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2024年4月4日发(作者：潘海桃)

SEMI SPECIFICATION

SEMI F20-0706E 规格

应用于半导体制造业GP系统,HP系统及UHP

系统元件的SS316L棒料,锻件,挤压件,板材及管

道的化学组成及加工规范

目录 ............................................................................................................................................................................................. 1

1目的.......................................................................................................................................................................................... 2

2应用范围 ................................................................................................................................................................................. 2

3参考标准及文件.................................................................................................................................................................... 2

3.1

ASTM标准..................................................................................................................................................................... 2

4相关术语 ................................................................................................................................................................................. 2

4.1定义.................................................................................................................................................................................. 2

5定购信息 ................................................................................................................................................................................. 3

6要求.......................................................................................................................................................................................... 3

6.1一般要求 ......................................................................................................................................................................... 3

6.2制造要求 ......................................................................................................................................................................... 3

6.3化学组成要求 ................................................................................................................................................................ 3

6.4冶金学要求 .................................................................................................................................................................... 4

7认证信息 ................................................................................................................................................................................. 4

8产品标识 ................................................................................................................................................................................. 5

附录1硫对316L不锈钢钨极气体保护电弧(GTA)焊接的影响 ................................................................................. 6

A1-1硫对材料加工的影响 ............................................................................................................................................... 6

1-2硫对焊接的影响 ....................................................................................................................................................... 6

附录2 铜对316L不锈钢钨极气体保护电弧(GTA)焊接的影响 ................................................................................ 8

A2-1不锈钢中的铜元素.................................................................................................................................................... 8

A2-2铜对焊接的影响 ........................................................................................................................................................ 8

附录3晶粒度对UHP级组件性能的影响 ...................................................................................................................... 10

A3-1相关背景 ................................................................................................................................................................... 10

A3-2影响晶粒度的因素.................................................................................................................................................. 10

A3-3晶粒度对组件加工的影响 .................................................................................................................................... 10

A3-4晶粒度对组件安装的影响 .................................................................................................................................... 11

A3-5总结 ............................................................................................................................................................................ 11

1目的

规范冶金工业加工并规定用于半导体组件制造的316L不锈钢的化学组成,以得到满足通用,高纯度

应用,超高纯度应用的化学分配系统.

2应用范围

2.1 在该规格中规定了316L不锈钢棒料,锻件的加工要求, ASTM A276规定了挤压材料的加工要

求.ASTM A240中规定了板材的加工要求,ASTM A 269和ASTM A632中规定了管件的加工要求,这些

加工材料均用于半导体组件制造, 满足通用,高纯度,超高纯度的不同应用.

注: 该标准中的规定并不包含安全事项,若有需求,可根据实际应用来规定.该标准的用户有责任制定

相关的安全操作规范控制实际操作.

3参考标准及文件

3.1 ASTM标准

A182/A 182M---有关为满足高温应用需求,对锻造或轧制后的合金钢管,锻件,阀门和零件的加工规定.

A 240/A 240M---有关压力型管道制造中, 对耐热铬和铬-镍合金不锈钢板材,棒料,带材的加工规定.

A262---有关奥氏体不锈钢中晶间碰撞的灵敏度测试的规定.

A269---有关为满足通用,对奥氏体不锈钢管材无裂缝焊接的标准.

A276---有关耐热不锈钢棒料和管材的加工规定

A479/A 479M---有关用于锅炉和其它压力管道制造的耐热不锈钢棒料和管材的加工规定.

A480/A 480M---有关为满足通用, 对平轧后的耐热不锈钢板材,带材的加工规定.

A484/A 484M---有关为满足通用, 对耐热不锈钢锻件产品的加工规定.

A632---有关为满足通用,对奥氏体不锈钢管材(小尺寸)无裂缝焊接的加工规定.

A751---有关钢产品化学分析的测试方法,实际操作和相关术语.

E45----有关确定钢材化合物组成的建议及操作.

E112---有关确定平均晶粒度的测试方法.

注: 除非有其他规定, 该规格中引用的所有文件都是最新版本.

4相关术语

4.1定义

4.1.1 内含物---金属内原有的或者外来的物质, 一般认为非金属化合物如氧化物,硫化物或硅酸盐.

4.1.2 等级

4.1.2.1 通用级-(GP)—组件用于半导体制造业中无需严谨的清洗要求的化学分配系统,.如干燥剂和真

空清洗线.

4.1.2.2 高纯度级(HP)—组件用于半导体制造业中需高性能的化学分配系统.

