Mulj koji se stalno vraća
Kupka za jetkanje poluvodiča koja sadrži fluorovodičnu kiselinu i dušičnu kiselinu obrađuje silicijske pločice. Kvarcni uronjeni grijač, odabran zbog svoje kemijske kompatibilnosti, razvija prozirnu prevlaku mulja u roku od nekoliko tjedana rada. Mulj smanjuje prijenos topline, zahtijeva mjesečno čišćenje i na kraju zahtijeva zamjenu grijača kada mehaničko čišćenje ošteti krhku kvarcnu površinu.
Mulj je silicijev dioksid-silicijev dioksid-ali ne iz pločica. Taloži se iz same kemije kupke. HF neprekidno napada kvarcni grijač, otapajući silicij s površine grijača da nastane heksafluorosilikatna kiselina. Kako se koncentracija otopljenog silicija povećava blizu vruće površine grijača, heksafluorosilikat hidrolizira natrag u silicij, koji se taloži kao želatinozni talog na samoj površini koja ga je stvorila.
PTFE izmjenjivač topline u istoj kupelji ostaje bez taloga silicijevog dioksida. Fluorpolimer ne sadrži silicij za otapanje, ne stvara heksafluorosilikat i ne pruža mjesta taloženja za silicij koji se stvara negdje drugdje u kupki. Niska površinska energija sprječava prianjanje čestica silicijevog dioksida koje lebde na površini.
Ciklus taloženja-otapanja kvarca
Kvarc je silicijev dioksid. U otopinama koje sadrže HF-, sljedeća reakcija se događa na površini kvarca:
SiO₂ + 6HF → H₂SiF₆ + 2H₂O
Heksafluorsilicijeva kiselina je topiva i difundira s površine u kupku za rasuti dio. Pri povišenoj temperaturi površine grijača aktivna je i obrnuta reakcija. Heksafluorosilikat hidrolizira:
H₂SiF₆ + 2H₂O → SiO₂ + 6HF
Silicij se taloži. Budući da je koncentracija otopljenog silicija najviša u blizini površine kvarca koji se otapa, i budući da površina osigurava mjesta nukleacije, taloženje se prvenstveno događa na samom grijaču.
Konačni rezultat je kontinuirani ciklus: kvarc se otapa, otopljeni silicij difundira na kratku udaljenost, silicij se taloži kao silicij na površini. Grijač polako gubi masu zbog otapanja dok istovremeno nakuplja sloj silicijevog dioksida. Prevlaku je potrebno ukloniti mehanički ili kemijski, što oštećuje kvarc i ubrzava kasnije otapanje.
Tablica 1: Stvaranje mulja od silicijevog dioksida pomoću materijala izmjenjivača topline u 10% HF kupelji za jetkanje na 50 stupnjeva
| Materijal | Otapanje silicija iz grijača | Brzina stvaranja mulja | Snaga prianjanja mulja | Metoda čišćenja | Utjecaj radnog vijeka |
|---|---|---|---|---|---|
| Kvarcni | Da (kontinuirani SiO₂ → H₂SiF₆) | Visoko (samo-generirano) | Jaka (kemijsko vezivanje) | Mehaničko struganje (oštećuje površinu) | 12-18 mjeseci |
| Nehrđajući čelik | Ne (ali brzo otapanje metala) | Umjereno (talog iz kupke) | Umjereno | Čišćenje kiselinom (nagriza metal) | 2-6 mjeseci |
| Titanij | Ne (ali brzo otapanje u HF) | N/A | N/A | N/A | Sati do dana |
| Silicij karbid | Blago (površinska oksidacija) | Niska | Slabo | Mehanički ili kemijski | 24-36 mjeseci |
| PTFE | Ništa (bez sadržaja silicija) | Ništa (nema izvora otapanja) | Vrlo slabo (bez prianjanja) | Ispiranje vodom | 10+ godina |
PTFE: Bez silicija, bez otapanja, bez taloga
PTFE sadrži samo ugljik i fluor. U polimeru nema silicija koji bi reagirao s HF. Ugljik-fluor veza je termodinamički stabilna protiv HF napada. Ciklus taloženja-otapanja koji stvara mulj od silicijevog dioksida na kvarcu jednostavno nema početnu točku na PTFE površini.
Silicij se još uvijek može formirati u kupelji za rasutu količinu silicija otopljenog u pločicama koje se urežu. Ovaj silicij stvara koloidne čestice suspendirane u kadi. Na kvarcnu ili metalnu površinu te se čestice lijepe kemijskim vezama s površinskim hidroksilnim skupinama ili elektrostatskim privlačenjem. Na PTFE, niska površinska energija (18-20 mN/m) sprječava prianjanje. Čestice koje dođu u dodir s površinom uklanjaju se normalnom cirkulacijom kade. Svi koji se privremeno talože lako se isperu tijekom rutinskog održavanja.
Rezultat je površina izmjenjivača topline koja ostaje čista bez mehaničkog ili kemijskog čišćenja. Performanse prijenosa topline ostaju stabilne. Nije potreban zastoj-povezan s održavanjem.
Kemijska stabilnost kupke
Odsutnost otapanja silicija iz izmjenjivača topline stabilizira kemiju kupke. U kupkama s kvarcnim grijačima, koncentracija otopljenog silicija raste tijekom vremena jer grijač kontinuirano doprinosi siliciju. To mijenja brzinu jetkanja i selektivnost na pločicama, zahtijevajući češću analizu kupke i podešavanje.
S PTFE grijačima, koncentracija silicija u kadi dolazi samo od jetkanja pločica-što je predvidljiv izvor koji se može kontrolirati. Kemijski sastav kupke je stabilniji, brzine jetkanja su dosljednije, a vijek trajanja kupke je produžen. Uklanjanje jednog nekontroliranog unosa kemikalije pojednostavljuje kontrolu procesa.
Sažetak
Nakupljanje mulja od silicijevog dioksida na kvarcnim izmjenjivačima topline u kupkama za jetkanje-koje sadrže fluorid rezultat je ciklusa-taloženja otapanja gdje sam grijač opskrbljuje silicij koji tvori mulj. PTFE izmjenjivači topline eliminiraju ovaj ciklus jer fluoropolimer ne sadrži silicij za otapanje. Nisko{4}}energetska površina sprječava prianjanje čestica silicijevog dioksida formiranih na drugim mjestima u kadi.
Rezultat je čista površina za prijenos topline bez mehaničkog ili kemijskog čišćenja, stabilna izvedba prijenosa topline, duži vijek trajanja opreme i dosljednija kemija kupke. Uklanjanje otapanja silicija iz grijača uklanja nekontroliranu varijablu iz procesa jetkanja.
Tehnička analiza za specifikaciju PTFE izmjenjivača topline u kupkama za jetkanje koje sadrže HF- dostupna je nakon podnošenja podataka o sastavu kupke, radnoj temperaturi, trenutnom materijalu grijača i učestalosti čišćenja te stabilnosti podataka o brzini jetkanja.
