DE112004000576B4

DE112004000576B4 - Herstellungsverfahren für eine hauptsächlich in α-Kristallstruktur befindliche Aluminiumoxidschicht sowie Verfahren zur Herstellung eines mehrlagig beschichteten Teils mit einer solchen Schicht

Info

Publication number: DE112004000576B4
Application number: DE112004000576.0T
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Tamagaki; Toshimitsu Kohara; Toshiki Sato
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2003-04-04
Filing date: 2004-03-22
Publication date: 2016-09-29
Anticipated expiration: 2024-03-23
Also published as: US20060257562A1; JP2004307920A; EP1616974A1; DE112004000576T8; DE112004000576T5; JP4173762B2; WO2004090191A1; EP1616974A4; EP1616974B1; IL171284A; US7776393B2

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer hauptsächlich in α-Kristallstruktur befindlichen Aluminiumoxidschicht auf einem Substrat, mit den Schritten: Vorbehandeln einer Oberfläche eines zu beschichtenden Substrats mit einem Keramikpulver, das die gleiche Kristallstruktur wie in der α-Kristallstruktur befindliches Aluminiumoxid hat, um auf der Oberfläche des Substrats feine Kratzer auszubilden; Abwaschen des Keramikpulvers, um die auf der Oberfläche des Substrats ausgebildeten feinen Kratzer zu hinterlassen; und Abscheiden der hauptsächlich in α-Kristallstruktur befindlichen Aluminiumoxidschicht auf dem Substrat.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer hauptsächlich in α-Kristallstruktur befindlichen Aluminiumoxidschicht, die auf verschleißbeständigen Produkten wie einem Schneidwerkzeug, Gleitteilen und einer Form abgeschieden werden soll, und auf ein Verfahren zur Herstellung eines mit einer mehrlagigen Schicht beschichteten Teils, bei dem durch das obige Verfahren auf der äußersten Schicht des Teils eine hauptsächlich in α-Kristallstruktur befindliche Aluminiumoxidschicht ausgebildet wird, und insbesondere auf ein nützliches Herstellungsverfahren, das unabhängig von der Art des Substrats, etwa der des Schneidwerkzeugs oder der Gleitteile, unter Niedrigtemperaturbedingungen, die nicht die Eigenschaften des Substrats beeinträchtigen, die Herstellung einer hauptsächlich in α-Kristallstruktur befindlichen Aluminiumoxidschicht (im Folgenden einfach als „Quasi-α-Aluminiumoxidschicht“ bezeichnet) erlaubt.
Die durch die Erfindung erzielte Aluminiumoxidschicht kann bei den verschiedenen oben beschriebenen Anwendungen eingesetzt werden, doch wird die Erfindung im Folgenden in erster Linie unter Bezugnahme auf ein Schneidwerkzeug als typisches Beispiel beschrieben.
Als Schneidwerkzeuge und Gleitteile, von denen eine hervorragende Verschleißbeständigkeit und Gleiteigenschaften verlangt werden, werden im Allgemeinen Substrate aus beispielsweise Schnellstahl und Hartmetall verwendet, auf deren Oberfläche durch physikalische Dampfabscheidung (nachstehend als PVD-Verfahren bezeichnet) oder chemische Dampfabscheidung (nachstehend als CVD-Verfahren bezeichnet) eine Hartschicht wie Titannitrid oder Titanaluminiumnitrid ausgebildet wird.
Im Anwendungsfall des Schneidwerkzeugs, bei dem von der Hartschicht eine hohe Verschleiß- und Wärmebeständigkeit (Oxidationsbeständigkeit bei hoher Temperatur) verlangt wird, hat für Anwendungen wie Hartmetallwerkzeuge, deren Kante sich während der Bearbeitung auf eine hohe Temperatur erhitzt, als Beschichtungsmaterial Titanaluminiumnitrid (TiAlN) breite Verwendung gefunden, das bei diesen beiden Eigenschaften hervorragend ist. Der Grund für diese vorteilhaften Eigenschaften von TiAlN ist, dass die TiAlN-Schicht durch die Wirkung des in der Schicht enthaltenen Aluminiums eine bessere Wärmebeständigkeit hat und bis auf eine hohe Temperatur von ungefähr 800°C durchweg eine hervorragende Verschleiß- und Wärmebeständigkeit zeigt. Als TiAlN-Schichten wurden verschiedene TiAlN-Zusammensetzungen aus Ti und Al verwendet, doch hatten die meisten von ihnen eine Zusammensetzung, bei denen beide Eigenschaften hervorragend sind, und zwar ein Ti:Al-Atomverhältnis im Bereich 50:50 bis 25:75.