4.1.2.3 超高纯度级(UHP)--组件用于半导体制造业中高级的化学分配系统,要求在关键的加工中化合

物具有最优的耐腐蚀性.

5定购信息

5.1 该规格中要求的棒材,锻件,挤压材料,板料或管状的产品,其定购信息应该包括:

5.1.1 级别—GP, HP, UHP

5.1.2 相关量词---重量(Kg, Lb),尺寸(m, inch, feet)等.

5.1.3 横截面说明---圆,方,六角等或详细的图纸说明.

5.1.4 尺寸(形式尺寸,无需在图纸中定义)

5.1.5壁厚(针对管道)

5.1.6长度(规定或随机)

5.1.7参考该规格编号和其他信息.

5.1.8 任何特别的或需提供的要求.i.e.熔融加工和精炼加工.

6要求

6.1一般要求

6.1.1该规格中要求的棒材,锻件,挤压材料,板料或管状的配料要与材料ASTM A 182/A 182M, ASTM

A 276, ASTM A 479/A 479M, 或ASTM A 484/A 484M 和该规格中的其他要求一致.

6.1.2 该规格中提供的板料要与文件ASTM A 240 或A 480/A 480M和该规定中的其他要求一致.

6.1.3 该规格中提供的管材要与文件ASTM A 269 或A632和该规定中的其他要求一致.

6.1.4 针对该规格中的要求与参考文件中的要求存在冲突的地方,以该规格中的要求为准.

6.2制造要求

6.2.1 用于生产的不锈钢坯料,其加工过程如熔融,铸造和精炼等要满足该规格中化学组成要求,并按

冶金工业加工要求去操作.

6.2.2 为达到晶粒度要求(参考6.4.1)其退火温度应为Min.982℃

6.3化学组成要求

6.3.1在文件ASTM A 182/A 182M, ASTM A 240, ASTM A269, ASTM A 276,ASTM A 479/A 479M, 或

ASTM A 632的表格1中规定加工材料为316L不锈钢,.(除非这里有其他规定).

6.3.2 GP 级材料在文件ASTM A269和ASTM A632中有相关的化学组成规定,并且对硫(S)含量限制

为max.0.012%

6.3.3对其他HP和UHP级材料,其化学成分规定可参考如下表1

元素

比重(范围)%

碳(C)

硫(S)

锰(Mn)

铜(Cu)

铌(Nb)

铝(Al)

钙(Ca)

钛(Ti)

硒(Se)

0.030MAX

0.010MAX

1.5MAX

0.30MAX

0.05MAX

0.01MAX

0.02MAX

表1 其他材料的化学组成

注:#1表示可通过供应商和客户协商确定一个较高的铜含量.

6.3.4 材料中硫含量对其焊接有重要的影响,参考附录1中分析.

6.3.5 材料中铜含量对焊接的影响可参考附录2.

6.3.6 在ASTM文件和该规格中对材料化学组成从最小值到最大值的规定没有得到采购商的同意不

能有误差.

6.4冶金学要求

6.4.1 ASTM E112中规定,对于热加工或冷加工的产品及形式尺寸要求3inches或更小的管材,其晶粒

度为5或更好,而对于大于3inches的材料,其晶粒度为3或更好.供应商和客户可通过协商来变更这些

要求.对于平板和方料的晶粒度必须通过供应商和客户的协商得到确认.

6.4.2 根据ASTM E45 Method A,材料的夹杂物成分由该批材料具有代表性的样品来决定,其额定值参

考Plate III.在钢坯料阶段,最大允许的JK夹杂物额定值如下表2所示.

类型

2.5

GP级

轻材料重材料

1.0

UP级

轻材料

2.0

重材料

1.0

UHP级

轻材料

1.5

1.0

重材料

1.0

表2 不同材料物

JK夹杂物额定值

6.4.3 材料要通过ASTM A 262 Practice E中规定的晶间腐蚀能力测试.

7认证信息

7.1 在出货时要提供一份经过确认的材料测试报告复本.该材料测试报告要包括以下几点:

7.1.1 根据ASTM A751制作材料化学组成分析,包括该规格中要求的所有元素.

7.1.2晶粒度

7.1.3 夹杂物中JK值.

7.1.4 机械性能.

8产品标识

8.1标识包含信息:

8.1.1 制造商名称,

8.1.2 采购商名称和定单号;

8.1.3 ASTM 规格文件编号.

8.1.4 该规格文件编号.

8.1.5 热指数等

8.1.6 材料类型(如,316L)

附录1硫对316L不锈钢钨极气体保护电弧(GTA)焊接的影响

注:该附录中所引用的材料是SEMI F20的专用零件,已完全通过确认.

