Conform cerințelor stricte de înaltă precizie și fiabilitate din industria semiconductorilor, deși granitul este unul dintre materialele de bază, proprietățile sale aduc și anumite limitări. Următoarele sunt principalele dezavantaje și provocări în aplicațiile practice:
În primul rând, materialul este foarte fragil și dificil de prelucrat.
Risc de fisurare: Granitul este în esență o piatră naturală cu micro-fisuri naturale și limite interne ale particulelor minerale și este un material tipic fragil. În prelucrarea de ultra-precizie (cum ar fi șlefuirea la nanoscală și prelucrarea complexă a suprafețelor curbate), dacă forța este inegală sau parametrii de prelucrare sunt nepotriviți, pot apărea probleme precum ciobirea și propagarea microfisurilor, ceea ce duce la dezmembrarea piesei de prelucrat.
Eficiență scăzută de prelucrare: Pentru a evita fracturarea fragilă, sunt necesare procese speciale, cum ar fi șlefuirea la viteză mică cu corpuri abrazive diamantate și lustruirea magnetoreologică. Ciclul de prelucrare este cu 30% până la 50% mai lung decât cel al materialelor metalice, iar costul investiției în echipamente este ridicat (de exemplu, prețul unui centru de prelucrare cu cinci axe depășește 10 milioane de yuani).
Limitări ale structurilor complexe: Este dificil să se producă structuri ușoare goale prin turnare, forjare și alte procese. Se utilizează mai ales în forme geometrice simple, cum ar fi plăci și baze, iar aplicarea sa este limitată în echipamente care necesită suporturi neregulate sau integrarea internă a conductelor.
În al doilea rând, densitatea mare duce la o încărcare grea a echipamentului
Dificultate de manipulare și instalare: Densitatea granitului este de aproximativ 2,6-3,0 g/cm³, iar greutatea sa este de 1,5-2 ori mai mare decât cea a fontei, pentru același volum. De exemplu, greutatea unei baze de granit pentru o mașină de fotolitografie poate ajunge la 5 până la 10 tone, necesitând echipamente de ridicare dedicate și fundații rezistente la șocuri, ceea ce crește costul construcției fabricii și al implementării echipamentelor.
Întârzierea răspunsului dinamic: Inerția ridicată limitează accelerarea pieselor mobile ale echipamentului (cum ar fi roboții de transfer de napolitane). În scenariile în care sunt necesare porniri și opriri rapide (cum ar fi echipamentele de inspecție de mare viteză), acest lucru poate afecta ritmul de producție și poate reduce eficiența.
În al treilea rând, costul reparației și iterației este ridicat
Defectele sunt dificil de reparat: Dacă în timpul utilizării apar uzuri ale suprafeței sau deteriorări prin coliziune, acestea trebuie returnate la fabrică pentru reparații cu ajutorul unor echipamente profesionale de șlefuire, care nu pot fi manipulate rapid la fața locului. În schimb, componentele metalice pot fi reparate imediat prin metode precum sudarea prin puncte și placarea cu laser, ceea ce duce la un timp de nefuncționare mai scurt.
Ciclul de iterație al proiectării este lung: Diferențele dintre venele naturale de granit pot cauza fluctuații ușoare ale proprietăților materialelor (cum ar fi coeficientul de dilatare termică și raportul de amortizare) ale diferitelor loturi. Dacă designul echipamentului se modifică, proprietățile materialelor trebuie reajustate, iar ciclul de verificare a cercetării și dezvoltării este relativ lung.
Iv. Resurse limitate și provocări de mediu
Piatra naturală nu este regenerabilă: Granitul de înaltă calitate (cum ar fi „Jinan Green” și „Sesame Black” utilizate în semiconductori) depinde de anumite vene, are rezerve limitate, iar extracția sa este restricționată de politicile de protecție a mediului. Odată cu extinderea industriei semiconductorilor, poate exista riscul unei aprovizionări instabile cu materii prime.
Probleme de poluare în timpul procesării: În timpul proceselor de tăiere și șlefuire, se produce o cantitate mare de praf de granit (care conține dioxid de siliciu). Dacă nu este manipulat corespunzător, poate provoca silicoză. În plus, apele uzate trebuie tratate prin sedimentare înainte de a fi deversate, ceea ce crește investițiile în protecția mediului.
Cinci. Compatibilitate insuficientă cu procesele emergente
Limitări ale mediului în vid: Unele procese cu semiconductori (cum ar fi acoperirea în vid și litografia cu fascicul de electroni) necesită menținerea unei stări de vid ridicat în interiorul echipamentului. Cu toate acestea, microporii de pe suprafața granitului pot adsorbi molecule de gaz, care sunt eliberate lent și afectează stabilitatea gradului de vid. Prin urmare, este necesar un tratament suplimentar de densificare a suprafeței (cum ar fi impregnarea cu rășină).
Probleme de compatibilitate electromagnetică: Granitul este un material izolant. În scenariile în care este necesară descărcarea electricității statice sau ecranarea electromagnetică (cum ar fi platformele de adsorbție electrostatică pe plachete), acoperirile metalice sau peliculele conductive trebuie combinate, crescând complexitatea structurală și costul.
Strategia de răspuns a industriei
În ciuda deficiențelor menționate mai sus, industria semiconductorilor a compensat parțial deficiențele granitului prin inovație tehnologică:
Proiectare structurală compozită: Adoptă combinația „bază de granit + cadru metalic”, ținând cont atât de rigiditate, cât și de greutatea redusă (de exemplu, un anumit producător de mașini de fotolitografie încorporează o structură de tip fagure de miere din aliaj de aluminiu în baza de granit, reducând greutatea cu 40%).
Materiale alternative sintetice artificiale: Dezvoltarea de compozite cu matrice ceramică (cum ar fi ceramica cu carbură de siliciu) și pietre artificiale pe bază de rășină epoxidică pentru a simula stabilitatea termică și rezistența la vibrații a granitului, sporind în același timp flexibilitatea procesării.
Tehnologie inteligentă de procesare: Prin introducerea algoritmilor de inteligență artificială pentru optimizarea traseului de procesare, simularea stresului pentru prezicerea riscurilor de fisuri și combinarea detectării online pentru ajustarea parametrilor în timp real, rata de deșeuri de procesare a fost redusă de la 5% la sub 1%.
Rezumat
Deficiențele granitului în industria semiconductorilor provin, în esență, din jocul dintre proprietățile sale naturale și cerințele industriale. Odată cu avansarea tehnologiei și dezvoltarea de materiale alternative, scenariile sale de aplicare se pot reduce treptat către „componente de referință de bază de neînlocuit” (cum ar fi șinele de ghidare hidrostatice pentru mașinile de fotolitografie și platformele de măsurare de ultra-precizie), cedând treptat locul unor materiale inginerești mai flexibile în componentele structurale necritice. În viitor, modul de a echilibra performanța, costul și sustenabilitatea va fi un subiect pe care industria continuă să îl exploreze.
Data publicării: 24 mai 2025