Davon abgesehen wird die Kante eines Schneidwerkzeugs während der Bearbeitung gelegentlich auf eine Temperatur von 1000°C oder höher erhitzt. Da die TiAlN-Schicht allein nicht ausreichend wirksam bei der Gewährleistung der Wärmebeständigkeit ist, wird es unter solchen Umständen häufig, wie z. B. in der US 5,879,823 A offenbart ist, zur Gewährleistung der Wärmebeständigkeit praktiziert, auf einer TiAlN-Schicht zusätzlich eine Aluminiumoxidschicht auszubilden.
Aluminiumoxid hat abhängig von der Temperatur verschiedene Kristallstrukturen, doch sind sämtliche dieser Kristallstrukturen thermisch metastabil. Im Fall eines Schneidwerkzeugs schwankt die Temperatur der Kante jedoch während der Bearbeitung in einem weiten Bereich von Zimmertemperatur bis 1000°C, was Umwandlungen der Kristallstruktur des Aluminiumoxids verursacht und folglich zu Problemen wie einer Rissbildung und Ablösung der Schicht führt. Allerdings behält Aluminiumoxid in der α-Kristallstruktur, die durch CVD bei einer höheren Substrattemperatur von 1000°C oder mehr gebildet wird, danach, sobald es einmal gebildet ist, unabhängig von der Temperatur seine thermisch stabile Struktur. Die Abscheidung einer Aluminiumoxidschicht in der α-Kristallstruktur wird daher als ein wirksames Mittel angesehen, um Schneidwerkzeugen und anderem Wärmebeständigkeit zu verleihen.
Allerdings ist es wie oben beschrieben notwendig, das Substrat auf 1000°C oder mehr zu erhitzen, um Aluminiumoxid in der α-Kristallstruktur auszubilden, was die Art der passenden Substrate einschränkt. Und zwar erweichen einige Substrate abhängig von ihrer Art und verlieren ihre günstigen Eigenschaften als Substrat für verschleißbeständige Produkte, wenn sie einer hohen Temperatur von 1000°C oder mehr ausgesetzt werden. Auch hochgradig wärmebeständige Substrate wie Hartmetalle zeigen Probleme wie eine Verformung, wenn sie einer solchen hohen Temperatur ausgesetzt werden. Darüber hinaus reicht der praktische Temperaturbereich für den Gebrauch der Hartschichten, etwa der TiAlN-Schichten, die auf einem Substrat als verschleißbeständige Schicht ausgebildet werden, im Allgemeinen höchstens bis 800°C und können solche Schichten degenerieren und zu einer schlechteren Verschleißbeständigkeit führen, wenn sie einer hohen Temperatur von 1000°C oder mehr ausgesetzt werden.
Im Zusammenhang mit diesen Problemen berichtet die US 5,310,607 A , dass es möglich war, in einem tieferen Temperaturbereich von 500°C oder weniger einen (Al, Cr)₂O₃-Mischkristall zu erzielen, der eine genauso hohe Härte wie das oben beschriebene Aluminiumoxid hat. Wenn das Werkstückmaterial als Hauptbestandteil Eisen enthält, wird das an der Oberfläche der Mischkristallschicht vorkommende Cr jedoch während der Bearbeitung häufig chemisch mit dem Eisen in dem Werkstückmaterial reagieren, was zu einem stärkeren Verbrauch der Schicht und zu einer Verkürzung der Lebensdauer führt.
Davon unabhängig berichteten O. Zywitzki, G. Hoetzsch, et al. in „Surf. Coat. Technol.“ (86–87, 1996, S. 640–647), dass es möglich war, bei 750°C eine Aluminiumoxidschicht in der α-Kristallstruktur auszubilden, indem unter Verwendung einer Pulsstromversorgung mit einer hohen Ausgangsleistung (11 bis 17 kW) reaktives Sputtern durchgeführt wurde. Allerdings lässt es sich nicht vermeiden, die Kapazität der Pulsstromversorgung zu erhöhen, um durch dieses Verfahren Aluminiumoxid in der α-Kristallstruktur zu erzielen.
