Puolijohdeteollisuuden tiukkojen tarkkuus- ja luotettavuusvaatimusten vuoksi graniitti onkin yksi ydinmateriaaleista, mutta sen ominaisuuksilla on myös tiettyjä rajoituksia. Seuraavassa on sen tärkeimmät haitat ja haasteet käytännön sovelluksissa:
Ensinnäkin materiaali on erittäin haurasta ja vaikeasti työstettävää.
Halkeiluriski: Graniitti on pohjimmiltaan luonnonkivi, jonka sisällä on luonnollisia mikrohalkeamia ja mineraalihiukkasten rajoja, ja se on tyypillinen hauras materiaali. Erittäin tarkassa työstössä (kuten nanomittakaavan hionnassa ja monimutkaisten kaarevien pintojen työstössä) epätasainen voima tai sopimattomat työstöparametrit voivat aiheuttaa ongelmia, kuten lohkeilua ja mikrohalkeamien etenemistä, mikä johtaa työkappaleen romuttumiseen.
Alhainen prosessointitehokkuus: Hauraan murtuman välttämiseksi tarvitaan erityisiä prosesseja, kuten timanttihiomalaikoilla tapahtuvaa hitaalla hiontaa ja magnetoreologista kiillotusta. Prosessointisykli on 30–50 % pidempi kuin metallimateriaaleilla, ja laitteiden investointikustannukset ovat korkeat (esimerkiksi viisiakselisen niveltyöstökeskuksen hinta ylittää 10 miljoonaa yuania).
Monimutkaisten rakenteiden rajoitukset: Onttojen kevyiden rakenteiden valmistaminen valamalla, takomalla ja muilla menetelmillä on vaikeaa. Sitä käytetään enimmäkseen yksinkertaisissa geometrisissa muodoissa, kuten levyissä ja alustoissa, ja sen käyttö on rajoitettua laitteissa, jotka vaativat epäsäännöllisiä tukia tai sisäisiä putkistojen integrointeja.
Toiseksi, suuri tiheys johtaa laitteiden suureen kuormitukseen
Vaikea käsitellä ja asentaa: Graniitin tiheys on noin 2,6–3,0 g/cm³ ja sen paino on 1,5–2 kertaa suurempi kuin valuraudan samassa tilavuudessa. Esimerkiksi fotolitografiakoneen graniittijalustan paino voi olla 5–10 tonnia, mikä vaatii erityisiä nostolaitteita ja iskunkestävät perustukset, mikä lisää tehtaan rakentamisen ja laitteiden käyttöönoton kustannuksia.
Dynaaminen vasteviive: Suuri inertia rajoittaa laitteiden liikkuvien osien (kuten kiekkojen siirtorobottien) kiihtyvyyttä. Tilanteissa, joissa tarvitaan nopeaa käynnistystä ja pysäytystä (kuten suurnopeuksiset tarkastuslaitteet), se voi vaikuttaa tuotantorytmiin ja heikentää tehokkuutta.
Kolmanneksi, korjauksen ja iteroinnin kustannukset ovat korkeat
Vikoja on vaikea korjata: Jos käytön aikana ilmenee pinnan kulumista tai törmäysvaurioita, osat on palautettava tehtaalle korjattavaksi ammattimaisilla hiomakoneilla, joita ei voida käsitellä nopeasti paikan päällä. Metalliosat voidaan sitä vastoin korjata välittömästi esimerkiksi pistehitsauksella ja laserhitsauksella, mikä lyhentää seisokkiaikaa.
Suunnittelun iteraatiosykli on pitkä: Luonnongraniitin juovien erot voivat aiheuttaa pieniä vaihteluita eri erien materiaalien ominaisuuksissa (kuten lämpölaajenemiskertoimessa ja vaimennussuhteessa). Jos laitteiston suunnittelu muuttuu, materiaalien ominaisuudet on sovitettava uudelleen yhteen, ja tutkimus- ja kehitystyön varmennussykli on suhteellisen pitkä.
