Dưới yêu cầu nghiêm ngặt về độ chính xác cao và độ tin cậy cao trong ngành công nghiệp bán dẫn, mặc dù đá granit là một trong những vật liệu cốt lõi, nhưng tính chất của nó cũng mang lại những hạn chế nhất định. Sau đây là những nhược điểm và thách thức chính của nó trong ứng dụng thực tế:
Đầu tiên, vật liệu rất giòn và khó gia công
Nguy cơ nứt: Đá granit về cơ bản là đá tự nhiên có các vết nứt nhỏ tự nhiên và ranh giới hạt khoáng bên trong, và là vật liệu giòn điển hình. Trong gia công siêu chính xác (như mài nano và xử lý bề mặt cong phức tạp), nếu lực không đều hoặc các thông số xử lý không phù hợp, các vấn đề như sứt mẻ và lan truyền vết nứt nhỏ dễ xảy ra, dẫn đến việc loại bỏ phôi.
Hiệu suất gia công thấp: Để tránh gãy giòn, cần phải sử dụng các quy trình đặc biệt như mài tốc độ thấp bằng đá mài kim cương và đánh bóng từ lưu biến. Chu kỳ gia công dài hơn vật liệu kim loại từ 30% đến 50%, chi phí đầu tư thiết bị cao (ví dụ, giá của một trung tâm gia công liên kết năm trục vượt quá 10 triệu nhân dân tệ).
Hạn chế về cấu trúc phức tạp: Khó có thể sản xuất các cấu trúc rỗng nhẹ thông qua đúc, rèn và các quy trình khác. Nó chủ yếu được sử dụng trong các hình dạng hình học đơn giản như tấm và đế, và ứng dụng của nó bị hạn chế trong các thiết bị yêu cầu giá đỡ không đều hoặc tích hợp đường ống bên trong.
Thứ hai, mật độ cao dẫn đến tải trọng lớn cho thiết bị
Khó xử lý và lắp đặt: Mật độ của đá granit xấp xỉ 2,6-3,0 g/cm³ và trọng lượng của nó gấp 1,5-2 lần so với gang trong cùng một thể tích. Ví dụ, trọng lượng của đế đá granit cho máy quang khắc có thể đạt tới 5 đến 10 tấn, đòi hỏi phải có thiết bị nâng chuyên dụng và nền móng chống sốc, làm tăng chi phí xây dựng nhà máy và triển khai thiết bị.
Độ trễ phản hồi động: Quán tính cao hạn chế khả năng tăng tốc của các bộ phận chuyển động của thiết bị (như rô-bốt chuyển wafer). Trong các tình huống cần khởi động và dừng nhanh (như thiết bị kiểm tra tốc độ cao), nó có thể ảnh hưởng đến nhịp độ sản xuất và làm giảm hiệu quả.
Thứ ba, chi phí sửa chữa và lặp lại cao
Các khuyết tật khó sửa chữa: Nếu bề mặt bị mài mòn hoặc hư hỏng do va chạm xảy ra trong quá trình sử dụng, cần phải trả lại nhà máy để sửa chữa thông qua thiết bị mài chuyên nghiệp, không thể xử lý nhanh chóng tại chỗ. Ngược lại, các thành phần kim loại có thể được sửa chữa ngay lập tức thông qua các phương pháp như hàn điểm và phủ laser, giúp rút ngắn thời gian ngừng hoạt động.
Chu kỳ lặp lại thiết kế dài: Sự khác biệt trong các mạch đá granit tự nhiên có thể gây ra những biến động nhỏ trong các đặc tính vật liệu (như hệ số giãn nở nhiệt và tỷ lệ giảm chấn) của các lô khác nhau. Nếu thiết kế thiết bị thay đổi, các đặc tính vật liệu cần được khớp lại và chu kỳ xác minh nghiên cứu và phát triển tương đối dài.
