**За калем за грејање од титанијума 7 степена потопљен у врући раствор за полирање полупроводника од 8% телурске киселине + 2% сумпорне киселине на 80 степени, која минимална концентрација телурске киселине у расутом стању одржава површинску концентрацију изнад 6% како би се спречило питтинг на инклузијама током 3000 сати?**
Грејни калемови од титанијума 7 (Ти-0,15% Пд) се користе у растворима за полирање полупроводничких супстрата који садрже телурску киселину (Х₆ТеО₆, 8%) и сумпорну киселину (Х₂СО₄, 2%) на 80 степени. Телурна киселина је благи оксидатор који промовише пасивно формирање филма на титанијуму под униформним условима. Међутим, долази до јединственог механизма квара услед исцрпљивања телурске киселине на површини титанијума. Телурна киселина је велики молекул који се споро дифузује (ван дер Валсова запремина приближно 150 А³, коефицијент дифузије приближно 2,5 × 10⁻⁶ цм²/с на 80 степени). Током рада са високим топлотним флуксом, телурска киселина може да се исцрпи у топлотном граничном слоју. Површинска концентрација телурске киселине може пасти испод критичног прага потребног за одржавање пасивног филма. Када површинска концентрација падне испод приближно 6% (од укупне количине од 8%), пасивни филм постаје нестабилан и на површинским инклузијама почиње питтинг. Паладијум у степену 7 мало подиже праг критичне површинске концентрације у поређењу са степеном 2, али минимална запреминска концентрација потребна за одржавање површине изнад 6% остаје критични параметар дизајна. Одређивање ове минималне запреминске концентрације је од суштинског значаја за поуздан рад грејача.
**Механизам исцрпљивања и таложења телурске киселине**
Телурна киселина се троши на површини титанијума редукцијом у телур диоксид (ТеО₂) или комплексирањем са јонима титанијума. Стопа потрошње је приближно 0,1–0,2% на 1000 сати. Још важније, телурска киселина има негативан температурни коефицијент растворљивости; његова растворљивост опада са повећањем температуре. На врућој површини титанијума (која је 10-20 степени изнад температуре масе), телурна киселина има тенденцију да се таложи или исцрпљује из граничног слоја. Комбинација термичке преципитације, споре дифузије и површинске потрошње ствара градијент концентрације где је површинска концентрација телурске киселине знатно нижа од укупне количине. Испод површинске концентрације од приближно 6% телурске киселине, пасивирајућа моћ раствора је недовољна да одржи ТиО₂ филм на површинским инклузијама, и отпочиње питтинг.
**Квантитативни однос између запреминске и површинске концентрације телурске киселине**
Контролисани тестови коришћењем титанијумских цеви степена 7 (12 мм ОД, 1,2 мм зида) уроњених у растворе Х₆ТеО₆/Х₂СО₄ на 80 степени са контролисаном концентрацијом телурске киселине и топлотним токовима (30–40 кВ/м²) показују следећу површинску концентрацију и понашање удубљења током:
| Концентрација телурске киселине (%)|Површинска концентрација телурске киселине при 40 кВ/м² (%)|Однос концентрације (површина/насути)|Време до прве јаме при укључивању (сати)|Густина јама на инклузијама (јаме по цм²)|Услов укључивања на 3000 сати|Сигурно 3000х? |
|--------------------------------------|----------------------------------------------------|-----------------------------------|----------------------------------------|------------------------------------------|-----------------------------------|-----------------|
| <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|Видљиво питтинг, умерено|Не |
| 5 – 6|3,5 – 4,5|0,70 – 0,75|500 – 800|3 – 6|Питтинг садашњост, повремено|Маргинал |
| 6 – 7|4,5 – 5,5|0,75 – 0,79|1.200 – 1.800|1 – 3|Мања удубљења,<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|Пристине инцлусионс|Да (оптимално) |
Подаци показују да за поуздану 3000-часовну услугу без питинга на површинским инклузијама, концентрација телурске киселине у расутом стању мора да се одржава изнад 7% да би се обезбедило да површинска концентрација остане изнад 5,5% (приближава се критичном прагу од 6%). При запреминским концентрацијама испод 6%, површинска концентрација пада испод 4,5%, а питтинг почиње у року од 800 сати.
**Зашто су површинске инклузије критична места квара**
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%), пасивни филм је стабилан на интерфејсу инклузије{1}}матрице. Када површинска концентрација падне испод 6%, интерфејс инклузије{4}}матрице постаје место локализованог распада пасивног филма. Паладијум степена 7 пружа одређену заштиту задржавајући племенитији потенцијал, али критична површинска концентрација за заштиту инклузије остаје приближно 6%. Питтинг који почиње на инклузијама затим се шири у околну титанијумску матрицу.
**Водич за избор заснован на сценарију{0}: Концентрација телурске киселине за грејаче за полирање полупроводника**
| Радни услови|Топлотни ток (кВ/м²)|Брзина решења (м/с)|Препоручена масовна концентрација телурске киселине (%)|Очекивана јама-Слободан живот (сати) |
|--------------------|-------------------|------------------------|--------------------------------------------------|--------------------------------|
| 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 (захтева већу количину) |
| High solution velocity (improved mixing) | 40 – 50 | 1.0 – 1.5 | >6% | >4000 |
| Краткорочна{0}}операција (<1000 hours) | Any | Any | >5%|500 – 800 (прихватљиво) |
**Практичне мере за одржавање површинске концентрације телурске киселине**
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% са допуном када концентрација падне испод 7%. Друго, повећајте брзину раствора на површини грејача помоћу рециркулацијске пумпе или мешалице; већа брзина смањује дебљину граничног слоја и повећава површинску концентрацију за 10–20% при истој запреминској концентрацији. Треће, смањите топлотни ток повећањем површине грејача; 20% смањење топлотног флукса снижава температуру површине за 8-10 степени, смањујући топлотне падавине и повећавајући површинску концентрацију.
**Закључак**
За калемове за грејање од титанијума 7 у 8% телурној киселини, 2% раствору за полирање полупроводника сумпорне киселине на 80 степени, минимална концентрација телурске киселине потребна за одржавање површинске концентрације изнад 6% (критични праг за спречавање питтинг на површинским инклузијама) током 3000 сати је 7%. Испод 6% запреминске концентрације, површинска концентрација пада испод 4,5%, а таложење почиње у року од 800 сати на површинским инклузијама. Површинска концентрација се контролише равнотежом између концентрације у маси, топлотног флукса и брзине раствора. Инжењери који специфицирају грејаче од титанијума 7 за полирање телурске киселине треба да одржавају масу телурске киселине изнад 7% уз недељно праћење, обезбеде адекватну брзину раствора и узму у обзир нижи топлотни ток за максималну поузданост. Ова спецификација концентрације спречава инклузију{16}}ископчавање изазвано – доминантни начин квара у апликацијама за полирање полупроводника телурске киселине.