Iv. Rajalliset resurssit ja ympäristöhaasteet
Luonnonkivi on uusiutumatonta: Korkealaatuinen graniitti (kuten puolijohteissa käytettävät "Jinan Green" ja "Sesame Black") on riippuvainen erityisistä juonista, sen varannot ovat rajalliset ja sen louhintaa rajoittavat ympäristönsuojelupolitiikat. Puolijohdeteollisuuden laajentuessa voi olla olemassa epävakaan raaka-ainesaannin riski.
Prosessoinnin aiheuttamat saastumisongelmat: Leikkaus- ja jauhatusprosessien aikana syntyy suuri määrä graniittipölyä (joka sisältää piidioksidia). Jos sitä ei käsitellä oikein, se voi aiheuttaa silikoosia. Lisäksi jätevesi on käsiteltävä laskeuttamalla ennen sen laskemista pois, mikä lisää ympäristönsuojeluinvestointeja.
Viisi. Riittämätön yhteensopivuus uusien prosessien kanssa
Tyhjiöympäristön rajoitukset: Jotkut puolijohdeprosessit (kuten tyhjiöpinnoitus ja elektronisuihkulitografia) vaativat korkean tyhjiötilan ylläpitämistä laitteiston sisällä. Graniitin pinnalla olevat mikrohuokoset voivat kuitenkin adsorboida kaasumolekyylejä, jotka vapautuvat hitaasti ja vaikuttavat tyhjiöasteen vakauteen. Siksi tarvitaan lisäpinnan tiivistyskäsittelyä (kuten hartsikyllästystä).
Sähkömagneettisen yhteensopivuuden ongelmat: Graniitti on eristävä materiaali. Tilanteissa, joissa tarvitaan staattisen sähkön purkauksia tai sähkömagneettista suojausta (kuten kiekkojen sähköstaattiset adsorptioalustat), on käytettävä metallipinnoitteita tai johtavia kalvoja, mikä lisää rakenteellista monimutkaisuutta ja kustannuksia.
Alan vastausstrategia
Edellä mainituista puutteista huolimatta puolijohdeteollisuus on osittain kompensoinut graniitin puutteita teknologisten innovaatioiden avulla:
Komposiittirakenne: Se käyttää graniittipohjan ja metallirungon yhdistelmää ottaen huomioon sekä jäykkyyden että keveyden (esimerkiksi tiettyjen fotolitografiakoneiden valmistaja upottaa graniittipohjaan alumiiniseoksesta valmistetun hunajakennorakenteen, mikä vähentää painoa 40 %).
Keinotekoiset synteettiset vaihtoehtoiset materiaalit: Kehitetään keraamisia matriisikomposiitteja (kuten piikarbidikeraamia) ja epoksihartsipohjaisia tekokiviä graniitin lämpöstabiilisuuden ja tärinänkestävyyden simuloimiseksi samalla parantaen prosessoinnin joustavuutta.
Älykäs prosessointiteknologia: Ottamalla käyttöön tekoälyalgoritmeja prosessointipolun optimoimiseksi, jännityssimulointia halkeamien riskien ennustamiseksi ja online-tunnistuksen yhdistämistä parametrien säätämiseksi reaaliajassa, prosessointihylkyprosenttia on laskettu 5 prosentista alle 1 prosenttiin.
Yhteenveto
Graniitin puutteet puolijohdeteollisuudessa johtuvat pohjimmiltaan sen luonnollisten materiaaliominaisuuksien ja teollisten vaatimusten välisestä ristiriidasta. Teknologian kehittyessä ja vaihtoehtoisten materiaalien kehittyessä sen käyttökohteet saattavat vähitellen kutistua kohti "korvaamattomia ydinreferenssikomponentteja" (kuten fotolitografiakoneiden hydrostaattiset ohjauskiskot ja erittäin tarkat mittausalustat), samalla kun vähitellen annetaan tilaa joustavammille teknisille materiaaleille ei-kriittisissä rakenneosissa. Tulevaisuudessa suorituskyvyn, kustannusten ja kestävyyden tasapainottaminen on aihe, jota teollisuus jatkaa tutkiessaan.
Julkaisun aika: 24.5.2025