半導体業界における花崗岩の欠点は何ですか?

半導体業界における高精度・高信頼性の厳しい要件において、花崗岩は中核材料の一つであるものの、その特性には一定の限界も伴います。実用化における主な欠点と課題は以下のとおりです。
まず、この材料は非常に脆く、加工が難しい。
割れのリスク：花崗岩は本質的に天然石であり、内部に天然の微小亀裂と鉱物粒子の境界を有しており、典型的な脆性材料です。超精密加工（ナノスケール研削や複雑な曲面加工など）において、力が不均一であったり、加工パラメータが不適切であったりすると、欠けや微小亀裂の伝播などの問題が発生しやすく、ワークの廃棄につながります。

加工効率が低い：脆性破壊を回避するため、ダイヤモンド砥石による低速研削や磁気レオロジー研磨などの特殊な加工工程が必要となる。加工サイクルは金属材料に比べて30～50％長く、設備投資コストも高い（例えば、5軸リンク加工センターの価格は1,000万元を超える）。
複雑な構造上の制約：鋳造、鍛造などの工程で中空の軽量構造物を製造することは困難です。主にプレートやベースといった単純な幾何学的形状に使用され、不規則な支持構造や内部配管の統合を必要とする機器への適用は限定されます。
第二に、高密度は機器に大きな負荷をかけることになる。
取り扱いと設置の難しさ：花崗岩の密度は約2.6～3.0g/cm³で、同じ体積の鋳鉄の1.5～2倍の重量があります。例えば、フォトリソグラフィー装置用の花崗岩製ベースは5～10トンに達することもあり、専用の吊り上げ装置と耐震性を備えた基礎が必要となり、工場建設と設備導入のコストが増加します。
動的応答遅れ：慣性が大きいと、装置の可動部（ウェハ搬送ロボットなど）の加速が制限されます。高速検査装置など、迅速な起動と停止が求められるシナリオでは、生産リズムに影響を与え、効率を低下させる可能性があります。
第三に、修復と反復のコストが高い
欠陥の修復は困難です。使用中に表面摩耗や衝突による損傷が発生した場合、工場に持ち込み、専門の研磨機を用いて修復する必要がありますが、現場では迅速に対応できません。一方、金属部品はスポット溶接やレーザークラッディングなどの方法ですぐに修復できるため、ダウンタイムを短縮できます。
設計サイクルが長い：天然花崗岩の脈の違いにより、バッチごとに材料特性（熱膨張係数や減衰率など）にわずかな変動が生じる可能性があります。設備設計が変更された場合、材料特性の再調整が必要となり、研究開発の検証サイクルが比較的長くなります。
4. 限られた資源と環境問題
天然石は再生不可能です。半導体に使用される「済南グリーン」や「胡麻黒」などの高品質な花崗岩は、特定の鉱脈に依存しており、埋蔵量が限られており、環境保護政策によって採掘が制限されています。半導体産業の拡大に伴い、原材料供給が不安定になるリスクがあります。
加工汚染問題：切断・研削工程では、多量の花崗岩粉塵（二酸化ケイ素含有）が発生します。適切に処理しないと珪肺症を引き起こす可能性があります。さらに、排水は沈殿処理が必要となるため、環境保護への投資が増加します。
5. 新興プロセスとの互換性が不十分
真空環境の制限：一部の半導体プロセス（真空コーティングや電子ビームリソグラフィーなど）では、装置内部を高真空状態に保つ必要があります。しかし、花崗岩表面の微細孔にガス分子が吸着され、それが徐々に放出されて真空度の安定性に影響を与える可能性があります。そのため、表面の緻密化処理（樹脂含浸など）が必要となります。
電磁両立性の問題：花崗岩は絶縁材料です。静電気放電や電磁シールドが必要な用途（ウェハ静電吸着プラットフォームなど）では、金属コーティングや導電性フィルムを複合的に塗布する必要があり、構造の複雑さとコストが増加します。
業界の対応戦略
上記の欠点にもかかわらず、半導体業界は技術革新を通じて花崗岩の欠点を部分的に補ってきました。

複合構造設計：「花崗岩ベース＋金属フレーム」の組み合わせを採用し、剛性と軽量化の両方を考慮しています（例えば、あるフォトリソグラフィー装置メーカーは、花崗岩ベースにアルミニウム合金のハニカム構造を組み込み、重量を40％削減しました）。
人工合成代替材料：セラミックマトリックス複合材（炭化ケイ素セラミックなど）とエポキシ樹脂ベースの人造石を開発し、花崗岩の熱安定性と耐振動性をシミュレートするとともに、加工柔軟性を高めます。
インテリジェント加工技術：加工経路を最適化するAIアルゴリズム、亀裂リスクを予測する応力シミュレーション、オンライン検出を組み合わせてリアルタイムでパラメータを調整することにより、加工スクラップ率が5%から1%未満に削減されました。
まとめ
半導体産業における花崗岩の欠点は、本質的にその天然素材特性と産業ニーズとのせめぎ合いに起因しています。技術の進歩と代替材料の開発に伴い、花崗岩の応用分野は徐々に「代替不可能なコアリファレンス部品」（例えば、フォトリソグラフィー装置の静圧ガイドレールや超精密測定プラットフォームなど）へと縮小し、一方で、非クリティカルな構造部品においては、より柔軟なエンジニアリング材料が徐々にその地位を奪っていく可能性があります。今後、性能、コスト、持続可能性のバランスをどのように取るかは、業界が引き続き探求していく課題となるでしょう。