מהם החסרונות של גרניט בתעשיית המוליכים למחצה?

תחת הדרישות המחמירות של דיוק גבוה ואמינות גבוהה בתעשיית המוליכים למחצה, למרות שגרניט הוא אחד מחומרי הליבה, תכונותיו טומנות בחובן גם מגבלות מסוימות. להלן חסרונותיו ואתגריו העיקריים ביישומים מעשיים:
ראשית, החומר שביר מאוד וקשה לעיבוד
סיכון לסדקים: גרניט הוא למעשה אבן טבעית עם סדקים קטנים טבעיים וגבולות חלקיקי מינרלים בפנים, והוא חומר שביר טיפוסי. בעיבוד שבבי מדויק במיוחד (כגון ליטוש ננומטרי ועיבוד משטחים מעוקלים מורכב), אם הכוח אינו אחיד או שפרמטרי העיבוד אינם מתאימים, בעיות כגון סדקים קטנים והתפשטות סדקים קטנים נוטות להתרחש, מה שמוביל לשריטות של חומר העבודה.

יעילות עיבוד נמוכה: כדי למנוע שבר שביר, נדרשים תהליכים מיוחדים כגון שחיקה במהירות נמוכה עם גלגלי השחזה יהלום וליטוש מגנטוראולוגי. מחזור העיבוד ארוך ב-30% עד 50% מזה של חומרי מתכת, ועלות ההשקעה בציוד גבוהה (לדוגמה, מחיר מרכז עיבוד שבבי בעל חמישה צירים עולה על 10 מיליון יואן).
מגבלות מבנה מורכבות: קשה לייצר מבנים קלים חלולים באמצעות יציקה, חישול ותהליכים אחרים. הוא משמש בעיקר בצורות גיאומטריות פשוטות כגון לוחות ובסיסים, ויישומו מוגבל בציוד הדורש תמיכות לא סדירות או שילוב צינורות פנימי.
שנית, צפיפות גבוהה מובילה לעומס כבד על הציוד
קשה לטפל ולהתקין: צפיפות הגרניט היא כ-2.6-3.0 גרם/סמ"ק, ומשקלו פי 1.5-2 מזה של ברזל יצוק תחת אותו נפח. לדוגמה, משקל בסיס גרניט עבור מכונת פוטוליוגרפיה יכול להגיע ל-5 עד 10 טון, מה שמצריך ציוד הרמה ייעודי ויסודות עמידים בפני זעזועים, מה שמגדיל את עלות בניית המפעל ופריסת הציוד.
השהיית תגובה דינמית: אינרציה גבוהה מגבילה את התאוצה של חלקים נעים בציוד (כגון רובוטים להעברת ופלים). בתרחישים בהם נדרשות התחלה ועצירה מהירות (כגון ציוד בדיקה במהירות גבוהה), הדבר עלול להשפיע על קצב הייצור ולהפחית את היעילות.
שלישית, עלות התיקון והאיטרציה גבוהה
קשה לתקן פגמים: אם מתרחשים בלאי או נזקי התנגשות על פני השטח במהלך השימוש, יש להחזירם למפעל לתיקון באמצעות ציוד השחזה מקצועי, שלא ניתן לטפל בו במהירות באתר. לעומת זאת, ניתן לתקן רכיבי מתכת באופן מיידי באמצעות שיטות כמו ריתוך נקודתי וחיפוי לייזר, וכתוצאה מכך זמן השבתה קצר יותר.
מחזור איטרציות התכנון ארוך: ההבדלים בעורקי הגרניט הטבעיים עלולים לגרום לתנודות קלות בתכונות החומר (כגון מקדם התפשטות תרמית ויחס ריסון) של אצוות שונות. אם תכנון הציוד משתנה, יש צורך להתאים מחדש את תכונות החומר, ומחזור אימות המחקר והפיתוח ארוך יחסית.
ד. משאבים מוגבלים ואתגרים סביבתיים
אבן טבעית אינה מתחדשת: גרניט איכותי (כגון "ירוק ג'ינאן" ו"שחור שומשום" המשמשים במוליכים למחצה) מסתמך על ורידים ספציפיים, בעל עתודות מוגבלות וכרייתו מוגבלת על ידי מדיניות הגנת הסביבה. עם התרחבות תעשיית המוליכים למחצה, ייתכן סיכון לאספקת חומרי גלם לא יציבה.
בעיות זיהום בתהליכים: במהלך תהליכי החיתוך והטחינה נוצרת כמות גדולה של אבק גרניט (המכיל סיליקון דו-חמצני). אם לא מטפלים בו כראוי, הוא עלול לגרום לסיליקוזיס. יתר על כן, יש לטפל בשפכים באמצעות שקיעת מים לפני הפליטה, מה שמגדיל את ההשקעה בהגנת הסביבה.
חמש. תאימות לא מספקת עם תהליכים מתפתחים
מגבלות סביבת ואקום: תהליכים מסוימים של מוליכים למחצה (כגון ציפוי ואקום וליתוגרפיה של אלומת אלקטרונים) דורשים שמירה על מצב ואקום גבוה בתוך הציוד. עם זאת, המיקרו-נקבוביות על פני השטח של הגרניט עשויות לספוג מולקולות גז, אשר משתחררות באיטיות ומשפיעות על יציבות דרגת הוואקום. לכן, יש צורך בטיפול נוסף בצפיפות פני השטח (כגון הספגת שרף).
בעיות תאימות אלקטרומגנטית: גרניט הוא חומר מבודד. בתרחישים בהם נדרשת פריקת חשמל סטטי או מיגון אלקטרומגנטי (כגון פלטפורמות ספיחה אלקטרוסטטית של פרוסות סיליקון), יש צורך להרכיב ציפויי מתכת או סרטים מוליכים, מה שמגדיל את המורכבות המבנית והעלות.
אסטרטגיית תגובה של התעשייה
למרות החסרונות שהוזכרו לעיל, תעשיית המוליכים למחצה פיצה חלקית על החסרונות של הגרניט באמצעות חדשנות טכנולוגית:

תכנון מבנה מרוכב: הוא מאמץ את השילוב של "בסיס גרניט + מסגרת מתכת", תוך התחשבות הן בקשיחות והן במשקל קל (לדוגמה, יצרן מסוים של מכונות פוטוליוגרפיה מטמיע מבנה חלת דבש מסגסוגת אלומיניום בבסיס הגרניט, מה שמפחית את המשקל ב-40%).
חומרים סינתטיים מלאכותיים חלופיים: פיתוח חומרים מרוכבים ממטריצת קרמיקה (כגון קרמיקה מסיליקון קרביד) ואבנים מלאכותיות מבוססות שרף אפוקסי כדי לדמות את היציבות התרמית ועמידות הרטט של גרניט, תוך שיפור גמישות העיבוד.
טכנולוגיית עיבוד חכמה: על ידי הכנסת אלגוריתמים של בינה מלאכותית לייעול נתיב העיבוד, סימולציית מאמץ לחיזוי סיכוני סדקים ושילוב של זיהוי מקוון להתאמת פרמטרים בזמן אמת, שיעור גריטת העיבוד הופחת מ-5% מתחת ל-1%.
תַקצִיר
החסרונות של הגרניט בתעשיית המוליכים למחצה נובעים בעיקרו מהמשחק בין תכונות החומר הטבעיות שלו לבין הדרישות התעשייתיות. עם התקדמות הטכנולוגיה ופיתוח חומרים חלופיים, תרחישי היישום שלו עשויים להתכווץ בהדרגה לכיוון "רכיבי ייחוס ליבה שאין להם תחליף" (כגון מסילות הנחיה הידרוסטטיות למכונות פוטוליתוגרפיה ופלטפורמות מדידה מדויקות במיוחד), תוך שהוא מפנה בהדרגה את מקומו לחומרי הנדסה גמישים יותר ברכיבים מבניים שאינם קריטיים. בעתיד, כיצד לאזן בין ביצועים, עלות וקיימות יהיה נושא שהתעשייה תמשיך לחקור.