Obwohl Granit zu den Kernmaterialien zählt, bringen seine Eigenschaften unter den strengen Anforderungen an Präzision und Zuverlässigkeit in der Halbleiterindustrie auch gewisse Einschränkungen mit sich. Im Folgenden sind die wichtigsten Nachteile und Herausforderungen in der praktischen Anwendung aufgeführt:
Erstens ist das Material sehr spröde und schwer zu verarbeiten
Rissgefahr: Granit ist im Wesentlichen ein Naturstein mit natürlichen Mikrorissen und Mineralpartikelgrenzen im Inneren und ein typisches sprödes Material. Bei der Ultrapräzisionsbearbeitung (z. B. Nanoschleifen und der Bearbeitung komplexer gekrümmter Oberflächen) können bei ungleichmäßiger Krafteinwirkung oder ungeeigneten Bearbeitungsparametern Probleme wie Absplitterungen und Mikrorissausbreitung auftreten, die zur Verschrottung des Werkstücks führen.
Geringe Verarbeitungseffizienz: Um Sprödbrüche zu vermeiden, sind spezielle Verfahren wie langsames Schleifen mit Diamantschleifscheiben und magnetorheologisches Polieren erforderlich. Der Verarbeitungszyklus ist 30 bis 50 % länger als bei metallischen Werkstoffen, und die Investitionskosten für die Ausrüstung sind hoch (beispielsweise übersteigt der Preis eines Fünf-Achsen-Verkettungsbearbeitungszentrums 10 Millionen Yuan).
Einschränkungen komplexer Strukturen: Hohle Leichtbaustrukturen lassen sich durch Gießen, Schmieden und andere Verfahren nur schwer herstellen. Sie werden meist in einfachen geometrischen Formen wie Platten und Sockeln verwendet und sind nur bei Geräten anwendbar, die unregelmäßige Stützen oder die Integration interner Rohrleitungen erfordern.
Zweitens führt eine hohe Dichte zu einer hohen Belastung der Geräte
Schwierige Handhabung und Installation: Die Dichte von Granit beträgt etwa 2,6–3,0 g/cm³ und sein Gewicht ist 1,5–2 Mal so hoch wie das von Gusseisen bei gleichem Volumen. Beispielsweise kann das Gewicht eines Granitsockels für eine Fotolithografiemaschine 5 bis 10 Tonnen erreichen. Dies erfordert spezielle Hebevorrichtungen und stoßfeste Fundamente, was die Kosten für den Fabrikbau und die Bereitstellung der Geräte erhöht.
Dynamische Reaktionsverzögerung: Hohe Trägheit begrenzt die Beschleunigung beweglicher Anlagenteile (z. B. Wafer-Transferroboter). In Szenarien, in denen schnelles Starten und Stoppen erforderlich ist (z. B. bei Hochgeschwindigkeits-Inspektionsgeräten), kann dies den Produktionsrhythmus beeinträchtigen und die Effizienz verringern.
Drittens sind die Kosten für Reparatur und Iteration hoch
Defekte sind schwer zu reparieren: Tritt während des Gebrauchs Oberflächenverschleiß oder ein Kollisionsschaden auf, muss das Bauteil zur Reparatur mit professionellen Schleifgeräten ins Werk zurückgeschickt werden, was vor Ort nicht schnell erledigt werden kann. Metallkomponenten hingegen lassen sich durch Methoden wie Punktschweißen und Laserauftragschweißen sofort reparieren, was zu kürzeren Ausfallzeiten führt.
Der Design-Iterationszyklus ist lang: Die Unterschiede in den natürlichen Granitadern können zu leichten Schwankungen der Materialeigenschaften (wie Wärmeausdehnungskoeffizient und Dämpfungsverhältnis) verschiedener Chargen führen. Ändert sich das Gerätedesign, müssen die Materialeigenschaften neu angepasst werden, und der Forschungs- und Entwicklungsverifizierungszyklus ist relativ lang.