A1-1硫对材料加工的影响

A1-1.1 AISI 型316L奥氏体不锈钢是用于半导体设备制造业中气体供应系统组件制造的优质材料.在

文件ASTM A 182/A 182M, ASTM A 240, ASTM A269, ASTM A 276,ASTM A 479/A 479M, 或ASTM A

632中表1规定316L的组成成分硫含量Max.0.030%;然而当硫含量大于0.03%时,对316L不锈钢加

工及应用有影响的一些性能会发生很大的变化.因此在SEMI F20 中6.3.2及6.3.3的表I 规定了一个

较低的硫含量最大值.

A1-1.2 硫在奥氏体不锈钢中不易溶解.因此在这些合金中以硫化锰的状态存在,硫化锰跟铬及涉及到

的其他元素一样具有可溶性. 这些夹杂物会导致电解抛光后表面产生麻点和其他不良外观,这些不良

外观会随着硫含量的增加而增加.

A1-1.3 硫化锰能提高不锈钢的加工能力;用于加工的材料其化学组成中硫含量要在Max0.03%左右,

硫含量很低的材料在加工过程中要求较少的进给量及速度,这样会缩短刀具的寿命.

A1-1.4 硫对焊接也有重要的影响;在约一到两个相似的焊接参数控制下,对硫取从低到允许的最大值

的不同值都会增加焊缝深度.

A1-1.5在表A1-1中总结了硫对材料加工的影响.

A 1-2硫对焊接的影响

A1-2.1对不同硫含量的材料进行焊接得到以下结果:

A1-2.1.1随硫含量减少,要达到满焊道需输入的热量会增加.

A1-2.1.2硫含量减少到低于0.005%,焊接熔池的活动会发生变化,使熔池变得更宽,更浅.

硫含量从0增加到允许达到的Max.0.030%

影响模式

加工能力提高

内杂物密度增加

腐蚀能力降低,特别是晶粒端.

当改变批次必须重新设置焊接.产生更多

焊接深度增加

含不同硫含量的不良焊接材料.

增加焊接离散度.

固化温度范围增加

呈现出较粗的焊缝表面.

表A1-1硫含量对不锈钢加工的影响

A1-2.1.3 上表中后面的影响主要是由于对硫含量约0.005%的材料焊接时,在焊接熔池中产生反向的

对流电流引起.当硫含量>0.005%时,对流电流沿弧线向下流动,产生如图A1-1所示很深的熔池,而当硫

造成结果

零件加工成本更低.

产生更多麻点,条纹及其他不良外观.耐防

含量<0.005%时,对流电流沿弧线向外流动,产生如图A1-2所示更宽更浅的熔池.

A1-2.1.4 当需焊接的两块不锈钢材料的硫含量明显不同时,就会发生严重的问题,造成焊接熔池不对

称,偏向低硫含量那端,并且焊缝根部会偏离接合处,如图A1-3所示.

A1-2.1.5 为使硫含量对焊接产生的影响最小化,要将需焊接的组件中硫含量控制在+/-0.007%.对于硫

含量差异更大的焊接件,要求更为细致的焊接设置以确保焊接深度到达接合处底部.

A1-1.1.6针对这些影响,有以下建议以确保焊接时得到最佳的焊接质量.

A1-2.1.6.1 审核被焊接件的化学组成.确保硫含量在+/-0.007%之内.

A1-2.1.6.2 针对低硫含量(约<0.003%)的焊接件,可能要求对焊接进行适当的设置.另外建议对壁

厚>0.100inch的产品要限制其硫含量>0.003%.

A1-2.1.6.3 对将焊接的材料进行焊接设置,无论何时改变材料批次都得重审焊接设置.

附录2 铜对316L不锈钢钨极气体保护电弧(GTA)焊接的影响

注:该附录中所引用的材料是SEMI F20的专用零件,已完全通过确认.

A2-1不锈钢中的铜元素

A2-1.1铜作为一种残留物或规定范围外的元素存在AISI 316L中,并不是一种意料之外的新增元素,

而是属于加工时炉内加料的组成部分,为了达到所期望的材料化学组成,这些炉内加料是主要的最终

报废料.在AMS 25248E文件中规定像铜这样的规定范围之外的化学元素最多可含0.50%.铜含量只能

通过熔融时减少.如果加工时间过长,更多的报废成分会被循环利用,而残留在AIAI 316L中的铜含量

也会增加.

A2-1.1 铜是一种奥氏体稳定剂,也能提高奥氏体不锈钢对氯化物溶解液的耐腐蚀性.

