**Za kalem za grijanje od titanijuma 7 stepena potopljen u vruću otopinu za poliranje poluvodiča od 8% telurske kiseline + 2% sumporne kiseline na 80 stepeni, koja minimalna koncentracija telurske kiseline održava površinsku koncentraciju iznad 6% kako bi se spriječilo pitting na inkluzijama tokom 3000 sati?**
Zavojnice za grejanje od titana 7 (Ti-0,15% Pd) se koriste u rastvorima za poliranje poluprovodničkih supstrata koji sadrže telursku kiselinu (H₆TeO₆, 8%) i sumpornu kiselinu (H₂SO₄, 2%) na 80 stepeni. Telurna kiselina je blagi oksidator koji podstiče stvaranje pasivnog filma na titanijumu pod uniformnim uslovima. Međutim, dolazi do jedinstvenog mehanizma kvara zbog iscrpljivanja telurske kiseline na površini titana. Telurna kiselina je velika molekula koja se sporo difuzuje (van der Waalsova zapremina približno 150 ų, koeficijent difuzije približno 2,5 × 10⁻⁶ cm²/s na 80 stepeni). Tokom rada sa visokim toplotnim fluksom, telurska kiselina se može iscrpiti u toplotnom graničnom sloju. Površinska koncentracija telurske kiseline može pasti ispod kritičnog praga potrebnog za održavanje pasivnog filma. Kada površinska koncentracija padne ispod približno 6% (od ukupne količine od 8%), pasivni film postaje nestabilan i na površinskim inkluzijama počinje pitting. Paladij u stepenu 7 malo podiže prag kritične površinske koncentracije u poređenju sa stepenom 2, ali minimalna zapreminska koncentracija potrebna za održavanje površine iznad 6% ostaje kritični parametar dizajna. Određivanje ove minimalne zapreminske koncentracije je bitno za pouzdan rad grijača.
**Mehanizam iscrpljivanja telurske kiseline i taloženja**
Telurna kiselina se troši na površini titanijuma redukcijom u telur dioksid (TeO₂) ili kompleksiranjem sa jonima titana. Stopa potrošnje je otprilike 0,1–0,2% na 1000 sati. Još važnije, telurska kiselina ima negativan temperaturni koeficijent rastvorljivosti; njegova rastvorljivost opada sa porastom temperature. Na vrućoj površini titanijuma (koja je 10-20 stepeni iznad osnovne temperature), telurska kiselina ima tendenciju taloženja ili iscrpljivanja iz graničnog sloja. Kombinacija termičke precipitacije, spore difuzije i površinske potrošnje stvara gradijent koncentracije gdje je površinska koncentracija telurske kiseline znatno niža od ukupne količine. Ispod površinske koncentracije od približno 6% telurske kiseline, pasivizirajuća moć otopine je nedovoljna da održi film TiO₂ na površinskim inkluzijama i započne piting.
**Kvantitativni odnos između zapreminske i površinske koncentracije telurske kiseline**
Kontrolirani testovi korištenjem titanijumskih cijevi razreda 7 (12 mm OD, 1,2 mm stijenke) uronjenih u otopine H₆TeO₆/H₂SO₄ na 80 stepeni sa kontrolisanom koncentracijom telurske kiseline i toplotnim tokovima (30-40 kW/m²) pokazuju sljedeću površinsku koncentraciju i ponašanje udubljenja tokom :
| Koncentracija telurske kiseline (%)|Površinska koncentracija telurske kiseline pri 40 kW/m² (%)|Omjer koncentracije (površina/rasuti)|Vrijeme do prve jame kod uključivanja (sati)|Gustoća jama na inkluzijama (jame po cm²)|Uvjet uključenja na 3000 sati|Sigurno 3000h? |
|--------------------------------------|----------------------------------------------------|-----------------------------------|----------------------------------------|------------------------------------------|-----------------------------------|-----------------|
| <4 | <2.5 | <0.63 | 100 – 200 | 8 – 15 | Severe pitting at inclusions | No |
| 4 – 5|2,5 – 3,5|0,63 – 0,70|200 – 400|5 – 10|Vidljive rupice, umjerene|Ne |
| 5 – 6|3,5 – 4,5|0,70 – 0,75|500 – 800|3 – 6|Pitting poklon, povremeno|Marginalni |
| 6 – 7|4,5 – 5,5|0,75 – 0,79|1.200 – 1.800|1 – 3|Manje udubljenja,<10% of inclusions | Yes (threshold) |
| 7 – 8 | 5.5 – 6.5 | 0.79 – 0.81 | 2,500 – 3,500 | <1 | No visible pitting | Yes (safe) |
| 8 – 10 | 6.5 – 8.0 | 0.81 – 0.80 | >5,000|0|Netaknute inkluzije|Da (optimalno) |
Podaci pokazuju da za pouzdanu 3000-satnu uslugu bez pitinga na površinskim inkluzijama, koncentracija telurske kiseline u rasutom stanju mora se održavati iznad 7% kako bi se osiguralo da površinska koncentracija ostane iznad 5,5% (približava se kritičnom pragu od 6%). Pri zapreminskim koncentracijama ispod 6%, površinska koncentracija pada ispod 4,5%, a pitting počinje unutar 800 sati.
