Baixo os estritos requisitos de alta precisión e alta fiabilidade na industria dos semicondutores, aínda que o granito é un dos materiais principais, as súas propiedades tamén presentan certas limitacións. As seguintes son as súas principais desvantaxes e desafíos nas aplicacións prácticas:
En primeiro lugar, o material é moi fráxil e difícil de procesar
Risco de rachaduras: o granito é esencialmente unha pedra natural con microfendas naturais e límites de partículas minerais no seu interior, e é un material fráxil típico. No mecanizado de ultraprecisión (como a moenda a nanoescala e o procesamento de superficies curvas complexas), se a forza é desigual ou os parámetros de procesamento son inadecuados, é probable que se produzan problemas como a lascada e a propagación de microfendas, o que leva ao desguace da peza.
Baixa eficiencia de procesamento: para evitar a fractura fráxil, requírense procesos especiais como a rectificación a baixa velocidade con rebarbas de diamante e o pulido magnetoreolóxico. O ciclo de procesamento é entre un 30 % e un 50 % máis longo que o dos materiais metálicos e o custo de investimento en equipos é elevado (por exemplo, o prezo dun centro de mecanizado de cinco eixes supera os 10 millóns de yuans).
Limitacións de estruturas complexas: É difícil producir estruturas lixeiras ocas mediante fundición, forxa e outros procesos. Úsase principalmente en formas xeométricas simples como placas e bases, e a súa aplicación é limitada en equipos que requiren soportes irregulares ou integración interna de tubaxes.
En segundo lugar, a alta densidade leva a unha carga pesada no equipo
Dificultade de manexo e instalación: a densidade do granito é de aproximadamente 2,6-3,0 g/cm³ e o seu peso é de 1,5 a 2 veces maior que o do ferro fundido para o mesmo volume. Por exemplo, o peso dunha base de granito para unha máquina de fotolitografía pode chegar a 5 a 10 toneladas, o que require equipos de elevación específicos e cimentos a proba de golpes, o que aumenta o custo da construción da fábrica e do despregamento dos equipos.
Atraso na resposta dinámica: a alta inercia limita a aceleración das partes móbiles do equipo (como os robots de transferencia de obleas). En escenarios onde se require un arranque e unha parada rápidos (como os equipos de inspección de alta velocidade), pode afectar o ritmo de produción e reducir a eficiencia.
En terceiro lugar, o custo da reparación e da iteración é elevado
Os defectos son difíciles de reparar: se se produce desgaste superficial ou danos por colisión durante o uso, é necesario devolvelos á fábrica para a súa reparación mediante equipos de rectificado profesionais, que non se poden manexar rapidamente in situ. Pola contra, os compoñentes metálicos pódense reparar inmediatamente mediante métodos como a soldadura por puntos e o revestimento láser, o que resulta nun tempo de inactividade máis curto.
O ciclo de iteración do deseño é longo: as diferenzas nas vetas de granito natural poden causar lixeiras flutuacións nas propiedades do material (como o coeficiente de expansión térmica e a relación de amortiguamento) de diferentes lotes. Se o deseño do equipo cambia, as propiedades do material deben volver axustarse, e o ciclo de verificación da investigación e desenvolvemento é relativamente longo.
Iv. Recursos limitados e desafíos ambientais
A pedra natural non é renovable: o granito de alta calidade (como o "verde de Jinan" e o "negro de sésamo" que se usan en semicondutores) depende de vetas específicas, ten reservas limitadas e a súa extracción está restrinxida polas políticas de protección ambiental. Coa expansión da industria dos semicondutores, pode haber un risco de subministración inestable de materias primas.
Problemas de contaminación durante o procesamento: Durante os procesos de corte e moenda, prodúcese unha gran cantidade de po de granito (que contén dióxido de silicio). Se non se manipula axeitadamente, pode causar silicose. Ademais, as augas residuais deben tratarse mediante sedimentación antes de ser vertidas, o que aumenta o investimento en protección ambiental.
Cinco. Compatibilidade insuficiente cos procesos emerxentes
Limitacións do ambiente de baleiro: Algúns procesos de semicondutores (como o revestimento ao baleiro e a litografía por feixe de electróns) requiren manter un estado de alto baleiro dentro do equipo. Non obstante, os microporos da superficie do granito poden adsorber moléculas de gas, que se liberan lentamente e afectan á estabilidade do grao de baleiro. Polo tanto, é necesario un tratamento de densificación superficial adicional (como a impregnación con resina).
Problemas de compatibilidade electromagnética: o granito é un material illante. En escenarios onde se require unha descarga de electricidade estática ou un blindaxe electromagnética (como as plataformas de adsorción electrostática de obleas), é necesario combinar revestimentos metálicos ou películas condutoras, o que aumenta a complexidade estrutural e o custo.
Estratexia de resposta da industria
Malia as deficiencias mencionadas anteriormente, a industria dos semicondutores compensou parcialmente as deficiencias do granito mediante a innovación tecnolóxica:
Deseño de estrutura composta: adopta a combinación de "base de granito + estrutura metálica", tendo en conta tanto a rixidez como o peso lixeiro (por exemplo, un determinado fabricante de máquinas de fotolitografía integra unha estrutura de panal de abella de aliaxe de aluminio na base de granito, o que reduce o peso nun 40%).
Materiais alternativos sintéticos artificiais: Desenvolver materiais compostos de matriz cerámica (como a cerámica de carburo de silicio) e pedras artificiais a base de resina epoxi para simular a estabilidade térmica e a resistencia ás vibracións do granito, ao mesmo tempo que mellorar a flexibilidade do procesamento.
Tecnoloxía de procesamento intelixente: mediante a introdución de algoritmos de IA para optimizar a ruta de procesamento, a simulación de tensión para predicir os riscos de fendas e a combinación da detección en liña para axustar os parámetros en tempo real, a taxa de refugallo do procesamento reduciuse do 5 % a menos do 1 %.
Resumo
As deficiencias do granito na industria dos semicondutores derivan esencialmente do xogo entre as súas propiedades naturais e as esixencias industriais. Co avance da tecnoloxía e o desenvolvemento de materiais alternativos, os seus escenarios de aplicación poden reducirse gradualmente cara a "compoñentes de referencia básicos irremplazables" (como guías hidrostáticas para máquinas de fotolitografía e plataformas de medición de ultraprecisión), mentres que gradualmente dan paso a materiais de enxeñaría máis flexibles en compoñentes estruturais non críticos. No futuro, como equilibrar o rendemento, o custo e a sustentabilidade será un tema que a industria seguirá explorando.
Data de publicación: 24 de maio de 2025