Als einen Lösungsvorschlag für diese Probleme offenbart die JP 2002-53946 A ein Verfahren, bei dem mit einer Gitterkonstante von 0,4779 nm oder mehr und 0,5000 nm oder weniger in der Korundstruktur (α-Kristallstruktur) eine Oxidschicht mit einer Schichtdicke von mindestens 0,005 µm als Unterlage ausgebildet und auf der Unterlage eine Aluminiumoxidschicht in der α-Kristallstruktur ausgebildet wird. Diese Druckschrift zeigt, dass der Bestandteil für die Oxidschicht vorzugsweise Cr₂O₃, (Fe, Cr)₂O₃ oder (Al, Cr)₂O₃ ist; besser noch (Fe_x, Cr_(1-x))₂O₃ (mit 0 ≤ x ≤ 0,54), wenn es sich um (Fe, Cr)₂O₃ handelt, und (Al_y, Cr(_(1-y))₂O₃ (mit 0 ≤ y ≤ 0,90), wenn es sich um (Al, Cr)₂O₃ handelt.
Es gibt auch einen Hinweis darauf, dass es wirksam ist, als Hartschicht eine Schicht aus einem Verbundnitrid auszubilden, das Al und mindestens eines der Elemente der aus Ti, Cr und V bestehenden Gruppe enthält, darauf durch weiteres Oxidieren der obigen Schicht eine Schicht aus (Al_z, Cr_(1-z))N (mit 0 ≤ z ≤ 0,90) als Zwischenschicht auszubilden, die eine Oxidschicht mit der Korundstruktur (α-Kristallstruktur) bildet, und auf der Oxidschicht dann Aluminiumoxid in der α-Kristallstruktur zu bilden.
Als weiterer Stand der Technik ist aus der EP 0 780 484 A1 ein Beschichtungsverfahren bekannt, bei dem die Oberfläche einer auf einem Superlegierungssubstrat ausgebildeten MCrAlY-Verbindungsschicht mit einer Dispersion von submikrongroßen α-Aluminiumoxidteilchen geimpft wird, die als Keimbildungsorte für eine α-Aluminiumoxidschicht dienen, die sich unter einer anschließend auf der Verbindungsschicht aufgebrachten Wärmedämmschicht bildet.
Des Weiteren beschreibt die DE 696 21 063 T2 ein Beschichtungsverfahren, bei dem eine auf einem Hartmetallkörper ausgebildete κ-Aluminiumoxidschicht durch nasses Sandstrahlen mit Aluminiumoxidteilchen geglättet wird, um das nass sandgestrahlte κ-Aluminiumoxid dann durch eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 900 bis 1100°C in α-Aluminiumoxid umzuwandeln.
Darüber hinaus haben die Erfinder verschiedene Verfahren vorgeschlagen, bei denen auf einer Hartschicht eine hauptsächlich in α-Kristallstruktur befindliche Aluminiumoxidschicht ausgebildet wird (siehe zum Beispiel die JP 2004-076029 A ).
Als die von den Erfindern vorgeschlagenen Verfahren nicht bei Hartschichten, sondern bei verschiedenen anderen Substraten eingesetzt wurden, war es jedoch abhängig von der Art des Substrats nicht möglich, eine Quasi-α-Aluminiumoxidschicht zu erzielen. Als die Aluminiumoxidschicht auf der genannten Hartschicht bei etwa 700°C in einem unteren Temperaturbereich ausgebildet wurde, der üblicherweise die Erzeugung der Quasi-α-Aluminiumoxidschicht erlaubt, nahm außerdem in der erzielten Aluminiumoxidschicht das Verhältnis der γ- zur α-Kristallstruktur zu. Im Folgenden werden ausführlich Versuchsergebnisse beschrieben, die die obige Beschreibung bestätigen.
Es wurden zunächst die folgenden drei Substrate (1) bis (3) angefertigt, und dann wurden die folgenden Experimente A und B durchgeführt.