A2-2铜对焊接的影响

A2-2.1 在焊接方面,铜是一种表面活性元素,就如S,O和Se一样,它会影响焊缝弯曲量.像锰元素,在焊

接过程中会挥发,再沉积沿着焊缝往下流,它的存在会降低材料的耐腐蚀性,是造成被腐蚀的因素.一些

终端用户会因铜作为焊接污物或材料被腐蚀的潜在来源而限制其含量.

A2-2.2在晶片形成过程,铜含量的增加和焊缝弯曲量之间存在着相关性,对5个0.25 in.的管道进行评

估, 铜在其中一个含0.47%铜,0.011%硫的材料HAZ中起主要作用,对该材料焊接时出现焊缝弯曲现

象.对另一个含相同硫量, 而铜只含0.03%的材料焊接时并不会出现焊缝弯曲,对含铜0.31%,硫0.010%

的材料焊接后会出现氧化层.所有的焊接都是在氩气中进行.

A2-2.3 对28个从0.25到2.0in不同尺寸,铜含量0.05%到0.41%的管道进行研究测试,其中10个铜含

量>0.25%,9个尺寸为2.0 in.,铜含量都>0.22%,4个铜含量>0.25%,焊接后出现外观不良的材料

中:0.26%Cu,0.005%S; 0.28%Cu,0.009%S;和0.41%Cu,0.005%S.相反,外观可接受的材料中:0.3%Cu,

0.011%S.所有的焊接都是在氩气中进行.

A2-2.4 两个关于AISI 316L管道,2.5in.尺寸,铜含量>0.3%的例子说明了增加氢气与氩气一起作屏蔽

气体明显会影响焊接能力(见图A2-1).而当铜含量<0.3%时,并不会出现相同的效果.另外,当焊接含

铜>0.3%用Ar/H

作屏蔽气体的管件时,焊接电极会降级.(见图A2-2)

A2-2.5基于以上信息,得出以下结论:

A2-2.5.1 针对铜对焊料可焊接能力的影响,目前在SEMI F20中对铜含量限制在0.30%.

A2-2.5.2铜和硫含量对焊接的影响出现反差,当硫含量<0.010%时,铜对焊接的影响更明显.

A2-2.5.3 直径2.0in.的商业实用型管道都要求残留铜的含量>0.2%.

A2-2.5.4 Cohen数据显示对含0.31%铜,0.010%硫的材料在氩气中焊接之后会发生氧化反应;Collins数

据则显示了一个可行的焊接操作条件,即氩气中,含0.30%铜,0.011%硫的材料.

A2-2.5.5研究发现,当铜含量为0.41%和0.47%时,焊接后出现外观不良,焊缝弯曲,在HAZ中有铜沉积.

A2-2.5.6 铜含量>0.30%时在氩气中焊接会得到很好的效果,但可能会呈现出焊缝弯曲,电极在Ar/H

会发生碰撞

以下两个图(图略)的注释:

图A: 2.5in.的管道,铜含量0.37%.当H

作屏蔽气体时,会出现很明显的焊缝弯曲.

图BA: 2.5in.的管道,铜含量0.34%..当H

作屏蔽气体时,会出现很明显的焊缝弯曲,而且越来越明显.

A2-2.5.7 以下是焊接2.5in.的管道,铜含量0.34%,屏蔽气体Ar/H

之后焊接电极的电子显微照片(图略)

附录3晶粒度对UHP级组件性能的影响

注:该附录中所引用的材料是SEMI F20的专用零件,已完全通过确认.

A3-1相关背景

A3-1.1 在半导体制造业中,用于316不锈钢组件生产的原材料其晶粒度会影响组件的生产,如电解抛

光,因此晶粒度对于用户来说是一个重要的因素,最初,在SEMI F20中列出特殊的晶粒度要求,该标准

覆盖了一系列的原材料尺寸,型号,成品的应用范围及满足加工要求的其他特殊应用,最新版本的

SEMI F20中保留了原有的特殊的晶粒度要求并将其作为供应商和用户之间协商的条目.该附录的目

的旨在提供一份有关晶粒度对原材料性能和生产加工影响的相关资料.

A3-2影响晶粒度的因素

A3-2.1 晶粒形成

A3-2.1.1 一个晶粒被指定为原子微观检晶区.最初晶粒度是在铸造阶段,熔融金属固化时形成.通常经

过快速冷却表面使铸件固化后,其表面能比其内部形成更好的晶体结构,固化后,不经过热轧或锻造等

变形工艺,晶粒会随着时间的延长,温度的增加而增长.

