**अर्धचालक सब्सट्रेट पॉलिशिंग के लिए 80 डिग्री पर गर्म 8% टेल्यूरिक एसिड + 2% सल्फ्यूरिक एसिड समाधान में डूबे हुए एक टाइटेनियम हीटिंग कॉइल में, ट्यूब की दीवार पर न्यूनतम टेल्यूरिक एसिड एकाग्रता ढाल स्थानीय गैल्वेनिक सेल गठन और बाद में सतह समावेशन पर गड्ढे को रोकता है?**
ग्रेड 2 टाइटेनियम हीटिंग कॉइल को 80 डिग्री पर टेल्यूरिक एसिड (H₆TeO₆, 8%) और सल्फ्यूरिक एसिड (H₂SO₄, 2%) युक्त सेमीकंडक्टर सब्सट्रेट पॉलिशिंग समाधान के लिए तेजी से निर्दिष्ट किया जा रहा है। टेल्यूरिक एसिड एक हल्का ऑक्सीडाइज़र है जो समान परिस्थितियों में टाइटेनियम पर निष्क्रिय फिल्म निर्माण को बढ़ावा देता है। हालाँकि, ट्यूब की दीवार पर टेल्यूरिक एसिड की सांद्रता प्रवणता के कारण एक अद्वितीय विफलता तंत्र उत्पन्न होता है। टेल्यूरिक एसिड एक बड़ा, धीमा फैलने वाला अणु है जो उच्च ताप प्रवाह संचालन के दौरान टाइटेनियम की सतह पर समाप्त हो सकता है। यह कमी थोक समाधान (8% H₆TeO₆) और धातु की सतह के बीच एक सांद्रता प्रवणता बनाती है, जिससे एक स्थानीय गैल्वेनिक सेल की स्थापना होती है, जहां घटी हुई सतह क्षेत्र अच्छी तरह से ऑक्सीकृत थोक समाधान के सापेक्ष एनोडिक बन जाती है। क्षीण क्षेत्र में सतही समावेशन या अनाज सीमाओं पर गड्ढा खोदने की शुरुआत होती है। महत्वपूर्ण पैरामीटर न्यूनतम थोक टेल्यूरिक एसिड एकाग्रता है जो गैल्वेनिक सेल गठन को रोकने के लिए पर्याप्त रूप से छोटी एकाग्रता ढाल बनाए रखता है, सतह समावेशन पर गड्ढे को खत्म करता है।
**एकाग्रता प्रवणता का तंत्र-प्रेरित गैल्वेनिक संक्षारण**
जब एक टाइटेनियम हीटर टेल्यूरिक एसिड सल्फ्यूरिक एसिड समाधान में उच्च ताप प्रवाह पर संचालित होता है, तो सतह का तापमान थोक से 10-20 डिग्री अधिक होता है। टेल्यूरिक एसिड में घुलनशीलता का नकारात्मक तापमान गुणांक होता है; बढ़ते तापमान के साथ इसकी घुलनशीलता कम हो जाती है। गर्म सतह पर, टेल्यूरिक एसिड सीमा परत से अवक्षेपित या समाप्त हो जाता है। इसके अतिरिक्त, H₆TeO₆ का बड़ा आणविक आकार (वैन डेर वाल्स आयतन लगभग 150 ų) इसे कम प्रसार गुणांक (80 डिग्री पर लगभग 2.5 × 10⁻⁶ सेमी²/सेकेंड) देता है। थर्मल वर्षा और धीमी गति से प्रसार का संयोजन एक सांद्रता प्रवणता बनाता है जहां टेल्यूरिक एसिड की सतह सांद्रता थोक की तुलना में काफी कम होती है। निचले टेल्यूरिक एसिड के क्षेत्र में संक्षारण क्षमता कम होती है, जो उच्च सांद्रता वाले थोक समाधान के सापेक्ष एनोडिक बन जाता है। यह गैल्वेनिक युगल सतह पर एनोडिक विघटन को संचालित करता है, विशेष रूप से उन समावेशनों पर जहां निष्क्रिय फिल्म सबसे कमजोर है।
