Σύμφωνα με τις αυστηρές απαιτήσεις υψηλής ακρίβειας και υψηλής αξιοπιστίας στη βιομηχανία ημιαγωγών, αν και ο γρανίτης είναι ένα από τα βασικά υλικά, οι ιδιότητές του έχουν και ορισμένους περιορισμούς. Τα ακόλουθα είναι τα κύρια μειονεκτήματά του και οι προκλήσεις του στις πρακτικές εφαρμογές:
Πρώτον, το υλικό είναι εξαιρετικά εύθραυστο και δύσκολο στην επεξεργασία.
Κίνδυνος ρωγμών: Ο γρανίτης είναι ουσιαστικά μια φυσική πέτρα με φυσικές μικρορωγμές και όρια ορυκτών σωματιδίων στο εσωτερικό της και είναι ένα τυπικό εύθραυστο υλικό. Στην κατεργασία εξαιρετικά ακριβείας (όπως η λείανση σε νανοκλίμακα και η επεξεργασία σύνθετων καμπυλωμένων επιφανειών), εάν η δύναμη είναι ανομοιόμορφη ή οι παράμετροι επεξεργασίας είναι ακατάλληλες, είναι πιθανό να εμφανιστούν προβλήματα όπως η αποκόλληση και η εξάπλωση των μικρορωγμών, που οδηγούν σε απόξεση του τεμαχίου εργασίας.
Χαμηλή απόδοση επεξεργασίας: Για την αποφυγή εύθραυστων θραυσμάτων, απαιτούνται ειδικές διαδικασίες όπως λείανση χαμηλής ταχύτητας με τροχούς λείανσης με διαμάντια και μαγνητορεολογική στίλβωση. Ο κύκλος επεξεργασίας είναι 30% έως 50% μεγαλύτερος από αυτόν των μεταλλικών υλικών και το κόστος επένδυσης σε εξοπλισμό είναι υψηλό (για παράδειγμα, η τιμή ενός κέντρου κατεργασίας με πέντε άξονες υπερβαίνει τα 10 εκατομμύρια γιουάν).
Περιορισμοί σύνθετης δομής: Είναι δύσκολο να παραχθούν κοίλες ελαφριές κατασκευές μέσω χύτευσης, σφυρηλάτησης και άλλων διεργασιών. Χρησιμοποιείται κυρίως σε απλά γεωμετρικά σχήματα όπως πλάκες και βάσεις, και η εφαρμογή του περιορίζεται σε εξοπλισμό που απαιτεί ακανόνιστες στηρίξεις ή εσωτερική ενσωμάτωση αγωγών.
Δεύτερον, η υψηλή πυκνότητα οδηγεί σε βαρύ φορτίο στον εξοπλισμό
Δύσκολος χειρισμός και εγκατάσταση: Η πυκνότητα του γρανίτη είναι περίπου 2,6-3,0 g/cm³ και το βάρος του είναι 1,5-2 φορές μεγαλύτερο από αυτό του χυτοσιδήρου στον ίδιο όγκο. Για παράδειγμα, το βάρος μιας βάσης γρανίτη για μια μηχανή φωτολιθογραφίας μπορεί να φτάσει τους 5 έως 10 τόνους, απαιτώντας ειδικό εξοπλισμό ανύψωσης και ανθεκτικά στις κρούσεις θεμέλια, γεγονός που αυξάνει το κόστος κατασκευής του εργοστασίου και της ανάπτυξης του εξοπλισμού.
Καθυστέρηση δυναμικής απόκρισης: Η υψηλή αδράνεια περιορίζει την επιτάχυνση των κινούμενων μερών του εξοπλισμού (όπως τα ρομπότ μεταφοράς πλακιδίων). Σε σενάρια όπου απαιτείται γρήγορη εκκίνηση και διακοπή (όπως εξοπλισμός επιθεώρησης υψηλής ταχύτητας), μπορεί να επηρεάσει τον ρυθμό παραγωγής και να μειώσει την αποδοτικότητα.
Τρίτον, το κόστος επισκευής και επανάληψης είναι υψηλό
Τα ελαττώματα είναι δύσκολο να επισκευαστούν: Εάν κατά τη χρήση προκληθεί φθορά στην επιφάνεια ή ζημιά από σύγκρουση, πρέπει να επιστραφεί στο εργοστάσιο για επισκευή με επαγγελματικό εξοπλισμό λείανσης, ο οποίος δεν μπορεί να αντιμετωπιστεί γρήγορα επί τόπου. Αντίθετα, τα μεταλλικά εξαρτήματα μπορούν να επισκευαστούν αμέσως με μεθόδους όπως η σημειακή συγκόλληση και η επένδυση με λέιζερ, με αποτέλεσμα μικρότερο χρόνο διακοπής λειτουργίας.
Ο κύκλος επανάληψης σχεδιασμού είναι μακρύς: Οι διαφορές στις φυσικές φλέβες γρανίτη ενδέχεται να προκαλέσουν μικρές διακυμάνσεις στις ιδιότητες των υλικών (όπως ο συντελεστής θερμικής διαστολής και ο λόγος απόσβεσης) διαφορετικών παρτίδων. Εάν αλλάξει ο σχεδιασμός του εξοπλισμού, οι ιδιότητες των υλικών πρέπει να αντιστοιχιστούν εκ νέου και ο κύκλος επαλήθευσης έρευνας και ανάπτυξης είναι σχετικά μακρύς.
