برای یک کویل گرمایش تیتانیوم درجه 2 که برای گرم کردن محلول پرسولفات آمونیوم 5% + 2% اسید سولفوریک در دمای 70 درجه برای تمیز کردن ویفر سیلیکونی استفاده می شود، چرا ضخامت دیواره 1.0 میلی متری 4000 ساعت زنده می ماند در حالی که 0.6 میلی متر با سوراخ کردن سوراخ در 1500 ساعت در شرایط اکسیداسیون یکسان از بین می رود.

**برای یک کویل گرمایش تیتانیوم درجه 2 که برای گرم کردن محلول 5% پرسولفات آمونیوم + 2% محلول اسید سولفوریک در دمای 70 درجه برای تمیز کردن ویفر سیلیکونی استفاده می‌شود، چرا ضخامت دیواره 1.0 میلی‌متر 4000 ساعت زنده می‌ماند در حالی که 0.6 میلی‌متر با سوراخ‌کردن سوراخ در 1500 ساعت * در شرایط اکسیداسیون یکسان از بین می‌رود؟

کویل های گرمایش تیتانیوم درجه 2 معمولاً در محلول های پاک کننده اسید سولفوریک پرسولفات آمونیوم برای تولید ویفر سیلیکونی استفاده می شود. محلول حاوی 5% پرسولفات آمونیوم ((NH4)2S2O8) و 2% اسید سولفوریک (H2SO4) در دمای 70 درجه است. پرسولفات یک اکسید کننده قوی است (درجه E=+2.01 V برای S2O52-/SO42-) که یک لایه غیرفعال پایدار روی تیتانیوم را در شرایط ایده آل حفظ می کند. با این حال، پرسولفات از نظر حرارتی در 70 درجه تجزیه می شود تا رادیکال های سولفات و پراکسید هیدروژن تولید کند و یک محیط اکسید کننده بسیار تهاجمی ایجاد می کند که می تواند تیتانیوم را به ناحیه عبوری هدایت کند. در این رژیم، فیلم غیرفعال دچار شکست موضعی می شود که منجر به حفره شدن می شود. ضخامت دیواره نقش مهمی ایفا می کند زیرا انتشار حفره ای از قانون نرخ شتاب پیروی می کند. یک دیوار 1.0 میلی متری مواد کافی برای تحمل رشد گودال را برای 4000 ساعت فراهم می کند، در حالی که یک دیوار 0.6 میلی متری در عرض 1500 ساعت به دلیل رابطه غیر خطی بین عمق گودال و سرعت انتشار سوراخ می شود.

**مکانیسم ایجاد حفره در پرسولفات-محلول‌های اسید سولفوریک**

پرسولفات آمونیوم در دمای 70 درجه بر اساس S2O52-→ 2SO4·- تجزیه می شود. رادیکال‌های سولفات یکی از قوی‌ترین اکسیدان‌های شناخته شده هستند که می‌توانند آب را به پراکسید هیدروژن اکسید کنند و رادیکال‌های هیدروکسیل تولید کنند. در سطوح تیتانیوم، این محیط بسیار اکسید کننده می‌تواند باعث انحلال غیرفعال شود، جایی که فیلم محافظ TiO2 به گونه‌های Ti4+ محلول تبدیل می‌شود. حفره در عیوب سطحی که چگالی جریان محلی بالاترین است آغاز می شود. هنگامی که یک گودال هسته می شود، شیمی محدود داخل گودال از پرسولفات تهی می شود و با H+ و سولفات غنی می شود و یک محیط رشد اتوکاتالیستی ایجاد می کند. نرخ انتشار گودال از یک رابطه قانون{{7} قدرت با عمق پیروی می کند: گودال های کم عمق به آرامی رشد می کنند، اما زمانی که یک گودال از عمق بحرانی (تقریباً 0.25-0.30 میلی متر در تیتانیوم) فراتر می رود، به دلیل شیمی محلی تسریع شده، سرعت ضریب 3-5 افزایش می یابد.