(1) Si-Wafer
(2) Hartmetallsubstrat (12,7 mm × 12,7 mm × 5 mm) mit hochglanzpolierter Oberfläche (Ra: ungefähr 0,02 µm) und einer darauf durch Elektronenstrahlverdampfung (nachstehend als AIP-Verfahren bezeichnet) als Hartschicht gebildeten 2 bis 3 µm dicken TiAlN-(Ti_0,55Al_0,45N-)Schicht
(3) wie das Substrat (2) behandeltes Hartmetallsubstrat mit einer darauf durch das AIP-Verfahren als Hartschicht gebildeten 2 bis 3 µm dicken CrN-Schicht.

<Experiment A>
Jedes Substrat wurde zunächst oxidiert, um dann darauf eine Aluminiumoxidschicht auszubilden. Das Substrat wurde in der in 1 gezeigten Vakuumabscheidevorrichtung, die mit einer AIP-Kathode (Bezugszeichen 7 in 1), einer Magnetron-Sputterkathode, einem Heizmechanismus, einem Substratdrehmechanismus und anderem ausgestattet war, oxidiert und mit der Aluminiumoxidschicht beschichtet.
Das Substrat wurde wie folgt oxidiert: Mit jedem Planetendrehhalter 4 auf dem Drehtisch 3 in der Vorrichtung 1 wurde ein Versuchskörper (Substrat) 2 verbunden; die Vorrichtung wurde auf beinahe Vakuum evakuiert; und die Versuchskörper wurden mit einem in der Mitte der Vorrichtung sitzenden Heizkörper 5 und mit an der inneren Seitenwand 2 der Vorrichtung sitzenden Heizkörpern 5 auf 450°C erhitzt. Nachdem die Versuchskörper auf eine bestimmte Temperatur erhitzt worden waren, wurde mit einem Durchfluss von 300 Standardkubikzentimeter bis zu einem Druck von 0,75 Pa Sauerstoffgas in die Vorrichtung 1 eingeleitet, und die Versuchskörper wurden oxidiert, während sie unter den gleichen Bedingungen 20 Minuten lang erhitzt wurden.
Die Aluminiumoxidschicht wurde wie folgt gebildet: Durch reaktives Sputtern wurde eine ungefähr 2 µm dicke Aluminiumoxidschicht gebildet, und zwar indem in einer Argon- und Sauerstoffumgebung bei einer ähnlichen Substrattemperatur wie im Oxidationsschritt auf die beiden in 1 gezeigten Sputterkathoden 6 mit Aluminiumtarget jeweils ein gepulster Gleichstrom mit ungefähr 2,5 kW Leistung aufgebracht wurde. Die Aluminiumoxidschicht wurde im Entladungszustand in einem sogenannten Übergangsmodus gebildet, d. h. indem die Entladungsspannung und das Durchflussverhältnis von Argon/Sauerstoff durch Plasmaemissionsspektroskopie gesteuert wurden.
Die Kristallstruktur der auf der äußersten Schicht gebildeten Aluminiumoxidschicht wurde identifiziert, indem die Oberfläche der auf diese Weise gebildeten Dünnschicht mit einem Röntgendiffraktometer analysiert wurde. 2 zeigt das Dünnschicht-Röntgendiffraktometriemuster der Aluminiumoxidschicht, die sich ergab, als das Substrat (2) (TiAlN-Schicht) verwendet wurde; 3, als das Substrat (3) (CrN-Schicht) verwendet wurde; und 4, als das Substrat (1) (Si-Wafer) verwendet wurde. In 2 gibt es Beugungsmaxima für TiAlN und kleinere Beugungsmaxima für Aluminiumoxid in der γ-Kristallstruktur (im Folgenden als „γ-Aluminiumoxidmaximum“ bezeichnet), doch sind die Beugungsmaxima für Aluminiumoxid in der α-Kristallstruktur (nachstehend als „α-Aluminiumoxidmaximum“ bezeichnet, höher, was nahe legt, dass sich auf der TiAlN-Schicht eine Quasi-α-Aluminiumoxidschicht bildete. 3, in der die α-Aluminiumoxidmaxima höher sind, gibt an, dass sich auch auf der CrN-Schicht eine Quasi-α-Aluminiumoxidschicht bildete. In 3 wurden auch Maxima für Chromoxid beobachtet, das sich durch Oxidation der Oberfläche der CrN-Schicht bildete.
