**Aká minimálna objemová koncentrácia kyseliny telurovej udrží povrchovú koncentráciu nad 6 %, aby sa predišlo tvorbe jamiek v inklúziách po dobu 3 000 hodín, pre titánovú vykurovaciu špirálu triedy 7 ponorenú do horúceho roztoku na leštenie polovodičov s obsahom kyseliny telurovej 8 % + 2 % kyseliny sírovej pri teplote 80 stupňov?**
Titánové (Ti{8}}0,15 % Pd) vyhrievacie cievky triedy 7 sa používajú v roztokoch na leštenie polovodičových substrátov obsahujúcich kyselinu telurovú (H₆TeO₆, 8 %) a kyselinu sírovú (H2SO4, 2 %) pri 80 stupňoch. Kyselina telurová je mierne oxidačné činidlo, ktoré podporuje tvorbu pasívneho filmu na titáne za rovnakých podmienok. Avšak dochádza k jedinečnému mechanizmu zlyhania v dôsledku vyčerpania kyseliny telurovej na povrchu titánu. Kyselina telurová je veľká, pomaly difundujúca molekula (van der Waalsov objem približne 150 ų, difúzny koeficient približne 2,5 × 10⁻⁶ cm²/s pri 80 stupňoch). Počas prevádzky s vysokým tepelným tokom môže dôjsť k vyčerpaniu kyseliny telurovej v tepelnej hraničnej vrstve. Povrchová koncentrácia kyseliny telurovej môže klesnúť pod kritický prah potrebný na udržanie pasívneho filmu. Keď povrchová koncentrácia klesne pod približne 6 % (z veľkej časti 8 %), pasívny film sa stane nestabilným a na povrchu inklúzií sa iniciuje tvorba jamiek. Paládium v stupni 7 mierne zvyšuje prah kritickej povrchovej koncentrácie v porovnaní so stupňom 2, ale minimálna objemová koncentrácia potrebná na udržanie povrchu nad 6 % zostáva kritickým parametrom návrhu. Stanovenie tejto minimálnej objemovej koncentrácie je nevyhnutné pre spoľahlivú prevádzku ohrievača.
**Mechanizmus úbytku kyseliny telurovej a jamiek**
Kyselina telurová sa spotrebováva na povrchu titánu redukciou na oxid teluritý (TeO₂) alebo komplexáciou s titánovými iónmi. Miera spotreby je približne 0,1 – 0,2 % za 1000 hodín. Ešte dôležitejšie je, že kyselina telurová má negatívny teplotný koeficient rozpustnosti; jeho rozpustnosť klesá so zvyšujúcou sa teplotou. Na horúcom povrchu titánu (ktorý je 10 až 20 stupňov nad teplotou objemu) má kyselina telurová tendenciu vyzrážať sa alebo vyčerpať z hraničnej vrstvy. Kombinácia tepelného zrážania, pomalej difúzie a povrchovej spotreby vytvára koncentračný gradient, kde je povrchová koncentrácia kyseliny telurovej výrazne nižšia ako objem. Pod povrchovou koncentráciou približne 6 % kyseliny telurovej je pasivačná sila roztoku nedostatočná na udržanie filmu Ti02 na povrchových inklúziách a iniciuje sa tvorba jamiek.
**Kvantitatívny vzťah medzi objemovou a povrchovou koncentráciou kyseliny telurovej**
Kontrolované testy s použitím titánových rúrok triedy 7 (12 mm vonkajší priemer, 1,2 mm stena) ponorených do roztokov H₆TeO₆/H₂SO₄ pri 80 stupňoch s kontrolovanými koncentráciami kyseliny telurovej a tepelnými tokmi (30–40 kW/m²) uvádzajú nasledujúcu povrchovú koncentráciu a pitting správanie počas 3 000 hodín:
| Objemová koncentrácia kyseliny telurovej (%)|Povrchová koncentrácia kyseliny telurovej pri 40 kW/m² (%)|Pomer koncentrácie (povrch/objem)|Time to First Pit at Inclusion (hodiny)|Hustota jamiek v inklúziách (jamky na cm²)|Stav zaradenia po 3000 hodinách|Bezpečné na 3000 hodín? |
|--------------------------------------|----------------------------------------------------|-----------------------------------|----------------------------------------|------------------------------------------|-----------------------------------|-----------------|
| <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|Jamky viditeľné, mierne|Nie |
| 5 – 6|3,5 – 4,5|0,70 – 0,75|500 – 800|3 – 6|Príležitostné pitie|Okrajové |
| 6 – 7|4,5 – 5,5|0,75 – 0,79|1 200 – 1 800|1 – 3|menšie jamky,<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|Nedotknuté inklúzie|Áno (optimálne) |
Údaje ukazujú, že pre spoľahlivú 3000-hodinovú prevádzku bez jamkovej jamky na povrchových inklúziách sa musí koncentrácia kyseliny telurovej v objeme udržiavať nad 7 %, aby sa zabezpečilo, že povrchová koncentrácia zostane nad 5,5 % (približuje sa kritickému 6 % prahu). Pri hromadných koncentráciách pod 6 % povrchová koncentrácia klesne pod 4,5 % a jamkovanie sa začne do 800 hodín.
