專利名稱：用作電熱元件的鐵鉻鋁合金的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種鐵素體不銹鋼合金。更具體地說，本發明涉及一種適合用于工業和其它電熱用途中的合金，更確切地說，在例如用于制備特別要求具有超低雜質含量、更特別地是具有超低銅含量的半導體的擴散爐中用作電熱元件的合金。
已發現，特定類型的半導體的生產產量在所述半導體晶片的制備期間是受銅污染的限制。銅已被視為最有害的雜質的之一。在一系列的不同試驗中已證實在擴散爐中的加熱元件為這類銅污染的來源。
相關于在制備使用了合金的加熱元件中測量通常作為雜質存在的元素含量而發生的一個問題是，這些低含量的元素和/或雜質不能以滿意的精度被測量。甚至為了顯示本發明的合金的優勢，如后面詳細描述，還必須使用專門測試方法。
對這類合金的壽命的限制因素是鋁的含量。在使用由這些合金制成的零件和它們暴露于循環熱應力的期間，鋁遷移至表面，形成氧化鋁且在一定的時間期間后將被消耗掉。已公知一系列的其它元件具有影響，例如稀土金屬對從合金消耗氧化鋁的速率有影響和因此限制了壽命。
另一個限制性因素是在表面上的氧化物層和涂布層(分別是合金的表面上的氧化皮)之間的延伸率的不同。如果合金和氧化皮的體積之間超過特定比率，則合金的芯(例如一金屬絲)以比覆蓋該芯的氧化皮高得多的量延伸它的體積。氧化皮是硬的和脆性的，且經受得住芯施加的力直至在這個氧化皮中發生裂紋和氧化皮的剝落。這些將通過新形成的氧化物在所述的加熱條件下被密封。氧化物的這個修補方法〔healing process〕消耗了來自合金芯的鋁。這個效應是對所述合金用作加熱用途的一個典型限制。
本發明的目的本發明的一個目的是提供一種用于工業和其它加熱用途的鐵鉻鋁合金，即所謂FeCrAl合金。更具體地說，是提供用于在例如電子工業用擴散爐(例如用于制備對半導體的純度即雜質的含量、特別是銅的含量具有高要求的應用中的半導體晶片的擴散爐)中的電熱元件中的鐵鉻鋁合金。本發明的另一個目的是電熱元件的明顯更長壽命時間，因為本發明的合金比用于上述用途的迄今公知的合金明顯顯示出更低的鋁消耗率和明顯更小的延伸量。
圖2顯示了Bash試驗結果，即本發明的兩個低含銅量的合金試樣，耐熱和耐冷性之間的比率(稱作為DCt)隨時間作圖的相對變化，其中相比于標準Kanthal APM的典型結果。DCt值對應于由于氧化引起的試樣中的Al損失量。
圖3顯示爐測試的結果。對本發明的兩個低含銅量的合金試樣，耐熱和耐冷性之間的比率(稱作為DCt)隨時間作圖的相對變化，其中相比于標準Kanthal APM的典型結果。
圖4顯示出爐測試的結果。對于本發明的兩個超低含銅量的合金試樣，試樣長度隨時間作圖的相對變化，相比于標準Kanthal APM的典型結果。
這些目的是通過含有通常量的鉻和鋁的鐵素體鐵鉻鋁合金，以及一定量專門添加二氧化硅、錳、選擇性的稀土金屬(例如在瑞典專利申請出版號467.414中所述和定量的那些，該專利在此引入作為參考)而實現。該專利出版號的粉末冶金合金是以商業名稱Kanthal APM熟知的，以下稱之為Kanthal APM且可被視為在這方面的標準型合金。
所得合金的化學組成于下給出。銅的含量已被降低至迄今熟知的用于所述電熱元件的合金的典型銅含量的10％(對比表1)。除了超低銅含量之外，所用的合金粉末還提供了低含量的Ni和Mn。就所制成的半導體的壽命和使用而言，用在此種類型的合金中的其它元素的含量被認為是不具有副效應，并保持在與迄今已知相同的范圍內且由此保持在工業加工的通常范圍中。
優選合金的組成，所有含量按重量％給出C 低于0.3Si至多為≤0.5Mn至多為≤0.2，優選低于0.1Cr80-40.0，優選15.0-25.0Ni至多0.2，優選低于0.1Cu不超過0.004Al2.0-10.0，優選3.0-8.0諸如Sc，Y，La，Ce，Ti，Zr，Hf，V，Nb，Ta之類的其它反應性元素組中的一種或多種0.1-1.0N 低于0.05Fe 剩余其它不可避免的雜質。
相比于商業Kanthal APM合金，對本發明的合金(其是粉末冶金的合金)的兩個試樣400048和400053進行試驗。
表1含有超低銅的合金試樣相比于Kathal APM的化學組成
*用ICP-OES分析測試方法和結果的描述正常分析方法，X-射線熒光光譜法(XRF)，是不足以敏感至分析低到ppm級的低含量元素。為了得到更可靠的銅含量值，由此用特定的銅分析是用誘導耦合的等離子體光學放射光譜法(ICP-OES)進行分析。Bash測試用Bash方法進行的壽命測試是用于確定耐熱材料的耐氧化性的標準測試。該測試是基于標準ASTM B 78。簡單地說，這包括，直徑為0.70毫米的金屬絲試樣在室溫和約1265℃之間熱循環，120秒開/120秒關，直至失效。在測試期間監測試樣的耐熱和耐冷性的逐漸變化。記錄失效的時間。在測試過程中逐漸調整電壓以對試樣保持恒定的電源。
