Nonostante i severi requisiti di elevata precisione e affidabilità richiesti dall'industria dei semiconduttori, il granito, pur essendo uno dei materiali principali, presenta anche alcune limitazioni nelle sue proprietà. Di seguito sono riportati i principali svantaggi e le sfide nelle applicazioni pratiche:
In primo luogo, il materiale è estremamente fragile e difficile da lavorare
Rischio di fessurazione: il granito è essenzialmente una pietra naturale con microfratture naturali e confini di particelle minerali al suo interno, ed è un materiale tipicamente fragile. Nelle lavorazioni ad altissima precisione (come la rettifica su scala nanometrica e la lavorazione di superfici curve complesse), se la forza applicata non è uniforme o i parametri di lavorazione non sono appropriati, possono verificarsi problemi come scheggiature e propagazione di microfratture, con conseguente scarto del pezzo.
Bassa efficienza di lavorazione: per evitare fratture fragili, sono necessari processi speciali come la rettifica a bassa velocità con mole diamantate e la lucidatura magnetoreologica. Il ciclo di lavorazione è dal 30% al 50% più lungo rispetto a quello dei materiali metallici e i costi di investimento in attrezzature sono elevati (ad esempio, il prezzo di un centro di lavoro a cinque assi con collegamento meccanico supera i 10 milioni di yuan).
Limitazioni delle strutture complesse: è difficile produrre strutture leggere cave tramite fusione, forgiatura e altri processi. Viene utilizzato principalmente in forme geometriche semplici come piastre e basi, e la sua applicazione è limitata ad apparecchiature che richiedono supporti irregolari o l'integrazione di tubazioni interne.
In secondo luogo, l'elevata densità comporta un carico elevato sulle apparecchiature
Difficoltà di movimentazione e installazione: la densità del granito è di circa 2,6-3,0 g/cm³ e il suo peso è 1,5-2 volte superiore a quello della ghisa a parità di volume. Ad esempio, il peso di una base in granito per una macchina fotolitografica può raggiungere le 5-10 tonnellate, richiedendo attrezzature di sollevamento dedicate e fondazioni antiurto, con un conseguente aumento dei costi di costruzione e installazione delle attrezzature.
Ritardo nella risposta dinamica: l'elevata inerzia limita l'accelerazione delle parti mobili dell'apparecchiatura (come i robot di trasferimento wafer). In scenari in cui sono richiesti avviamenti e arresti rapidi (come le apparecchiature di ispezione ad alta velocità), può influire sul ritmo di produzione e ridurre l'efficienza.
In terzo luogo, il costo della riparazione e dell’iterazione è elevato
I difetti sono difficili da riparare: se durante l'uso si verificano usura superficiale o danni da collisione, è necessario restituire il componente in fabbrica per la riparazione tramite attrezzature di rettifica professionali, che non possono essere gestite rapidamente in loco. Al contrario, i componenti metallici possono essere riparati immediatamente tramite metodi come la saldatura a punti e la deposizione laser, riducendo così i tempi di fermo.
Il ciclo di iterazione del progetto è lungo: le differenze nelle venature del granito naturale possono causare lievi fluttuazioni nelle proprietà del materiale (come il coefficiente di dilatazione termica e il rapporto di smorzamento) di lotti diversi. Se il progetto dell'attrezzatura cambia, le proprietà del materiale devono essere riadattate e il ciclo di verifica di ricerca e sviluppo è relativamente lungo.
Iv. Risorse limitate e sfide ambientali
La pietra naturale non è rinnovabile: il granito di alta qualità (come il "Jinan Green" e il "Sesame Black", utilizzati nei semiconduttori) si basa su vene specifiche, ha riserve limitate e la sua estrazione è limitata dalle politiche di tutela ambientale. Con l'espansione dell'industria dei semiconduttori, potrebbe esserci il rischio di un approvvigionamento instabile di materie prime.
Problemi di inquinamento durante la lavorazione: durante i processi di taglio e rettifica, viene prodotta una grande quantità di polvere di granito (contenente biossido di silicio). Se non gestita correttamente, può causare silicosi. Inoltre, le acque reflue devono essere trattate tramite sedimentazione prima di essere scaricate, aumentando gli investimenti per la tutela ambientale.
Cinque. Compatibilità insufficiente con i processi emergenti
Limitazioni dell'ambiente sotto vuoto: alcuni processi per semiconduttori (come il rivestimento sotto vuoto e la litografia a fascio di elettroni) richiedono il mantenimento di uno stato di vuoto spinto all'interno dell'apparecchiatura. Tuttavia, i micropori sulla superficie del granito possono assorbire molecole di gas, che vengono rilasciate lentamente e compromettono la stabilità del grado di vuoto. Pertanto, è necessario un ulteriore trattamento di densificazione superficiale (come l'impregnazione con resina).
Problemi di compatibilità elettromagnetica: il granito è un materiale isolante. In scenari in cui è richiesta la scarica di elettricità statica o la schermatura elettromagnetica (come le piattaforme di assorbimento elettrostatico su wafer), è necessario realizzare rivestimenti metallici o film conduttivi, aumentando la complessità strutturale e i costi.
Strategia di risposta del settore
Nonostante le carenze sopra menzionate, l'industria dei semiconduttori ha in parte compensato le carenze del granito attraverso l'innovazione tecnologica:
Progettazione della struttura composita: adotta la combinazione di "base in granito + telaio in metallo", tenendo conto sia della rigidità che della leggerezza (ad esempio, un certo produttore di macchine per fotolitografia incorpora una struttura a nido d'ape in lega di alluminio nella base in granito, riducendo il peso del 40%).
Materiali alternativi sintetici artificiali: sviluppare compositi a matrice ceramica (come la ceramica al carburo di silicio) e pietre artificiali a base di resina epossidica per simulare la stabilità termica e la resistenza alle vibrazioni del granito, migliorando al contempo la flessibilità di lavorazione.
Tecnologia di elaborazione intelligente: introducendo algoritmi di intelligenza artificiale per ottimizzare il percorso di elaborazione, la simulazione delle sollecitazioni per prevedere i rischi di cricche e combinando il rilevamento online per regolare i parametri in tempo reale, il tasso di scarti di elaborazione è stato ridotto dal 5% a meno dell'1%.
Riepilogo
Le carenze del granito nell'industria dei semiconduttori derivano essenzialmente dal contrasto tra le sue proprietà naturali e le esigenze industriali. Con il progresso tecnologico e lo sviluppo di materiali alternativi, i suoi scenari applicativi potrebbero gradualmente ridursi a "componenti di riferimento fondamentali insostituibili" (come guide idrostatiche per macchine fotolitografiche e piattaforme di misura ad altissima precisione), lasciando gradualmente spazio a materiali ingegneristici più flessibili in componenti strutturali non critici. In futuro, il settore continuerà a esplorare come bilanciare prestazioni, costi e sostenibilità.
Data di pubblicazione: 24 maggio 2025