Saskaņā ar stingrajām augstas precizitātes un augstas uzticamības prasībām pusvadītāju rūpniecībā, lai gan granīts ir viens no galvenajiem materiāliem, tā īpašības rada arī zināmus ierobežojumus. Tālāk ir minēti tā galvenie trūkumi un izaicinājumi praktiskajā pielietojumā:
Pirmkārt, materiāls ir ļoti trausls un grūti apstrādājams.
Plaisu risks: Granīts būtībā ir dabīgs akmens ar dabiskām mikroplaisām un minerālu daļiņu robežām iekšpusē, un tas ir tipisks trausls materiāls. Īpaši precīzā apstrādē (piemēram, nanoskalas slīpēšanā un sarežģītu izliektu virsmu apstrādē), ja spēks ir nevienmērīgs vai apstrādes parametri ir nepiemēroti, var rasties tādas problēmas kā šķembošana un mikroplaisu izplatīšanās, kas noved pie sagataves brāķēšanas.
Zema apstrādes efektivitāte: Lai izvairītos no trausliem lūzumiem, ir nepieciešami īpaši procesi, piemēram, slīpēšana ar dimanta slīpripām ar mazu ātrumu un magnetoreoloģiskā pulēšana. Apstrādes cikls ir par 30–50% ilgāks nekā metāla materiāliem, un iekārtu investīciju izmaksas ir augstas (piemēram, piecu asu savienojumu apstrādes centra cena pārsniedz 10 miljonus juaņu).
Sarežģītas struktūras ierobežojumi: Dobas vieglas konstrukcijas ir grūti izgatavot, izmantojot liešanu, kalšanu un citus procesus. To galvenokārt izmanto vienkāršās ģeometriskās formās, piemēram, plāksnēs un pamatnēs, un tā pielietojums ir ierobežots iekārtās, kurām nepieciešami neregulāri balsti vai iekšēja cauruļvadu integrācija.
Otrkārt, augsts blīvums rada lielu slodzi iekārtām.
Grūti apstrādāt un uzstādīt: Granīta blīvums ir aptuveni 2,6–3,0 g/cm³, un tā svars ir 1,5–2 reizes lielāks nekā čuguna svars pie tāda paša tilpuma. Piemēram, fotolitogrāfijas iekārtas granīta pamatnes svars var sasniegt 5 līdz 10 tonnas, un tam ir nepieciešams īpašs celšanas aprīkojums un triecienizturīgi pamati, kas palielina rūpnīcas būvniecības un iekārtu izvietošanas izmaksas.
Dinamiskās reakcijas aizture: augsta inerce ierobežo iekārtu kustīgo daļu (piemēram, plākšņu pārneses robotu) paātrinājumu. Situācijās, kad nepieciešama ātra iedarbināšana un apturēšana (piemēram, ātrgaitas pārbaudes iekārtu gadījumā), tā var ietekmēt ražošanas ritmu un samazināt efektivitāti.
Treškārt, remonta un iterācijas izmaksas ir augstas
Defektus ir grūti labot: ja lietošanas laikā rodas virsmas nodilums vai sadursmes bojājumi, tie jāatgriež rūpnīcā remontam, izmantojot profesionālas slīpēšanas iekārtas, ko nevar ātri apstrādāt uz vietas. Turpretī metāla detaļas var nekavējoties salabot, izmantojot tādas metodes kā punktmetināšana un lāzerapstrāde, kā rezultātā dīkstāves laiks ir īsāks.
Projektēšanas iterācijas cikls ir garš: dabiskā granīta dzīslu atšķirības var izraisīt nelielas svārstības dažādu partiju materiālu īpašībās (piemēram, termiskās izplešanās koeficientā un slāpēšanas koeficientā). Ja mainās iekārtas konstrukcija, materiāla īpašības ir jāsaskaņo atkārtoti, un pētniecības un izstrādes verifikācijas cikls ir samērā ilgs.
