تحت الزامات سختگیرانه دقت و قابلیت اطمینان بالا در صنعت نیمه‌هادی، اگرچه گرانیت یکی از مواد اصلی است، اما خواص آن محدودیت‌های خاصی را نیز به همراه دارد. معایب و چالش‌های اصلی آن در کاربردهای عملی به شرح زیر است:
اول، این ماده بسیار شکننده و پردازش آن دشوار است.
خطر ترک خوردگی: گرانیت اساساً یک سنگ طبیعی با ریزترک‌های طبیعی و مرزهای ذرات معدنی در داخل است و یک ماده شکننده معمولی است. در ماشینکاری فوق دقیق (مانند سنگ زنی در مقیاس نانو و پردازش سطوح منحنی پیچیده)، اگر نیرو ناهموار باشد یا پارامترهای پردازش نامناسب باشند، مشکلاتی مانند لب پریدگی و انتشار ریزترک‌ها مستعد بروز هستند که منجر به خرد شدن قطعه کار می‌شود.
راندمان پایین پردازش: برای جلوگیری از شکست ترد، فرآیندهای ویژه‌ای مانند سنگ‌زنی با سرعت پایین با چرخ‌های سنگ‌زنی الماس و پرداخت مغناطیسی-رئولوژیکی مورد نیاز است. چرخه پردازش 30 تا 50 درصد طولانی‌تر از مواد فلزی است و هزینه سرمایه‌گذاری تجهیزات بالا است (به عنوان مثال، قیمت یک مرکز ماشینکاری اتصال پنج محوره بیش از 10 میلیون یوان است).
محدودیت‌های ساختار پیچیده: تولید سازه‌های سبک توخالی از طریق ریخته‌گری، آهنگری و سایر فرآیندها دشوار است. بیشتر در اشکال هندسی ساده مانند صفحات و پایه‌ها استفاده می‌شود و کاربرد آن در تجهیزاتی که نیاز به تکیه‌گاه‌های نامنظم یا ادغام خط لوله داخلی دارند، محدود است.
دوم، چگالی بالا منجر به بار سنگین روی تجهیزات می‌شود.
جابجایی و نصب دشوار: چگالی گرانیت تقریباً 2.6-3.0 گرم بر سانتی‌متر مکعب است و وزن آن 1.5-2 برابر چدن در حجم یکسان است. به عنوان مثال، وزن پایه گرانیتی برای دستگاه فوتولیتوگرافی می‌تواند به 5 تا 10 تن برسد که به تجهیزات بالابری اختصاصی و پایه‌های ضد ضربه نیاز دارد که هزینه ساخت کارخانه و استقرار تجهیزات را افزایش می‌دهد.
تأخیر پاسخ دینامیکی: اینرسی بالا، شتاب قطعات متحرک تجهیزات (مانند ربات‌های انتقال ویفر) را محدود می‌کند. در سناریوهایی که شروع و توقف سریع مورد نیاز است (مانند تجهیزات بازرسی پرسرعت)، ممکن است بر ریتم تولید تأثیر بگذارد و راندمان را کاهش دهد.
سوم، هزینه تعمیر و تکرار بالاست
تعمیر نقص‌ها دشوار است: اگر در حین استفاده، سایش سطحی یا آسیب ناشی از برخورد رخ دهد، باید برای تعمیر از طریق تجهیزات سنگ‌زنی حرفه‌ای به کارخانه بازگردانده شود که نمی‌توان به سرعت در محل به آن رسیدگی کرد. در مقابل، اجزای فلزی را می‌توان بلافاصله از طریق روش‌هایی مانند جوشکاری نقطه‌ای و روکش لیزری تعمیر کرد که منجر به زمان از کارافتادگی کوتاه‌تر می‌شود.
چرخه تکرار طراحی طولانی است: تفاوت در رگه‌های گرانیت طبیعی ممکن است باعث نوسانات جزئی در خواص مواد (مانند ضریب انبساط حرارتی و نسبت میرایی) دسته‌های مختلف شود. در صورت تغییر طراحی تجهیزات، خواص مواد باید دوباره تطبیق داده شوند و چرخه تأیید تحقیق و توسعه نسبتاً طولانی است.
