بالنسبة للمقاعد المبللة لأشباه الموصلات التي تستخدم الماء الساخن منزوع الأيونات (95 درجة)، هل يمكن لسخانات التيتانيوم أن تسبب تلوثًا أيونيًا معدنيًا يتجاوز 0.1 جزء في البليون؟

تتطلب المقاعد الرطبة المصنوعة من أشباه الموصلات ماءً عالي النقاء (UPW) مع مستويات تلوث بالأيونات المعدنية تقل عن 0.1 جزء في المليار (ppb) لمراحل العملية الحاسمة مثل تنظيف الرقاقة والحفر والتجريد. ويتم الشطف بالماء منزوع الأيونات ويتم الحفاظ على درجات حرارة الحمام في المحطات الرطبة عند 95 درجة. تعتبر سخانات الغمر المصنوعة من التيتانيوم جذابة لهذه الخدمة بسبب مقاومتها للتآكل والتوصيل الحراري العالي. ومع ذلك، هناك مصدر قلق كبير هو إمكانية ترشيح التيتانيوم في الماء عالي النقاء، والذي قد يكون أكبر من الحد المنخفض جدًا وهو 0.1 جزء في البليون للمعادن الانتقالية التي تسبب تسرب الوصلات وعيوب أكسيد البوابة. في هذه الدراسة تم قياس معدل إطلاق أيون التيتانيوم من سخانات التيتانيوم من الدرجة 2 والصف 7 في ماء منزوع الأيونات بدرجة 95 درجة مئوية، وما إذا كان يمكن استخدام سخانات التيتانيوم في المقاعد الرطبة لأشباه الموصلات دون التأثير على نقاء الماء.

آلية إطلاق التيتانيوم في الماء النظيف للغاية
يشكل التيتانيوم طبقة TiO2 سلبية مستقرة ديناميكيًا حراريًا في -ماء منزوع الأيونات عالي المقاومة (18.2 MΩ·cm، إجمالي المواد الصلبة الذائبة < 1 جزء في البليون). لكن الفيلم ليس خاملاً تماماً. هناك انهيار كيميائي بطيء للأكسيد: TiO 2 + 2H 2 O → Ti(OH) 4 (قابل للذوبان) تدخل أنواع التيتانيوم الذائبة، عادةً أيونات Ti(OH)₄ أو TiO²⁺، إلى الماء بمعدل يعتمد على درجة الحرارة ودرجة الحموضة وجودة الماء. تكون قابلية ذوبان TiO 2 غير المتبلور في حدود 1-5 جزء في البليون مثل التيتانيوم عند درجة الحموضة المحايدة و95 درجة. هذا هو تركيز التوازن. يعتمد معدل الإطلاق الفعلي من السخان على معدل تدفق المياه ومساحة السطح وما إذا كان يتم تجديد المياه بشكل مستمر (مرة واحدة) أو تعميمها.

Electrochemical tests demonstrate that titanium Grade 2 has a passive current density of 0.01-0.05 µA/cm² in deionized water (resistivity >18 MΩ·cm، الأكسجين المذاب 8 جزء في المليون) عند 95 درجة. هذا التيار يعادل ذوبان التيتانيوم بمقدار 0.003-0.015 مم/سنة، وهو غير مهم فيما يتعلق بسمك جدار الأنبوب ولكنه كبير فيما يتعلق بالتلوث بالأيونات المعدنية. التحويل من الكثافة الحالية إلى إطلاق الأيونات: 0.05 ميكرو أمبير/سم² × 1 ساعة × مساحة السطح يعطي حوالي 0.09 نانوغرام/سم² من التيتانيوم المذاب في كل ساعة من التشغيل.

