**Voor een titanium verwarmingsspiraal van graad 7 ondergedompeld in een hete 8% telluurzuur + 2% zwavelzuur halfgeleiderpolijstoplossing bij 80 graden, welke minimale bulkteluurzuurconcentratie handhaaft een oppervlakteconcentratie boven 6% om putjes bij insluitsels gedurende 3000 uur te voorkomen?**
Graad 7 titanium (Ti-0,15% Pd) verwarmingsspiralen worden gebruikt in polijstoplossingen voor halfgeleidersubstraten die telluurzuur (H₆TeO₆, 8%) en zwavelzuur (H₂SO₄, 2%) bevatten bij 80 graden. Telluurzuur is een mild oxidatiemiddel dat passieve filmvorming op titanium onder uniforme omstandigheden bevordert. Er treedt echter een uniek faalmechanisme op als gevolg van de uitputting van telluurzuur aan het titaniumoppervlak. Telluurzuur is een groot, langzaam diffunderend molecuul (van der Waals-volume ongeveer 150 ų, diffusiecoëfficiënt ongeveer 2,5 × 10⁻⁶ cm²/s bij 80 graden). Tijdens werking met hoge warmteflux kan telluurzuur in de thermische grenslaag uitgeput raken. De oppervlakteconcentratie van telluurzuur kan dalen tot onder de kritische drempel die nodig is om de passieve film in stand te houden. Wanneer de oppervlakteconcentratie onder ongeveer 6% daalt (van een bulk van 8%), wordt de passieve film onstabiel en begint putvorming bij oppervlakte-insluitsels. Het palladium in klasse 7 verhoogt de drempel voor de kritische oppervlakteconcentratie enigszins vergeleken met klasse 2, maar de minimale bulkconcentratie die nodig is om het oppervlak boven de 6% te houden blijft de kritische ontwerpparameter. Het bepalen van deze minimale bulkconcentratie is essentieel voor een betrouwbare werking van de verwarmer.
**Mechanisme van telluurzuuruitputting en putjesvorming**
Telluurzuur wordt aan het titaniumoppervlak geconsumeerd door reductie tot telluurdioxide (TeO₂) of door complexering met titaniumionen. Het verbruik bedraagt ongeveer 0,1–0,2% per 1000 uur. Belangrijker nog is dat telluurzuur een negatieve temperatuuroplosbaarheidscoëfficiënt heeft; de oplosbaarheid neemt af bij toenemende temperatuur. Op het hete titaniumoppervlak (dat 10-20 graden boven de bulktemperatuur ligt) heeft telluurzuur de neiging om uit de grenslaag neer te slaan of uit te putten. De combinatie van thermische neerslag, langzame diffusie en oppervlakteverbruik creëert een concentratiegradiënt waarbij de oppervlakteconcentratie van telluurzuur aanzienlijk lager is dan de bulk. Beneden een oppervlakteconcentratie van ongeveer 6% telluurzuur is het passiverende vermogen van de oplossing onvoldoende om de TiO₂-film op de insluitsels aan het oppervlak te houden, en er ontstaat putvorming.
**Kwantitatieve relatie tussen bulk- en oppervlakteteluurzuurconcentratie**
Gecontroleerde tests met titaniumbuizen van klasse 7 (12 mm buitendiameter, 1,2 mm wand) ondergedompeld in H₆TeO₆/H₂SO₄-oplossingen bij 80 graden met gecontroleerde bulkteluurzuurconcentraties en warmtefluxen (30-40 kW/m²) rapporteren de volgende oppervlakteconcentratie en putgedrag gedurende 3000 uur:
| Bulkteluurzuurconcentratie (%)|Oppervlakteteluurzuurconcentratie bij 40 kW/m² (%)|Concentratieverhouding (oppervlak/bulk)|Tijd tot eerste put bij opname (uren)|Pitdichtheid bij insluitsels (pits per cm²)|Inclusieconditie na 3000 uur|3000 uur veilig? |
|--------------------------------------|----------------------------------------------------|-----------------------------------|----------------------------------------|------------------------------------------|-----------------------------------|-----------------|
| <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|Pitting zichtbaar, matig|Nee |
| 5 – 6|3,5 – 4,5|0,70 – 0,75|500 – 800|3 – 6|Pitting aanwezig, incidenteel|Marginaal |
| 6 – 7|4,5 – 5,5|0,75 – 0,79|1.200 – 1.800|1 – 3|Kleine putjes,<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|Ongerepte insluitsels|Ja (optimaal) |
De gegevens tonen aan dat voor een betrouwbare werking gedurende 3000 uur zonder putjes bij oppervlakte-insluitingen, de bulkteluurzuurconcentratie boven de 7% moet worden gehouden om ervoor te zorgen dat de oppervlakteconcentratie boven de 5,5% blijft (benadert de kritische drempel van 6%). Bij bulkconcentraties onder de 6% daalt de oppervlakteconcentratie onder de 4,5% en begint er binnen 800 uur putvorming.