چهارم. منابع محدود و چالش‌های زیست‌محیطی
سنگ طبیعی تجدیدناپذیر است: گرانیت با کیفیت بالا (مانند "جینان سبز" و "کنجد سیاه" که در نیمه‌رساناها استفاده می‌شوند) به رگه‌های خاصی متکی هستند، ذخایر محدودی دارند و استخراج آن توسط سیاست‌های حفاظت از محیط زیست محدود شده است. با گسترش صنعت نیمه‌رساناها، ممکن است خطر تأمین ناپایدار مواد اولیه وجود داشته باشد.
مسائل مربوط به آلودگی فرآوری: در طول فرآیندهای برش و سنگ‌زنی، مقدار زیادی گرد و غبار گرانیت (حاوی دی‌اکسید سیلیکون) تولید می‌شود. اگر به درستی مدیریت نشود، ممکن است باعث سیلیکوزیس شود. علاوه بر این، فاضلاب قبل از تخلیه باید با رسوب‌گذاری تصفیه شود و این امر سرمایه‌گذاری در حفاظت از محیط زیست را افزایش می‌دهد.
پنج. سازگاری ناکافی با فرآیندهای نوظهور
محدودیت‌های محیط خلاء: برخی از فرآیندهای نیمه‌هادی (مانند پوشش خلاء و لیتوگرافی پرتو الکترونی) نیاز به حفظ حالت خلاء بالا در داخل دستگاه دارند. با این حال، منافذ ریز روی سطح گرانیت ممکن است مولکول‌های گاز را جذب کنند که به آرامی آزاد می‌شوند و بر پایداری درجه خلاء تأثیر می‌گذارند. بنابراین، عملیات تراکم سطحی اضافی (مانند اشباع رزین) ضروری است.
مسائل مربوط به سازگاری الکترومغناطیسی: گرانیت یک ماده عایق است. در مواردی که تخلیه الکتریسیته ساکن یا محافظت الکترومغناطیسی مورد نیاز است (مانند سکوهای جذب الکترواستاتیک ویفر)، پوشش‌های فلزی یا فیلم‌های رسانا باید ترکیب شوند که پیچیدگی و هزینه ساختاری را افزایش می‌دهد.
استراتژی واکنش به صنعت
علیرغم کاستی‌های ذکر شده در بالا، صنعت نیمه‌هادی تا حدودی کاستی‌های گرانیت را از طریق نوآوری‌های تکنولوژیکی جبران کرده است:
طراحی سازه کامپوزیت: ترکیبی از "پایه گرانیتی + قاب فلزی" را اتخاذ می‌کند، که هم استحکام و هم سبکی را در نظر می‌گیرد (برای مثال، یک سازنده دستگاه فوتولیتوگرافی خاص، یک ساختار لانه زنبوری از جنس آلیاژ آلومینیوم را در پایه گرانیتی تعبیه می‌کند و وزن را تا 40٪ کاهش می‌دهد).
مواد جایگزین مصنوعی: کامپوزیت‌های ماتریس سرامیکی (مانند سرامیک‌های کاربید سیلیکون) و سنگ‌های مصنوعی مبتنی بر رزین اپوکسی را برای شبیه‌سازی پایداری حرارتی و مقاومت در برابر ارتعاش گرانیت، ضمن افزایش انعطاف‌پذیری پردازش، توسعه دهید.
فناوری پردازش هوشمند: با معرفی الگوریتم‌های هوش مصنوعی برای بهینه‌سازی مسیر پردازش، شبیه‌سازی تنش برای پیش‌بینی خطرات ترک و ترکیب تشخیص آنلاین برای تنظیم پارامترها در زمان واقعی، نرخ ضایعات پردازش از ۵٪ به زیر ۱٪ کاهش یافته است.
خلاصه
کاستی‌های گرانیت در صنعت نیمه‌رسانا اساساً ناشی از بازی بین خواص طبیعی مواد آن و تقاضاهای صنعتی است. با پیشرفت فناوری و توسعه مواد جایگزین، سناریوهای کاربرد آن ممکن است به تدریج به سمت "اجزای مرجع اصلی غیرقابل تعویض" (مانند ریل‌های راهنمای هیدرواستاتیک برای دستگاه‌های فوتولیتوگرافی و سکوهای اندازه‌گیری فوق دقیق) کاهش یابد، در حالی که به تدریج جای خود را به مواد مهندسی انعطاف‌پذیرتر در اجزای ساختاری غیر بحرانی می‌دهد. در آینده، چگونگی ایجاد تعادل بین عملکرد، هزینه و پایداری موضوعی خواهد بود که صنعت همچنان به بررسی آن ادامه می‌دهد.
زمان ارسال: ۲۴ مه ۲۰۲۵