiększa złożoność strukturalną i koszty.
Strategia reagowania branży
Pomimo wyżej wymienionych niedociągnięć, przemysł półprzewodnikowy częściowo zrekompensował braki granitu dzięki innowacjom technologicznym:
Konstrukcja kompozytowa: Przyjmuje połączenie „podstawy granitowej + ramy metalowej”, biorąc pod uwagę zarówno sztywność, jak i lekkość (na przykład pewien producent maszyn do fotolitografii osadza strukturę plastra miodu ze stopu aluminium w podstawie granitowej, co zmniejsza wagę o 40%).
Sztuczne materiały alternatywne: Opracowywanie kompozytów z matrycą ceramiczną (takich jak ceramika z węglika krzemu) oraz sztucznych kamieni na bazie żywicy epoksydowej w celu symulacji stabilności termicznej i odporności na wibracje granitu, przy jednoczesnym zwiększeniu elastyczności obróbki.
Inteligentna technologia przetwarzania: dzięki wprowadzeniu algorytmów AI optymalizujących ścieżkę przetwarzania, symulacji naprężeń przewidujących ryzyko pęknięć oraz połączeniu wykrywania online w celu dostosowywania parametrów w czasie rzeczywistym, wskaźnik braków w przetwarzaniu został zmniejszony z 5% do poniżej 1%.
Streszczenie
Niedostatki granitu w przemyśle półprzewodnikowym wynikają zasadniczo z gry między jego naturalnymi właściwościami materiałowymi a wymaganiami przemysłowymi. Wraz z postępem technologii i rozwojem alternatywnych materiałów, scenariusze jego zastosowań mogą stopniowo zawężać się w kierunku „niezastąpionych podstawowych komponentów odniesienia” (takich jak hydrostatyczne szyny prowadzące do maszyn fotolitograficznych i ultraprecyzyjnych platform pomiarowych), stopniowo ustępując miejsca bardziej elastycznym materiałom inżynieryjnym w niekrytycznych komponentach konstrukcyjnych. W przyszłości kwestia równowagi między wydajnością, kosztami i zrównoważonym rozwojem będzie przedmiotem dalszych badań branży.
Czas publikacji: 24-05-2025