Pod strogim zahtjevima visoke preciznosti i visoke pouzdanosti u poluprovodničkoj industriji, iako je granit jedan od osnovnih materijala, njegova svojstva također donose određena ograničenja. Slijede njegovi glavni nedostaci i izazovi u praktičnoj primjeni:
Prvo, materijal je vrlo krhak i teško ga je obraditi.
Opasnost od pucanja: Granit je u suštini prirodni kamen s prirodnim mikropukotinama i granicama mineralnih čestica unutra, te je tipičan krhki materijal. Kod ultraprecizne obrade (kao što je brušenje na nanoskalnim površinama i obrada složenih zakrivljenih površina), ako je sila neujednačena ili su parametri obrade neodgovarajući, skloni su problemima poput kidanja i širenja mikropukotina, što dovodi do struganja obratka.
Niska efikasnost obrade: Da bi se izbjegao krhki lom, potrebni su posebni procesi poput brušenja niskim brzinama dijamantskim brusnim pločama i magnetoreološkog poliranja. Ciklus obrade je 30% do 50% duži od ciklusa obrade metalnih materijala, a troškovi ulaganja u opremu su visoki (na primjer, cijena obradnog centra s pet osi prelazi 10 miliona juana).
Ograničenja složenih struktura: Teško je proizvesti šuplje lagane strukture livenjem, kovanjem i drugim procesima. Uglavnom se koristi u jednostavnim geometrijskim oblicima kao što su ploče i baze, a njegova primjena je ograničena na opremu koja zahtijeva nepravilne nosače ili unutrašnju integraciju cjevovoda.
Drugo, visoka gustoća dovodi do velikog opterećenja opreme
Teško za rukovanje i ugradnju: Gustoća granita je približno 2,6-3,0 g/cm³, a njegova težina je 1,5-2 puta veća od težine lijevanog željeza pri istoj zapremini. Na primjer, težina granitne baze za fotolitografsku mašinu može doseći 5 do 10 tona, što zahtijeva posebnu opremu za dizanje i temelje otporne na udarce, što povećava troškove izgradnje fabrike i postavljanja opreme.
Kašnjenje dinamičkog odziva: Velika inercija ograničava ubrzanje pokretnih dijelova opreme (kao što su roboti za prijenos pločica). U scenarijima gdje je potrebno brzo pokretanje i zaustavljanje (kao što je oprema za brzu inspekciju), to može utjecati na ritam proizvodnje i smanjiti efikasnost.
Treće, troškovi popravke i iteracije su visoki
Kvarove je teško popraviti: Ako se tokom upotrebe pojavi habanje površine ili oštećenje usljed sudara, potrebno ga je vratiti u fabriku na popravku profesionalnom opremom za brušenje, što se ne može brzo riješiti na licu mjesta. Nasuprot tome, metalne komponente se mogu odmah popraviti metodama kao što su tačkasto zavarivanje i lasersko oblaganje, što rezultira kraćim vremenom zastoja.
Ciklus iteracije dizajna je dug: Razlike u prirodnim granitnim venama mogu uzrokovati male fluktuacije u svojstvima materijala (kao što su koeficijent toplinskog širenja i omjer prigušenja) različitih serija. Ako se dizajn opreme promijeni, svojstva materijala potrebno je ponovo uskladiti, a ciklus verifikacije istraživanja i razvoja je relativno dug.
Iv. Ograničeni resursi i ekološki izazovi
Prirodni kamen nije obnovljiv: Visokokvalitetni granit (kao što su "Jinan Green" i "Sesame Black" koji se koriste u poluprovodnicima) oslanja se na specifične žile, ima ograničene rezerve, a njegovo rudarenje je ograničeno politikama zaštite okoliša. S ekspanzijom industrije poluprovodnika, može postojati rizik od nestabilne opskrbe sirovinama.
Problemi zagađenja tokom procesa rezanja i brušenja, proizvodi se velika količina granitne prašine (koja sadrži silicijum dioksid). Ako se s njom ne rukuje pravilno, može izazvati silikozu. Štaviše, otpadne vode je potrebno tretirati sedimentacijom prije ispuštanja, što povećava ulaganja u zaštitu okoliša.
Pet. Nedovoljna kompatibilnost s novim procesima
Ograničenja vakuumskog okruženja: Neki poluprovodnički procesi (kao što su vakuumsko prevlačenje i litografija elektronskim snopom) zahtijevaju održavanje visokog vakuuma unutar opreme. Međutim, mikropore na površini granita mogu adsorbovati molekule gasa, koje se polako oslobađaju i utiču na stabilnost stepena vakuuma. Stoga je potreban dodatni tretman površinske denzifikacije (kao što je impregnacija smolom).
Problemi elektromagnetske kompatibilnosti: Granit je izolacijski materijal. U scenarijima gdje je potrebno pražnjenje statičkog elektriciteta ili elektromagnetska zaštita (kao što su platforme za elektrostatičku adsorpciju na pločicama), potrebno je spojiti metalne premaze ili provodljive filmove, što povećava strukturnu složenost i troškove.
Strategija odgovora industrije
Uprkos gore navedenim nedostacima, industrija poluprovodnika je djelimično nadoknadila nedostatke granita kroz tehnološke inovacije:
Dizajn kompozitne strukture: Usvaja kombinaciju "granitne baze + metalnog okvira", uzimajući u obzir i krutost i malu težinu (na primjer, određeni proizvođač fotolitografskih mašina ugrađuje strukturu saća od aluminijumske legure u granitnu bazu, smanjujući težinu za 40%).
Umjetni sintetički alternativni materijali: Razvoj keramičkih matričnih kompozita (kao što je silicij-karbidna keramika) i umjetnog kamenja na bazi epoksidne smole za simulaciju termičke stabilnosti i otpornosti na vibracije granita, uz istovremeno povećanje fleksibilnosti obrade.
Inteligentna tehnologija obrade: Uvođenjem AI algoritama za optimizaciju puta obrade, simulacijom naprezanja za predviđanje rizika od pukotina i kombinovanjem online detekcije za podešavanje parametara u realnom vremenu, stopa otpada pri obradi smanjena je sa 5% na ispod 1%.
Sažetak
Nedostaci granita u industriji poluprovodnika u suštini proizlaze iz igre između njegovih prirodnih svojstava materijala i industrijskih zahtjeva. S napretkom tehnologije i razvojem alternativnih materijala, njegovi scenariji primjene mogu se postepeno suziti prema "nezamjenjivim osnovnim referentnim komponentama" (kao što su hidrostatičke vodilice za fotolitografske mašine i ultraprecizne mjerne platforme), dok postepeno ustupaju mjesto fleksibilnijim inženjerskim materijalima u nekritičnim strukturnim komponentama. U budućnosti će industrija nastaviti istraživati kako uravnotežiti performanse, troškove i održivost.
Vrijeme objave: 24. maj 2025.