在Bash測試中Kanthal APM的平均壽命是約260小時。試樣400048的壽命是452小時。這意味著相比于Kanthal APM增長了74％。爐測試爐測試是一個用于評估工業應用的鐵鉻鋁耐熱性合金的氧化壽命和延伸率的內部、加速的測試。簡單地說，這包括，將直徑為4.00毫米的金屬絲制成U-形元件，焊接至終端并安裝在箱式爐中。該箱式爐通過試樣被加熱900℃和該試樣溫度通過開/關控制而在900℃和1300℃之間循環。循環時間是60秒開和30秒關。表面載荷是約17W/cm2。
一周進行兩次耐熱性、耐冷性和元件長度的測量。在這些測量期間，試樣被冷卻至室溫。在每次測量之后調整電壓以保持對試樣的電源恒定。測試通常持續到試樣失效。
在這時，取自批料400053的試樣達到1250小時測試時間。取自批料400048的試樣達到1200小時的壽命，這是高于Kanthal APM的平均壽命，是約900小時。這表明，相比于Kanthal APM有至少33％的增長。
同在Bash測試中一樣，鋁的消耗率作為爐測試試樣中的壽命時間的基準點可通過Ct(耐熱性和耐冷性之間的比率)對時間的相對變化作圖而被研究。在表2和圖3中顯示了相比于Kanthal APM的兩個低銅含量試樣的結果。鋁的消耗率在低銅試樣中是明顯更低。表2. 相比于標準Kanthal APM，本發明的試樣的比率ΔCt對時間的相對變化。
試樣的延伸率是受兩個主要因素影響。由于氧化導致合金的鋁消耗引起試樣的體積下降，在測試的早期階段可觀察到試樣長度的降低。隨著氧化皮的厚度和長度的增長，熱循環應力將引起試樣的延伸。在第一個階段，低銅合金的曲線顯得與Kanthal APM的曲線具有相似的形狀，但稍后開始延伸。在測試時間更長至少38％之后的最初，第一個試樣(400048)顯示出與標準Kanthal APM相同的比率ΔCt。銅釋放測量在一個清潔的石英管中加熱薄金屬絲的線圈。管的內部然后用酸洗滌且在該酸中銅的含量是用ICP-OEC分析儀確定。該測試顯示對于沒有預先加熱的試樣，銅釋放降低至少8％，而在預氧化后的試樣降低至少25％，兩者均是相比于標準Kanthal APM。
由此，用超低銅含量的合金對氧化壽命測試的改進是相當劇烈的。銅的超低含量導致了更少剝落的氧化物，這解釋了鋁的消耗率更低的原因。
金屬絲的低延伸率也可與氧化物/氧化皮的性能相關。如果氧化物能夠經受得住熱循環期間應力形成而沒有形成剝落或形成微觀缺陷和經受得住內部應力形成，則消除了由于熱循環引起的除延伸之外的一個主要機理。氧化物/氧化皮的改進性能可通過氧化物/氧化皮和金屬之間的粘合改進或通過氧化物本身的機械性能改進而引起。
權利要求
1.一種用作工業和其它加熱用途中的電熱元件的鐵素體合金，其特征在于，所述合金是一種粉末冶金的鐵鉻鋁合金，其包含(基于重量)低于0.02％的碳、≤0.5％的硅、≤0.2％的錳、10.0-40.0％的鉻、≤0.6％的鎳、≤0.01％的銅、2.0-10.0％的鋁、諸如Sc，Y，La，Ce，Ti，Zr，Hf，V，Nb，Ta之類的其它反應性元素組中的一種或多種0.1-1.0、剩余為鐵和不可避免的雜質。
2.如權利要求1所述的鋼合金，其特征在于，鉻的含量是8.0～25重量％。
3.如權利要求1所述的鋼合金，其特征在于，鋁的含量是3.0～8.0重量％。
4.如權利要求1-3之一所述的鋼合金，其特征在于，鎳的含量低于0.1重量％。
5.如權利要求1-4之一所述的鋼合金，其特征在于，錳的含量低于0.1重量％。
6.如權利要求1-5之一所述的鋼合金，其特征在于，銅的含量不高于0.004重量％。
7.用于工業和其它加熱用途的電熱元件，其特征在于，該元件的合金被制成具有權利要求1-6任一所述的化學成分。
8.用在制備半導體晶片用的擴散爐中的權利要求7所述的電熱元件。
9.如權利要求1-8之一所述的電熱元件，其特征在于，加熱元件的壽命延長至少35％。
全文摘要
本發明涉及一種適用于工業和其它加熱用途的合金，更確切地說，是在例如用于制備特別要求具有超低銅含量的半導體的擴散爐中用作電熱元件。本發明的其它優勢是明顯更長壽命時間，因為本發明的合金比用于上述用途的迄今公知的合金明顯顯示出更低的鋁消耗率和明顯更小的延伸量。
文檔編號H05B3/12GK1392812SQ0180283
公開日2003年1月22日 申請日期2001年9月4日 優先權日2000年9月4日
發明者羅格·貝里隆德 申請人:桑德維克公司