Puslaidininkių pramonėje, kuriai keliami griežti didelio tikslumo ir patikimumo reikalavimai, granitas yra viena iš pagrindinių medžiagų, tačiau jo savybės taip pat turi tam tikrų apribojimų. Toliau pateikiami pagrindiniai jo trūkumai ir praktinio pritaikymo iššūkiai:
Pirma, medžiaga yra labai trapi ir sunkiai apdorojama.
Įtrūkimų rizika: Granitas iš esmės yra natūralus akmuo su natūraliais mikroįtrūkimais ir mineralinių dalelių ribomis viduje, ir tai yra tipiška trapi medžiaga. Atliekant itin tikslų apdirbimą (pvz., nanoskalės šlifavimą ir sudėtingų lenktų paviršių apdirbimą), jei jėga yra netolygi arba apdorojimo parametrai yra netinkami, gali kilti tokių problemų kaip skilimas ir mikroįtrūkimų plitimas, dėl kurių ruošinys gali būti laužomas.
Mažas apdorojimo efektyvumas: Siekiant išvengti trapių lūžių, reikalingi specialūs procesai, tokie kaip mažo greičio šlifavimas deimantiniais šlifavimo diskais ir magnetoreologinis poliravimas. Apdorojimo ciklas yra 30–50 % ilgesnis nei metalinių medžiagų, o įrangos investicijos yra didelės (pavyzdžiui, penkių ašių jungties apdirbimo centro kaina viršija 10 mln. juanių).
Sudėtingos konstrukcijos apribojimai: Liejant, kalint ir kitais procesais sunku pagaminti tuščiavidures lengvas konstrukcijas. Jos dažniausiai naudojamos paprastose geometrinėse formose, tokiose kaip plokštės ir pagrindai, o jų pritaikymas ribotas įrangoje, kuriai reikalingos netaisyklingos atramos arba vidinis vamzdynų integravimas.
Antra, didelis tankis lemia didelę įrangos apkrovą.
Sunku tvarkyti ir montuoti: granito tankis yra maždaug 2,6–3,0 g/cm³, o svoris 1,5–2 kartus didesnis nei ketaus, esant tokiam pačiam tūriui. Pavyzdžiui, fotolitografijos aparato granito pagrindo svoris gali siekti 5–10 tonų, todėl reikalinga speciali kėlimo įranga ir smūgiams atsparūs pamatai, o tai padidina gamyklos statybos ir įrangos diegimo sąnaudas.
Dinaminis atsako vėlavimas: didelė inercija riboja judančių įrangos dalių (pvz., plokštelių perkėlimo robotų) pagreitį. Tais atvejais, kai reikalingas greitas paleidimas ir stabdymas (pvz., didelės spartos tikrinimo įranga), tai gali paveikti gamybos ritmą ir sumažinti efektyvumą.
Trečia, remonto ir iteracijos kaina yra didelė
Defektus sunku taisyti: jei naudojimo metu atsiranda paviršiaus susidėvėjimas ar susidūrimo pažeidimai, gaminį reikia grąžinti į gamyklą remontui naudojant profesionalią šlifavimo įrangą, kurios negalima greitai sutvarkyti vietoje. Priešingai, metalinius komponentus galima nedelsiant suremontuoti tokiais metodais kaip taškinis suvirinimas ir lazerinis plakiravimas, todėl prastovos sutrumpėja.
Projektavimo iteracijos ciklas yra ilgas: dėl natūralaus granito gyslų skirtumų skirtingų partijų medžiagų savybės (pvz., šiluminio plėtimosi koeficientas ir slopinimo santykis) gali šiek tiek skirtis. Jei įrangos konstrukcija pasikeičia, medžiagų savybes reikia suderinti iš naujo, o tyrimų ir plėtros patikros ciklas yra gana ilgas.
