ข้อเสียของหินแกรนิตในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์มีอะไรบ้าง?

ภายใต้ข้อกำหนดที่เข้มงวดเกี่ยวกับความแม่นยำสูงและความน่าเชื่อถือสูงในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ แม้ว่าหินแกรนิตจะเป็นวัสดุหลักอย่างหนึ่ง แต่คุณสมบัติของหินแกรนิตยังมีข้อจำกัดบางประการ ต่อไปนี้คือข้อเสียและความท้าทายหลักในการใช้งานจริง:
ประการแรก วัสดุนี้เปราะบางมากและยากต่อการแปรรูป
ความเสี่ยงในการแตกร้าว: แกรนิตเป็นหินธรรมชาติที่มีรอยแตกร้าวเล็กๆ ตามธรรมชาติและขอบเขตของอนุภาคแร่อยู่ภายใน และเป็นวัสดุเปราะบางทั่วไป ในการตัดเฉือนที่มีความแม่นยำสูง (เช่น การเจียรในระดับนาโนและการประมวลผลพื้นผิวโค้งที่ซับซ้อน) หากแรงไม่สม่ำเสมอหรือพารามิเตอร์การประมวลผลไม่เหมาะสม ปัญหาต่างๆ เช่น การแตกและรอยแตกร้าวเล็กๆ แพร่กระจายก็มีแนวโน้มที่จะเกิดขึ้น ส่งผลให้ชิ้นงานถูกขูด

ประสิทธิภาพการประมวลผลต่ำ: เพื่อหลีกเลี่ยงการแตกหักแบบเปราะบาง จำเป็นต้องใช้กระบวนการพิเศษ เช่น การเจียรความเร็วต่ำด้วยล้อเจียรเพชรและการขัดด้วยแม่เหล็กไฟฟ้า วงจรการประมวลผลยาวนานกว่าวัสดุโลหะ 30% ถึง 50% และต้นทุนการลงทุนด้านอุปกรณ์สูง (เช่น ราคาของศูนย์เครื่องจักรกลแบบเชื่อมต่อห้าแกนเกิน 10 ล้านหยวน)
ข้อจำกัดของโครงสร้างที่ซับซ้อน: การผลิตโครงสร้างกลวงน้ำหนักเบาด้วยการหล่อ การตีขึ้นรูป และกระบวนการอื่นๆ เป็นเรื่องยาก โดยส่วนใหญ่มักใช้ในรูปทรงเรขาคณิตที่เรียบง่าย เช่น แผ่นและฐาน ส่วนการใช้งานจะจำกัดอยู่ในอุปกรณ์ที่ต้องมีตัวรองรับที่ไม่สม่ำเสมอหรือการรวมท่อภายใน
ประการที่สอง ความหนาแน่นสูงทำให้มีภาระหนักต่ออุปกรณ์
ยากต่อการจัดการและติดตั้ง: หินแกรนิตมีความหนาแน่นประมาณ 2.6-3.0 g/cm³ และมีน้ำหนักมากกว่าเหล็กหล่อ 1.5-2 เท่าภายใต้ปริมาตรเดียวกัน ตัวอย่างเช่น น้ำหนักของฐานหินแกรนิตสำหรับเครื่องโฟโตลิโทกราฟีอาจสูงถึง 5 ถึง 10 ตัน ต้องใช้อุปกรณ์ยกเฉพาะและฐานรากที่ทนทานต่อแรงกระแทก ซึ่งทำให้ต้นทุนการก่อสร้างโรงงานและการติดตั้งอุปกรณ์เพิ่มสูงขึ้น
ความล่าช้าในการตอบสนองแบบไดนามิก: ความเฉื่อยสูงจำกัดการเร่งความเร็วของชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวของอุปกรณ์ (เช่น หุ่นยนต์ถ่ายโอนเวเฟอร์) ในสถานการณ์ที่ต้องเริ่มและหยุดอย่างรวดเร็ว (เช่น อุปกรณ์ตรวจสอบความเร็วสูง) อาจส่งผลต่อจังหวะการผลิตและลดประสิทธิภาพ
สาม ต้นทุนการซ่อมแซมและการทำซ้ำสูง
ข้อบกพร่องนั้นยากต่อการซ่อมแซม: หากเกิดการสึกหรอบนพื้นผิวหรือความเสียหายจากการชนระหว่างการใช้งาน จะต้องส่งคืนโรงงานเพื่อซ่อมแซมโดยใช้อุปกรณ์เจียรแบบมืออาชีพ ซึ่งไม่สามารถจัดการได้อย่างรวดเร็วในสถานที่ ในทางตรงกันข้าม ชิ้นส่วนโลหะสามารถซ่อมแซมได้ทันทีโดยใช้วิธีการต่างๆ เช่น การเชื่อมจุดและการหุ้มด้วยเลเซอร์ ส่งผลให้ระยะเวลาหยุดงานสั้นลง
วงจรการออกแบบซ้ำนั้นยาวนาน: ความแตกต่างของเส้นแกรนิตธรรมชาติอาจทำให้คุณสมบัติของวัสดุ (เช่น ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนและอัตราส่วนการหน่วง) ของแบทช์ต่างๆ ผันผวนเล็กน้อย หากการออกแบบอุปกรณ์เปลี่ยนแปลงไป คุณสมบัติของวัสดุจะต้องได้รับการจับคู่กันใหม่ และวงจรการตรวจสอบการวิจัยและพัฒนาก็ค่อนข้างยาวนาน
Iv. ทรัพยากรที่มีจำกัดและความท้าทายด้านสิ่งแวดล้อม
หินธรรมชาติไม่สามารถทดแทนได้: หินแกรนิตคุณภาพสูง (เช่น "Jinan Green" และ "Sesame Black" ที่ใช้ในเซมิคอนดักเตอร์) ต้องใช้แร่ที่มีปริมาณจำกัด มีปริมาณสำรองจำกัด และมีการจำกัดการขุดตามนโยบายการปกป้องสิ่งแวดล้อม เมื่ออุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ขยายตัว อาจมีความเสี่ยงที่การจัดหาวัตถุดิบจะไม่มั่นคง
ปัญหาการมลพิษในกระบวนการตัดและบด จะมีฝุ่นหินแกรนิตจำนวนมาก (ที่มีซิลิกอนไดออกไซด์) เกิดขึ้น หากไม่ได้รับการจัดการอย่างถูกต้อง อาจทำให้เกิดโรคซิลิโคซิสได้ นอกจากนี้ น้ำเสียจะต้องได้รับการบำบัดด้วยการตกตะกอนก่อนปล่อยทิ้ง ซึ่งจะช่วยยกระดับการลงทุนในการปกป้องสิ่งแวดล้อม
5. ความเข้ากันได้ไม่เพียงพอกับกระบวนการที่เกิดขึ้น
ข้อจำกัดของสภาพแวดล้อมสูญญากาศ: กระบวนการเซมิคอนดักเตอร์บางอย่าง (เช่น การเคลือบสูญญากาศและการพิมพ์หินด้วยลำแสงอิเล็กตรอน) จำเป็นต้องรักษาสถานะสูญญากาศสูงภายในอุปกรณ์ อย่างไรก็ตาม รูพรุนขนาดเล็กบนพื้นผิวของหินแกรนิตอาจดูดซับโมเลกุลของก๊าซ ซึ่งจะถูกปล่อยออกมาอย่างช้าๆ และส่งผลกระทบต่อเสถียรภาพของระดับสูญญากาศ ดังนั้น จึงจำเป็นต้องทำการบำบัดเพื่อเพิ่มความหนาแน่นให้กับพื้นผิวเพิ่มเติม (เช่น การชุบเรซิน)
ปัญหาความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า: แกรนิตเป็นวัสดุฉนวนไฟฟ้า ในสถานการณ์ที่จำเป็นต้องมีการคายประจุไฟฟ้าสถิตหรือการป้องกันแม่เหล็กไฟฟ้า (เช่น แพลตฟอร์มการดูดซับไฟฟ้าสถิตของเวเฟอร์) จำเป็นต้องมีการเคลือบโลหะหรือฟิล์มตัวนำ ซึ่งจะเพิ่มความซับซ้อนของโครงสร้างและต้นทุน
กลยุทธ์ตอบสนองอุตสาหกรรม
แม้จะมีข้อบกพร่องดังที่กล่าวข้างต้น อุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ก็ได้ทดแทนข้อบกพร่องของหินแกรนิตบางส่วนด้วยนวัตกรรมทางเทคโนโลยี:

การออกแบบโครงสร้างแบบผสม: ใช้การผสมผสานระหว่าง “ฐานหินแกรนิต + โครงโลหะ” โดยคำนึงถึงทั้งความแข็งแกร่งและน้ำหนักเบา (ตัวอย่างเช่น ผู้ผลิตเครื่องจักรโฟโตลิโทกราฟีบางรายฝังโครงสร้างรังผึ้งโลหะผสมอะลูมิเนียมไว้ในฐานหินแกรนิต ช่วยลดน้ำหนักได้ 40%)
วัสดุทางเลือกสังเคราะห์เทียม: พัฒนาคอมโพสิตเมทริกซ์เซรามิก (เช่นเซรามิกซิลิกอนคาร์ไบด์) และหินเทียมที่ใช้เรซินอีพอกซีเพื่อจำลองเสถียรภาพทางความร้อนและความต้านทานต่อการสั่นสะเทือนของหินแกรนิต พร้อมทั้งเพิ่มความยืดหยุ่นในการประมวลผล
เทคโนโลยีการประมวลผลอัจฉริยะ: ด้วยการนำอัลกอริธึม AI มาใช้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพเส้นทางการประมวลผล การจำลองความเครียดเพื่อคาดการณ์ความเสี่ยงของการแตกร้าว และการรวมการตรวจจับออนไลน์เพื่อปรับพารามิเตอร์แบบเรียลไทม์ อัตราการประมวลผลเศษวัสดุจึงลดลงจาก 5% เหลือต่ำกว่า 1%
สรุป
ข้อบกพร่องของหินแกรนิตในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ส่วนใหญ่มาจากเกมระหว่างคุณสมบัติของวัสดุตามธรรมชาติและความต้องการของอุตสาหกรรม ด้วยความก้าวหน้าของเทคโนโลยีและการพัฒนาของวัสดุทางเลือก สถานการณ์การใช้งานอาจค่อยๆ แคบลงเหลือเพียง "ส่วนประกอบอ้างอิงแกนกลางที่ไม่สามารถทดแทนได้" (เช่น รางนำทางไฮโดรสแตติกสำหรับเครื่องโฟโตลิโทกราฟีและแพลตฟอร์มการวัดที่มีความแม่นยำสูง) ในขณะที่ค่อยๆ หลีกทางให้กับวัสดุวิศวกรรมที่มีความยืดหยุ่นมากขึ้นในส่วนประกอบโครงสร้างที่ไม่สำคัญ ในอนาคต วิธีการสร้างสมดุลระหว่างประสิทธิภาพ ต้นทุน และความยั่งยืนจะเป็นหัวข้อที่อุตสาหกรรมยังคงสำรวจต่อไป