Згідно з суворими вимогами високої точності та надійності в напівпровідниковій промисловості, хоча граніт є одним з основних матеріалів, його властивості також мають певні обмеження. Нижче наведено його основні недоліки та проблеми в практичному застосуванні:
По-перше, матеріал дуже крихкий і важко обробляється
Ризик розтріскування: Граніт – це, по суті, природний камінь з природними мікротріщинами та межами мінеральних частинок всередині, і це типовий крихкий матеріал. При надточній обробці (наприклад, нанорозмірному шліфуванні та обробці складних криволінійних поверхонь), якщо сила нерівномірна або параметри обробки невідповідні, схильні до виникнення таких проблем, як відколи та поширення мікротріщин, що призводить до пошкодження заготовки.
Низька ефективність обробки: щоб уникнути крихкого руйнування, потрібні спеціальні процеси, такі як низькошвидкісне шліфування алмазними шліфувальними кругами та магнітореологічне полірування. Цикл обробки на 30%-50% довший, ніж у металевих матеріалів, а інвестиційні витрати на обладнання високі (наприклад, ціна п'ятиосьового обробного центру з шарнірним механізмом перевищує 10 мільйонів юанів).
Обмеження складних конструкцій: важко виготовляти порожнисті легкі конструкції за допомогою лиття, кування та інших процесів. Вони здебільшого використовуються у простих геометричних формах, таких як плити та основи, а їх застосування обмежене в обладнанні, яке вимагає нерівних опор або внутрішньої інтеграції трубопроводів.
По-друге, висока щільність призводить до великого навантаження на обладнання
Складність обробки та встановлення: щільність граніту становить приблизно 2,6-3,0 г/см³, а його вага в 1,5-2 рази більша, ніж у чавуну при тому ж об'ємі. Наприклад, вага гранітної основи для фотолітографічної машини може сягати від 5 до 10 тонн, що вимагає спеціального підйомного обладнання та ударостійких фундаментів, що збільшує вартість будівництва заводу та розгортання обладнання.
Затримка динамічної реакції: Висока інерція обмежує прискорення рухомих частин обладнання (наприклад, роботів для перенесення пластин). У сценаріях, де потрібен швидкий запуск і зупинка (наприклад, високошвидкісне інспекційне обладнання), це може вплинути на ритм виробництва та знизити ефективність.
По-третє, вартість ремонту та ітерації висока
Дефекти важко виправити: якщо під час використання виникає знос поверхні або пошкодження від зіткнення, його необхідно повернути на завод для ремонту за допомогою професійного шліфувального обладнання, з яким неможливо швидко впоратися на місці. Натомість металеві компоненти можна негайно відремонтувати за допомогою таких методів, як точкове зварювання та лазерне напилення, що призводить до скорочення часу простою.
Цикл ітерацій проектування є тривалим: відмінності в природних гранітних прожилках можуть спричиняти незначні коливання властивостей матеріалу (таких як коефіцієнт теплового розширення та коефіцієнт демпфування) різних партій. Якщо конструкція обладнання змінюється, властивості матеріалу необхідно повторно узгодити, а цикл перевірки досліджень та розробок є відносно тривалим.
Iv. Обмежені ресурси та екологічні проблеми
Природний камінь невідновлюваний: високоякісний граніт (такий як «Цзінанський зелений» та «Чорний кунжут», що використовується в напівпровідниках) походить з певних жили, має обмежені запаси, а його видобуток обмежений політикою охорони навколишнього середовища. З розширенням напівпровідникової промисловості може виникнути ризик нестабільних поставок сировини.
Проблеми забруднення під час обробки: під час процесів різання та шліфування утворюється велика кількість гранітного пилу (що містить діоксид кремнію). Якщо з ним не поводитися належним чином, він може спричинити силікоз. Крім того, стічні води необхідно очищати шляхом відстоювання перед скиданням, що збільшує інвестиції в охорону навколишнього середовища.
П'ять. Недостатня сумісність з новими процесами
Обмеження вакуумного середовища: Деякі напівпровідникові процеси (такі як вакуумне покриття та електронно-променева літографія) вимагають підтримки високого вакууму всередині обладнання. Однак мікропори на поверхні граніту можуть адсорбувати молекули газу, які повільно вивільняються та впливають на стабільність ступеня вакууму. Тому необхідна додаткова обробка поверхні ущільненням (наприклад, просочення смолою).
Проблеми електромагнітної сумісності: Граніт є ізоляційним матеріалом. У випадках, коли потрібне розрядження статичної електрики або електромагнітне екранування (наприклад, для платформ електростатичної адсорбції пластин), необхідно використовувати металеві покриття або провідні плівки, що збільшує структурну складність та вартість.
Стратегія реагування галузі
Незважаючи на вищезгадані недоліки, напівпровідникова промисловість частково компенсувала недоліки граніту завдяки технологічним інноваціям:
Конструкція композитної конструкції: вона використовує комбінацію "гранітної основи + металевого каркасу", враховуючи як жорсткість, так і легкість (наприклад, певний виробник фотолітографічних машин вбудовує стільникову структуру з алюмінієвого сплаву в гранітну основу, зменшуючи вагу на 40%).
Штучні синтетичні альтернативні матеріали: розробка керамічних матричних композитів (таких як карбідкремнієва кераміка) та штучного каменю на основі епоксидної смоли для імітації термостабільності та вібростійкості граніту, одночасно підвищуючи гнучкість обробки.
Інтелектуальна технологія обробки: завдяки впровадженню алгоритмів штучного інтелекту для оптимізації шляху обробки, моделювання напружень для прогнозування ризиків утворення тріщин та поєднанню онлайн-виявлення для коригування параметрів у режимі реального часу, рівень браку під час обробки знизився з 5% до менш ніж 1%.
Короткий зміст
Недоліки граніту в напівпровідниковій промисловості по суті пов'язані з балансом між його природними властивостями та промисловими вимогами. З розвитком технологій та розробкою альтернативних матеріалів, сценарії його застосування можуть поступово звужуватися до «незамінних основних опорних компонентів» (таких як гідростатичні напрямні рейки для фотолітографічних машин та надточних вимірювальних платформ), поступово поступаючись місцем більш гнучким інженерним матеріалам у некритичних структурних компонентах. У майбутньому галузь продовжуватиме досліджувати питання балансу між продуктивністю, вартістю та стійкістю.
Час публікації: 24 травня 2025 р.