ข้อเสียของหินแกรนิตในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์มีอะไรบ้าง?

ภายใต้ข้อกำหนดที่เข้มงวดเกี่ยวกับความแม่นยำสูงและความน่าเชื่อถือสูงในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ แม้ว่าหินแกรนิตจะเป็นวัสดุหลักอย่างหนึ่ง แต่คุณสมบัติของมันก็ยังมีข้อจำกัดบางประการ ข้อเสียและความท้าทายหลักในการใช้งานจริงมีดังนี้:
ประการแรก วัสดุมีความเปราะบางและยากต่อการแปรรูป
ความเสี่ยงต่อการแตกร้าว: หินแกรนิตเป็นหินธรรมชาติที่มีรอยแตกร้าวขนาดเล็กตามธรรมชาติและขอบเขตของอนุภาคแร่อยู่ภายใน และเป็นวัสดุเปราะโดยทั่วไป ในงานตัดเฉือนที่มีความแม่นยำสูง (เช่น การเจียรในระดับนาโนและการประมวลผลพื้นผิวโค้งที่ซับซ้อน) หากแรงกระทำไม่สม่ำเสมอหรือพารามิเตอร์การประมวลผลไม่เหมาะสม ปัญหาต่างๆ เช่น การบิ่นและการแพร่กระจายของรอยแตกร้าวขนาดเล็กก็มีแนวโน้มที่จะเกิดขึ้น ซึ่งนำไปสู่การเกิดรอยขูดขีดของชิ้นงาน

ประสิทธิภาพการประมวลผลต่ำ: เพื่อหลีกเลี่ยงการแตกหักแบบเปราะ จำเป็นต้องใช้กระบวนการพิเศษ เช่น การเจียรความเร็วต่ำด้วยล้อเจียรเพชรและการขัดด้วยแมกนีโตรฮีโอโลยี วงจรการประมวลผลยาวนานกว่าวัสดุโลหะ 30% ถึง 50% และต้นทุนการลงทุนด้านอุปกรณ์สูง (เช่น ราคาศูนย์เครื่องจักรกลแบบเชื่อมต่อ 5 แกนสูงกว่า 10 ล้านหยวน)
ข้อจำกัดของโครงสร้างที่ซับซ้อน: การผลิตโครงสร้างกลวงน้ำหนักเบาด้วยกระบวนการหล่อ การตีขึ้นรูป และกระบวนการอื่นๆ เป็นเรื่องยาก ส่วนใหญ่จะใช้ในรูปทรงเรขาคณิตที่เรียบง่าย เช่น แผ่นและฐาน และการใช้งานมีจำกัดในอุปกรณ์ที่ต้องใช้การรองรับที่ไม่สม่ำเสมอหรือการต่อท่อภายใน
ประการที่สอง ความหนาแน่นสูงทำให้มีภาระหนักต่ออุปกรณ์
จัดการและติดตั้งยาก: หินแกรนิตมีความหนาแน่นประมาณ 2.6-3.0 กรัม/ลูกบาศก์เซนติเมตร และมีน้ำหนักมากกว่าเหล็กหล่อ 1.5-2 เท่าภายใต้ปริมาตรเดียวกัน ตัวอย่างเช่น น้ำหนักของฐานหินแกรนิตสำหรับเครื่องโฟโตลิโทกราฟีอาจสูงถึง 5-10 ตัน ซึ่งต้องใช้อุปกรณ์ยกเฉพาะและฐานรากที่ทนทานต่อแรงกระแทก ซึ่งทำให้ต้นทุนการก่อสร้างโรงงานและการติดตั้งอุปกรณ์เพิ่มสูงขึ้น
ความล่าช้าในการตอบสนองแบบไดนามิก: ความเฉื่อยสูงจำกัดความเร่งของชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวของอุปกรณ์ (เช่น หุ่นยนต์ถ่ายโอนเวเฟอร์) ในสถานการณ์ที่จำเป็นต้องเริ่มต้นและหยุดอย่างรวดเร็ว (เช่น อุปกรณ์ตรวจสอบความเร็วสูง) อาจส่งผลกระทบต่อจังหวะการผลิตและลดประสิทธิภาพ
สาม ค่าใช้จ่ายในการซ่อมแซมและทำซ้ำสูง
ข้อบกพร่องซ่อมแซมได้ยาก: หากเกิดการสึกหรอบนพื้นผิวหรือความเสียหายจากการชนระหว่างการใช้งาน จำเป็นต้องนำส่งกลับโรงงานเพื่อซ่อมแซมด้วยอุปกรณ์เจียรมืออาชีพ ซึ่งไม่สามารถดำเนินการได้อย่างรวดเร็วในสถานที่ ในทางกลับกัน ชิ้นส่วนโลหะสามารถซ่อมแซมได้ทันทีด้วยวิธีต่างๆ เช่น การเชื่อมจุดและการหุ้มด้วยเลเซอร์ ส่งผลให้ระยะเวลาหยุดทำงานสั้นลง
วงจรการออกแบบซ้ำนั้นค่อนข้างยาวนาน: ความแตกต่างของเส้นหินแกรนิตธรรมชาติอาจทำให้เกิดความผันผวนเล็กน้อยในคุณสมบัติของวัสดุ (เช่น ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนและอัตราส่วนการหน่วง) ในแต่ละชุด หากการออกแบบอุปกรณ์มีการเปลี่ยนแปลง จำเป็นต้องปรับคุณสมบัติของวัสดุใหม่ และวงจรการตรวจสอบวิจัยและพัฒนาก็ค่อนข้างยาวนาน
Iv. ทรัพยากรที่จำกัดและความท้าทายด้านสิ่งแวดล้อม
หินธรรมชาติไม่สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้: หินแกรนิตคุณภาพสูง (เช่น "Jinan Green" และ "Sesame Black" ที่ใช้ในสารกึ่งตัวนำ) อาศัยสายแร่เฉพาะ มีปริมาณสำรองจำกัด และถูกจำกัดการทำเหมืองโดยนโยบายคุ้มครองสิ่งแวดล้อม การขยายตัวของอุตสาหกรรมสารกึ่งตัวนำอาจมีความเสี่ยงต่อการจัดหาวัตถุดิบที่ไม่แน่นอน
ปัญหามลพิษจากกระบวนการแปรรูป: ในระหว่างกระบวนการตัดและบด จะมีฝุ่นหินแกรนิตจำนวนมาก (ประกอบด้วยซิลิคอนไดออกไซด์) เกิดขึ้น หากไม่ได้รับการจัดการอย่างถูกต้อง อาจทำให้เกิดโรคซิลิโคซิสได้ นอกจากนี้ น้ำเสียยังต้องได้รับการบำบัดโดยการตกตะกอนก่อนปล่อยออก ซึ่งเป็นการเพิ่มการลงทุนในการปกป้องสิ่งแวดล้อม
ห้า. ความเข้ากันได้ไม่เพียงพอกับกระบวนการที่เกิดขึ้นใหม่
ข้อจำกัดในสภาพแวดล้อมสุญญากาศ: กระบวนการเซมิคอนดักเตอร์บางอย่าง (เช่น การเคลือบด้วยสุญญากาศและการพิมพ์หินด้วยลำแสงอิเล็กตรอน) จำเป็นต้องรักษาสภาวะสุญญากาศสูงภายในอุปกรณ์ อย่างไรก็ตาม รูพรุนขนาดเล็กบนพื้นผิวของหินแกรนิตอาจดูดซับโมเลกุลของก๊าซ ซึ่งจะถูกปล่อยออกมาอย่างช้าๆ และส่งผลกระทบต่อเสถียรภาพของระดับสุญญากาศ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องปรับปรุงพื้นผิวให้หนาแน่นขึ้น (เช่น การชุบเรซิน)
ปัญหาความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า: หินแกรนิตเป็นวัสดุฉนวนไฟฟ้า ในสถานการณ์ที่จำเป็นต้องมีการคายประจุไฟฟ้าสถิตหรือการป้องกันแม่เหล็กไฟฟ้า (เช่น แพลตฟอร์มดูดซับไฟฟ้าสถิตแบบเวเฟอร์) จำเป็นต้องผสมสารเคลือบโลหะหรือฟิล์มนำไฟฟ้า ซึ่งจะเพิ่มความซับซ้อนและต้นทุนด้านโครงสร้าง
กลยุทธ์การตอบสนองของอุตสาหกรรม
แม้จะมีข้อบกพร่องดังที่กล่าวข้างต้น อุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ก็สามารถทดแทนข้อบกพร่องของหินแกรนิตได้บางส่วนด้วยนวัตกรรมทางเทคโนโลยี:

การออกแบบโครงสร้างแบบผสม: ใช้การผสมผสานระหว่าง "ฐานหินแกรนิต + โครงโลหะ" โดยคำนึงถึงทั้งความแข็งแกร่งและน้ำหนักเบา (ตัวอย่างเช่น ผู้ผลิตเครื่องจักรพิมพ์หินบางรายฝังโครงสร้างรังผึ้งโลหะผสมอลูมิเนียมไว้ในฐานหินแกรนิต ช่วยลดน้ำหนักได้ 40%)
วัสดุทางเลือกสังเคราะห์เทียม: พัฒนาคอมโพสิตเมทริกซ์เซรามิก (เช่น เซรามิกซิลิกอนคาร์ไบด์) และหินเทียมที่ใช้เรซินอีพอกซีเพื่อจำลองเสถียรภาพทางความร้อนและความต้านทานการสั่นสะเทือนของหินแกรนิต พร้อมทั้งเพิ่มความยืดหยุ่นในการประมวลผล
เทคโนโลยีการประมวลผลอัจฉริยะ: ด้วยการนำอัลกอริธึม AI มาใช้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพเส้นทางการประมวลผล การจำลองความเครียดเพื่อคาดการณ์ความเสี่ยงของการแตกร้าว และการรวมการตรวจจับออนไลน์เพื่อปรับพารามิเตอร์แบบเรียลไทม์ อัตราเศษวัสดุในการประมวลผลจึงลดลงจาก 5% เหลือต่ำกว่า 1%
สรุป
จุดอ่อนของหินแกรนิตในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ส่วนใหญ่เกิดจากการแข่งขันระหว่างคุณสมบัติของวัสดุธรรมชาติกับความต้องการของอุตสาหกรรม ด้วยความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีและการพัฒนาวัสดุทางเลือก สถานการณ์การใช้งานของหินแกรนิตอาจค่อยๆ แคบลงจนกลายเป็น "ส่วนประกอบอ้างอิงแกนกลางที่ไม่สามารถทดแทนได้" (เช่น รางนำไฮโดรสแตติกสำหรับเครื่องโฟโตลิโทกราฟีและแท่นวัดความแม่นยำสูง) ในขณะเดียวกันก็ค่อยๆ ถูกแทนที่ด้วยวัสดุวิศวกรรมที่มีความยืดหยุ่นมากขึ้นในส่วนประกอบโครงสร้างที่ไม่สำคัญ ในอนาคต การสร้างสมดุลระหว่างประสิทธิภาพ ต้นทุน และความยั่งยืนจะเป็นหัวข้อที่อุตสาหกรรมยังคงสำรวจต่อไป