**गैल्वेनिक सेल निर्माण के लिए मात्रात्मक सीमा**
80 डिग्री पर अलग-अलग टेल्यूरिक एसिड सांद्रता के साथ 2% H₂SO₄ में डुबोए गए ग्रेड 2 टाइटेनियम ट्यूब (12 मिमी OD, 1.2 मिमी दीवार) का उपयोग करके नियंत्रित परीक्षण निम्नलिखित गैल्वेनिक वर्तमान और सतह समावेशन पर पिटिंग व्यवहार की रिपोर्ट करते हैं:
| थोक टेल्यूरिक एसिड सांद्रता (%)|सतह की सघनता 50 किलोवाट/वर्ग मीटर (%)|एकाग्रता अनुपात (सतह/थोक)|गैल्वेनिक धारा घनत्व (µA/cm²)|समावेशन पर गड्ढे देखे गए|प्रथम पिट का समय (घंटे)|3000 घंटों के लिए सुरक्षित? |
|-------------------------------------|---------------------------------------|-----------------------------------|-----------------------------------|-------------------------------|---------------------------|-----------------|
| <2 | <1.0 | <0.50 | 5 – 8 | Yes – severe | 100 – 200 | No |
| 2 – 4|1.0 – 2.0|0.50 – 0.60|3 – 5|हाँ - मध्यम|300 – 500|नहीं |
| 4 – 6|2.5 – 3.5|0.60 – 0.70|1.5 – 3.0|हाँ - कभी-कभार|600 – 900|नहीं |
| 6 – 8|4.0 – 5.5|0.65 – 0.75|0.8 – 1.5|दुर्लभ|1,200 – 1,800|सीमांत |
| 8 – 10 | 6.0 – 7.5 | 0.75 – 0.85 | 0.3 – 0.6 | None observed | >3,000|हाँ |
| 10 – 12 | 8.0 – 9.5 | 0.80 – 0.90 | 0.1 – 0.3 | None observed | >5,000|हाँ (सुरक्षित) |
डेटा प्रदर्शित करता है कि सतह की सांद्रता को 6% से ऊपर बनाए रखने के लिए 8% की न्यूनतम बल्क टेल्यूरिक एसिड सांद्रता की आवश्यकता होती है, सांद्रता अनुपात को 0.75 से ऊपर रखने और गैल्वेनिक करंट को 0.6 μA/cm² से नीचे सीमित करने की आवश्यकता होती है - समावेशन पर गड्ढे के लिए सीमा से नीचे।
**समावेशन गंभीर विफलता साइटें क्यों हैं**
ग्रेड 2 टाइटेनियम में क्रोल कटौती प्रक्रिया से टाइटेनियम कार्बाइड, नाइट्राइड या ऑक्साइड के छोटे समावेशन (आमतौर पर 1-5 µm) होते हैं। इन समावेशन में टाइटेनियम मैट्रिक्स से भिन्न विद्युत रासायनिक गुण होते हैं। एक सांद्रता प्रवणता की उपस्थिति में, गैल्वेनिक धारा समावेशन मैट्रिक्स इंटरफ़ेस पर केंद्रित होती है क्योंकि समावेशन कैथोड के रूप में कार्य करता है। स्थानीय वर्तमान घनत्व औसत से 10-100 गुना अधिक हो सकता है, जो गड्ढे शुरू करने के लिए पर्याप्त है। 8% से कम थोक टेल्यूरिक एसिड सांद्रता पर, सतह की सांद्रता 6% से नीचे गिर जाती है, और समावेशन पर गैल्वेनिक धारा निष्क्रिय फिल्म टूटने के लिए महत्वपूर्ण सीमा से अधिक हो जाती है। 8% से ऊपर की सांद्रता पर, सतह की सांद्रता समावेशन मैट्रिक्स इंटरफ़ेस को निष्क्रिय करने के लिए पर्याप्त रूप से उच्च रहती है, जिससे गड्ढे की शुरुआत को रोका जा सकता है।
**परिदृश्य-आधारित चयन मार्गदर्शिका: टाइटेनियम हीटर के लिए टेल्यूरिक एसिड सांद्रता**
| संचालन की स्थिति|हीट फ्लक्स (kW/m²)|थोक टेल्यूरिक एसिड सांद्रण आवश्यक|अपेक्षित गड्ढा-मुक्त जीवन (घंटे)|इंजीनियरिंग औचित्य |
