CN103820710B - 一种大规模集成电路制造装备用因瓦合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大规模集成电路制造装备用因瓦合金及其制备方法。本发明的技术方案为：现有的常规铁镍因瓦合金由Ni、Fe和允许的杂质组成，所述允许的杂质包括C，其中所述Ni的质量分数为34.0%～38.0%，所述C的质量分数为0.001%～0.1%，余量为Fe；所述大规模集成电路制造装备用因瓦合金为在保持所述常规铁镍因瓦合金成分的基础上添加Ti，所述Ti的质量分数为0.01%～0.5%；所述Ti与所述C发生反应原位生成强化相TiC。本发明解决了常规铁镍因瓦合金拉伸强度较低，不能满足大规模集成电路制造装备生产使用需求的问题。

Description

一种大规模集成电路制造装备用因瓦合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种合金及其制备方法，具体涉及一种因瓦合金及其制备方法，特别涉及一种大规模集成电路制造装备用因瓦合金及其制备方法。

背景技术

常规铁镍因瓦合金是一种含镍质量分数约36%的金属材料，如4J36。在居里温度以下，该合金具有极低的膨胀系数。由于常规铁镍因瓦合金的这种特性，它成为制造精密仪器及设备的常用材料之一。为保证大规模集成电路产品性能的准确性、稳定性、可靠性，大规模集成电路制造装备亦应采用尺寸稳定的因瓦合金材料进行设计制造。虽然常规铁镍因瓦合金的膨胀性能基本能够满足大规模集成电路制造装备的需求，但其拉伸性能稍低，可能会对大规模集成电路制造装备的使用性能产生影响。因此，需要在不影响常规铁镍因瓦合金膨胀性能的基础上，将其拉伸性能予以提升，使其满足大规模集成电路制造装备用因瓦合金的实际需求。

常规铁镍因瓦合金为单相奥氏体组织，不能通过热处理工艺改变其内部组织来达到强化合金的效果。研究人员尝试多种其他方法来提高常规铁镍因瓦合金的强度。这些方法主要包括固溶强化、细晶强化、形变强化和沉淀强化等。

固溶强化是指向金属中加入一些合金元素，溶质原子周围会产生应力场，应力场与位错交互作用，阻碍位错运动，从而使金属强度得以提高。溶质元素含量越高、溶质与基体原子半径差越大，固溶强化的效果越好。同时，间隙式固溶原子的强化效果要优于置换式固溶原子。常见的间隙式固溶原子有C、N、B等，欲使合金中出现较多间隙式固溶原子，必须添加较多的合金元素。然而，除Co等少量合金元素外，绝大多数间隙式固溶原子或是置换式固溶原子均会使常规铁镍因瓦合金的膨胀性能增大。

细晶强化是指采用有效方式，控制金属晶粒尺寸，使晶界在金属中所占比例较大，从而提高强度的方法。常温下，多晶材料的晶界能够有效阻碍位错运动。例如，向合金中加入Zr，可以形成第二相质点，这些质点在晶界附近析出，能够起到钉扎晶界，从而阻碍晶界运动的作用。晶粒长大过程受到抑制，晶粒细化。有人认为因瓦效应仅存在于晶粒内部，不存在于晶界。因而，过为细小的晶粒势必会影响因瓦合金的膨胀性能。

形变强化是指随着塑性变形量的增加，金属流变强度也增加的现象。在金属的整个形变过程中当外力超过屈服强度后，要塑性变形继续进行必须不断增加外力，从而在真实的应力-应变曲线上表现为应力不断上升。对铁镍因瓦合金进行冷加工变形一方面可以降低合金膨胀系数，另外一方面还可以提高合金强度。但是，这种加工过程会使常规铁镍因瓦合金内部缺陷增多，膨胀性能稳定性变差，影响合金使用。

沉淀强化是指在金属材料中加入能够形成稳定化合物的合金元素，这些元素在一定条件下，生成第二相化合物从基体中沉淀析出，弥散分布，从而有效提高金属强度。沉淀强化为常规铁镍因瓦合金较为常用的一种强化手段。采用Al、Cr、Nb、Be、Mo、Si等元素，均可在常规铁镍因瓦合金中形成强化相，从而提高合金强度。然而过多合金元素的加入，在提高生产成本的同时，势必会使常规铁镍因瓦合金膨胀性能降低。