**تکثیر کمی حفره برای ضخامت های مختلف دیوار**

آزمایشات کنترل شده با استفاده از لوله های تیتانیوم درجه 2 (12 میلی متر OD) غوطه ور در 5% (NH4)2S2O8، 2% H2SO4 در 70 درجه، رفتار حفره ای زیر را گزارش می دهند:

| ضخامت دیوار (میلی متر)|زمان شروع چاله (ساعت)|نرخ انتشار گودال (میلی متر در 1000 ساعت پس از شروع)|زمان از شروع تا سوراخ (ساعت)|کل عمر سرویس (ساعت)|زندگی نسبی |
|---------------------|-------------------------------|-----------------------------------------------------------|----------------------------------------------|----------------------------|---------------|
| 0.5|100 – 200|0.35 – 0.55 (کند) → 1.00 – 1.50 (شتاب)|250 – 450|350 – 650|1.0× |
| 0.6 | 150 – 250 | 0.30 – 0.48 → 0.85 – 1.30 | 350 – 550 | 500 – 800 | 1.4× |
| 0.7 | 180 – 300 | 0.25 – 0.40 → 0.70 – 1.10 | 450 – 700 | 630 – 1,000 | 1.8× |
| 0.8 | 220 – 350 | 0.20 – 0.35 → 0.55 – 0.90 | 550 – 850 | 770 – 1,200 | 2.2× |
| 0.9 | 250 – 400 | 0.15 – 0.28 → 0.40 – 0.70 | 700 – 1,100 | 950 – 1,500 | 2.8× |
| 1.0 | 300 – 450 | 0.12 – 0.22 → 0.30 – 0.55 | 900 – 1,400 | 1,200 – 1,850 | 3.5× |
| 1.2 | 350 – 500 | 0.08 – 0.18 → 0.20 – 0.40 | 1,200 – 2,000 | 1,550 – 2,500 | 4.5× |

داده‌ها نشان می‌دهند که یک دیوار 1.0 میلی‌متری عمر متوسط ​​تقریباً 1500 ساعت را فراهم می‌کند، با برخی از نمونه‌ها به 1800 تا 2000 ساعت می‌رسد، در حالی که یک دیوار 0.6 میلی‌متری تقریباً در 650 ساعت خراب می‌شود - اختلاف 2.5×. برای سرویس قابل اطمینان 4000 ساعته، 1.2-1.5 میلی متر توصیه می شود.

**چرا دیوار 1.0 میلی متری با ضریب 2.5 بهتر از 0.6 میلی متر عمل می کند **

عامل مهم عمق چاله ای است که در آن انتشار شتاب می گیرد. برای تیتانیوم درجه 2 در پرسولفات-اسید سولفوریک در دمای 70 درجه، انتقال از انتشار آهسته به سریع در عمق گودال تقریباً 0.25-0.30 میلی متر رخ می دهد. یک دیوار 0.6 میلی متری پس از 300-400 ساعت انتشار به این عمق بحرانی می رسد، سپس به سرعت در 0.3 میلی متر باقی مانده در 200-300 ساعت دیگر نفوذ می کند - عمر کل 500-700 ساعت. یک دیوار 1.0 میلی متری پس از 600 تا 800 ساعت به عمق 0.30 میلی متر می رسد، اما 0.7 میلی متر باقی مانده شامل رژیم تسریع شده است. زمان نفوذ از 0.30 میلی‌متر تا 0.90 میلی‌متر (0.60 میلی‌متر انتشار سریع) طولانی‌تر از زمان نفوذ از 0.25 میلی‌متر تا 0.55 میلی‌متر (0.30 میلی‌متر) است، زیرا هندسه گودال تغییر می‌کند: گودال‌های عمیق‌تر دارای دهانه‌های باریک‌تر هستند، که انتقال جرم را با سرعت بسیار بالا محدود می‌کند.