Im Gegensatz dazu ist in 4 kein α-Aluminiumoxidmaximum zu beobachten, was nahe legt, dass sich auf dem Si-Wafer eine hauptsächlich in der γ-Kristallstruktur befindliche Aluminiumoxidschicht bildete.
<Experiment B>
Mit Ausnahme dessen, dass die Substrattemperatur mit 700°C etwas niedriger als in Experiment A war, wurde dann auf jedem der Substrate (1) bis (3) unter den gleichen Bedingungen wie beim Experiment A eine Aluminiumoxidschicht ausgebildet, und die Aluminiumoxidschicht wurde mit einem Dünnschicht-Röntgendiffraktometer analysiert. Die Ergebnisse für das Substrat (2) (TiAlN-Schicht) sind in 5, die für das Substrat (3) (CrN-Schicht) in 6 und die für das Substrat (1) (Si-Wafer) in 7 gezeigt.
Obwohl die beiden Schichten in den 5 und 2 auf der gleichen TiAlN-Schicht ausgebildet wurden, ist aus den Figuren ersichtlich, dass, wie in 5 gezeigt ist, eine in einem niedrigeren Temperaturbereich gebildete Aluminiumoxidschicht ein höheres Intensitätsverhältnis von γ- zu α-Aluminiumoxidmaxima hat oder der Gehalt von Aluminiumoxid in der γ-Kristallstruktur in dem gebildeten Aluminiumoxid höher ist.
Darüber hinaus wurden ähnliche Ergebnisse erzielt, als das Substrat (3) (CrN-Schicht) verwendet wurde. Aus dem Vergleich zwischen den 6 und 3 ergibt sich, dass es in 6 γ-Aluminiumoxidmaxima gibt, die es in 3 nicht gibt, und dass sich leicht Aluminiumoxid in der γ-Kristallstruktur bildet, wenn die Schichtbildungstemperatur in einem niedrigeren Temperaturbereich liegt.
Als das Substrat (1) (Si-Wafer) verwendet wurde, wurden in 7 als Aluminiumoxidmaxima ähnlich wie in dem Fall, als die Schichtbildungstemperatur 750°C betrug (obige 4), nur γ-Aluminiumoxidmaxima beobachtet, was zeigt, dass bei der von der Erfindung vorgesehenen Schichtbildungstemperatur nur Aluminiumoxid in der γ-Kristallstruktur gebildet wurde.
Nach ähnlichen Experimenten, bei denen auch andere Bedingungen geändert wurden, fanden die Erfinder heraus, dass sich am leichtesten Aluminiumoxid in der α-Kristallstruktur bilden lässt, wenn die Substratoberfläche eine Cr-haltige Schicht wie CrN aufweist, und am nächst leichtesten, wenn die Substratoberfläche eine Al-haltige Schicht wie TiAlN oder eine Ti-haltige Schicht wie TiN oder TiCN aufweist; und dass es selbst auf Substraten wie Schnellstahl oder Hartmetall, auf denen eine solche Schicht in der Vergangenheit nicht ausgebildet werden konnte, möglich ist, neben Aluminiumoxid in der γ-Kristallstruktur Aluminiumoxid in der α-Kristallstruktur auszubilden. Allerdings bildete sich auf einem Si-Wafer nur Aluminiumoxid in der γ-Kristallstruktur, egal wie die Bedingungen geändert wurden.
Unter den obigen Umständen ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem sich nicht nur auf einem Substrat, auf dessen Oberfläche eine TiAlN-Schicht oder CrN-Schicht ausgebildet ist, sondern auch auf einem Substrat wie einem Si-Wafer, das bei einer Temperatur von ungefähr 800°C oder weniger bislang nur die Abscheidung von Aluminiumoxid in der γ-Kristallstruktur erlaubte, bei einer verhältnismäßig geringen Temperatur ohne Verformung oder Zerlegung des Substrats eine Quasi-α-Aluminiumoxidschicht ausbilden lässt.
