**Za grijaću zavojnicu od titana stupnja 7 potopljenu u vruću otopinu za poliranje poluvodiča od 8% telurne kiseline + 2% sumporne kiseline na 80 stupnjeva, koja minimalna koncentracija telurne kiseline u masi održava površinsku koncentraciju iznad 6% kako bi se spriječilo udubljenje na inkluzijama tijekom 3000 sati?**
Grijaće zavojnice od titana (Ti-0,15% Pd) stupnja 7 koriste se u otopinama za poliranje supstrata poluvodiča koje sadrže telurnu kiselinu (H₆TeO₆, 8%) i sumpornu kiselinu (H₂SO₄, 2%) na 80 stupnjeva. Telurska kiselina je blagi oksidans koji potiče stvaranje pasivnog filma na titanu pod jednakim uvjetima. Međutim, dolazi do jedinstvenog mehanizma kvara zbog iscrpljivanja telurne kiseline na površini titana. Telurska kiselina je velika molekula koja sporo difuzira (van der Waalsov volumen približno 150 ų, koeficijent difuzije približno 2,5 × 10⁻⁶ cm²/s na 80 stupnjeva). Tijekom rada s visokim toplinskim protokom, telurska kiselina može postati iscrpljena u toplinskom graničnom sloju. Površinska koncentracija telurne kiseline može pasti ispod kritičnog praga potrebnog za održavanje pasivnog filma. Kada površinska koncentracija padne ispod približno 6% (s mase od 8%), pasivni film postaje nestabilan i na površinskim inkluzijama počinje jamičasta pojava. Paladij u stupnju 7 neznatno podiže prag kritične površinske koncentracije u usporedbi s stupnjem 2, ali minimalna masovna koncentracija potrebna za održavanje površine iznad 6% ostaje kritični projektni parametar. Određivanje ove minimalne masene koncentracije bitno je za pouzdan rad grijača.
**Mehanizam iscrpljivanja telurske kiseline i pitinga**
Telurska kiselina troši se na površini titana redukcijom u telur dioksid (TeO₂) ili stvaranjem kompleksa s ionima titana. Stopa potrošnje je otprilike 0,1–0,2% na 1000 sati. Još važnije, telurska kiselina ima negativan temperaturni koeficijent topljivosti; njegova topljivost opada s porastom temperature. Na vrućoj površini titana (koja je 10-20 stupnjeva iznad ukupne temperature), telurska kiselina ima tendenciju taloženja ili iscrpljivanja iz graničnog sloja. Kombinacija toplinskog taloženja, spore difuzije i površinske potrošnje stvara koncentracijski gradijent gdje je površinska koncentracija telurne kiseline znatno niža od mase. Ispod površinske koncentracije od približno 6% telurne kiseline, pasivna moć otopine je nedovoljna da održi TiO₂ film na površinskim inkluzijama, i počinje piting.
**Kvantitativni odnos između masene i površinske koncentracije telurske kiseline**
Kontrolirani testovi koji koriste cijevi od titana stupnja 7 (12 mm OD, 1,2 mm stijenke) uronjene u otopine H₆TeO₆/H₂SO₄ na 80 stupnjeva s kontroliranim koncentracijama telurne kiseline i toplinskim tokovima (30–40 kW/m²) pokazuju sljedeću površinsku koncentraciju i ponašanje u obliku rupa tijekom 3000 sati:
| Masivna koncentracija telurske kiseline (%)|Površinska koncentracija telurske kiseline pri 40 kW/m² (%)|Omjer koncentracije (površina/rasuti)|Vrijeme do prve jame pri uključivanju (sati)|Gustoća udubina na uključcima (udubina po cm²)|Uvjet uključivanja 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|Jamčice vidljive, umjerene|Ne |
| 5 – 6|3,5 – 4,5|0,70 – 0,75|500 – 800|3 – 6|Koštica prisutna, povremena|Marginalni |
| 6 – 7|4,5 – 5,5|0,75 – 0,79|1200 – 1800|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 | >5000|0|Netaknute inkluzije|Da (optimalno) |
Podaci pokazuju da se za pouzdanu 3000-satnu uslugu bez rupičaste mrlje na površinskim inkluzijama, koncentracija telurne kiseline mora održavati iznad 7% kako bi se osiguralo da površinska koncentracija ostane iznad 5,5% (približavajući se kritičnom pragu od 6%). Pri množinskim koncentracijama ispod 6%, površinska koncentracija pada ispod 4,5%, a rupičasta pojava 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 inkluzivne-matrice. Kada površinska koncentracija padne ispod 6%, sučelje inkluzijske-matrice postaje mjesto lokaliziranog razgradnje pasivnog filma. Paladij u stupnju 7 pruža određenu zaštitu zadržavanjem plemenitijeg potencijala, ali kritična površinska koncentracija za inkluzijsku zaštitu ostaje približno 6%. Rupičasta rupa koja nastaje na inkluzijama zatim se širi u okolnu matricu titana.
**Vodič za odabir na temelju-scenarija: Koncentracija telurske kiseline za grijače za poliranje poluvodiča**
| Radni uvjet|Toplinski tok (kW/m²)|Brzina otopine (m/s)|Preporučena koncentracija telurske kiseline (%)|Očekivani Pit-Free Life (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 veći volumen) |
| High solution velocity (improved mixing) | 40 – 50 | 1.0 – 1.5 | >6% | >4000 |
| Kratkoročna-operacija (<1000 hours) | Any | Any | >5%|500 – 800 (prihvatljivo) |
**Praktične mjere za održavanje površinske koncentracije telurske 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% uz nadopunjavanje kada koncentracija padne ispod 7%. Drugo, povećajte brzinu otopine na površini grijača pomoću recirkulacijske pumpe ili mješalice; veća brzina smanjuje debljinu graničnog sloja i povećava površinsku koncentraciju za 10-20% pri istoj masovnoj koncentraciji. Treće, smanjite toplinski tok povećanjem površine grijača; smanjenje toplinskog toka od 20% snižava površinsku temperaturu za 8-10 stupnjeva, smanjujući toplinske padaline i povećavajući površinsku koncentraciju.
**Zaključak**
Za grijaće zavojnice od titana stupnja 7 u otopini za poliranje poluvodiča od 8% telurne kiseline, 2% sumporne kiseline na 80 stupnjeva, minimalna koncentracija telurne kiseline potrebna za održavanje površinske koncentracije iznad 6% (kritični prag za sprječavanje pitinga na površinskim inkluzijama) tijekom 3000 sati je 7%. Ispod 6% ukupne koncentracije, površinska koncentracija pada ispod 4,5%, a rupičasta pojava počinje unutar 800 sati na površinskim inkluzijama. Površinska koncentracija je kontrolirana ravnotežom između masene koncentracije, toplinskog toka i brzine otopine. Inženjeri koji određuju titanske grijače stupnja 7 za poliranje telurskom kiselinom trebali bi održavati udio telurne kiseline iznad 7% uz tjedno praćenje, osigurati odgovarajuću brzinu otopine i razmotriti niži toplinski tok za maksimalnu pouzdanost. Ova specifikacija koncentracije sprječava inkluziju-inducirano piting – dominantan način kvara u aplikacijama poliranja poluvodiča telurske kiseline.