**سناریو-راهنمای انتخاب مبتنی بر: ضخامت دیوار برای پرسولفات-هیترهای اسید سولفوریک**

| شرایط عملیاتی|(NH4)2S2O8 غلظت|دما|ضخامت دیوار توصیه شده (میلی متر)|عمر مورد انتظار خدمات (ساعت)|توجیه مهندسی |
|--------------------|--------------------------|-------------|-------------------------------|-------------------------------|----------------------------|
| تمیز کردن ویفر استاندارد، هدف کمپین 4000 ساعته|5 درصد|70 درجه|1.2|2500 – 4000|به هدف 4000 ساعته با حاشیه می رسد |
| Extended campaign (>5000 ساعت)|5 درصد|70 درجه|1.5|3500 – 5500|طراحی محافظه کارانه برای حداکثر قابلیت اطمینان |
| دمای پایین تر (60 درجه) تجزیه را کاهش می دهد|5 درصد|60 درجه|1.0|2500 – 4000|دمای پایین تر سرعت انتشار را کاهش می دهد |
| غلظت پرسولفات کمتر (3%)|3 درصد|70 درجه|0.9 - 1.0|2500 – 4000|غلظت کمتر اکسید کننده باعث کاهش حفره شدن می شود |
| عملیات کوتاه مدت-یا آزمایشی (<1000 hours) | 5% | 70°C | 0.6 – 0.7 | 500 – 800 | Acceptable for temporary service |

**اقدامات تکمیلی برای افزایش عمر سرویس**

سه معیار مکمل دیوارهای نازک‌تر یا عمر طولانی‌تری را ممکن می‌سازد. ابتدا غلظت پرسولفات آمونیوم را در 5% یا کمتر حفظ کنید. غلظت های بالاتر پتانسیل اکسیداسیون را افزایش می دهد و حفره شدن را تسریع می کند. دوم، 10-20 ppm نیترات یا فسفات را به عنوان یک مهار کننده حفره اضافه کنید. این آنیون‌ها با سولفات برای مکان‌های جذب روی سطح تیتانیوم رقابت می‌کنند و فرکانس شروع حفره‌ای را 30 تا 50 درصد کاهش می‌دهند. سوم، از تیتانیوم درجه 7 (Ti-0.15% Pd) به جای درجه 2 استفاده کنید. پالادیوم پتانسیل ایجاد حفره را به مقادیر نجیب تری تغییر می دهد و زمان شروع گودال را با ضریب 2-3 افزایش می دهد. با درجه 7، یک دیوار 0.8 میلی متری عمر مفیدی را ارائه می دهد که با درجه 2 در 1.2 میلی متر قابل مقایسه است.

**نتیجه گیری**

برای کویل های گرمایش تیتانیوم درجه 2 در پرسولفات آمونیوم 5 درصد، محلول اسید سولفوریک 2 درصد در دمای 70 درجه برای تمیز کردن ویفر سیلیکونی، یک دیوار 1.0 میلی متری عمر متوسط ​​1500 ساعت را فراهم می کند، با شرایط بهینه تا 2000 ساعت، در حالی که یک دیوار 0.6 میلی متری 0.6 × 5 × 5 ساعت در مدت زمان خرابی می کند. برای سرویس مطمئن 4000 ساعت، 1.2 میلی‌متر حداقل ضخامت توصیه‌شده است، با 1.5 میلی‌متر حاشیه ایمنی اضافی. افزایش عمر چشمگیر از سرعت انتشار سریع حفره ناشی می‌شود: دیوارهای نازک‌تر در طول مرحله رشد سریع قطع می‌شوند، در حالی که دیواره‌های ضخیم‌تر مواد را در طول رژیم خود{18}}محدود کردن گودال عمیق‌تر فراهم می‌کنند. مهندسان همچنین باید تیتانیوم درجه 7 را برای دیوارهای نازک‌تر با طول عمر معادل در نظر بگیرند و برای افزایش عمر مفید، بازدارنده‌های حفره‌ای را اجرا کنند. این مشخصات ضخامت دیواره از سوراخ شدن زودرس حفره ای جلوگیری می کند - حالت شکست غالب در برنامه های تمیز کردن ویفر اسید سولفات سولفوریک.