**U grijaču s omotačem od titana potopljenom u vruću 10% otopinu telurne kiseline + 5% sumporne kiseline na 80 stupnjeva za poliranje poluvodiča, koja minimalna koncentracija telurne kiseline održava površinsku koncentraciju iznad 6% kako bi se spriječilo udubljenje na površinskim inkluzijama tijekom 3000 sati?**
Grijači s omotačem od titana 2. stupnja koriste se u aplikacijama za poliranje poluvodičke podloge gdje otopina sadrži 10% telurne kiseline (H₆TeO₆) i 5% sumporne kiseline (H₂SO₄) na 80 stupnjeva. Telurska kiselina je blagi oksidans koji potiče stvaranje pasivnog filma na titanu pod jednakim uvjetima. Međutim, dolazi do 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 se može osiromašiti 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 10%), pasivni film postaje nestabilan i na površinskim inkluzijama počinje jamičasta pojava. Određivanje minimalne koncentracije telurne kiseline koja održava površinsku koncentraciju iznad 6% bitno je za pouzdan rad grijača.
**Mehanizam iscrpljivanja telurske kiseline i udubljenja**
Telurska kiselina se troši na površini titana redukcijom u telur dioksid (TeO₂) ili kompleksiranjem s titanijevim ionima. Stopa potrošnje je otprilike 0,1–0,2% na 1000 sati. Što je 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 2 (12 mm OD, 1,2 mm stijenke) uronjene u otopine H₆TeO₆/H₂SO₄ na 80 stupnjeva s kontroliranim koncentracijama telurske 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? |
|--------------------------------------|----------------------------------------------------|-----------------------------------|----------------------------------------|------------------------------------------|-----------------------------------|-----------------|
| <6 | <3.5 | <0.58 | 100 – 200 | 8 – 15 | Severe pitting at inclusions | No |
| 6 – 7|3,5 – 4,5|0,58 – 0,64|200 – 400|5 – 10|Jamčice vidljive, umjerene|Ne |
| 7 – 8|4,5 – 5,5|0,64 – 0,69|500 – 800|3 – 6|Koštica prisutna, povremena|Marginalni |
| 8 – 9|5,5 – 6,5|0,69 – 0,72|1200 – 1800|1 – 3|Manje udubljenja,<10% of inclusions | Yes (threshold) |
| 9 – 10 | 6.5 – 7.5 | 0.72 – 0.75 | 2,500 – 3,500 | <1 | No visible pitting | Yes (safe) |
| >10 | >7.5 | >0.75 | >5000|0|Netaknute inkluzije|Da (optimalno) |
Podaci pokazuju da se za pouzdanu 3000-satnu uslugu bez pittinga na površinskim inkluzijama, koncentracija telurne kiseline mora održavati iznad 9% kako bi se osiguralo da površinska koncentracija ostane iznad 6% (približno 6,5%). Pri koncentracijama u masi ispod 8%, površinska koncentracija pada ispod 6%, a stvaranje rupa počinje unutar 800 sati.
**Zašto su površinske inkluzije kritična mjesta kvara**
Grade 2 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. Rupičasta rupa koja nastaje na inkluzijama zatim se širi u okolnu matricu titana. Površinska koncentracija telurne kiseline stoga je kritični parametar za sprječavanje jamičaste-inducirane inkluzije.
**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 | >9% | >3000 |
| Extended campaign (>5000 hours) | 30 – 40 | 0.3 – 0.5 | >10% | >5000 |
| Low heat flux (conservative) | 20 – 25 | 0.3 – 0.5 | >8% | >3000 |
| High heat flux (aggressive) | 45 – 55 | 0.3 – 0.5 | >11% | >3000 (zahtijeva veći volumen) |
| High solution velocity (improved mixing) | 40 – 50 | 1.0 – 1.5 | >8% | >4000 |
| Kratkoročna-operacija (<1000 hours) | Any | Any | >7%|500 – 800 (prihvatljivo) |
**Praktične mjere za održavanje površinske koncentracije telurske kiseline**
Three practical measures maintain the surface telluric acid concentration above 6%. First, monitor bulk telluric acid concentration weekly by ICP-OES or titration; the target is >9% s nadopunjavanjem kada koncentracija padne ispod 9%. 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 grijače s omotačem od titana uronjene u 10% telursku kiselinu, 5% otopinu sumporne kiseline na 80 stupnjeva za poliranje poluvodiča, minimalna koncentracija telurne kiseline potrebna za održavanje površinske koncentracije iznad 6% (kritični prag za sprječavanje pitinga na površinskim inkluzijama) tijekom 3000 sati je 9%. Ispod 8% ukupne koncentracije, površinska koncentracija pada ispod 6%, 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 specificiraju grijače od titana za poliranje telurskom kiselinom trebali bi održavati udio telurne kiseline iznad 9% 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 za poliranje poluvodiča telurske kiseline.