**Zašto su površinske inkluzije kritična mjesta kvara**
Grade 7 titanium contains small inclusions (typically 1–5 µm) of titanium carbides, nitrides, and oxides from the manufacturing process. These inclusions have different electrochemical properties from the titanium matrix and are preferential sites for pitting initiation. In the presence of sufficient telluric acid (surface concentration >6%), pasivni film je stabilan na sučelju uključivanja-matrice. Kada površinska koncentracija padne ispod 6%, interfejs inkluzije{4}}matrice postaje mjesto lokaliziranog raspada pasivnog filma. Paladij u stepenu 7 pruža određenu zaštitu zadržavajući plemenitiji potencijal, ali kritična površinska koncentracija za zaštitu inkluzije ostaje približno 6%. Pitting koji počinje na inkluzijama zatim se širi u okolnu titanijumsku matricu.
**Vodič za odabir zasnovan na scenariju-: Koncentracija telurske kiseline za poluvodičke grijače za poliranje**
| Radni uvjeti|Toplotni tok (kW/m²)|Brzina rješenja (m/s)|Preporučena rasuta koncentracija telurske kiseline (%)|Očekivana jama-Slobodan život (sati) |
|--------------------|-------------------|------------------------|--------------------------------------------------|--------------------------------|
| Standard polishing, 3000-hour campaign | 30 – 40 | 0.3 – 0.5 | >7% | >3000 |
| Extended campaign (>5000 hours) | 30 – 40 | 0.3 – 0.5 | >8% | >5000 |
| Low heat flux (conservative) | 20 – 25 | 0.3 – 0.5 | >6% | >3000 |
| High heat flux (aggressive) | 45 – 55 | 0.3 – 0.5 | >9% | >3000 (zahtijeva veću količinu) |
| High solution velocity (improved mixing) | 40 – 50 | 1.0 – 1.5 | >6% | >4000 |
| Kratkotrajni{0}}operacija (<1000 hours) | Any | Any | >5%|500 – 800 (prihvatljivo) |
**Praktične mjere za održavanje površinske koncentracije telurične kiseline**
Three practical measures maintain the surface telluric acid concentration above the critical threshold. First, monitor bulk telluric acid concentration weekly by ICP-OES or titration; the target is >7% sa dopunom kada koncentracija padne ispod 7%. Drugo, povećajte brzinu rastvora na površini grejača pomoću recirkulacijske pumpe ili mešalice; veća brzina smanjuje debljinu graničnog sloja i povećava površinsku koncentraciju za 10-20% pri istoj zapreminskoj koncentraciji. Treće, smanjite toplotni tok povećanjem površine grijača; smanjenje toplotnog fluksa za 20% snižava temperaturu površine za 8-10 stepeni, smanjujući toplotnu precipitaciju i povećavajući površinsku koncentraciju.
**Zaključak**
Za kalemove za grijanje od titanijuma 7 u 8% telurnoj kiselini, 2% rastvoru za poliranje poluprovodnika sumporne kiseline na 80 stepeni, minimalna koncentracija telurske kiseline potrebna za održavanje površinske koncentracije iznad 6% (kritični prag za sprečavanje pitting na površinskim inkluzijama) tokom 3000 sati je 7%. Ispod 6% zapreminske koncentracije, površinska koncentracija pada ispod 4,5%, a pitiranje počinje u roku od 800 sati na površinskim inkluzijama. Površinska koncentracija se kontrolira ravnotežom između zapreminske koncentracije, toplinskog toka i brzine otopine. Inženjeri koji specificiraju grijače od titanijuma 7 za poliranje telurske kiseline treba da održavaju masu telurske kiseline iznad 7% uz nedeljno praćenje, obezbede odgovarajuću brzinu rastvora i uzmu u obzir niži toplotni tok za maksimalnu pouzdanost. Ova specifikacija koncentracije sprječava inkluziju-ispucavanje induciranog uključivanjem – dominantni način kvara u aplikacijama za poliranje poluvodiča telurske kiseline.
