Vzhledem k přísným požadavkům na vysokou přesnost a spolehlivost v polovodičovém průmyslu, ačkoli je žula jedním z hlavních materiálů, její vlastnosti s sebou nesou i určitá omezení. Následují její hlavní nevýhody a výzvy v praktických aplikacích:
Za prvé, materiál je velmi křehký a obtížně se zpracovává
Nebezpečí praskání: Žula je v podstatě přírodní kámen s přirozenými mikrotrhlinami a hranicemi minerálních částic uvnitř a je to typický křehký materiál. Při ultrapřesném obrábění (jako je broušení v nanoměřítku a obrábění složitých zakřivených povrchů) je při nerovnoměrném působení síly nebo nevhodných parametrech obrábění pravděpodobné, že dojde k problémům, jako je odštípávání a šíření mikrotrhlin, což vede k poškození obrobku.
Nízká účinnost zpracování: Aby se zabránilo křehkému lomu, jsou nutné speciální procesy, jako je nízkorychlostní broušení diamantovými brusnými kotouči a magnetoreologické leštění. Cyklus zpracování je o 30 % až 50 % delší než u kovových materiálů a investiční náklady na zařízení jsou vysoké (například cena pětiosého obráběcího centra s táhly přesahuje 10 milionů juanů).
Omezení složitých konstrukcí: Je obtížné vyrábět duté lehké konstrukce odléváním, kováním a dalšími procesy. Používá se většinou v jednoduchých geometrických tvarech, jako jsou desky a základny, a jeho použití je omezené v zařízeních, která vyžadují nepravidelné podpěry nebo integraci vnitřního potrubí.
Za druhé, vysoká hustota vede k velkému zatížení zařízení
Obtížná manipulace a instalace: Hustota žuly je přibližně 2,6–3,0 g/cm³ a její hmotnost je 1,5–2krát větší než u litiny při stejném objemu. Například hmotnost žulového podstavce pro fotolitografický stroj může dosáhnout 5 až 10 tun, což vyžaduje specializované zvedací zařízení a nárazuvzdorné základy, což zvyšuje náklady na výstavbu továrny a rozmístění zařízení.
Zpoždění dynamické odezvy: Vysoká setrvačnost omezuje zrychlení pohyblivých částí zařízení (například robotů pro přenos destiček). V situacích, kdy je vyžadován rychlý start a zastavení (například vysokorychlostní inspekční zařízení), může to ovlivnit výrobní rytmus a snížit efektivitu.
Za třetí, náklady na opravy a iteraci jsou vysoké
Vady se obtížně opravují: Pokud během používání dojde k opotřebení povrchu nebo poškození nárazem, je nutné výrobek vrátit do továrny k opravě pomocí profesionálního brusného zařízení, které nelze na místě rychle opravit. Naproti tomu kovové součásti lze okamžitě opravit metodami, jako je bodové svařování a laserové navařování, což vede ke kratším prostojům.
Iterační cyklus návrhu je dlouhý: Rozdíly v žilách přírodní žuly mohou způsobit mírné kolísání vlastností materiálu (jako je koeficient tepelné roztažnosti a poměr tlumení) různých šarží. Pokud se změní konstrukce zařízení, je nutné vlastnosti materiálu znovu sladit a ověřovací cyklus výzkumu a vývoje je relativně dlouhý.
Iv. Omezené zdroje a environmentální problémy
Přírodní kámen je neobnovitelný: Vysoce kvalitní žula (jako je „Jinan Green“ a „Sesame Black“ používaná v polovodičích) se těží ve specifických žilách, má omezené zásoby a její těžba je omezena politikami ochrany životního prostředí. S expanzí polovodičového průmyslu může existovat riziko nestabilních dodávek surovin.
Problémy se znečištěním při zpracování: Během procesů řezání a broušení vzniká velké množství žulového prachu (obsahujícího oxid křemičitý). Pokud se s ním správně nezachází, může způsobit silikózu. Odpadní vody je navíc nutné před vypuštěním čistit sedimentací, což zvyšuje investice do ochrany životního prostředí.
5. Nedostatečná kompatibilita s nově vznikajícími procesy
Omezení vakuového prostředí: Některé polovodičové procesy (jako je vakuové nanášení a elektronová litografie) vyžadují udržování vysokého vakua uvnitř zařízení. Mikroporézy na povrchu žuly však mohou adsorbovat molekuly plynu, které se pomalu uvolňují a ovlivňují stabilitu stupně vakua. Proto je nutné dodatečné ošetření povrchového zhušťování (jako je impregnace pryskyřicí).
Problémy s elektromagnetickou kompatibilitou: Žula je izolační materiál. V situacích, kdy je vyžadován výboj statické elektřiny nebo elektromagnetické stínění (například u platform elektrostatické adsorpce na waferech), je nutné kombinovat kovové povlaky nebo vodivé filmy, což zvyšuje strukturální složitost a náklady.
Strategie reakce odvětví
Navzdory výše uvedeným nedostatkům polovodičový průmysl částečně vynahradil nedostatky žuly technologickými inovacemi:
Návrh kompozitní konstrukce: Využívá kombinaci „žulové základny + kovového rámu“ s ohledem na tuhost i nízkou hmotnost (například určitý výrobce fotolitografických strojů vkládá do žulové základny voštinovou strukturu z hliníkové slitiny, čímž snižuje hmotnost o 40 %).
Umělé syntetické alternativní materiály: Vyvinout kompozity s keramickou matricí (jako je keramika z karbidu křemíku) a umělé kameny na bázi epoxidové pryskyřice pro simulaci tepelné stability a odolnosti žuly vůči vibracím a zároveň zvýšit flexibilitu zpracování.
Inteligentní technologie zpracování: Zavedením algoritmů umělé inteligence pro optimalizaci procesní dráhy, simulací napětí pro predikci rizika vzniku trhlin a kombinací online detekce pro úpravu parametrů v reálném čase se míra zmetkovitosti při zpracování snížila z 5 % na méně než 1 %.
Shrnutí
Nedostatky žuly v polovodičovém průmyslu v podstatě pramení z kombinace jejích přirozených materiálových vlastností a průmyslových požadavků. S pokrokem technologií a vývojem alternativních materiálů se její aplikační scénáře mohou postupně zmenšovat směrem k „nenahraditelným referenčním komponentům“ (jako jsou hydrostatické vodicí lišty pro fotolitografické stroje a ultra přesné měřicí platformy), zatímco postupně ustupují flexibilnějším technickým materiálům v nekritických konstrukčních prvcích. V budoucnu bude otázka, jak vyvážit výkon, náklady a udržitelnost, předmětem, kterým se průmysl bude i nadále zabývat.
Čas zveřejnění: 24. května 2025