** 7. pakāpes titāna sildīšanas spolei, kas iegremdēta karstā 8% telūrskābes + 2% sērskābes pusvadītāju pulēšanas šķīdumā 80 grādu temperatūrā, kāda minimālā telūrskābes kopējā koncentrācija uztur virsmas koncentrāciju virs 6%, lai novērstu bedru veidošanos ieslēgumos 3000 stundas?**
7. pakāpes titāna (Ti-0,15% Pd) sildīšanas spoles izmanto pusvadītāju substrāta pulēšanas šķīdumos, kas satur telūrskābi (H₆TeO₆, 8%) un sērskābi (H2SO₄, 2%) 80 grādu temperatūrā. Telūrskābe ir maigs oksidētājs, kas veicina pasīvās plēves veidošanos uz titāna viendabīgos apstākļos. Tomēr unikāls atteices mehānisms rodas telūrskābes samazināšanās dēļ titāna virsmā. Telūrskābe ir liela, lēni izkliedējoša molekula (van der Vālsa tilpums aptuveni 150 ų, difūzijas koeficients aptuveni 2,5 × 10⁻⁶ cm²/s pie 80 grādiem). Augstas siltuma plūsmas darbības laikā telūrskābe var samazināties termiskajā robežslānī. Telūrskābes virsmas koncentrācija var nokrist zem kritiskā sliekšņa, kas nepieciešams pasīvās plēves uzturēšanai. Kad virsmas koncentrācija nokrītas zem aptuveni 6% (no lielākās daļas 8%), pasīvā plēve kļūst nestabila un virsmas ieslēgumos sākas bedrīšu veidošanās. Pallādijs 7. klasē nedaudz paaugstina virsmas kritiskās koncentrācijas slieksni salīdzinājumā ar 2. pakāpi, bet minimālā tilpuma koncentrācija, kas nepieciešama, lai virsmu uzturētu virs 6%, joprojām ir kritiskais projektēšanas parametrs. Šīs minimālās tilpuma koncentrācijas noteikšana ir būtiska uzticamai sildītāja darbībai.
**Telūrīnskābes samazināšanās un bedrīšu veidošanās mehānisms**
Telūrskābe tiek patērēta titāna virsmā, reducējot līdz telūra dioksīdam (TeO₂) vai veidojot kompleksu ar titāna joniem. Patēriņa līmenis ir aptuveni 0,1–0,2% uz 1000 stundām. Vēl svarīgāk ir tas, ka telūrskābei ir negatīvs šķīdības temperatūras koeficients; tā šķīdība samazinās, palielinoties temperatūrai. Uz karstās titāna virsmas (kas ir par 10–20 grādiem virs tilpuma temperatūras) telūrskābe mēdz nogulsnēties vai noārdīties no robežslāņa. Siltuma nokrišņu, lēnas difūzijas un virsmas patēriņa kombinācija rada koncentrācijas gradientu, kurā telūrskābes virsmas koncentrācija ir ievērojami zemāka par lielāko daļu. Ja virsmas koncentrācija ir aptuveni 6% telūrskābes, šķīduma pasivēšanas spēja nav pietiekama, lai uzturētu TiO₂ plēvi virsmas ieslēgumos, un sākas bedrīšu veidošanās.
**Kvantitatīvā saistība starp tilpuma un virsmas telūrskābes koncentrāciju**
Kontrolētie testi, izmantojot 7. klases titāna caurules (12 mm OD, 1,2 mm siena), kas iegremdētas H₆TeO₆/H2SO₄ šķīdumos 80 grādos ar kontrolētu telūrskābes koncentrāciju un siltuma plūsmām (30–40 kW/m²), liecina par šādu virsmas koncentrāciju un iedobumu veidošanos 300 stundu laikā:
| Telūrskābes tilpuma koncentrācija (%)|Telūrskābes virsmas koncentrācija pie 40 kW/m² (%)|Koncentrācijas attiecība (virsma/tilpums)|Laiks līdz pirmajai bedrei iekļaušanas brīdī (stundas)|Bedres blīvums ieslēgumos (bedrītes uz cm²)|Iekļaušanas nosacījums 3000 stundās|Droši 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|Redzams caurums, mērens|Nē |
| 5 – 6|3,5 – 4,5|0,70 – 0,75|500 – 800|3 – 6|Neregulāra dāvana|Margināls |
| 6 – 7|4,5 – 5,5|0,75 – 0,79|1200 – 1800|1–3|Nelielas bedrītes,<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|Neskarti ieslēgumi|Jā (optimāli) |
Dati liecina, ka uzticamai 3000 stundu apkalpošanai bez bedrīšu veidošanās virsmas ieslēgumos, telūrskābes koncentrācija jāuztur virs 7%, lai nodrošinātu virsmas koncentrācijas saglabāšanos virs 5,5% (tuvojoties kritiskajam 6% slieksnim). Ja lielapjoma koncentrācija ir mazāka par 6%, virsmas koncentrācija nokrītas zem 4,5%, un bedrīšu veidošanās sākas 800 stundu laikā.