Iv. Ierobežoti resursi un vides problēmas
Dabīgais akmens nav atjaunojams: augstas kvalitātes granīts (piemēram, "Jinan Green" un "Sesame Black", ko izmanto pusvadītājos) ir balstīts uz specifiskām dzīslām, tam ir ierobežotas rezerves, un tā ieguvi ierobežo vides aizsardzības politika. Līdz ar pusvadītāju nozares paplašināšanos var pastāvēt nestabilas izejvielu piegādes risks.
Apstrādes piesārņojuma problēmas: Griešanas un slīpēšanas procesos rodas liels daudzums granīta putekļu (kas satur silīcija dioksīdu). Ja tie netiek pareizi apstrādāti, tie var izraisīt silikozi. Turklāt notekūdeņi pirms novadīšanas ir jāattīra ar sedimentāciju, kas palielina ieguldījumus vides aizsardzībā.
Piektais. Nepietiekama saderība ar jaunajiem procesiem
Vakuuma vides ierobežojumi: Dažiem pusvadītāju procesiem (piemēram, vakuuma pārklāšanai un elektronu staru litogrāfijai) ir nepieciešams uzturēt augstu vakuuma stāvokli iekārtas iekšpusē. Tomēr granīta virsmas mikroporas var adsorbēt gāzes molekulas, kas lēnām atbrīvojas un ietekmē vakuuma pakāpes stabilitāti. Tāpēc ir nepieciešama papildu virsmas blīvēšanas apstrāde (piemēram, sveķu piesūcināšana).
Elektromagnētiskās saderības problēmas: Granīts ir izolācijas materiāls. Situācijās, kad nepieciešama statiskās elektrības izlāde vai elektromagnētiskā ekranēšana (piemēram, vafeļu elektrostatiskās adsorbcijas platformās), ir jāsajauc metāla pārklājumi vai vadošas plēves, kas palielina konstrukcijas sarežģītību un izmaksas.
Nozares reaģēšanas stratēģija
Neskatoties uz iepriekšminētajiem trūkumiem, pusvadītāju rūpniecība ir daļēji kompensējusi granīta trūkumus, izmantojot tehnoloģiskas inovācijas:
Kompozītmateriālu konstrukcijas dizains: tajā tiek izmantota "granīta pamatnes + metāla rāmja" kombinācija, ņemot vērā gan stingrību, gan vieglo svaru (piemēram, kāds fotolitogrāfijas iekārtu ražotājs granīta pamatnē iestrādā alumīnija sakausējuma šūnveida struktūru, samazinot svaru par 40%).
Mākslīgi sintētiski alternatīvi materiāli: Izstrādāt keramikas matricas kompozītmateriālus (piemēram, silīcija karbīda keramiku) un uz epoksīdsveķiem balstītus mākslīgos akmeņus, lai simulētu granīta termisko stabilitāti un vibrācijas izturību, vienlaikus uzlabojot apstrādes elastību.
Inteliģenta apstrādes tehnoloģija: ieviešot mākslīgā intelekta algoritmus apstrādes ceļa optimizēšanai, sprieguma simulāciju plaisu risku prognozēšanai un tiešsaistes noteikšanas apvienošanu parametru pielāgošanai reāllaikā, apstrādes brāķu līmenis ir samazināts no 5% līdz mazāk nekā 1%.
Kopsavilkums
Granīta trūkumi pusvadītāju rūpniecībā būtībā izriet no spēles starp tā dabiskajām materiāla īpašībām un rūpnieciskajām prasībām. Attīstoties tehnoloģijām un alternatīviem materiāliem, tā pielietojuma scenāriji var pakāpeniski sarukt, virzoties uz "neaizvietojamām pamata atsauces sastāvdaļām" (piemēram, hidrostatiskajām vadotnēm fotolitogrāfijas iekārtām un īpaši precīziem mērīšanas platformām), vienlaikus pakāpeniski dodot ceļu elastīgākiem inženiertehniskajiem materiāliem nekritiskās konstrukcijas sastāvdaļās. Nākotnē nozare turpinās pētīt, kā līdzsvarot veiktspēju, izmaksas un ilgtspējību.
Publicēšanas laiks: 2025. gada 24. maijs