Die Erfinder glauben, dass es möglich ist, in einem niedrigeren Temperaturbereich unabhängig von der Art des Substrats eine Quasi-α-Aluminiumoxidschicht auszubilden, indem ein Verfahren etabliert wird, mit dem sich auf einem sich einer Abscheidung einer Quasi-α-Aluminiumoxidschicht widersetzenden Substrat auf diese Weise eine Schicht ausgebildet wird.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Ausbilden der Quasi-α-Aluminiumoxidschicht auf CrN oder TiAlN zur Verfügung zu stellen, das bei einer niedrigeren Schichtbildungstemperatur ohne Verunreinigung durch beispielsweise Aluminiumoxid in der γ-Phase die Abscheidung von α-Aluminiumoxid erlaubt.
Die Erfindung sieht zur Lösung dieser Aufgabe gemäß Anspruch 1 ein Verfahren zur Herstellung einer hauptsächlich in α-Kristallstruktur befindlichen Aluminiumoxidschicht auf einem Substrat und gemäß Anspruch 11 ein Verfahren zur Herstellung eines mit einer mehrlagigen Schicht beschichteten Teils vor, das das Verfahren gemäß Anspruch 1 verwendet.
Das beim Herstellungsverfahren verwendete Keramikpulver ist vorzugsweise ein Oxidkeramikpulver, vorzugsweise ein Keramikpulver mit der gleichen Korundstruktur (α-Kristallstruktur) wie das hauptsächlich in der α-Kristallstruktur befindliche Aluminiumoxid und besser noch ein in der α-Kristallstruktur befindliches Aluminiumoxidpulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 50 µm oder weniger.
Das Substrat darf auf seiner Oberfläche eine Schicht haben, die aus ein oder mehr der folgenden Verbindungen besteht: Verbindungen von einem oder mehr der Elemente der Nebengruppen 4a, 5a und 6a des Periodensystems sowie Al, Si und Y mit einem oder mehr der Elemente C, N, B und O; deren Mischkristalle; und Verbindungen von einem oder mehr der Elemente C, N und B. Typische Beispiele dafür schließen Substrate mit einer auf ihrer Oberfläche ausgebildeten Hartschicht ein, die ein oder mehr der Verbindungen TiN, TiC, TiCN, TiAlN und TiAlCrN enthält.
Der Schritt Vorbehandeln der Substratoberfläche schließt zum Beispiel den Schritt Polieren der Substratoberfläche unter Verwendung des Keramikpulvers (vorzugsweise des Aluminiumoxidpulvers) und den Schritt Eintauchen und Ultraschallbehandeln des Substrats in einer Flüssigkeit, in der das Keramikpulver (vorzugsweise das Aluminiumoxidpulver) dispergiert ist, ein.
Die Aluminiumoxidschicht wird vorzugsweise durch ein Gasphasenwachstumsverfahren gebildet, wobei als Gasphasenwachstumsverfahren jedes Verfahren verwendet werden kann, das aus der aus CVD, PE-CVD, Sputtern, Ionenplattieren und Dampfabscheiden bestehenden Gruppe gewählt wird.
Es folgt nun eine Kurzbeschreibung der Zeichnungen.
1 zeigt schematisch (Draufsicht) eine bei der Umsetzung der Erfindung verwendete Vorrichtung.
2 zeigt als Diagramm das Dünnschicht-Röntgendiffraktometriemuster einer auf einer TiAlN-Schicht ausgebildeten Aluminiumoxidschicht (Schichtbildungstemperatur: 750°C).
3 zeigt als Diagramm das Dünnschicht-Röntgendiffraktometriemuster einer auf einer CrN-Schicht ausgebildeten Aluminiumoxidschicht (Schichtbildungstemperatur: 750°C).
4 zeigt als Diagramm das Dünnschicht-Röntgendiffraktometriemuster einer auf einem Si-Wafer ausgebildeten Aluminiumoxidschicht (Schichtbildungstemperatur: 750°C).
5 zeigt als Diagramm das Dünnschicht-Röntgendiffraktometriemuster einer auf einer TiAlN-Schicht ausgebildeten Aluminiumoxidschicht (Schichtbildungstemperatur: 700°C).
6 zeigt als Diagramm das Dünnschicht-Röntgendiffraktometriemuster einer auf einer CrN-Schicht ausgebildeten Aluminiumoxidschicht (Schichtbildungstemperatur: 700°C).
