Liete, joka palaa jatkuvasti
Puolijohdeetsauskylpy, joka sisältää fluorivetyhappoa ja typpihappoa, käsittelee piikiekkoja. Kvartsi-upotuslämmitin, joka on valittu sen kemiallisen yhteensopivuuden perusteella, kehittää läpikuultavan lietepinnoitteen viikkojen käytön aikana. Liete vähentää lämmönsiirtoa, vaatii kuukausittaista puhdistusta ja lopulta pakottaa lämmittimen vaihtoon, kun mekaaninen puhdistus vahingoittaa herkkää kvartsipintaa.
Liete on piidioksidia-piidioksidia-, mutta ei kiekoista. Se saostuu itse kylpykemiasta. HF hyökkää jatkuvasti kvartsikuumentimeen liuottaen piitä lämmittimen pinnalta muodostaen heksafluoripiihappoa. Liuenneen piipitoisuuden kasvaessa kuuman lämmittimen pinnan lähelle, heksafluorisilikaatti hydrolysoituu takaisin piidioksidiksi, joka saostuu hyytelömäisenä kerrostumana juuri sille pinnalle, joka on tuottanut sen.
Samassa kylvyssä oleva PTFE-lämmönvaihdin pysyy vapaana piidioksidilietteestä. Fluoripolymeeri ei sisällä liukenevaa piitä, se ei tuota heksafluorisilikaattia eikä tarjoa saostumiskohtia muualle hauteeseen muodostuneelle piidioksidille. Matala pintaenergia estää pinnalle ajautuvien piidioksidihiukkasten tarttumisen.
Kvartsin liukeneminen{0}}saostumissykli
Kvartsi on piidioksidia. HF-pitoisissa liuoksissa kvartsin pinnalla tapahtuu seuraava reaktio:
SiO₂ + 6HF → H₂SiF₆ + 2H₂O
Heksafluoripiihappo on liukoista ja diffundoituu pois pinnasta bulkkihauteeseen. Lämmittimen pinnan korotetussa lämpötilassa myös käänteinen reaktio on aktiivinen. Heksafluorisilikaatti hydrolysoi:
H₂SiF₆ + 2H₂O → SiO₂ + 6HF
Piidioksidi saostuu. Koska liuenneen piin pitoisuus on suurin lähellä liukenevaa kvartsin pintaa ja koska pinta tarjoaa nukleaatiokohtia, saostuminen tapahtuu ensisijaisesti itse lämmittimessä.
Lopputuloksena on jatkuva kierto: kvartsi liukenee, liuennut pii diffundoituu lyhyen matkan, pii saostuu piidioksidina pinnalle. Lämmitin menettää hitaasti massaa liukenemisesta ja kerää samalla piidioksidipinnoitetta. Pinnoite on poistettava mekaanisesti tai kemiallisesti, mikä vahingoittaa kvartsia ja nopeuttaa myöhempää liukenemista.
Taulukko 1: Piidioksidilietteen muodostuminen lämmönvaihdinmateriaalilla 10 % HF-etsaushauteessa 50 asteessa
| Materiaali | Piidioksidin liukeneminen lämmittimestä | Lietteen muodostumisnopeus | Lietteen tarttumislujuus | Puhdistusmenetelmä | Käyttöiän vaikutus |
|---|---|---|---|---|---|
| Kvartsi | Kyllä (jatkuva SiO₂ → H2SiF₆) | Korkea (itse{0}}luotettu) | Vahva (kemiallinen sidos) | Mekaaninen kaapiminen (vaurioittaa pintaa) | 12-18 kuukautta |
| Ruostumaton teräs | Ei (mutta nopea metallin liukeneminen) | Kohtalainen (saostuu kylvystä) | Kohtalainen | Happopuhdistus (syövyttää metallia) | 2-6 kuukautta |
| Titaani | Ei (mutta liukenee nopeasti HF:ään) | N/A | N/A | N/A | Tunteista päiviin |
| Piikarbidi | Lievä (pinnan hapettumista) | Matala | Heikko | Mekaaninen tai kemiallinen | 24-36 kuukautta |
| PTFE | Ei mitään (ei silikonia) | Ei mitään (ei liukenemislähdettä) | Erittäin heikko (ei tarttuvuutta) | Huuhtelu vedellä | 10+ vuotta |
PTFE: Ei piitä, ei liukenemista, ei lietettä
PTFE sisältää vain hiiltä ja fluoria. Polymeerissa ei ole piitä, joka reagoisi HF:n kanssa. Hiili-fluorisidos on termodynaamisesti stabiili HF-hyökkäystä vastaan. Liukenemis-saostussyklillä, joka tuottaa piidioksidilietettä kvartsiin, ei yksinkertaisesti ole lähtökohtaa PTFE-pinnalla.