IV. Riboti ištekliai ir aplinkosaugos iššūkiai
Natūralus akmuo neatsinaujina: aukštos kokybės granitas (pvz., „Jinan Green“ ir „Sesame Black“, naudojami puslaidininkiuose) išgaunamas iš specifinių gyslų, turi ribotas atsargas, o jo kasybą riboja aplinkos apsaugos politika. Plečiantis puslaidininkių pramonei, gali kilti nestabilaus žaliavų tiekimo rizika.
Apdorojimo taršos problemos: Pjovimo ir šlifavimo procesų metu susidaro didelis kiekis granito dulkių (kurių sudėtyje yra silicio dioksido). Jei jos netinkamai tvarkomos, gali sukelti silikozę. Be to, prieš išleidžiant nuotekas, jos turi būti valomos nusodinimo būdu, o tai padidina investicijas į aplinkos apsaugą.
Penkta. Nepakankamas suderinamumas su naujais procesais
Vakuuminės aplinkos apribojimai: Kai kuriems puslaidininkių procesams (pvz., vakuuminiam dengimui ir elektronų pluošto litografijai) reikia palaikyti aukštą vakuumo būseną įrangos viduje. Tačiau granito paviršiaus mikroporos gali adsorbuoti dujų molekules, kurios lėtai išsiskiria ir turi įtakos vakuumo laipsnio stabilumui. Todėl būtinas papildomas paviršiaus tankinimo apdorojimas (pvz., impregnavimas derva).
Elektromagnetinio suderinamumo problemos: Granitas yra izoliacinė medžiaga. Tais atvejais, kai reikalingas statinės elektros iškrovimas arba elektromagnetinis ekranavimas (pvz., plokštelių elektrostatinės adsorbcijos platformose), reikia maišyti metalines dangas arba laidžias plėveles, o tai padidina konstrukcijos sudėtingumą ir kainą.
Pramonės reagavimo strategija
Nepaisant minėtų trūkumų, puslaidininkių pramonė iš dalies kompensavo granito trūkumus technologinėmis inovacijomis:
Kompozitinės konstrukcijos dizainas: jame naudojamas „granito pagrindo + metalinio rėmo“ derinys, atsižvelgiant į standumą ir lengvumą (pavyzdžiui, tam tikras fotolitografijos aparatų gamintojas į granito pagrindą įterpia aliuminio lydinio korio struktūrą, taip sumažindamas svorį 40 %).
Dirbtinės sintetinės alternatyvios medžiagos: sukurti keraminių matricų kompozitus (pvz., silicio karbido keramiką) ir epoksidinės dervos pagrindu pagamintus dirbtinius akmenis, kad būtų imituojamas granito terminis stabilumas ir atsparumas vibracijai, kartu didinant apdorojimo lankstumą.
Pažangi apdorojimo technologija: įdiegus dirbtinio intelekto algoritmus apdorojimo keliui optimizuoti, įtempių modeliavimą įtrūkimų rizikai numatyti ir internetinio aptikimo derinimą parametrams realiuoju laiku koreguoti, apdorojimo atliekų kiekis sumažėjo nuo 5 % iki mažiau nei 1 %.
Santrauka
Granito trūkumai puslaidininkių pramonėje iš esmės kyla dėl konkurencijos tarp natūralių jo medžiagų savybių ir pramoninių poreikių. Tobulėjant technologijoms ir kuriant alternatyvias medžiagas, jo taikymo scenarijai gali palaipsniui mažėti iki „nepakeičiamų pagrindinių etaloninių komponentų“ (pvz., hidrostatinių kreipiančiųjų bėgių fotolitografijos mašinoms ir itin tikslių matavimo platformų), o ne kritiniuose konstrukciniuose komponentuose palaipsniui užleisti vietą lankstesnėms inžinerinėms medžiagoms. Ateityje pramonė ir toliau nagrinės, kaip suderinti našumą, kainą ir tvarumą.
Įrašo laikas: 2025 m. gegužės 24 d.