IV. Περιορισμένοι Πόροι και Περιβαλλοντικές Προκλήσεις
Η φυσική πέτρα δεν είναι ανανεώσιμη: Ο γρανίτης υψηλής ποιότητας (όπως ο "Jinan Green" και ο "Sesame Black" που χρησιμοποιούνται σε ημιαγωγούς) βασίζεται σε συγκεκριμένες φλέβες, έχει περιορισμένα αποθέματα και η εξόρυξή του περιορίζεται από τις πολιτικές προστασίας του περιβάλλοντος. Με την επέκταση της βιομηχανίας ημιαγωγών, ενδέχεται να υπάρχει κίνδυνος ασταθούς εφοδιασμού με πρώτες ύλες.
Προβλήματα ρύπανσης από την επεξεργασία: Κατά τη διάρκεια των διαδικασιών κοπής και λείανσης, παράγεται μεγάλη ποσότητα σκόνης γρανίτη (που περιέχει διοξείδιο του πυριτίου). Εάν δεν αντιμετωπιστεί σωστά, μπορεί να προκαλέσει πυριτίαση. Επιπλέον, τα λύματα πρέπει να υποβάλλονται σε επεξεργασία με καθίζηση πριν από την απόρριψή τους, αυξάνοντας τις επενδύσεις στην προστασία του περιβάλλοντος.
Πέντε. Ανεπαρκής συμβατότητα με αναδυόμενες διαδικασίες
Περιορισμοί περιβάλλοντος κενού: Ορισμένες διεργασίες ημιαγωγών (όπως η επίστρωση κενού και η λιθογραφία με δέσμη ηλεκτρονίων) απαιτούν τη διατήρηση υψηλού κενού εντός του εξοπλισμού. Ωστόσο, οι μικροπόροι στην επιφάνεια του γρανίτη ενδέχεται να προσροφήσουν μόρια αερίου, τα οποία απελευθερώνονται αργά και επηρεάζουν τη σταθερότητα του βαθμού κενού. Επομένως, είναι απαραίτητη η πρόσθετη επεξεργασία πύκνωσης της επιφάνειας (όπως ο εμποτισμός με ρητίνη).
Ζητήματα ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας: Ο γρανίτης είναι μονωτικό υλικό. Σε περιπτώσεις όπου απαιτείται εκκένωση στατικού ηλεκτρισμού ή ηλεκτρομαγνητική θωράκιση (όπως πλατφόρμες ηλεκτροστατικής προσρόφησης πλακιδίων), πρέπει να συνδυάζονται μεταλλικές επιστρώσεις ή αγώγιμες μεμβράνες, αυξάνοντας την δομική πολυπλοκότητα και το κόστος.
Στρατηγική απόκρισης του κλάδου
Παρά τις προαναφερθείσες αδυναμίες, η βιομηχανία ημιαγωγών έχει μερικώς αντισταθμίσει τις αδυναμίες του γρανίτη μέσω της τεχνολογικής καινοτομίας:
Σχεδιασμός σύνθετης δομής: Υιοθετεί τον συνδυασμό "βάσης γρανίτη + μεταλλικού σκελετού", λαμβάνοντας υπόψη τόσο την ακαμψία όσο και το ελαφρύ βάρος (για παράδειγμα, ένας συγκεκριμένος κατασκευαστής μηχανών φωτολιθογραφίας ενσωματώνει μια κυψελοειδή δομή από κράμα αλουμινίου στη βάση από γρανίτη, μειώνοντας το βάρος κατά 40%).
Τεχνητά συνθετικά εναλλακτικά υλικά: Ανάπτυξη σύνθετων υλικών κεραμικής μήτρας (όπως κεραμικά καρβιδίου του πυριτίου) και τεχνητών λίθων με βάση εποξειδική ρητίνη για την προσομοίωση της θερμικής σταθερότητας και της αντοχής στους κραδασμούς του γρανίτη, ενισχύοντας παράλληλα την ευελιξία της επεξεργασίας.
Έξυπνη τεχνολογία επεξεργασίας: Με την εισαγωγή αλγορίθμων τεχνητής νοημοσύνης για τη βελτιστοποίηση της διαδρομής επεξεργασίας, την προσομοίωση στρες για την πρόβλεψη κινδύνων ρωγμών και τον συνδυασμό της διαδικτυακής ανίχνευσης για την προσαρμογή των παραμέτρων σε πραγματικό χρόνο, το ποσοστό απόρριψης επεξεργασίας έχει μειωθεί από 5% σε κάτω από 1%.
Περίληψη
Οι αδυναμίες του γρανίτη στη βιομηχανία ημιαγωγών πηγάζουν ουσιαστικά από το παιχνίδι μεταξύ των φυσικών ιδιοτήτων του υλικού και των βιομηχανικών απαιτήσεων. Με την πρόοδο της τεχνολογίας και την ανάπτυξη εναλλακτικών υλικών, τα σενάρια εφαρμογής του ενδέχεται σταδιακά να συρρικνωθούν προς «αναντικατάστατα βασικά στοιχεία αναφοράς» (όπως υδροστατικές ράγες οδηγών για μηχανές φωτολιθογραφίας και πλατφόρμες μέτρησης εξαιρετικά ακριβείας), ενώ σταδιακά θα δώσουν τη θέση τους σε πιο ευέλικτα μηχανικά υλικά σε μη κρίσιμα δομικά στοιχεία. Στο μέλλον, ο τρόπος εξισορρόπησης της απόδοσης, του κόστους και της βιωσιμότητας θα είναι ένα θέμα που η βιομηχανία θα συνεχίσει να διερευνά.
Ώρα δημοσίευσης: 24 Μαΐου 2025