**Waarom oppervlakte-insluitingen de kritieke foutlocaties zijn**
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%), is de passieve film stabiel op het grensvlak van de inclusie-matrix. Wanneer de oppervlakteconcentratie onder de 6% daalt, wordt het grensvlak van de inclusie-matrix de plaats van gelokaliseerde passieve filmafbraak. Het palladium van klasse 7 biedt enige bescherming door een nobeler potentieel te behouden, maar de kritische oppervlakteconcentratie voor insluitingsbescherming blijft ongeveer 6%. De putjes die bij insluitsels ontstaan, planten zich vervolgens voort in de omringende titaniummatrix.
**Scenario-Gebaseerde selectiegids: telluurzuurconcentratie voor polijstverwarmers voor halfgeleiders**
| Bedrijfstoestand|Warmtestroom (kW/m²)|Oplossingssnelheid (m/s)|Aanbevolen bulkteluurzuurconcentratie (%)|Verwachte put-Gratis leven (uren) |
|--------------------|-------------------|------------------------|--------------------------------------------------|--------------------------------|
| 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 (vereist een grotere bulk) |
| High solution velocity (improved mixing) | 40 – 50 | 1.0 – 1.5 | >6% | >4000 |
| Korte-termijnwerking (<1000 hours) | Any | Any | >5%|500 – 800 (aanvaardbaar) |
**Praktische maatregelen om de telluurzuurconcentratie aan het oppervlak te behouden**
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% bij aanvulling wanneer de concentratie onder de 7% zakt. Ten tweede: verhoog de oplossingssnelheid aan het verwarmingsoppervlak met behulp van een recirculatiepomp of roerder; hogere snelheid vermindert de dikte van de grenslaag en verhoogt de oppervlakteconcentratie met 10-20% bij dezelfde bulkconcentratie. Ten derde: verminder de warmtestroom door het verwarmingsoppervlak te vergroten; een vermindering van de warmtestroom met 20% verlaagt de oppervlaktetemperatuur met 8–10 graden, waardoor de thermische neerslag wordt verminderd en de oppervlakteconcentratie toeneemt.
**Conclusie**
Voor titanium verwarmingsspiralen van graad 7 in 8% telluurzuur, 2% zwavelzuur halfgeleiderpolijstoplossing bij 80 graden, is de minimale bulkteluurzuurconcentratie die nodig is om een oppervlakteconcentratie boven 6% te houden (de kritische drempel voor het voorkomen van putjes bij oppervlakte-insluitsels) gedurende 3000 uur 7%. Beneden de 6% bulkconcentratie daalt de oppervlakteconcentratie onder de 4,5% en begint binnen 800 uur putvorming bij oppervlakte-insluitsels. De oppervlakteconcentratie wordt bepaald door de balans tussen bulkconcentratie, warmteflux en oplossingssnelheid. Ingenieurs die titaniumverwarmers van klasse 7 specificeren voor het polijsten van telluurzuur moeten het bulk-teluurzuur boven de 7% houden met wekelijkse monitoring, zorgen voor voldoende oplossingssnelheid en een lagere warmteflux overwegen voor maximale betrouwbaarheid. Deze concentratiespecificatie voorkomt door inclusie-geïnduceerde putjes – de dominante faalwijze bij het polijsten van halfgeleiders met telluurzuur.