陶瓷相具有较低的膨胀系数，使其在常规铁镍因瓦合金中弥散分布，可以起到强化合金的效果，与此同时，合金膨胀系数不会明显增加。例如，中国专利201110024351.2就采用这种方式获得了性能理想的因瓦合金铸件，然而，该方法增添了制备TiC预制块的步骤，工艺较为复杂，此外，采用这种方法制备的因瓦合金塑型下降明显，难以进行压力加工。

大规模集成电路制造装备的生产对铁镍因瓦合金综合性能提出了较高要求。常规铁镍因瓦合金除拉伸强度较低外，基本能够满足大规模集成电路制造装备对因瓦合金性能指标的要求。如果能够在常规铁镍因瓦合金成分及生产工艺基础上略加调整，在保持常规铁镍因瓦合金综合性能，尤其是膨胀性能的情况下，提高其拉伸强度，使目标产品性能符合大规模集成电路制造装备的设计要求，将会对大规模集成电路制造装备的生产产生积极影响。

发明内容

本发明提供一种适合大规模集成电路制造装备用因瓦合金及其制备方法，以解决常规铁镍因瓦合金拉伸强度较低，不能满足大规模集成电路制造装备生产使用需求的问题，并且保证合金强度提高时不存在合金膨胀系数明显增大、加入较多昂贵合金元素成本较高、加工制造工艺复杂和合金塑型显著变差等技术问题。

本发明的技术方案如下：

一种大规模集成电路制造装备用因瓦合金，现有的常规铁镍因瓦合金由Ni、Fe和允许的杂质组成，所述允许的杂质包括C，其中所述Ni的质量分数（即该元素占合金总质量的百分比）为34.0%～38.0%，所述C的质量分数为0.001%～0.1%，余量为Fe；所述大规模集成电路制造装备用因瓦合金为在保持所述常规铁镍因瓦合金成分（即所述Ni的质量分数为34.0%～38.0%，所述C的质量分数为0.001%～0.1%，余量为Fe）的基础上添加Ti，所述Ti的质量分数为0.01%～0.5%；所述Ti与所述C发生反应原位生成强化相TiC。

所述的大规模集成电路制造装备用因瓦合金，优选方案为所述Ni的质量分数为35.5%～36.5%。

所述的大规模集成电路制造装备用因瓦合金，优选方案为所述Ti的质量分数为0.01%～0.1%。

所述的大规模集成电路制造装备用因瓦合金，优选方案为所述C的质量分数为0.01%～0.1%。

本发明还提供上述大规模集成电路制造装备用因瓦合金的制备方法，所述方法包括下述步骤：

一、配制原材料，其中电解镍质量占原材料总质量的34.0～38.0%，海绵钛质量占原材料总质量的0.01%～0.5%，余量为电解铁，其中所含C元素质量占原材料总质量的0.001%～0.1%；

二、在温度为1520～1580℃及真空度为0.5×10^-2～5×10^-2Pa条件下，将所述原材料投入真空电弧炉进行熔炼，保温时间为5～30min，得到熔体；将所述熔体调温至1450～1520℃出炉，将所述熔体浇铸成铸锭；

三、将所述铸锭加热至加工温度1000～1200℃，进行压力加工得到制品；

四、对所述制品进行热处理，加热至800～900℃保温0.5～3h，迅速冷却至室温，继续加热至300～350℃保温2～6h，缓慢冷却至室温；即得到所述大规模集成电路制造装备用因瓦合金。

所述的大规模集成电路制造装备用因瓦合金的制备方法，优选方案为所述步骤二中所述熔炼温度为1550℃，所述真空度为0.5×10^-2～2×10^-2Pa，所述保温时间为10min。

所述的大规模集成电路制造装备用因瓦合金的制备方法，优选方案为所述步骤三中所述加工温度为1100℃。

所述的大规模集成电路制造装备用因瓦合金的制备方法，优选方案为所述步骤四中对所述制品进行热处理，将锻坯加热至840℃保温2h水淬至室温，继续加热至315℃保温4h，炉冷或空冷至室温。