**Kāpēc virsmas ieslēgumi ir kritiskās atteices vietas**
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%), pasīvā plēve ir stabila iekļaušanas{1}}matricas saskarnē. Kad virsmas koncentrācija nokrītas zem 6%, iekļaušanas-matricas saskarne kļūst par lokalizētas pasīvās plēves sadalīšanās vietu. Pallādijs 7. klasē nodrošina zināmu aizsardzību, saglabājot cēlāku potenciālu, bet kritiskā virsmas koncentrācija iekļaušanas aizsardzībai saglabājas aptuveni 6%. Punktu veidošanās, kas sākas pie ieslēgumiem, pēc tam izplatās apkārtējā titāna matricā.
**Scenārijs{0}}Pamatots atlases ceļvedis: Telūrskābes koncentrācija pusvadītāju pulēšanas sildītājiem**
| Ekspluatācijas stāvoklis|Siltuma plūsma (kW/m²)|Šķīduma ātrums (m/s)|Ieteicamā telūrskābes masas koncentrācija (%)|Paredzamā bedre{0}}brīvā dzīve (stundās) |
|--------------------|-------------------|------------------------|--------------------------------------------------|--------------------------------|
| 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 (nepieciešams lielāks apjoms) |
| High solution velocity (improved mixing) | 40 – 50 | 1.0 – 1.5 | >6% | >4000 |
| Īstermiņa-darbība (<1000 hours) | Any | Any | >5%|500–800 (pieņemami) |
**Praktiski pasākumi, lai uzturētu virsmas telūrskābes koncentrāciju**
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% ar papildināšanu, kad koncentrācija nokrītas zem 7%. Otrkārt, palieliniet šķīduma ātrumu pie sildītāja virsmas, izmantojot recirkulācijas sūkni vai maisītāju; lielāks ātrums samazina robežslāņa biezumu un palielina virsmas koncentrāciju par 10–20% pie tādas pašas tilpuma koncentrācijas. Treškārt, samaziniet siltuma plūsmu, palielinot sildītāja virsmas laukumu; siltuma plūsmas samazinājums par 20% samazina virsmas temperatūru par 8–10 grādiem, samazinot termisko nokrišņu daudzumu un palielinot virsmas koncentrāciju.
**Secinājums**
7. pakāpes titāna sildīšanas spolēm 8% telūrskābes, 2% sērskābes pusvadītāju pulēšanas šķīdumā 80 grādu temperatūrā minimālā telūrskābes koncentrācija, kas nepieciešama, lai virsmas koncentrāciju uzturētu virs 6% (kritiskais slieksnis, lai novērstu bedru veidošanos virsmas ieslēgumos) 3000 stundas, ir 7%. Ja tilpuma koncentrācija ir mazāka par 6%, virsmas koncentrācija nokrītas zem 4,5%, un virsmas ieslēgumi sākas 800 stundu laikā. Virsmas koncentrāciju kontrolē līdzsvars starp tilpuma koncentrāciju, siltuma plūsmu un šķīduma ātrumu. Inženieriem, kas norāda 7. pakāpes titāna sildītājus telūrskābes pulēšanai, telūrskābes masā jāuztur virs 7%, veicot iknedēļas uzraudzību, jānodrošina atbilstošs šķīduma ātrums un jāņem vērā zemāka siltuma plūsma, lai nodrošinātu maksimālu uzticamību. Šī koncentrācijas specifikācija novērš iekļaušanas{16}}izraisītu punktu veidošanu — dominējošo atteices veidu telūrskābes pusvadītāju pulēšanas lietojumos.