A3-2.2钢加工参数对晶粒度增长和精炼的影响

A3-2.2.1 半导体组件生产过程中,主要的大铸件必须加工到所需求的较小尺寸及形状,可以通过对铸

件再加热,进行滚轧,锻造及挤压等热加工来得到所需尺寸, 这个变形加工过程中的变形程度,加工温

度下的加工时间都会精炼影响晶粒结构,促使晶粒增长.假如该变形工艺是在低温逐步升高的环境下

进行的,其材料中的晶粒会保留部分变形.残留的张力会导致加热过程中产生晶粒重排序,即复原,再结

晶到晶粒增长.另外残留的张力,初始温度,变形过程中的温度变化,变形均匀度都会影响热加工后产品

最终晶粒大小及均匀度,而内杂物,材料二相性,铸造过程中发生分离等多方面因素都可能影响最终晶

粒结构.

A3-2.2.2 经过热加工的零件常需要其他的辅助加工,包括退火软化,冷加工成形改变尺寸,形状和机械

性能.退火温度,冷加工变形程度及均匀度,加工顺序都会影响成品的晶粒大小及均匀性.

A3-2.3.3.晶粒度对组件性能的影响

A3-2.3.1退火温度对冷加工后不锈钢晶粒结构的影响如下图表所示,晶粒结构在室温下对组件性能的

影响如该图表的上半部分所示.随退火温度增加,产品会经历从复原到再结晶到晶粒增长的发展过程,

复原即不改变晶粒度,去除冷加工中存在不良结构的晶粒,再结晶即核晶化,新的晶粒形成过程. 一些

组件要求更高的机械强度及冷作业条件,所以用于半导体组件制造的不锈钢材料都须经过再结晶得

到优质晶粒度,如下图表所示.(此处图表略)

A3-3晶粒度对组件加工的影响

A3-3.1 晶粒度对机械抛光的影响

A3-3.1.1 较粗的晶粒比较细的晶粒要更长的机械抛光时间.随着表面越光滑,其效果越明显.在ASTM

E-112文件中表明,通常这种效果不是很显著,除非晶粒度>4的不锈钢要求表面光洁度达到Ra3或更

好.

A3-3.2 晶粒度对EP的影响

A3-3.2.1与较好晶粒度的不锈钢相比,含较粗晶粒度的不锈钢很难通过EP来达到满意的外观要求及

Ra 5.

A3-3.3晶粒度对化学钝化的影响

A3-3.3.1良好的晶粒微观结构包含更多的晶界,晶界是化学物质较活跃和扩散率较高的区域,晶界影响

不锈钢表面钝化层中主要成分氧化铬的形成,经调查显示钝化层的厚度与耐腐蚀性之间存在很小的

关联,而经验表明对组件性能也没明显的影响.

A3-4晶粒度对组件安装的影响

A3-4.1晶粒度对组件弯曲后性能的影响

A3-4.1.1 弯曲变形会引起表面更粗糙,称之为”桔皮”,较粗的晶体会产生更明显的桔皮现象,导致钝化

层中氧化铬更易分解.因此经过最终的化学钝化后,弯曲变形会使表面沉积更多的颗粒或导致耐腐蚀

性能力下降,调查表明钝化后对管道弯曲变形会有颗粒产生,防潮性能力下降,其防腐蚀性能力就相

当于该管道被焊接截面所具有的防腐蚀性,尽管如此, 目前还没有公开的研究及信息表明管道弯曲

与腐蚀速度,湿化时间,及颗粒沉积之间存在关联.

A3-4.2晶粒度对焊接能力的影响

A3-4.2.1 具有良好晶粒结构的不锈钢很少受到受热影响区(HAZ)裂缝的影响,HAZ裂缝是一种在焊

接时由于不同的冷却速度引起的机械压力造成的开裂现象.所以用于半导体气体系统装置的含晶粒

度5-10(参考文件ASTM E112)的不锈钢的自动焊接过程中不会存在这种现象,但是当将截面大小明

显不同的零件焊接在一起时,由于一个零件的固化及与另一个零件的快速融合会导致这种情况的发

生.假如发生开裂现象,很可能是因为晶粒度过粗造成的.

A3-5总结

A3-5.1 相比材料成本,实用性,组成,及生产和安装工艺过程中的其他控制因素而言,晶粒度对加工工

艺和产品应用的影响不是很明显.

注: SEMI对该标准对特殊应用的适用性并没做出承诺与保证.决定其适应性是用户的职责,用户需注

意制造商的说明,产品标识,产品数据报表,及其他相关的材料和设备的文字说明.这些标准没有备注

可通过协商得到更改.