IV. Begrenzte Ressourcen und ökologische Herausforderungen
Naturstein ist nicht erneuerbar: Hochwertiger Granit (wie „Jinan Green“ und „Sesame Black“, die in Halbleitern verwendet werden) ist auf bestimmte Adern angewiesen, verfügt über begrenzte Reserven und sein Abbau ist durch Umweltschutzbestimmungen eingeschränkt. Mit der Expansion der Halbleiterindustrie besteht das Risiko einer instabilen Rohstoffversorgung.
Umweltverschmutzung durch die Verarbeitung: Beim Schneiden und Schleifen entsteht große Menge Granitstaub (mit Siliziumdioxid). Bei unsachgemäßer Handhabung kann dieser Staub Silikose verursachen. Zudem muss das Abwasser vor der Einleitung durch Sedimentation behandelt werden, was die Investitionen in den Umweltschutz erhöht.
Fünf. Unzureichende Kompatibilität mit neu entstehenden Prozessen
Einschränkungen der Vakuumumgebung: Einige Halbleiterprozesse (wie Vakuumbeschichtung und Elektronenstrahllithografie) erfordern die Aufrechterhaltung eines Hochvakuums im Inneren der Anlage. Die Mikroporen auf der Granitoberfläche können jedoch Gasmoleküle adsorbieren, die langsam freigesetzt werden und die Stabilität des Vakuums beeinträchtigen. Daher ist eine zusätzliche Oberflächenverdichtung (z. B. durch Harzimprägnierung) erforderlich.
Probleme mit der elektromagnetischen Verträglichkeit: Granit ist ein isolierendes Material. In Szenarien, in denen statische Entladung oder elektromagnetische Abschirmung erforderlich ist (z. B. bei Wafer-Elektrostatik-Adsorptionsplattformen), müssen Metallbeschichtungen oder leitfähige Filme aufgebracht werden, was die strukturelle Komplexität und die Kosten erhöht.
Reaktionsstrategie der Industrie
Trotz der oben genannten Mängel hat die Halbleiterindustrie die Mängel von Granit durch technologische Innovationen teilweise ausgeglichen:
Verbundstrukturdesign: Es wird die Kombination „Granitbasis + Metallrahmen“ verwendet, wobei sowohl die Steifigkeit als auch das geringe Gewicht berücksichtigt werden (beispielsweise bettet ein bestimmter Hersteller von Fotolithografiemaschinen eine Wabenstruktur aus Aluminiumlegierung in die Granitbasis ein und reduziert so das Gewicht um 40 %).
Künstliche synthetische Alternativmaterialien: Entwicklung von Verbundwerkstoffen mit keramischer Matrix (wie etwa Siliziumkarbidkeramik) und Kunststeinen auf Epoxidharzbasis, um die thermische Stabilität und Vibrationsfestigkeit von Granit zu simulieren und gleichzeitig die Verarbeitungsflexibilität zu verbessern.
Intelligente Verarbeitungstechnologie: Durch die Einführung von KI-Algorithmen zur Optimierung des Verarbeitungspfads, Spannungssimulation zur Vorhersage von Rissrisiken und die Kombination von Online-Erkennung zur Anpassung von Parametern in Echtzeit konnte die Verarbeitungsausschussrate von 5 % auf unter 1 % gesenkt werden.
Zusammenfassung
Die Schwächen von Granit in der Halbleiterindustrie liegen im Wesentlichen im Spannungsfeld zwischen seinen natürlichen Materialeigenschaften und den industriellen Anforderungen. Mit dem technologischen Fortschritt und der Entwicklung alternativer Materialien könnten sich seine Anwendungsszenarien allmählich auf „unersetzliche Kernreferenzkomponenten“ (wie hydrostatische Führungsschienen für Fotolithografiemaschinen und hochpräzise Messplattformen) beschränken, während bei unkritischen Strukturkomponenten nach und nach flexibleren Werkstoffen Platz gemacht wird. Die Frage, wie Leistung, Kosten und Nachhaltigkeit in Einklang gebracht werden können, wird die Branche auch in Zukunft weiter erforschen.
Veröffentlichungszeit: 24. Mai 2025