Vzhľadom na prísne požiadavky na vysokú presnosť a vysokú spoľahlivosť v polovodičovom priemysle, hoci je žula jedným z hlavných materiálov, jej vlastnosti prinášajú aj určité obmedzenia. Nasledujú jej hlavné nevýhody a výzvy v praktických aplikáciách:
Po prvé, materiál je veľmi krehký a ťažko sa spracováva
Riziko praskania: Žula je v podstate prírodný kameň s prirodzenými mikrotrhlinami a hranicami minerálnych častíc vo vnútri a je to typický krehký materiál. Pri ultrapresnom obrábaní (ako je brúsenie v nanorozmeroch a spracovanie zložitých zakrivených povrchov), ak je sila nerovnomerná alebo sú parametre spracovania nevhodné, náchylné sú problémy, ako je odštiepenie a šírenie mikrotrhlín, čo vedie k oškreniu obrobku.
Nízka účinnosť spracovania: Aby sa predišlo krehkému lomu, sú potrebné špeciálne procesy, ako je nízkorýchlostné brúsenie diamantovými brúsnymi kotúčmi a magnetoreologické leštenie. Cyklus spracovania je o 30 % až 50 % dlhší ako pri kovových materiáloch a investičné náklady na zariadenie sú vysoké (napríklad cena päťosového obrábacieho centra s kĺbovým spojom presahuje 10 miliónov juanov).
Obmedzenia zložitých konštrukcií: Je ťažké vyrobiť duté ľahké konštrukcie odlievaním, kovaním a inými procesmi. Používa sa väčšinou v jednoduchých geometrických tvaroch, ako sú dosky a základne, a jeho použitie je obmedzené v zariadeniach, ktoré vyžadujú nepravidelné podpery alebo vnútornú integráciu potrubia.
Po druhé, vysoká hustota vedie k veľkému zaťaženiu zariadenia
Náročná manipulácia a inštalácia: Hustota žuly je približne 2,6 – 3,0 g/cm³ a jej hmotnosť je 1,5 – 2-krát väčšia ako hmotnosť liatiny pri rovnakom objeme. Napríklad hmotnosť žulového základu pre fotolitografický stroj môže dosiahnuť 5 až 10 ton, čo si vyžaduje špeciálne zdvíhacie zariadenie a základy odolné voči nárazom, čo zvyšuje náklady na výstavbu továrne a rozmiestnenie zariadení.
Oneskorenie dynamickej odozvy: Vysoká zotrvačnosť obmedzuje zrýchlenie pohyblivých častí zariadenia (napríklad robotov na prenos doštičiek). V scenároch, kde je potrebný rýchly štart a zastavenie (napríklad vysokorýchlostné kontrolné zariadenia), to môže ovplyvniť rytmus výroby a znížiť efektivitu.
Po tretie, náklady na opravu a iteráciu sú vysoké
Vady sa ťažko opravujú: Ak sa počas používania vyskytne opotrebenie povrchu alebo poškodenie nárazom, je potrebné výrobok vrátiť do továrne na opravu pomocou profesionálneho brúsneho zariadenia, ktoré sa nedá rýchlo opraviť na mieste. Naproti tomu kovové komponenty je možné okamžite opraviť metódami, ako je bodové zváranie a laserové naváranie, čo vedie k kratším prestojom.
Iteračný cyklus návrhu je dlhý: Rozdiely v prírodných žulových žilách môžu spôsobiť mierne výkyvy vo vlastnostiach materiálu (ako je koeficient tepelnej rozťažnosti a tlmiaci pomer) rôznych šarží. Ak sa zmení návrh zariadenia, je potrebné znova prispôsobiť vlastnosti materiálu a overovací cyklus výskumu a vývoja je relatívne dlhý.
Iv. Obmedzené zdroje a environmentálne výzvy
Prírodný kameň je neobnoviteľný: Vysokokvalitná žula (ako napríklad „Jinan Green“ a „Sesame Black“ používaná v polovodičoch) sa spolieha na špecifické žily, má obmedzené zásoby a jej ťažba je obmedzená politikami ochrany životného prostredia. S expanziou polovodičového priemyslu môže existovať riziko nestabilných dodávok surovín.
Problémy so znečistením pri spracovaní: Počas procesov rezania a brúsenia vzniká veľké množstvo žulového prachu (obsahujúceho oxid kremičitý). Ak sa s ním správne nezaobchádza, môže spôsobiť silikózu. Okrem toho je potrebné odpadovú vodu pred vypustením čistiť sedimentáciou, čo zvyšuje investície do ochrany životného prostredia.
5. Nedostatočná kompatibilita s novými procesmi
Obmedzenia vákuového prostredia: Niektoré polovodičové procesy (ako napríklad vákuové nanášanie a elektrónová lúčová litografia) vyžadujú udržiavanie vysokého vákua vo vnútri zariadenia. Mikroporézy na povrchu žuly však môžu adsorbovať molekuly plynu, ktoré sa pomaly uvoľňujú a ovplyvňujú stabilitu stupňa vákua. Preto je potrebná dodatočná úprava povrchu zhutňovaním (ako napríklad impregnácia živicou).
Problémy s elektromagnetickou kompatibilitou: Žula je izolačný materiál. V situáciách, kde je potrebný výboj statickej elektriny alebo elektromagnetické tienenie (napríklad pri elektrostatických adsorpčných platformách na báze doštičiek), je potrebné použiť kovové povlaky alebo vodivé filmy, čo zvyšuje štrukturálnu zložitosť a náklady.
Stratégia reakcie odvetvia
Napriek vyššie uvedeným nedostatkom polovodičový priemysel čiastočne vynahradil nedostatky žuly technologickými inováciami:
Dizajn kompozitnej konštrukcie: Používa kombináciu „žulovej základne + kovového rámu“, pričom zohľadňuje tuhosť aj nízku hmotnosť (napríklad určitý výrobca fotolitografických strojov vkladá do žulovej základne voštinovú štruktúru zo zliatiny hliníka, čím znižuje hmotnosť o 40 %).
Umelé syntetické alternatívne materiály: Vyvinúť kompozity s keramickou matricou (ako napríklad karbid kremíka a kremíka) a umelé kamene na báze epoxidovej živice na simuláciu tepelnej stability a odolnosti žuly voči vibráciám a zároveň zvýšiť flexibilitu spracovania.
Inteligentná technológia spracovania: Zavedením algoritmov umelej inteligencie na optimalizáciu dráhy spracovania, simuláciou napätia na predpovedanie rizika vzniku trhlín a kombináciou online detekcie na úpravu parametrov v reálnom čase sa miera odpadu pri spracovaní znížila z 5 % na menej ako 1 %.
Zhrnutie
Nedostatky žuly v polovodičovom priemysle v podstate pramenia z hry medzi jej prirodzenými materiálovými vlastnosťami a priemyselnými požiadavkami. S pokrokom v technológii a vývojom alternatívnych materiálov sa jej aplikačné scenáre môžu postupne zužovať smerom k „nenahraditeľným referenčným komponentom“ (ako sú hydrostatické vodiace lišty pre fotolitografické stroje a ultrapresné meracie platformy), pričom postupne ustupujú flexibilnejším technickým materiálom v nekritických konštrukčných komponentoch. V budúcnosti bude otázka, ako vyvážiť výkon, náklady a udržateľnosť, predmetom, ktorý bude priemysel naďalej skúmať.
Čas uverejnenia: 24. mája 2025