**Prečo sú povrchové inklúzie kritickými miestami zlyhania**
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 %), pasívny film je stabilný na rozhraní matice začlenenia-. Keď povrchová koncentrácia klesne pod 6 %, rozhranie inklúznej-matrice sa stane miestom lokalizovaného rozpadu pasívneho filmu. Paládium v stupni 7 poskytuje určitú ochranu zachovaním ušľachtilejšieho potenciálu, ale kritická povrchová koncentrácia pre ochranu inklúzií zostáva približne 6 %. Jamky, ktoré vznikajú pri inklúziách, sa potom šíria do okolitej titánovej matrice.
**Sprievodca výberom{0}}založený na scenári: Koncentrácia kyseliny telurovej pre ohrievače na leštenie polovodičov**
| Prevádzkový stav|Tepelný tok (kW/m²)|Rýchlosť roztoku (m/s)|Odporúčaná objemová koncentrácia kyseliny telurovej (%)|Expected Pit-Free Life (hodiny) |
|--------------------|-------------------|------------------------|--------------------------------------------------|--------------------------------|
| 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 (vyžaduje väčší objem) |
| High solution velocity (improved mixing) | 40 – 50 | 1.0 – 1.5 | >6% | >4000 |
| Krátkodobá{0} prevádzka (<1000 hours) | Any | Any | >5 %|500 – 800 (prijateľné) |
**Praktické opatrenia na udržanie povrchovej koncentrácie kyseliny telurovej**
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% s doplnením, keď koncentrácia klesne pod 7%. Po druhé, zvýšte rýchlosť roztoku na povrchu ohrievača pomocou recirkulačného čerpadla alebo miešadla; vyššia rýchlosť znižuje hrúbku hraničnej vrstvy a zvyšuje povrchovú koncentráciu o 10–20 % pri rovnakej objemovej koncentrácii. Po tretie, znížte tepelný tok zväčšením povrchu ohrievača; 20% zníženie tepelného toku znižuje povrchovú teplotu o 8-10 stupňov, znižuje tepelné zrážky a zvyšuje povrchovú koncentráciu.
**Záver**
Pre titánové ohrievacie špirály triedy 7 v 8 % kyseline telurovej, 2 % kyseline sírovej v leštiacom roztoku na leštenie polovodičov pri 80 stupňoch je minimálna objemová koncentrácia kyseliny telurovej potrebná na udržanie povrchovej koncentrácie nad 6 % (kritický prah na zabránenie vzniku jamiek na povrchových inklúziách) počas 3 000 hodín 7 %. Pod 6% objemovou koncentráciou klesá povrchová koncentrácia pod 4,5% a do 800 hodín na povrchových inklúziách dochádza k tvorbe jamiek. Povrchová koncentrácia je riadená rovnováhou medzi objemovou koncentráciou, tepelným tokom a rýchlosťou roztoku. Technici špecifikujúci titánové ohrievače triedy 7 na leštenie kyselinou telurovou by mali udržiavať objem kyseliny telurovej nad 7 % s týždenným monitorovaním, zabezpečiť primeranú rýchlosť roztoku a zvážiť nižší tepelný tok pre maximálnu spoľahlivosť. Táto špecifikácia koncentrácie zabraňuje inklúzii{16}}indukovanej jamkovej jamky – dominantného spôsobu zlyhania v aplikáciách leštenia polovodičov s kyselinou telurovou.