7 zeigt als Diagramm das Dünnschicht-Röntgendiffraktometriemuster einer auf einem Si-Wafer ausgebildeten Aluminiumoxidschicht (Schichtbildungstemperatur: 700°C).
8 zeigt als Diagramm das Dünnschicht-Röntgendiffraktometriemuster einer Aluminiumoxidschicht, die auf einem Si-Wafer ausgebildet wurde, der zuvor mit Aluminiumoxidpulver poliert wurde (Schichtbildungstemperatur: 750°C).
9 zeigt als Diagramm das Dünnschicht-Röntgendiffraktometriemuster einer Aluminiumoxidschicht, die auf einem Si-Wafer ausgebildet wurde, der zuvor in Ethanol mit darin dispergiertem Aluminiumoxidpulver eingetaucht und mit Ultraschall behandelt wurde (Schichtbildungstemperatur: 750°C).
10 zeigt als Diagramm das Dünnschicht-Röntgendiffraktometriemuster einer Aluminiumoxidschicht, die auf einem Si-Wafer ausgebildet wurde, der zuvor mit Aluminiumoxidpulver poliert wurde (Schichtbildungstemperatur: 700°C).
11 zeigt als Diagramm das Dünnschicht-Röntgendiffraktometriemuster einer Aluminiumoxidschicht, die auf einem Si-Wafer ausgebildet wurde, der zuvor in Ethanol mit darin dispergiertem Aluminiumoxidpulver eingetaucht und mit Ultraschall behandelt wurde (Schichtbildungstemperatur: 700°C).
12 zeigt als Diagramm das Dünnschicht-Röntgendiffraktometriemuster einer Aluminiumoxidschicht, die auf einem Si-Wafer ausgebildet wurde, der zuvor mit Diamantpulver poliert wurde (Schichtbildungstemperatur: 700°C).
13 zeigt als Diagramm das Dünnschicht-Röntgendiffraktometriemuster einer Aluminiumoxidschicht, die auf einem Si-Wafer gebildet wurde, der zuvor in Ethanol mit darin dispergiertem Diamantpulver und mit Ultraschall behandelt wurde (Schichtbildungstemperatur: 700°C).
14 zeigt als Diagramm das Dünnschicht-Röntgendiffraktometriemuster einer Aluminiumoxidschicht, die auf einer TiAlN-Schicht ausgebildet wurde, die zuvor mit Aluminiumoxidpulver poliert wurde (Schichtbildungstemperatur: 700°C).
15 zeigt als Diagramm das Dünnschicht-Röntgendiffraktometriemuster einer Aluminiumoxidschicht, die auf einer TiAlN-Schicht ausgebildet wurde, die zuvor in Ethanol mit darin dispergiertem Aluminiumoxidpulver eingetaucht und mit Ultraschall behandelt wurde (Schichtbildungstemperatur: 700°C).
16 zeigt als Diagramm das Dünnschicht-Röntgendiffraktometriemuster einer Aluminiumoxidschicht, die auf einer TiAlN-Schicht ausgebildet wurde, die zuvor mit Diamantpulver poliert wurde (Schichtbildungstemperatur: 700°C).
17 zeigt als Diagramm das Dünnschicht-Röntgendiffraktometriemuster einer Aluminiumoxidschicht, die auf einer TiAlN-Schicht ausgebildet wurde, die zuvor in Ethanol mit darin dispergiertem Diamantpulver eingetaucht und mit Ultraschall behandelt wurde (Schichtbildungstemperatur: 700°C).
Unter den obigen Umständen führten die Erfinder von allen Seiten aus Untersuchungen zu einem Verfahren durch, mit dem sich in einem verhältnismäßig tiefen Temperaturbereich von etwa 800°C oder niedriger auf einem Substrat unabhängig von der Art des Substrats eine hauptsächlich in α-Kristallstruktur befindliche Aluminiumoxidschicht ausbilden lässt.
Dabei fanden die Erfinder heraus, dass es bei der Ausbildung einer Aluminiumschicht auf einem Substrat (einschließlich eines Substrats mit einer darauf zuvor ausgebildeten Schicht) besonders wirksam ist, die Substratoberfläche mit einem Keramikpulver zu behandeln, das hauptsächlich die gleiche Kristallstruktur wie in der α-Kristallstruktur befindliches Aluminiumoxid hat (nachstehend einfach als „Vorbehandlung“ bezeichnet).