本发明的有益效果如下：

1、常规铁镍因瓦合金中均含有C、S、P等杂质元素，为合金中允许的杂质；如果能够利用常规铁镍因瓦合金中的C元素，再添加适当合金元素，使其形成弥散分布的碳化物，不仅能够起到强化常规铁镍因瓦合金的目的，还能有效消耗合金中的杂质元素，使合金更加纯净。Ti是一种较强的碳化物形成元素，它可以与C结合，形成TiC。TiC是陶瓷相，具有很低的膨胀系数。如果将TiC作为强化相，使其在常规铁镍因瓦合金基体中弥散分布，即可起到在保持常规铁镍因瓦合金膨胀性能的前提下，提高其拉伸性能的效果。本发明在常规铁镍因瓦合金的基础上，添加少量的Ti元素（Ti=0.01%～0.5%），即满足了大规模集成电路制造装备对于因瓦合金强度性能的要求。这与传统方法相比，添加的合金元素更少，更加节省成本，与此同时，最大限度地保持了常规铁镍合金优良的综合性能。

2、本发明采用真空熔炼炉进行熔炼，继而采用常规装备进行压力加工及热处理。真空熔炼炉、压力加工设备、热处理设备均为金属生产单位常用设备，不需额外购置其他专用设备，简便易行、节约成本。生产工艺亦与常规金属生产工艺相似，无需增加额外生产流程。这样不仅节约了人力资源，而且节约了新工艺、新装置的培训试验费用。

3、强化元素Ti只需和Fe、Ni等其他原材料配比称量后一同加入冶炼炉熔炼即可。强化元素少，配比称量简易。冶炼过程中不需添加特殊工序，使得冶炼过程简练、顺畅。

4、本发明的优选方案为所述步骤一中电解镍的质量占原材料总质量的35.5%～36.5%。常规铁镍因瓦合金使得膨胀性能最好的成分点位于Ni质量分数36.0%附近。添加过多的强化元素不仅仅会恶化因瓦合金膨胀性能，而且会使常规铁镍因瓦合金膨胀性能最优成分点出现偏移。本发明中添加强化元素Ti很少，使得常规铁镍因瓦合金膨胀性能最优成分点得以保持。与此同时，常规铁镍因瓦合金优良的膨胀性能、塑型等综合性能也得到了最大限度的保持。

5、本发明的优选方案为所述步骤一中海绵钛质量占原材料总质量的0.01%～0.1%。本发明的主要目的之一是得到强度能够满足大规模集成电路制造装备对材料的强度要求。常规铁镍因瓦合金强度相对较低，在其本身强度基础上使强度值再提高约10%，即可满足大规模集成电路制造装备的需求。这就要求添加的合金元素含量适当。合金元素太少，不能满足强度要求；合金元素太多，虽然满足了强度要求，但其添加量过多不仅会增加成本，最重要的是它会使因瓦合金膨胀性能以及塑型等综合性能出现恶化。本发明中，添加的强化元素为Ti。如若Ti的添加量过少，生成的少量TiC起不到有效强化铁镍因瓦合金的效果；如若Ti的添加量过大，在与因瓦合金中的C元素反应完全以后，多余的Ti会继续与Ni等其他元素反应，生成其他物质，使铁镍因瓦合金成分及性能偏离设计初衷。

6、本发明的优选方案为所述步骤一中所含C元素质量占原材料总质量的0.01%～0.1%。C在电解铁等原材料中是一种不可避免的杂质元素。本发明利用强化元素Ti与杂质元素C结合生成的TiC来强化因瓦合金。C含量过低，会使多余的强化元素Ti与其他物质发生反应，不能达到预期目的。C含量过高，会使因瓦合金中残留过多富余C，这些富余C会对因瓦合金膨胀性能等综合性能产生很大影响。因而，C含量需控制在合理的范围之内。

