Sob os rigorosos requisitos de alta precisão e alta confiabilidade da indústria de semicondutores, embora o granito seja um dos principais materiais, suas propriedades também apresentam certas limitações. A seguir, suas principais desvantagens e desafios em aplicações práticas:
Primeiro, o material é altamente quebradiço e difícil de processar
Risco de rachaduras: O granito é essencialmente uma pedra natural com microfissuras naturais e limites de partículas minerais em seu interior, sendo um material tipicamente quebradiço. Em usinagens de ultraprecisão (como retificação em nanoescala e processamento complexo de superfícies curvas), se a força for irregular ou os parâmetros de processamento forem inadequados, problemas como lascamento e propagação de microfissuras tendem a ocorrer, levando ao descarte da peça.
Baixa eficiência de processamento: Para evitar fraturas frágeis, são necessários processos especiais, como retificação de baixa velocidade com rebolos diamantados e polimento magnetoreológico. O ciclo de processamento é 30% a 50% maior que o de materiais metálicos, e o custo de investimento em equipamentos é alto (por exemplo, o preço de um centro de usinagem de cinco eixos ultrapassa 10 milhões de yuans).
Limitações de estruturas complexas: É difícil produzir estruturas ocas leves por meio de fundição, forjamento e outros processos. É usado principalmente em formas geométricas simples, como placas e bases, e sua aplicação é limitada em equipamentos que exigem suportes irregulares ou integração interna de tubulações.
Em segundo lugar, a alta densidade leva a uma carga pesada no equipamento
Difícil de manusear e instalar: A densidade do granito é de aproximadamente 2,6-3,0 g/cm³ e seu peso é de 1,5 a 2 vezes maior que o do ferro fundido sob o mesmo volume. Por exemplo, o peso de uma base de granito para uma máquina de fotolitografia pode chegar a 5 a 10 toneladas, exigindo equipamento de elevação dedicado e fundações à prova de choque, o que aumenta o custo de construção da fábrica e a implantação do equipamento.
Atraso de resposta dinâmica: A alta inércia limita a aceleração das partes móveis do equipamento (como robôs de transferência de wafers). Em cenários que exigem partida e parada rápidas (como equipamentos de inspeção de alta velocidade), isso pode afetar o ritmo de produção e reduzir a eficiência.
Terceiro, o custo de reparação e iteração é alto
Defeitos são difíceis de reparar: se ocorrer desgaste superficial ou danos por colisão durante o uso, o componente precisa ser devolvido à fábrica para reparo por meio de equipamentos de retificação profissionais, que não podem ser manuseados rapidamente no local. Em contrapartida, componentes metálicos podem ser reparados imediatamente por meio de métodos como soldagem a ponto e revestimento a laser, resultando em menor tempo de inatividade.
O ciclo de iteração do projeto é longo: as diferenças nos veios naturais do granito podem causar pequenas flutuações nas propriedades do material (como coeficiente de expansão térmica e taxa de amortecimento) de diferentes lotes. Se o projeto do equipamento mudar, as propriedades do material precisam ser reequilibradas, e o ciclo de verificação de pesquisa e desenvolvimento é relativamente longo.
Iv. Recursos limitados e desafios ambientais
A pedra natural não é renovável: granitos de alta qualidade (como o "Jinan Green" e o "Sesame Black", usados em semicondutores) dependem de veios específicos, têm reservas limitadas e sua mineração é restringida por políticas de proteção ambiental. Com a expansão da indústria de semicondutores, pode haver o risco de instabilidade no fornecimento de matéria-prima.
Problemas de poluição no processamento: Durante os processos de corte e trituração, é produzida uma grande quantidade de pó de granito (contendo dióxido de silício). Se não for manuseado corretamente, pode causar silicose. Além disso, o efluente precisa ser tratado por sedimentação antes de ser descartado, aumentando o investimento em proteção ambiental.
Cinco. Compatibilidade insuficiente com processos emergentes
Limitações do ambiente de vácuo: Alguns processos de semicondutores (como revestimento a vácuo e litografia por feixe de elétrons) exigem a manutenção de um estado de alto vácuo dentro do equipamento. No entanto, os microporos na superfície do granito podem adsorver moléculas de gás, que são liberadas lentamente e afetam a estabilidade do grau de vácuo. Portanto, é necessário um tratamento adicional de densificação da superfície (como impregnação com resina).
Problemas de compatibilidade eletromagnética: O granito é um material isolante. Em cenários onde descarga de eletricidade estática ou blindagem eletromagnética são necessárias (como plataformas de adsorção eletrostática de wafers), revestimentos metálicos ou filmes condutores precisam ser compostos, aumentando a complexidade estrutural e o custo.
Estratégia de resposta da indústria
Apesar das deficiências acima mencionadas, a indústria de semicondutores compensou parcialmente as deficiências do granito por meio da inovação tecnológica:
Design de estrutura composta: adota a combinação de "base de granito + estrutura de metal", levando em consideração a rigidez e o peso leve (por exemplo, um certo fabricante de máquina de fotolitografia incorpora uma estrutura de favo de mel de liga de alumínio na base de granito, reduzindo o peso em 40%).
Materiais alternativos sintéticos artificiais: desenvolver compósitos de matriz cerâmica (como cerâmicas de carboneto de silício) e pedras artificiais à base de resina epóxi para simular a estabilidade térmica e a resistência à vibração do granito, ao mesmo tempo em que aumenta a flexibilidade do processamento.
Tecnologia de processamento inteligente: Ao introduzir algoritmos de IA para otimizar o caminho de processamento, simulação de estresse para prever riscos de rachaduras e combinar detecção online para ajustar parâmetros em tempo real, a taxa de desperdício de processamento foi reduzida de 5% para menos de 1%.
Resumo
As deficiências do granito na indústria de semicondutores decorrem essencialmente da relação entre suas propriedades naturais e as demandas industriais. Com o avanço da tecnologia e o desenvolvimento de materiais alternativos, seus cenários de aplicação podem gradualmente se reduzir a "componentes de referência essenciais insubstituíveis" (como trilhos-guia hidrostáticos para máquinas de fotolitografia e plataformas de medição de ultraprecisão), enquanto gradualmente cedem lugar a materiais de engenharia mais flexíveis em componentes estruturais não críticos. No futuro, como equilibrar desempenho, custo e sustentabilidade será um tema que a indústria continuará a explorar.
Horário de publicação: 24 de maio de 2025