Dans le contexte des exigences strictes de haute précision et de fiabilité de l'industrie des semi-conducteurs, bien que le granit soit l'un des matériaux de base, ses propriétés présentent certaines limites. Voici ses principaux inconvénients et défis en pratique :
Premièrement, le matériau est très fragile et difficile à traiter
Risque de fissuration : Le granit est une pierre naturelle, par nature, présentant des microfissures et des couches de particules minérales. C'est un matériau fragile. Lors d'usinages de haute précision (comme le meulage nanométrique et l'usinage de surfaces courbes complexes), une force inégale ou des paramètres d'usinage inappropriés peuvent entraîner des problèmes tels que l'écaillage et la propagation de microfissures, entraînant la mise au rebut de la pièce.
Faible rendement d'usinage : pour éviter les fractures fragiles, des procédés spéciaux tels que la rectification à basse vitesse avec des meules diamantées et le polissage magnétorhéologique sont nécessaires. Le cycle d'usinage est 30 à 50 % plus long que celui des matériaux métalliques, et le coût d'investissement en équipement est élevé (par exemple, le prix d'un centre d'usinage à cinq axes dépasse 10 millions de yuans).
Limites des structures complexes : Il est difficile de produire des structures creuses légères par moulage, forgeage ou autres procédés. Ce procédé est principalement utilisé pour des formes géométriques simples telles que des plaques et des bases, et son application est limitée aux équipements nécessitant des supports irréguliers ou une intégration de tuyauterie interne.
Deuxièmement, la densité élevée entraîne une charge importante sur l’équipement
Manipulation et installation difficiles : la densité du granit est d'environ 2,6 à 3,0 g/cm³, et son poids est 1,5 à 2 fois supérieur à celui de la fonte pour le même volume. Par exemple, le poids d'une base en granit pour une machine de photolithographie peut atteindre 5 à 10 tonnes, ce qui nécessite un équipement de levage dédié et des fondations résistantes aux chocs, ce qui augmente les coûts de construction et de déploiement des équipements.
Délai de réponse dynamique : une inertie élevée limite l'accélération des pièces mobiles de l'équipement (comme les robots de transfert de plaquettes). Dans les scénarios nécessitant des démarrages et des arrêts rapides (comme les équipements d'inspection à grande vitesse), cela peut affecter le rythme de production et réduire l'efficacité.
Troisièmement, le coût de réparation et d’itération est élevé
Les défauts sont difficiles à réparer : en cas d'usure superficielle ou de dommages dus à une collision pendant l'utilisation, il faut retourner l'appareil à l'usine pour réparation à l'aide d'équipements de meulage professionnels, qui ne peuvent être traités rapidement sur site. En revanche, les composants métalliques peuvent être réparés immédiatement grâce à des méthodes telles que le soudage par points et le revêtement laser, ce qui réduit les temps d'arrêt.
Le cycle d'itération de conception est long : les différences entre les veines de granit naturel peuvent entraîner de légères fluctuations des propriétés des matériaux (telles que le coefficient de dilatation thermique et le taux d'amortissement) des différents lots. Si la conception de l'équipement change, les propriétés des matériaux doivent être réajustées, et le cycle de vérification de la recherche et du développement est relativement long.
Iv. Ressources limitées et défis environnementaux
La pierre naturelle n'est pas renouvelable : le granit de haute qualité (comme le « Jinan Green » et le « Sesame Black » utilisés dans les semi-conducteurs) dépend de filons spécifiques, possède des réserves limitées et son extraction est restreinte par les politiques de protection de l'environnement. Avec l'expansion de l'industrie des semi-conducteurs, l'approvisionnement en matières premières pourrait être instable.
Problèmes de pollution liés au traitement : Les processus de découpe et de meulage produisent une grande quantité de poussière de granit (contenant du dioxyde de silicium). Une mauvaise manipulation peut entraîner une silicose. De plus, les eaux usées doivent être traitées par sédimentation avant leur rejet, ce qui accroît les investissements en matière de protection de l'environnement.
Cinq. Compatibilité insuffisante avec les processus émergents
Limites de l'environnement sous vide : Certains procédés de fabrication de semi-conducteurs (tels que le revêtement sous vide et la lithographie par faisceau d'électrons) nécessitent le maintien d'un vide poussé à l'intérieur de l'équipement. Cependant, les micropores à la surface du granit peuvent adsorber des molécules de gaz, qui sont lentement libérées et affectent la stabilité du vide. Par conséquent, un traitement de densification de surface supplémentaire (par exemple, une imprégnation de résine) est nécessaire.
Problèmes de compatibilité électromagnétique : Le granit est un matériau isolant. Dans les cas où une décharge d'électricité statique ou un blindage électromagnétique sont nécessaires (comme les plateformes d'adsorption électrostatique sur plaquettes), des revêtements métalliques ou des films conducteurs doivent être composés, ce qui augmente la complexité structurelle et les coûts.
Stratégie de réponse de l'industrie
Malgré les lacunes mentionnées ci-dessus, l'industrie des semi-conducteurs a partiellement compensé les déficiences du granit grâce à l'innovation technologique :
Conception de structure composite : Elle adopte la combinaison « base en granit + cadre métallique », en tenant compte à la fois de la rigidité et de la légèreté (par exemple, un certain fabricant de machines de photolithographie intègre une structure en nid d'abeille en alliage d'aluminium dans la base en granit, réduisant le poids de 40 %).
Matériaux synthétiques alternatifs artificiels : Développer des composites à matrice céramique (tels que les céramiques en carbure de silicium) et des pierres artificielles à base de résine époxy pour simuler la stabilité thermique et la résistance aux vibrations du granit, tout en améliorant la flexibilité de traitement.
Technologie de traitement intelligente : en introduisant des algorithmes d'IA pour optimiser le chemin de traitement, la simulation des contraintes pour prédire les risques de fissures et en combinant la détection en ligne pour ajuster les paramètres en temps réel, le taux de rebut de traitement a été réduit de 5 % à moins de 1 %.
Résumé
Les inconvénients du granit dans l'industrie des semi-conducteurs découlent essentiellement de l'équilibre entre ses propriétés naturelles et les exigences industrielles. Avec les progrès technologiques et le développement de matériaux alternatifs, ses applications pourraient progressivement se réduire à des « composants de référence essentiels et irremplaçables » (tels que les rails de guidage hydrostatiques pour machines de photolithographie et les plateformes de mesure ultra-précises), tout en cédant progressivement la place à des matériaux techniques plus flexibles pour les composants structurels non critiques. À l'avenir, l'industrie continuera d'explorer comment concilier performance, coût et durabilité.
Date de publication : 24 mai 2025