7、本发明的优选方案为所述步骤二中所述熔炼温度为1550℃，所述真空度为0.5×10^-2～2×10^-2Pa，所述保温时间为10min。合理的熔炼温度使原材料快速、充分熔融，发生预期反应。熔炼温度过低，原材料不能充分熔融或熔融所需时间过长；熔炼温度过高，会使金属元素严重烧损。合理的保温时间能够保证预期反应完全进行，并使熔池混合均匀。保温时间过短，预期反应可能未完全结束，成分混合不够均匀；保温时间过长，元素烧损过多，提高能源消耗。此外，合理的真空度可防止元素过度氧化烧损。

8、本发明的优选方案为所述步骤三中所述加工温度为1100℃。合理的加工温度能够使铸锭在保持固态稳定性的基础上，获得最佳的塑性，方便地使铸锭发生塑性变形，压力加工成所需形状的型材。温度过高，可能出现过烧现象，晶粒间结合力变差，压力加工时容易出现裂纹；温度过低，产生同样塑性变形量需要消耗更多的能量，提高成本的同时使压力加工难度增大。

9、本发明的优选方案为所述步骤四中对所述制品进行热处理，将锻坯加热至840℃保温2h水淬至室温，继续加热至315℃保温4h，炉冷或空冷至室温。将因瓦合金加热至840℃，可使合金内部成分更为均匀。因瓦合金最重要的性能是其膨胀性能。在840℃温度下以越快的速度冷却至室温，因瓦合金的膨胀系数将会越小，因而840℃固溶处理之后，需将该合金进行水淬。水淬之后的因瓦合金中会出现应力及应力的不均匀分布现象。这种应力会对合金膨胀性能的稳定性产生较大影响。为了消除这种应力，保持因瓦合金膨胀性能的稳定性，需要对其进行退火处理。继续加热至315℃保温4h，炉冷或空冷至室温。

综上所述，本发明方法与现有技术相比，添加合金元素很少，节约成本，最大限度地保持了因瓦合金的优良性能；生产工艺简单，不需额外增加工序，操作简便易行。产品膨胀系数低，塑性良好便于压力加工，各性能达到预定指标，满足了大规模集成电路制造装备用因瓦合金的使用需求。

附图说明

图1是大规模集成电路制造装备用因瓦合金中TiC强化相的扫描电镜照片。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式中一种大规模集成电路制造装备用因瓦合金的制备方法是按下述步骤进行的：一、按质量分配原材料，电解镍质量占原材料总质量的34.0～38.0%，海绵钛质量占原材料总质量的0.01%～0.5%，余量为电解铁，其中所含C元素质量占原材料总质量的0.001%～0.1%；二、在温度为1520～1580℃及真空度为0.5×10^-2～5×10^-2Pa条件下真空电弧熔炼因瓦合金，保温时间5～30min，得到熔体；调温至1450～1520℃出炉，然后浇铸成铸锭；三、将铸锭加热至1000～1200℃，对其进行压力加工得到制品；四、对所得制品进行热处理，加热至800～900℃保温0.5～3h，迅速冷却至室温，继续加热至300～350℃保温2～6h，缓慢冷却至室温；即得到大规模集成电路制造装备用因瓦合金。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式唯一不同的是：步骤一中电解镍质量占原材料总质量的35.5～36.5%。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一中海绵钛质量占原材料总质量的0.05%。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三不同的是：步骤一中原材料中所含C元素的质量占原材料总质量的0.01～0.05%。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四不同的是：步骤二中在温度为1550℃及真空度为0.5×10^-2～2×10^-2Pa条件下冶炼合金。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五不同的是：步骤二中在1550℃熔炼温度下保温10min。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六不同的是：步骤三中将铸锭加热至1100℃，对其进行压力加工。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七不同的是：步骤四中对所得材料进行热处理，加热至840℃保温2h，迅速冷却至室温，继续加热至315℃保温4h，缓慢冷却至室温。

