Under de strenge kravene til høy presisjon og høy pålitelighet i halvlederindustrien, selv om granitt er et av kjernematerialene, medfører egenskapene også visse begrensninger. Følgende er de viktigste ulempene og utfordringene i praktiske anvendelser:
For det første er materialet svært sprøtt og vanskelig å bearbeide
Risiko for sprekkdannelse: Granitt er i hovedsak en naturstein med naturlige mikrosprekker og mineralpartikkelgrenser inni, og det er et typisk sprøtt materiale. Ved ultrapresisjonsmaskinering (som nanoskalasliping og kompleks buet overflatebehandling), hvis kraften er ujevn eller behandlingsparametrene er upassende, er det sannsynlig at problemer som avskalling og mikrosprekkeforplantning oppstår, noe som fører til skraping av arbeidsstykket.
Lav prosesseringseffektivitet: For å unngå sprøbrudd kreves det spesielle prosesser som lavhastighetssliping med diamantslipeskiver og magnetoreologisk polering. Prosesseringssyklusen er 30 % til 50 % lengre enn for metallmaterialer, og investeringskostnadene for utstyr er høye (for eksempel overstiger prisen på et femakset koblingsmaskineringssenter 10 millioner yuan).
Begrensninger i komplekse strukturer: Det er vanskelig å produsere hule lette strukturer gjennom støping, smiing og andre prosesser. Det brukes hovedsakelig i enkle geometriske former som plater og baser, og anvendelsen er begrenset i utstyr som krever uregelmessige støtter eller intern rørledningsintegrasjon.
For det andre fører høy tetthet til tung belastning på utstyret
Vanskelig å håndtere og installere: Tettheten til granitt er omtrent 2,6–3,0 g/cm³, og vekten er 1,5–2 ganger støpejerns vekt under samme volum. For eksempel kan vekten av en granittbase for en fotolitografimaskin nå 5 til 10 tonn, noe som krever dedikert løfteutstyr og støtsikre fundamenter, noe som øker kostnadene for fabrikkbygging og utplassering av utstyr.
Dynamisk responsforsinkelse: Høy treghet begrenser akselerasjonen til bevegelige deler av utstyret (som waferoverføringsroboter). I scenarier der rask start og stopp er nødvendig (som høyhastighetsinspeksjonsutstyr), kan det påvirke produksjonsrytmen og redusere effektiviteten.
For det tredje er kostnadene for reparasjon og iterasjon høye
Defekter er vanskelige å reparere: Hvis det oppstår overflateslitasje eller kollisjonsskader under bruk, må det returneres til fabrikken for reparasjon med profesjonelt slipeutstyr, noe som ikke kan håndteres raskt på stedet. Metallkomponenter kan derimot repareres umiddelbart med metoder som punktsveising og laserkledning, noe som resulterer i kortere nedetid.
Design-iterasjonssyklusen er lang: Forskjellene i naturlige granittårer kan forårsake små svingninger i materialegenskapene (som termisk ekspansjonskoeffisient og dempningsforhold) til forskjellige partier. Hvis utstyrsdesignet endres, må materialegenskapene tilpasses på nytt, og verifiseringssyklusen for forskning og utvikling er relativt lang.
Iv. Begrensede ressurser og miljøutfordringer
Naturstein er ikke fornybar: Granitt av høy kvalitet (som «Jinan Green» og «Sesame Black» som brukes i halvledere) er avhengig av spesifikke årer, har begrensede reserver, og utvinningen av den er begrenset av miljøvernpolitikk. Med utvidelsen av halvlederindustrien kan det være risiko for ustabil råvareforsyning.
Problemer med forurensning fra prosessering: Under skjære- og slipeprosessene produseres det en stor mengde granittstøv (som inneholder silisiumdioksid). Hvis det ikke håndteres riktig, kan det forårsake silikose. Dessuten må avløpsvannet renses ved sedimentering før det slippes ut, noe som øker investeringene i miljøvern.
Fem. Utilstrekkelig kompatibilitet med nye prosesser
Begrensninger i vakuummiljøet: Enkelte halvlederprosesser (som vakuumbelegg og elektronstrålelitografi) krever at man opprettholder en høy vakuumtilstand inne i utstyret. Mikroporene på overflaten av granitt kan imidlertid adsorbere gassmolekyler, som sakte frigjøres og påvirker stabiliteten til vakuumgraden. Derfor er ytterligere overflatefortetningsbehandling (som harpiksimpregnering) nødvendig.
Problemer med elektromagnetisk kompatibilitet: Granitt er et isolerende materiale. I tilfeller der det kreves utladning av statisk elektrisitet eller elektromagnetisk skjerming (som for eksempel elektrostatiske adsorpsjonsplattformer for wafere), må metallbelegg eller ledende filmer blandes, noe som øker strukturell kompleksitet og kostnader.
Strategi for bransjens respons
Til tross for de ovennevnte manglene har halvlederindustrien delvis kompensert for manglene ved granitt gjennom teknologisk innovasjon:
Komposittstrukturdesign: Den bruker kombinasjonen av "granittbase + metallramme", og tar hensyn til både stivhet og lettvekt (for eksempel legger en viss produsent av fotolitografimaskiner inn en bikakestruktur av aluminiumslegering i granittbasen, noe som reduserer vekten med 40 %).
Kunstige syntetiske alternative materialer: Utvikle keramiske matrisekompositter (som silisiumkarbidkeramikk) og epoksyharpiksbaserte kunstige steiner for å simulere den termiske stabiliteten og vibrasjonsmotstanden til granitt, samtidig som fleksibiliteten i bearbeidingen forbedres.
Intelligent prosesseringsteknologi: Ved å introdusere AI-algoritmer for å optimalisere prosesseringsbanen, spenningssimulering for å forutsi sprekkrisiko og kombinere online-deteksjon for å justere parametere i sanntid, har skrapraten i prosesseringen blitt redusert fra 5 % til under 1 %.
Sammendrag
Manglene ved granitt i halvlederindustrien stammer i hovedsak fra spillet mellom dens naturlige materialegenskaper og industrielle krav. Med teknologiske fremskritt og utviklingen av alternative materialer, kan bruksscenariene gradvis krympe mot "uerstattelige kjernereferansekomponenter" (som hydrostatiske føringsskinner for fotolitografimaskiner og ultrapresisjonsmåleplattformer), samtidig som det gradvis viker for mer fleksible ingeniørmaterialer i ikke-kritiske strukturelle komponenter. I fremtiden vil hvordan man balanserer ytelse, kostnad og bærekraft være et tema som industrien fortsetter å utforske.
Publiseringstid: 24. mai 2025