В соответствии со строгими требованиями высокой точности и высокой надежности в полупроводниковой промышленности, хотя гранит является одним из основных материалов, его свойства также накладывают определенные ограничения. Ниже приведены его основные недостатки и проблемы в практическом применении:
Во-первых, материал очень хрупок и сложен в обработке.
Риск растрескивания: Гранит по сути является натуральным камнем с естественными микротрещинами и границами минеральных частиц внутри, и это типичный хрупкий материал. При сверхточной обработке (такой как наномасштабное шлифование и сложная обработка криволинейных поверхностей), если сила неравномерна или параметры обработки неподходящие, могут возникнуть такие проблемы, как сколы и распространение микротрещин, что приводит к браку заготовки.
Низкая эффективность обработки: Чтобы избежать хрупкого разрушения, требуются специальные процессы, такие как низкоскоростное шлифование алмазными шлифовальными кругами и магнитореологическая полировка. Цикл обработки на 30–50 % длиннее, чем у металлических материалов, а инвестиционные затраты на оборудование высоки (например, цена пятикоординатного обрабатывающего центра с рычажным механизмом превышает 10 миллионов юаней).
Ограничения сложной структуры: Трудно производить полые легкие конструкции с помощью литья, ковки и других процессов. Он в основном используется в простых геометрических формах, таких как пластины и основания, и его применение ограничено в оборудовании, требующем нерегулярных опор или внутренней интеграции трубопроводов.
Во-вторых, высокая плотность приводит к большой нагрузке на оборудование.
Сложность в обращении и установке: Плотность гранита составляет около 2,6-3,0 г/см³, а его вес в 1,5-2 раза больше, чем у чугуна при том же объеме. Например, вес гранитного основания для фотолитографической машины может достигать 5-10 тонн, что требует специального подъемного оборудования и ударопрочных фундаментов, что увеличивает стоимость строительства завода и развертывания оборудования.
Задержка динамического отклика: Высокая инерция ограничивает ускорение движущихся частей оборудования (например, роботов для перемещения пластин). В сценариях, где требуется быстрый запуск и остановка (например, высокоскоростное инспекционное 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 использования происходит износ поверхности или повреждение от столкновения, его необходимо вернуть на завод для ремонта с помощью профессионального шлифовального оборудования, с которым невозможно быстро справиться на месте. Напротив, металлические компоненты можно немедленно отремонтировать с помощью таких методов, как точечная сварка и лазерная наплавка, что сокращает время простоя.
Цикл итерации дизайна длительный: различия в природных гранитных жилах могут вызвать небольшие колебания свойств материала (таких как коэффициент теплового расширения и коэффициент затухания) разных партий. Если конструкция оборудования меняется, свойства материала необходимо повторно согласовать, а цикл проверки исследований и разработок относительно длительный.
IV. Ограниченные ресурсы и экологические проблемы
Натуральный камень невозобновляем: высококачественный гранит (например, «Цзинаньский зеленый» и «Сезамовый черный», используемые в полупроводниках) зависит от определенных жил, имеет ограниченные запасы, а его добыча ограничена политикой защиты окружающей среды. С расширением полупроводниковой промышленности может возникнуть риск нестабильной поставки сырья.
Проблемы загрязнения 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 путем отстаивания, что увеличивает инвестиции в охрану окружающей среды.
Пять. Недостаточная совместимость с новыми процессами
Ограничения вакуумной среды: Некоторые полупроводниковые процессы (такие как вакуумное покрытие и электронно-лучевая литография) требуют поддержания высокого вакуумного состояния внутри оборудования. Однако микропоры на поверхности гранита могут адсорбировать молекулы газа, которые медленно высвобождаются и влияют на стабильность степени вакуума. Поэтому необходима дополнительная обработка для уплотнения поверхности (например, пропитка смолой).
Проблемы электромагнитной совместимости: Гранит является изоляционным материалом. В сценариях, где требуется разряд статического электричества или электромагнитное экранирование (например, платформы электростатической адсорбции пластин), металлические покрытия или проводящие пленки должны быть компаундированы, что увеличивает структурную сложность 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: разработка композитов на основе керамической матрицы (например, керамики на основе карбида кремния) и искусственных камней на основе эпоксидной смолы для имитации термостойкости и вибростойкости гранита, а также повышение гибкости 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 реальном времени процент брака при обработке был снижен с 5% до менее 1%.
Краткое содержание
Недостатки гранита в полупроводниковой промышленности по сути вытекают из игры между его природными свойствами материала и промышленными требованиями. С развитием технологий и разработкой альтернативных материалов сценарии его применения могут постепенно сужаться до «незаменимых основных опорных компонентов» (таких как гидростатические направляющие рельсы для фотолитографических машин и сверхточных измерительных платформ), постепенно уступая место более гибким конструкционным материалам в некритических структурных компонентах. В будущем, как сбалансировать производительность, стоимость и устойчивость, будет темой, которую отрасль продолжит изучать.
Время публикации: 24 мая 2025 г.