Zaradi strogih zahtev visoke natančnosti in visoke zanesljivosti v polprevodniški industriji, čeprav je granit eden od osnovnih materialov, njegove lastnosti prinašajo tudi določene omejitve. Njegove glavne pomanjkljivosti in izzivi v praktični uporabi so naslednji:
Prvič, material je zelo krhek in ga je težko obdelovati.
Nevarnost razpok: Granit je v bistvu naravni kamen z naravnimi mikrorazpokami in mejami mineralnih delcev v notranjosti ter je tipičen krhek material. Pri ultra precizni obdelavi (kot je brušenje v nanometrskem merilu in obdelava kompleksnih ukrivljenih površin) se lahko v primeru neenakomerne sile ali neustreznih parametrov obdelave pojavijo težave, kot so krušenje in širjenje mikrorazpok, kar povzroči ostružke obdelovanca.
Nizka učinkovitost obdelave: Da bi se izognili krhkemu lomu, so potrebni posebni postopki, kot sta brušenje z nizko hitrostjo z diamantnimi brusnimi ploščami in magnetoreološko poliranje. Obdelovalni cikel je od 30 % do 50 % daljši kot pri kovinskih materialih, stroški naložbe v opremo pa so visoki (na primer, cena petosnega obdelovalnega centra presega 10 milijonov juanov).
Omejitve kompleksnih struktur: Votle lahke strukture je težko izdelati z ulivanjem, kovanjem in drugimi postopki. Večinoma se uporabljajo v preprostih geometrijskih oblikah, kot so plošče in podstavki, njihova uporaba pa je omejena na opremo, ki zahteva nepravilne nosilce ali notranjo integracijo cevovodov.
Drugič, visoka gostota vodi do velike obremenitve opreme
Težavno rokovanje in namestitev: Gostota granita je približno 2,6–3,0 g/cm³, njegova teža pa je 1,5–2-krat večja od litega železa pri enaki prostornini. Na primer, teža granitnega podnožja za fotolitografski stroj lahko doseže od 5 do 10 ton, kar zahteva namensko dvižno opremo in temelje, odporne proti udarcem, kar poveča stroške gradnje tovarne in namestitve opreme.
Dinamični odzivni zamik: Visoka vztrajnost omejuje pospešek gibljivih delov opreme (kot so roboti za prenos rezin). V scenarijih, kjer je potreben hiter zagon in zaustavitev (kot je oprema za visokohitrostni pregled), lahko to vpliva na proizvodni ritem in zmanjša učinkovitost.
Tretjič, stroški popravila in iteracije so visoki
Napake je težko popraviti: če med uporabo pride do obrabe površine ali poškodb zaradi trčenja, je treba izdelek vrniti v tovarno na popravilo s profesionalno brusilno opremo, ki je ni mogoče hitro odpraviti na kraju samem. Nasprotno pa je mogoče kovinske komponente takoj popraviti z metodami, kot sta točkovno varjenje in lasersko oblaganje, kar skrajša čas izpada.
Cikel iteracije načrtovanja je dolg: Razlike v naravnih granitnih žilah lahko povzročijo manjša nihanja v lastnostih materiala (kot sta koeficient toplotnega raztezanja in koeficient dušenja) različnih serij. Če se zasnova opreme spremeni, je treba lastnosti materiala ponovno uskladiti, cikel preverjanja raziskav in razvoja pa je relativno dolg.
Iv. Omejeni viri in okoljski izzivi
Naravni kamen ni obnovljiv: visokokakovosten granit (kot sta "Jinan Green" in "Sesame Black", ki se uporabljata v polprevodnikih) je odvisen od specifičnih žil, ima omejene rezerve, njegovo rudarjenje pa omejujejo okoljske politike. Z rastjo polprevodniške industrije lahko obstaja tveganje nestabilne oskrbe s surovinami.
Težave z onesnaženjem pri predelavi: Med procesi rezanja in brušenja nastane velika količina granitnega prahu (ki vsebuje silicijev dioksid). Če se z njim ne ravna pravilno, lahko povzroči silikozo. Poleg tega je treba odpadno vodo pred izpustom prečistiti s sedimentacijo, kar povečuje naložbe v varstvo okolja.
5. Nezadostna združljivost z nastajajočimi procesi
Omejitve vakuumskega okolja: Nekateri polprevodniški postopki (kot sta vakuumsko nanašanje premazov in litografija z elektronskim žarkom) zahtevajo vzdrževanje visokega vakuuma znotraj opreme. Vendar pa lahko mikropore na površini granita adsorbirajo molekule plina, ki se počasi sproščajo in vplivajo na stabilnost stopnje vakuuma. Zato je potrebna dodatna obdelava zgoščevanja površine (kot je impregnacija s smolo).
Težave z elektromagnetno združljivostjo: Granit je izolacijski material. V primerih, ko je potrebno odvajanje statične elektrike ali elektromagnetno zaščito (kot so platforme za elektrostatično adsorpcijo rezin), je treba kovinske prevleke ali prevodne filme sestaviti, kar poveča strukturno kompleksnost in stroške.
Strategija odzivanja industrije
Kljub zgoraj omenjenim pomanjkljivostim je polprevodniška industrija delno nadomestila pomanjkljivosti granita s tehnološkimi inovacijami:
Zasnova kompozitne strukture: Uporablja kombinacijo "granitne podlage + kovinskega okvirja", pri čemer upošteva tako togost kot lahkotnost (na primer, določen proizvajalec fotolitografskih strojev v granitno podlago vgradi satjasto strukturo iz aluminijeve zlitine, kar zmanjša težo za 40 %).
Umetni sintetični alternativni materiali: Razvoj keramičnih matričnih kompozitov (kot je silicijev karbidna keramika) in umetnih kamnov na osnovi epoksidne smole za simulacijo toplotne stabilnosti in odpornosti granita na vibracije, hkrati pa izboljšanje fleksibilnosti obdelave.
Inteligentna tehnologija obdelave: Z uvedbo algoritmov umetne inteligence za optimizacijo poti obdelave, simulacijo napetosti za napovedovanje tveganja razpok in kombinacijo spletnega zaznavanja za prilagajanje parametrov v realnem času se je stopnja izpada pri obdelavi zmanjšala s 5 % na manj kot 1 %.
Povzetek
Pomanjkljivosti granita v polprevodniški industriji v bistvu izvirajo iz igre med njegovimi naravnimi lastnostmi in industrijskimi zahtevami. Z napredkom tehnologije in razvojem alternativnih materialov se lahko njegovi scenariji uporabe postopoma skrčijo na "nenadomestljive osnovne referenčne komponente" (kot so hidrostatične vodilne tirnice za fotolitografske stroje in ultra precizne merilne platforme), medtem ko se postopoma umaknejo bolj fleksibilnim inženirskim materialom v nekritičnih strukturnih komponentah. V prihodnosti bo industrija še naprej raziskovala, kako uravnotežiti zmogljivost, stroške in trajnost.
Čas objave: 24. maj 2025