W obliczu surowych wymagań dotyczących wysokiej precyzji i niezawodności w przemyśle półprzewodnikowym, granit jest jednym z materiałów bazowych, ale jego właściwości niosą ze sobą pewne ograniczenia. Poniżej przedstawiono jego główne wady i wyzwania w praktycznych zastosowaniach:
Po pierwsze, materiał jest bardzo kruchy i trudny w obróbce
Ryzyko pęknięć: Granit to w istocie naturalny kamień z naturalnymi mikropęknięciami i granicami cząstek mineralnych wewnątrz, a także typowo kruchy materiał. W obróbce ultraprecyzyjnej (takiej jak szlifowanie w skali nano i obróbka powierzchni o złożonych zakrzywieniach), jeśli siła jest nierównomierna lub parametry obróbki są nieodpowiednie, istnieje ryzyko wystąpienia problemów, takich jak odpryskiwanie i rozprzestrzenianie się mikropęknięć, co prowadzi do złomowania obrabianego przedmiotu.
Niska wydajność obróbki: Aby uniknąć kruchego pękania, wymagane są specjalne procesy, takie jak szlifowanie wolnoobrotowe tarczami diamentowymi i polerowanie magnetoreologiczne. Cykl obróbki jest o 30–50% dłuższy niż w przypadku materiałów metalowych, a koszty inwestycji w sprzęt są wysokie (na przykład cena pięcioosiowego centrum obróbkowego z mechanizmem łączącym przekracza 10 milionów juanów).
Ograniczenia złożonej konstrukcji: Trudno jest wytwarzać lekkie, puste konstrukcje metodą odlewania, kucia i innymi procesami. Jest on stosowany głównie w prostych kształtach geometrycznych, takich jak płyty i podstawy, a jego zastosowanie jest ograniczone w urządzeniach wymagających nieregularnych podparć lub wewnętrznej integracji rurociągów.
Po drugie, wysoka gęstość powoduje duże obciążenie sprzętu
Trudny w obsłudze i montażu: Gęstość granitu wynosi około 2,6-3,0 g/cm³, a jego waga jest 1,5-2 razy większa niż żeliwa przy tej samej objętości. Na przykład, waga granitowej podstawy maszyny do fotolitografii może sięgać 5-10 ton, co wymaga specjalistycznego sprzętu do podnoszenia i fundamentów odpornych na wstrząsy, co zwiększa koszty budowy fabryki i rozmieszczenia sprzętu.
Opóźnienie reakcji dynamicznej: Wysoka bezwładność ogranicza przyspieszenie ruchomych części urządzeń (takich jak roboty do transferu płytek). W sytuacjach wymagających szybkiego startu i zatrzymania (np. w przypadku urządzeń do inspekcji o dużej prędkości) może to wpłynąć na rytm produkcji i obniżyć wydajność.
Po trzecie, koszty naprawy i iteracji są wysokie
Usterki są trudne do naprawienia: jeśli podczas użytkowania dojdzie do zużycia powierzchni lub uszkodzenia w wyniku kolizji, element należy odesłać do fabryki w celu naprawy za pomocą profesjonalnego sprzętu szlifierskiego, którego nie da się szybko naprawić na miejscu. Natomiast elementy metalowe można naprawić natychmiast, stosując metody takie jak spawanie punktowe i napawanie laserowe, co skraca czas przestoju.
Cykl iteracji projektu jest długi: różnice w naturalnych żyłach granitowych mogą powodować niewielkie wahania właściwości materiału (takich jak współczynnik rozszerzalności cieplnej i współczynnik tłumienia) w różnych partiach. W przypadku zmiany projektu urządzenia, 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) pochodzi z określonych żył, ma ograniczone zasoby, a jego wydobycie jest ograniczone przepisami ochrony środowiska. Wraz z rozwojem przemysłu półprzewodnikowego może pojawić się ryzyko niestabilności dostaw surowców.
Problemy z zanieczyszczeniem w procesie: Podczas cięcia i szlifowania powstaje duża ilość pyłu granitowego (zawierającego dwutlenek krzemu). Niewłaściwe postępowanie z nim może powodować krzemicę. Ponadto ścieki przed odprowadzeniem muszą zostać poddane sedymentacji, co zwiększa nakłady na ochronę środowiska.
Piąty. Niewystarczająca kompatybilność z powstającymi procesami
Ograniczenia środowiska próżniowego: Niektóre procesy półprzewodnikowe (takie jak powlekanie próżniowe i litografia elektronowa) wymagają utrzymania wysokiej próżni wewnątrz urządzenia. Jednak mikropory na powierzchni granitu mogą adsorbować cząsteczki gazu, które są powoli uwalniane i wpływają na stabilność stopnia próżni. Dlatego konieczne jest dodatkowe zagęszczenie powierzchni (np. impregnacja żywicą).
Problemy z kompatybilnością elektromagnetyczną: Granit jest materiałem izolacyjnym. W sytuacjach, w których wymagane jest rozładowanie elektryczności statycznej lub ekranowanie elektromagnetyczne (takie jak platformy adsorpcji elektrostatycznej wafli), powłoki metalowe lub folie przewodzące muszą być łączone, co zwiększa złożoność konstrukcji i koszty.
Strategia reagowania branży
Pomimo wyżej wymienionych niedociągnięć, przemysł półprzewodnikowy częściowo zrekompensował braki granitu dzięki innowacjom technologicznym:
Konstrukcja kompozytowa: Przyjmuje połączenie „bazy 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 granitowej podstawie, 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 przetwarzania.
Inteligentna technologia przetwarzania: dzięki wprowadzeniu algorytmów sztucznej inteligencji (AI) optymalizujących ścieżkę przetwarzania, symulacji naprężeń w celu przewidywania ryzyka 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 rywalizacji między jego naturalnymi właściwościami a wymaganiami przemysłowymi. Wraz z postępem technologii i rozwojem materiałów alternatywnych, jego zastosowania mogą stopniowo zawężać się do „niezastąpionych podstawowych elementów referencyjnych” (takich jak hydrostatyczne szyny prowadzące do fotolitografów i ultraprecyzyjne platformy pomiarowe), stopniowo ustępując miejsca bardziej elastycznym materiałom inżynieryjnym w mniej istotnych elementach konstrukcyjnych. W przyszłości znalezienie równowagi między wydajnością, kosztami i zrównoważonym rozwojem będzie tematem, który branża będzie nadal zgłębiać.
Czas publikacji: 24-05-2025