Piidioksidia voi edelleen muodostua bulkkihauteessa syövytettävistä kiekoista liuenneesta piistä. Tämä piidioksidi muodostaa kolloidisia hiukkasia, jotka ovat suspendoituneet kylpyyn. Kvartsi- tai metallipinnalla nämä hiukkaset tarttuvat kemiallisen sitoutumisen kautta pinnan hydroksyyliryhmiin tai sähköstaattiseen vetovoimaan. PTFE:ssä alhainen pintaenergia (18-20 mN/m) estää tarttumisen. Pintaan joutuvat hiukkaset pyyhkäisevät pois normaalin kylvyn kierron avulla. Tilapäisesti laskeutuvat aineet huuhdellaan helposti pois rutiinihuollon aikana.
Tuloksena on lämmönvaihtimen pinta, joka pysyy puhtaana ilman mekaanista tai kemiallista puhdistusta. Lämmönsiirtokyky pysyy vakaana. Lietteeseen liittyvää-huoltoseisokkia ei tarvita.
Kylpykemian vakaus
Piidioksidin liukenemisen puuttuminen lämmönvaihtimesta stabiloi kylvyn kemiaa. Kylpyhuoneissa, joissa on kvartsilämmittimet, liuenneen piin pitoisuus nousee ajan myötä, kun lämmitin lisää jatkuvasti piitä. Tämä muuttaa kiekkojen syövytysnopeutta ja selektiivisyyttä, mikä vaatii useammin kylpyanalyysiä ja säätöä.
PTFE-lämmittimien piipitoisuus kylvyssä tulee vain kiekkojen etsauksesta-ennustettavasta, hallittavasta lähteestä. Kylpykemia on vakaampi, etsausnopeudet ovat johdonmukaisempia ja kylvyn käyttöikä on pidempi. Yhden hallitsemattoman kemiallisen syötön eliminointi yksinkertaistaa prosessin ohjausta.
Yhteenveto
Piidioksidilietteen kerääntyminen kvartsilämmönvaihtimiin fluori{0}}sisältävissä etsauskylvyissä johtuu liukenemis-saostusjaksosta, jossa lämmitin itse toimittaa lietteen muodostavan piin. PTFE-lämmönvaihtimet eliminoivat tämän syklin, koska fluoripolymeeri ei sisällä liukenevaa piitä. Matala-energiapinta estää muualla kylvyssä muodostuneiden piidioksidihiukkasten tarttumisen.
Tuloksena on puhdas lämmönsiirtopinta ilman mekaanista tai kemiallista puhdistusta, vakaa lämmönsiirtokyky, pidempi laitteiden käyttöikä ja yhtenäisempi kylpykemia. Piin liukenemisen eliminointi lämmittimestä poistaa kontrolloimattoman muuttujan etsausprosessista.
Tekninen analyysi PTFE-lämmönvaihtimen spesifikaatioille HF{0}}sisältävissä etsauskylvyissä on saatavilla, kun kylvyn koostumus, käyttölämpötila, nykyinen lämmitinmateriaali ja puhdistustiheys sekä syövytysnopeuden stabiilisuustiedot on toimitettu.