具体实施方式九：本实施方式中大规模集成电路制造装备用因瓦合金的制备方法是按下述步骤进行的：一、按质量分配原材料，电解镍质量占原材料总质量的36.0%，海绵钛质量占原材料总质量的0.05%，余量为电解铁，原材料中C元素的质量占原材料总质量的0.03%；二、在温度为1550℃及真空度为0.05×10^-2Pa条件下真空电弧熔炼因瓦合金，保温时间10min，得到熔体；调温至1500℃出炉，然后浇铸成铸锭；三、将铸锭加热至1100℃，对其进行压力加工；四、对所得材料进行热处理，加热至840℃保温2h，迅速冷却至室温，继续加热至315℃保温4h，缓慢冷却至室温；即得到大规模集成电路制造装备用因瓦合金。

本实施方式采用金相显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜分析其组织结构，发现制备得到的大规模集成电路制造装备用因瓦合金内部存在大量弥散分布的TiC强化相颗粒，如图1所示，这与设计目标相符。进一步力学性能测试分析结果（见表1）表明，该合金屈服强度为299.3MPa、抗拉强度为507.7MPa，与对比例常规铁镍铁镍因瓦合金的屈服强度273.7MPa、抗拉强度458.3MPa相比，强度有了明显提升，满足了大规模集成电路制造装备对于因瓦合金强度的要求。同时，采用本实施方式所得因瓦合金的延伸率为42.3%、面缩率为78.0%，与对比例常规铁镍铁镍因瓦合金延伸率40.2%、面缩率81.0%相比，塑型得到良好保持，为该合金下一步的成型加工提供了有力条件。在20～50℃温度范围内，采用本实施方式所得的因瓦合金平均膨胀系数为0.962×10^-6/K与对比例常规铁镍因瓦合金相同温度范围内的平均膨胀系数0.933×10^-6/K相当，说明该实施方式在有效提高因瓦合金强度的同时，保持了常规铁镍因瓦合金良好的膨胀性能。

表1：大规模集成电路制造装备用因瓦合金

与常规铁镍因瓦合金性能比较

Claims (5)

1.一种大规模集成电路制造装备用因瓦合金的制备方法，其特征在于，常规铁镍因瓦合金由Ni、Fe和允许的杂质组成，所述允许的杂质包括C，其中所述Ni的质量分数为34.0％～38.0％，所述C的质量分数为0.01％～0.1％，余量为Fe；所述大规模集成电路制造装备用因瓦合金为在保持所述常规铁镍因瓦合金成分的基础上添加Ti，所述Ti的质量分数为0.01％～0.1％；所述Ti与所述C发生反应原位生成强化相TiC，所述方法包括下述步骤：

一、配制原材料，电解镍质量占原材料总质量的34.0～38.0％，海绵钛质量占原材料总质量的0.01％～0.1％，余量为电解铁，其中所含C元素质量占原材料总质量的0.01％～0.1％；

二、在温度为1520～1580℃及真空度为0.5×10^-2～5×10^-2Pa条件下，将所述原材料投入真空电弧炉进行熔炼，保温时间为5～30min，得到熔体；将所述熔体调温至1450～1520℃出炉，将所述熔体浇铸成铸锭；

三、将所述铸锭加热至加工温度1000～1200℃，进行压力加工得到制品；

四、对所述制品进行热处理，加热至800～900℃保温0.5～3h，迅速冷却至室温，继续加热至300～350℃保温2～6h，缓慢冷却至室温；即得到所述大规模集成电路制造装备用因瓦合金。

2.根据权利要求1所述的大规模集成电路制造装备用因瓦合金的制备方法，其特征在于，所述大规模集成电路制造装备用因瓦合金中Ni的质量分数为35.5％～36.5％。

3.根据权利要求1所述的大规模集成电路制造装备用因瓦合金的制备方法，其特征在于，所述步骤二中所述熔炼温度为1550℃，所述真空度为0.5×10^-2～2×10^-2Pa，所述保温时间为10min。

4.根据权利要求1所述的大规模集成电路制造装备用因瓦合金的制备方法，其特征在于，所述步骤三中所述加工温度为1100℃。

5.根据权利要求1所述的大规模集成电路制造装备用因瓦合金的制备方法，其特征在于，所述步骤四中对所述制品进行热处理，将锻坯加热至840℃保温2h水淬至室温，继续加热至315℃保温4h，炉冷或空冷至室温。