تم قياس تركيز التيتانيوم في خدمة المقعد الرطب
تم الحصول على نتائج كمية من الاختبارات الخاضعة للرقابة على المقاعد الرطبة من فئة أشباه الموصلات مع نظام الماء منزوع الأيونات المعاد تدويره عند 95 درجة مئوية. تمت مراقبة تركيز التيتانيوم على مدى 1000 ساعة عن طريق قياس الطيف الكتلي للبلازما المقترن حثيًا (ICP - MS، حد الكشف 0.01 جزء في البليون) في سخان غاطس من التيتانيوم بقدرة 4 كيلو وات (الصف 2، جدار 1.65 مم، مساحة سطح 800 سم2) تعمل على مقعد مبلل سعة 100 لتر معاد تدويره بمعدل 20 لتر/دقيقة.

أصبح محتوى التيتانيوم مستقرًا عند 0.06-0.10 جزء في المليون بعد التخميل الأول (أول 24 ساعة). أعطى أخذ العينات كل 24 ساعة قراءات تتراوح بين 0.05 و0.12 جزء في البليون، بمتوسط ​​0.08 جزء في البليون. أدى التدوير الحراري (إيقاف تشغيل السخان ثم تشغيله) إلى ارتفاعات عرضية إلى 0.15 جزء في البليون. في حالة 95 درجة ثابتة، كان متوسط ​​تركيز التيتانيوم عند مستوى 0.1 جزء في المليون أو أقل بقليل منه.

في ظل نفس الظروف، كان إطلاق التيتانيوم من التيتانيوم الصف 7 (Ti-0.15Pd) 0.03-0.07 جزء في البليون، وكان إطلاق البلاديوم أقل من حد الكشف البالغ 0.01 جزء في البليون. يُعزى انخفاض معدل الإطلاق إلى الفيلم السلبي الأكثر استقرارًا في الدرجة السابعة بسبب التأثير الكاثودي للبلاديوم.

العوامل التي تتجاوز حد 0.1 جزء في البليون
يمكن لمجموعة متنوعة من المواقف التشغيلية أن تتسبب في تجاوز تركيز التيتانيوم 0.1 جزء في البليون:

فترة الاستراحة الأولية-: ستنتج سخانات التيتانيوم الجديدة والجديدة 0.3-0.8 جزء في المليون من التيتانيوم خلال أول 48-72 ساعة مع استقرار الفيلم السلبي. يتطلب التثبيت في حمامات العمليات الحرجة غمرًا مسبقًا لمدة 72 ساعة في درجة حرارة 95 درجة مئوية UPW.

دورة درجة الحرارة: تقوم كل دورة تبريد/إعادة تسخين بتكسير الفيلم السلبي مما يؤدي إلى زيادة عابرة قدرها 0.15-0.25 جزء في البليون والتي تتحلل خلال 4-6 ساعات. المقاعد المبللة التي تقوم بتشغيل وإيقاف سخاناتها عدة مرات في اليوم تتجاوز حد 0.1 جزء في البليون لفترات طويلة من الزمن.

تدفق محدود أو ظروف راكدة - في أنظمة إعادة التدوير، مع معدل دوران محدود، يتراكم التيتانيوم حتى يصل إلى توازن ذوبان . 0.2-0.3 جزء في البليون بعد 500 ساعة في حمام سعة 100 لتر مع سخان تيتانيوم وبدون مرطبات الماء.

رحلات الأس الهيدروجيني أقل من 5.0 أو أكثر من 9.0: تزداد قابلية ذوبان التيتانيوم بشكل كبير خارج درجة الحموضة المحايدة. يمكن أن يكون الرقم الهيدروجيني للماء منزوع الأيونات الذي يمتص ثاني أكسيد الكربون من الهواء 5.5-6.0، مما يزيد من إطلاق التيتانيوم بعامل 2-3.

يزيد الماء غير المؤكسج (المطهر بالنيتروجين) من إطلاق Ti بعامل 5-10. الأكسجين المذاب أقل من 1 جزء في المليون يجب أن تكون المقاعد الرطبة لأشباه الموصلات مشبعة بالهواء.

