Dadas las estrictas exigencias de alta precisión y fiabilidad de la industria de semiconductores, si bien el granito es uno de los materiales principales, sus propiedades también presentan ciertas limitaciones. A continuación, se presentan sus principales desventajas y desafíos en aplicaciones prácticas:
En primer lugar, el material es muy frágil y difícil de procesar.
Riesgo de agrietamiento: El granito es esencialmente una piedra natural con microfisuras naturales y capas de partículas minerales en su interior, y es un material típicamente frágil. En el mecanizado de ultraprecisión (como el rectificado a nanoescala y el procesamiento complejo de superficies curvas), si la fuerza es desigual o los parámetros de procesamiento son inadecuados, es probable que se produzcan problemas como el astillado y la propagación de microfisuras, lo que puede provocar el desprendimiento de la pieza.
Baja eficiencia de procesamiento: Para evitar la fractura frágil, se requieren procesos especiales como el rectificado a baja velocidad con muelas de diamante y el pulido magnetorreológico. El ciclo de procesamiento es entre un 30 % y un 50 % más largo que el de los materiales metálicos, y el coste de inversión en equipos es elevado (por ejemplo, el precio de un centro de mecanizado de cinco ejes supera los 10 millones de yuanes).
Limitaciones de las estructuras complejas: Es difícil producir estructuras ligeras huecas mediante fundición, forjado y otros procesos. Se utiliza principalmente en formas geométricas simples, como placas y bases, y su aplicación es limitada en equipos que requieren soportes irregulares o la integración de tuberías internas.
En segundo lugar, la alta densidad supone una carga pesada para el equipo.
Difícil de manipular e instalar: La densidad del granito es de aproximadamente 2,6-3,0 g/cm³ y su peso es de 1,5 a 2 veces mayor que el del hierro fundido con el mismo volumen. Por ejemplo, una base de granito para una máquina de fotolitografía puede pesar entre 5 y 10 toneladas, lo que requiere equipos de elevación específicos y cimentaciones a prueba de impactos, lo que incrementa el coste de la construcción de la fábrica y el despliegue de los equipos.
Retardo de respuesta dinámica: La alta inercia limita la aceleración de las piezas móviles del equipo (como los robots de transferencia de obleas). En situaciones donde se requieren arranques y paradas rápidos (como equipos de inspección de alta velocidad), puede afectar el ritmo de producción y reducir la eficiencia.
En tercer lugar, el coste de la reparación y la iteración es alto.
Los defectos son difíciles de reparar: si se produce desgaste superficial o daños por colisión durante el uso, es necesario devolverlo a fábrica para su reparación con equipos de rectificado profesionales, lo cual no se puede realizar rápidamente in situ. En cambio, los componentes metálicos pueden repararse inmediatamente mediante métodos como la soldadura por puntos y el revestimiento láser, lo que reduce el tiempo de inactividad.
El ciclo de iteración del diseño es largo: Las diferencias en las vetas naturales del granito pueden causar ligeras fluctuaciones en las propiedades del material (como el coeficiente de expansión térmica y el coeficiente de amortiguamiento) de los diferentes lotes. Si el diseño del equipo cambia, es necesario reajustar las propiedades del material, y el ciclo de verificación de investigación y desarrollo es relativamente largo.
Iv. Recursos limitados y desafíos ambientales
La piedra natural no es renovable: el granito de alta calidad (como el "Jinan Green" y el "Sesame Black", utilizados en semiconductores) depende de vetas específicas, tiene reservas limitadas y su extracción está restringida por políticas de protección ambiental. Con la expansión de la industria de semiconductores, podría existir el riesgo de un suministro inestable de materias primas.
Problemas de contaminación del proceso: Durante los procesos de corte y pulido, se genera una gran cantidad de polvo de granito (que contiene dióxido de silicio). Si no se gestiona adecuadamente, puede causar silicosis. Además, las aguas residuales deben tratarse mediante sedimentación antes de su vertido, lo que aumenta la inversión en protección ambiental.
Cinco. Insuficiente compatibilidad con los procesos emergentes.
Limitaciones del entorno de vacío: Algunos procesos de semiconductores (como el recubrimiento al vacío y la litografía por haz de electrones) requieren mantener un alto vacío dentro del equipo. Sin embargo, los microporos de la superficie del granito pueden adsorber moléculas de gas, que se liberan lentamente y afectan la estabilidad del vacío. Por lo tanto, es necesario un tratamiento adicional de densificación superficial (como la impregnación con resina).
Problemas de compatibilidad electromagnética: El granito es un material aislante. En situaciones donde se requiere protección contra descargas de electricidad estática o apantallamiento electromagnético (como plataformas de adsorción electrostática de obleas), es necesario combinar recubrimientos metálicos o películas conductoras, lo que aumenta la complejidad estructural y el coste.
Estrategia de respuesta de la industria
A pesar de las deficiencias mencionadas, la industria de los semiconductores ha compensado parcialmente las deficiencias del granito mediante la innovación tecnológica:
Diseño de estructura compuesta: Adopta la combinación de "base de granito + marco de metal", teniendo en cuenta tanto la rigidez como la ligereza (por ejemplo, un determinado fabricante de máquinas de fotolitografía incorpora una estructura de panal de aleación de aluminio en la base de granito, lo que reduce el peso en un 40%).
Materiales alternativos sintéticos artificiales: Desarrollar compuestos de matriz cerámica (como cerámica de carburo de silicio) y piedras artificiales a base de resina epoxi para simular la estabilidad térmica y la resistencia a la vibración del granito, mejorando al mismo tiempo la flexibilidad de procesamiento.
Tecnología de procesamiento inteligente: Al introducir algoritmos de IA para optimizar la ruta de procesamiento, simulación de estrés para predecir riesgos de grietas y combinar la detección en línea para ajustar los parámetros en tiempo real, la tasa de desperdicio de procesamiento se ha reducido del 5% a menos del 1%.
Resumen
Las deficiencias del granito en la industria de semiconductores se deben principalmente a la interacción entre sus propiedades naturales y las demandas industriales. Con el avance de la tecnología y el desarrollo de materiales alternativos, sus aplicaciones podrían reducirse gradualmente hacia componentes de referencia esenciales irremplazables (como guías hidrostáticas para máquinas de fotolitografía y plataformas de medición de ultraprecisión), dando paso gradualmente a materiales de ingeniería más flexibles en componentes estructurales no críticos. En el futuro, la industria seguirá explorando cómo equilibrar rendimiento, coste y sostenibilidad.
Hora de publicación: 24 de mayo de 2025