Несмотря на высокие требования к точности и надежности в полупроводниковой промышленности, гранит, хотя и является одним из основных материалов, накладывает определенные ограничения. Ниже перечислены его основные недостатки и сложности практического применения:
Во-первых, материал очень хрупкий и его трудно обрабатывать.
Риск растрескивания: Гранит – это, по сути, натуральный камень с естественными микротрещинами и границами между минеральными частицами внутри, и это типичный хрупкий материал. При сверхточной обработке (например, наношлифовании и обработке сложных криволинейных поверхностей), если усилие приложено неравномерно или параметры обработки выбраны неправильно, могут возникнуть такие проблемы, как сколы и распространение микротрещин, что приводит к поломке заготовки.
Низкая эффективность обработки: для предотвращения хрупкого разрушения требуются специальные процессы, такие как низкоскоростное шлифование алмазными кругами и магнитореологическое полирование. Цикл обработки на 30–50% длиннее, чем у металлических материалов, а инвестиционные затраты на оборудование высоки (например, стоимость пятикоординатного обрабатывающего центра с рычажным механизмом превышает 10 миллионов юаней).
Ограничения, связанные со сложными конструкциями: литьём, ковкой и другими методами сложно изготавливать полые лёгкие конструкции. Материал в основном используется для изготовления простых геометрических форм, таких как пластины и основания, и его применение ограничено в оборудовании, требующем нестандартных опор или внутренней интеграции трубопроводов.
Во-вторых, высокая плотность приводит к большой нагрузке на оборудование.
Сложность в обработке и монтаже: плотность гранита составляет около 2,6–3,0 г/см³, а его вес в 1,5–2 раза превышает вес чугуна при том же объёме. Например, вес гранитного основания для фотолитографического станка может достигать 5–10 тонн, что требует специального подъёмного оборудования и ударопрочных фундаментов, что увеличивает стоимость строительства завода и установки оборудования.
Задержка динамического отклика: высокая инерционность ограничивает ускорение движущихся частей оборудования (например, роботов для перемещения пластин). В ситуациях, когда требуется быстрый запуск и остановка (например, высокоскоростное контрольное оборудование), это может повлиять на ритм производства и снизить эффективность.
В-третьих, стоимость ремонта и повторного ремонта высока.
Дефекты трудно поддаются ремонту: если во время эксплуатации происходит износ поверхности или повреждение в результате столкновения, изделие необходимо вернуть на завод для ремонта с использованием профессионального шлифовального оборудования, что невозможно сделать быстро на месте. В отличие от этого, металлические компоненты можно отремонтировать немедленно, используя такие методы, как точечная сварка и лазерная наплавка, что сокращает время простоя.
Итерационный цикл проектирования длительный: различия в природных гранитных жилах могут привести к небольшим колебаниям свойств материала (таких как коэффициент теплового расширения и коэффициент демпфирования) разных партий. При изменении конструкции оборудования необходимо повторно согласовать свойства материала, а цикл исследований и разработок относительно длительный.
IV. Ограниченные ресурсы и экологические проблемы
Природный камень невозобновляем: высококачественный гранит (например, «Цзинаньский зелёный» и «Кунжутный чёрный», используемый в полупроводниках) добывается из определённых месторождений, имеет ограниченные запасы, а его добыча ограничена политикой охраны окружающей среды. С развитием полупроводниковой промышленности может возникнуть риск нестабильности поставок сырья.
Проблемы загрязнения окружающей среды при обработке: В процессе резки и шлифовки образуется большое количество гранитной пыли (содержащей диоксид кремния). При неправильном обращении она может вызвать силикоз. Кроме того, перед сбросом сточные воды необходимо очищать методом отстаивания, что увеличивает инвестиции в охрану окружающей среды.
Пять. Недостаточная совместимость с новыми процессами.
Ограничения вакуумной среды: Некоторые процессы производства полупроводников (например, нанесение вакуумных покрытий и электронно-лучевая литография) требуют поддержания высокого вакуума внутри оборудования. Однако микропоры на поверхности гранита могут адсорбировать молекулы газа, которые медленно высвобождаются и влияют на стабильность уровня вакуума. Поэтому необходима дополнительная обработка поверхности для уплотнения (например, пропитка смолой).
Проблемы электромагнитной совместимости: гранит является изоляционным материалом. В случаях, когда требуется защита от разряда статического электричества или электромагнитное экранирование (например, в платформах электростатической адсорбции на пластинах), необходимо использовать металлические покрытия или проводящие плёнки, что увеличивает сложность конструкции и стоимость.
Стратегия реагирования отрасли
Несмотря на вышеупомянутые недостатки, полупроводниковая промышленность частично компенсировала недостатки гранита за счет технологических инноваций:
Композитная конструкция: в ней используется комбинация «гранитное основание + металлический каркас» с учетом как жесткости, так и легкости (например, один из производителей фотолитографических машин встраивает сотовую структуру из алюминиевого сплава в гранитное основание, что снижает вес на 40%).
Искусственные синтетические альтернативные материалы: Разработать композиты на основе керамической матрицы (например, керамику на основе карбида кремния) и искусственные камни на основе эпоксидной смолы для имитации термостойкости и вибростойкости гранита, одновременно повышая гибкость обработки.
Технология интеллектуальной обработки: благодаря внедрению алгоритмов искусственного интеллекта для оптимизации пути обработки, моделированию напряжений для прогнозирования рисков возникновения трещин и сочетанию онлайн-обнаружения для корректировки параметров в режиме реального времени процент брака при обработке сократился с 5% до менее 1%.
Краткое содержание
Недостатки гранита в полупроводниковой промышленности по сути обусловлены балансом между его природными свойствами и требованиями промышленности. С развитием технологий и разработкой альтернативных материалов сфера его применения может постепенно сузиться до «незаменимых основных эталонных компонентов» (таких как гидростатические направляющие для фотолитографических машин и сверхточных измерительных платформ), постепенно уступая место более гибким конструкционным материалам в некритических конструктивных элементах. В будущем отрасль продолжит изучать вопрос о том, как сбалансировать производительность, стоимость и экологичность.
Время публикации: 24 мая 2025 г.