مصفوفة تطبيق سخانات التيتانيوم للمقاعد الرطبة لأشباه الموصلات
تكوين المقعد المبلل، هدف جودة المياه (Ti)، نوع السخان، هل يتوقع أن يكون تركيز Ti متوافقًا؟
التدفق المستمر، مرة واحدة، 95 درجة<0.1 ppb Grade 2, pre-passivated 0.05-0.10 ppbYes, by a margin.
حمام معاد تدويره 95 درجة تغيير المياه أسبوعيا<0.1 ppb Grade 7 pre-passivated 0.03-0.07 ppb Yes
حمام معاد تدويره، 95 درجة، بدون تغيير الماء<0.1 ppb Grade 2 or Grade 7 0.15-0.25 ppb after 500 hr Not applicable
دورات حرارية متكررة (4+ دورة/يوم)<0.1 ppb Grade 7 + continuous DI flush 0.08-0.12 ppb Marginal
شطف أكسيد البوابة الحرجة (هدف أقل من 0.05 جزء في البليون)<0.05 ppb Quartz or PTFE heater 0.01-0.02 ppb (quartz) Not recommended: titanium
أي خدمة مع تطهير النيتروجين (O2 منخفض)<0.1 ppbN/A Quartz or sapphire Titanium unsuitable
استراتيجيات التخفيف من أجل الامتثال
للمقاعد المبللة باستخدام سخانات التيتانيوم<0.1 ppb titanium, the following techniques are effective:

ما قبل-التخميل قم بتشغيل سخانات جديدة في خزان منفصل بزاوية 95 درجة لمدة 72-96 ساعة قبل التركيب، مع تغيير الماء كل 24 ساعة. التخلص من المياه التخميل.

عملية التدفق المستمر: قم بتكوين المقاعد المبللة لمرة واحدة-خلال عملية التسييل أو العالية-، وليس إعادة التدوير بدون تحديث. يتم استخدام معدل نزف من 5 إلى 10% من حجم الحمام/الساعة لمنع التيتانيوم من الوصول إلى تركيز التوازن.

التشغيل بدرجة حرارة ثابتة: لا تقم بالدوران حراريًا. • استخدم وضع الاستعداد منخفض الطاقة- للحفاظ على درجة حرارة السخانات عند 95 درجة طوال الوقت، حتى أثناء فترات عدم النشاط.

التحكم في درجة الحموضة: حافظ على الماء منزوع الأيونات عند درجة حموضة 6.5-7.5 باستخدام تنقية ثاني أكسيد الكربون أو التفريغ المباشر. NO تطهير N2 دون إعادة الأكسدة.

المعالجة السطحية: أسطح التيتانيوم المصقولة كهربائيًا (Ra<0.2 µm) release 30-50% less titanium than pickled or as-drawn surfaces because of the smaller surface area and fewer active sites.

بالنسبة للمياه الساخنة منزوعة الأيونات عند درجة حرارة 95 درجة على المقاعد المبللة لأشباه الموصلات، يمكن لسخانات التيتانيوم التي تم تخميلها بشكل مناسب (الدرجة 2 أو الدرجة 7) أن تحد من تلوث أيون التيتانيوم إلى 0.1 جزء في البليون أو أقل مع التدفق المستمر أو إعادة تدوير النزيف العالي - والحد الأدنى من التدوير الحراري. يحتوي الصف السابع على نطاق أكبر (0.03-0.07 جزء في البليون) من الصف الثاني (0.05-0.10 جزء في البليون). بالنسبة للحمامات المعاد تدويرها، دون تحديث الماء أو لتطبيقات التدوير الحراري المتكررة، ستكون سخانات التيتانيوم أكبر من 0.1 جزء في البليون ويجب توفير سخانات الكوارتز أو PTFE. اطلب توثيق التخميل (الطريقة والوقت) على سخانات التيتانيوم لخدمة أشباه الموصلات وحدد الأسطح المصقولة كهربائيًا. لا يُنصح باستخدام التيتانيوم لأي درجة من عمليات أكسيد البوابة الحرجة<0.05 ppb metal targets.