Iv. Tài nguyên hạn chế và thách thức về môi trường
Đá tự nhiên không tái tạo được: Đá granit chất lượng cao (như "Jinan Green" và "Sesame Black" dùng trong chất bán dẫn) dựa vào mạch cụ thể, trữ lượng hạn chế và khai thác bị hạn chế bởi chính sách bảo vệ môi trường. Với sự mở rộng của ngành công nghiệp bán dẫn, có thể có nguy cơ nguồn cung nguyên liệu thô không ổn định.
Vấn đề ô nhiễm trong quá trình chế biến: Trong quá trình cắt và nghiền, một lượng lớn bụi đá granit (chứa silic dioxit) được tạo ra. Nếu không được xử lý đúng cách, nó có thể gây ra bệnh bụi phổi silic. Hơn nữa, nước thải cần được xử lý bằng cách lắng trước khi xả ra ngoài, làm tăng đầu tư bảo vệ môi trường.
Năm. Không đủ khả năng tương thích với các quy trình mới nổi
Giới hạn môi trường chân không: Một số quy trình bán dẫn (như phủ chân không và quang khắc chùm tia điện tử) yêu cầu duy trì trạng thái chân không cao bên trong thiết bị. Tuy nhiên, các lỗ siêu nhỏ trên bề mặt đá granit có thể hấp thụ các phân tử khí, được giải phóng chậm và ảnh hưởng đến độ ổn định của độ chân không. Do đó, cần phải xử lý làm đặc bề mặt bổ sung (như tẩm nhựa).
Các vấn đề về khả năng tương thích điện từ: Đá granit là vật liệu cách điện. Trong các trường hợp cần xả tĩnh điện hoặc che chắn điện từ (như nền tảng hấp phụ tĩnh điện wafer), lớp phủ kim loại hoặc màng dẫn điện cần được kết hợp, làm tăng độ phức tạp và chi phí về mặt cấu trúc.
Chiến lược ứng phó của ngành
Bất chấp những thiếu sót nêu trên, ngành công nghiệp bán dẫn đã khắc phục một phần những thiếu sót của đá granit thông qua đổi mới công nghệ:
Thiết kế kết cấu tổng hợp: Áp dụng sự kết hợp giữa "đế đá granit + khung kim loại", tính đến cả độ cứng và trọng lượng nhẹ (ví dụ, một nhà sản xuất máy quang khắc nào đó nhúng cấu trúc tổ ong hợp kim nhôm vào đế đá granit, giảm trọng lượng 40%).
Vật liệu thay thế tổng hợp nhân tạo: Phát triển vật liệu composite nền gốm (như gốm silicon carbide) và đá nhân tạo gốc nhựa epoxy để mô phỏng độ ổn định nhiệt và khả năng chống rung của đá granit, đồng thời tăng cường tính linh hoạt trong quá trình xử lý.
Công nghệ xử lý thông minh: Bằng cách đưa vào các thuật toán AI để tối ưu hóa đường dẫn xử lý, mô phỏng ứng suất để dự đoán nguy cơ nứt và kết hợp phát hiện trực tuyến để điều chỉnh các thông số theo thời gian thực, tỷ lệ phế liệu trong quá trình xử lý đã giảm từ 5% xuống dưới 1%.
Bản tóm tắt
Những thiếu sót của đá granit trong ngành công nghiệp bán dẫn về cơ bản bắt nguồn từ trò chơi giữa các đặc tính vật liệu tự nhiên của nó và nhu cầu công nghiệp. Với sự tiến bộ của công nghệ và sự phát triển của các vật liệu thay thế, các kịch bản ứng dụng của nó có thể dần thu hẹp lại thành "các thành phần tham chiếu cốt lõi không thể thay thế" (chẳng hạn như thanh dẫn hướng thủy tĩnh cho máy quang khắc và nền tảng đo lường siêu chính xác), trong khi dần dần nhường chỗ cho các vật liệu kỹ thuật linh hoạt hơn trong các thành phần cấu trúc không quan trọng. Trong tương lai, cách cân bằng hiệu suất, chi phí và tính bền vững sẽ là chủ đề mà ngành công nghiệp tiếp tục khám phá.
Thời gian đăng: 24-05-2025