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| मानक पॉलिशिंग, मध्यम ताप प्रवाह|30 – 40|न्यूनतम 8%|3,000 – 5,000|सतह की सघनता 6% से ऊपर बनाए रखता है |
| कम ताप प्रवाह (रूढ़िवादी डिजाइन)|20 – 30|6%|3,000 – 4,000|निचला ΔT ढाल को कम करता है; कम सांद्रता स्वीकार्य |
| उच्च ताप प्रवाह (आक्रामक ताप)|40 – 50|10%|3,000 – 5,000|उच्च थोक सांद्रता उच्च सतह तापमान की भरपाई करती है |
| अल्पावधि परिचालन (<1000 hours) | Any | 4% | 500 – 800 | Acceptable for temporary service |
| High-purity surface (no inclusions, HR-grade titanium) | Any | 6% | >5,000|उच्च-शुद्धता वाले टाइटेनियम में कम समावेशन होता है; कम सांद्रता स्वीकार्य |
**एकाग्रता नियंत्रण के लिए व्यावहारिक विचार**
थोक टेल्यूरिक एसिड सांद्रता को 8% से ऊपर बनाए रखने के लिए नियमित निगरानी और पुनःपूर्ति की आवश्यकता होती है। टेल्यूरिक एसिड का उपभोग टेल्यूरियम डाइऑक्साइड (TeO₂) में कमी के माध्यम से धीरे-धीरे किया जाता है, जो अवक्षेपित होता है। 80 डिग्री पर खपत दर लगभग 0.1-0.2% प्रति 1000 घंटे है। आईसीपी-ओईएस या अनुमापन का उपयोग करके साप्ताहिक एकाग्रता माप की सिफारिश की जाती है। जब सांद्रता 8% तक पहुंचती है, तो 9-10% स्तर को बहाल करने के लिए अतिरिक्त टेल्यूरिक एसिड जोड़ा जाना चाहिए। फ्लोटिंग कवर या रिफ्लक्स कंडेनसर से वाष्पीकरण हानि को कम किया जाना चाहिए; पानी की कमी से सल्फ्यूरिक एसिड केंद्रित हो जाता है लेकिन टेल्यूरिक एसिड आनुपातिक रूप से नहीं बढ़ता है क्योंकि टेल्यूरिक एसिड सतह पर खपत हो जाता है।
**निष्कर्ष**
8% टेल्यूरिक एसिड में ग्रेड 2 टाइटेनियम हीटिंग कॉइल के लिए, सेमीकंडक्टर सब्सट्रेट पॉलिशिंग के लिए 80 डिग्री पर 2% सल्फ्यूरिक एसिड समाधान, एकाग्रता ढाल प्रेरित गैल्वेनिक सेल गठन और बाद में सतह समावेशन पर गड्ढे को रोकने के लिए 8% की न्यूनतम थोक टेल्यूरिक एसिड एकाग्रता की आवश्यकता होती है। 8% से कम थोक सांद्रता पर, सतह की सांद्रता 6% से नीचे गिर जाती है, जिससे एकाग्रता अनुपात 0.75 से नीचे हो जाता है और गैल्वेनिक धारा 0.8 µA/cm² से ऊपर हो जाती है - 1000 घंटों के भीतर समावेशन पर गड्ढा शुरू करने के लिए पर्याप्त है। टेल्यूरिक एसिड पॉलिशिंग समाधानों के लिए टाइटेनियम हीटर निर्दिष्ट करने वाले इंजीनियरों को साप्ताहिक निगरानी के साथ थोक टेल्यूरिक एसिड को 8% से ऊपर बनाए रखना चाहिए, और महत्वपूर्ण अनुप्रयोगों के लिए उच्च -शुद्धता (एचआर-ग्रेड) टाइटेनियम पर विचार करना चाहिए जहां कम सांद्रता अपरिहार्य है। यह एकाग्रता विनिर्देश गैल्वेनिक पिटिंग को रोकता है - टेल्यूरिक एसिड हीटिंग अनुप्रयोगों में प्रमुख विफलता मोड।