Diese Feststellung erfolgte auf der Grundlage verschiedener Experimente und auf den durch die Experimente erzielten Tatsachen, wobei der Mechanismus, obwohl noch nicht vollständig verstanden, als der Folgende angesehen wird:
Die Versuchsergebnisse der Erfinder legen nahe, dass die unten liegende Substratoberfläche einen sehr wichtigen Einfluss auf die Erzeugung der Kristallschicht der Aluminiumoxidschicht hat.
So bildet sich auf dem Substrat insbesondere dann, wenn beispielsweise eine Substratoberfläche mit einer darauf durch das AIP-Verfahren ausgebildeten TiAlN- oder CrN-Schicht oxidiert wird, häufig Aluminiumoxid mit α-Kristallstruktur. Auf der äußersten Schicht der TiAlN-Schicht bildet sich durch die Oxidation Aluminiumoxid und auf der äußersten Schicht der CrN-Schicht Cr₂O₃, das die gleiche Kristallstruktur wie in α-Kristallstruktur befindliches Aluminiumoxid hat, wobei diese Metalloxide während der Anfangsphase der Schichtbildung günstigere Vorraussetzungen zur Erzeugung von α-Aluminiumoxidkristallkeimen zu bieten scheinen.
Wenn dagegen wie oben beschrieben als Substrat ein Si-Wafer verwendet wird, bildet sich auch dann, wenn die Schicht unter den gleichen Bedingungen wie bei der TiAlN- oder CrN-Schicht gebildet wird, überhaupt kein in der α-Kristallstruktur befindliches Aluminiumoxid. Dies liegt wahrscheinlich daran, dass die dichte und dünne SiO₂-Schicht, die sich durch die Oxidation des Si-Wafers auf der Oberfläche des Si-Wafers bildet, in einem Zustand befindet, der zur Zeugung von α-Aluminiumoxidkristallkeimen ungeeignet ist.
Allerdings bildete sich bei einer Schichtbildungstemperatur im Bereich von 700°C und 750°C auch dann, als ein Si-Wafer als Substrat verwendet wurde, eine Quasi-α-Aluminiumoxidschicht, als das Si-Wafersubstrat vor der Abscheidung der Aluminiumoxidschicht mit in der α-Kristallstruktur befindlichem Aluminiumoxidpulver poliert wurde oder in eine Flüssigkeit eingetaucht und mit Ultraschall behandelt wurde, in der das Pulver dispergiert war.
Als dagegen ein Si-Wafer als Substrat verwendet und anstelle des Aluminiumoxidpulvers eine Diamantpaste (Diamantpulver), also ein ähnliches Hartpulver wie Aluminiumoxidpulver, verwendet wurde, bildete sich keine Quasi-α-Aluminiumoxidschicht. Als bei einer ähnlichen Behandlung (Ultraschall) anstelle des Aluminiumoxidpulvers Zirkoniumoxid- oder Siliziumoxid-(SiO₂-)Pulver verwendet wurde, bildete sich eine hauptsächlich in γ-Kristallstruktur befindlicher Aluminiumoxidschicht, die eine geringere Menge in α-Kristallstruktur befindliches Aluminiumoxid enthielt.
Die Tatsache, dass sich die Quasi-α-Aluminiumoxidschicht nur dann auf einem Si-Wafer bildet, wenn der Wafer mit in α-Kristallstruktur befindlichem Aluminiumoxidpulver behandelt wird, legt nahe, dass sich durch die Vorbehandlung auf dem Si-Wafer feine Kratzer und Kerben bilden, die die α-Kristallstruktur des Aluminiumoxidpulvers wiedergeben, oder dass auf der Substratoberfläche eine Spurenmenge des in α-Kristallstruktur befindlichen Aluminiumoxidpulvers zurückbleibt und dass die Kratzer und Vertiefungen oder das in einer Spurenmenge verbliebene Aluminiumoxidpulver dazu dienen, während der Aluminiumoxidabscheidung die Erzeugung von α-Aluminiumoxidkristallkeimen auszulösen.
Bei einem anderen Experiment wurden ähnlich wie oben bei einer Substrattemperatur von 700°C Aluminiumoxidschichten statt auf dem Si-Wafer auf einem Substrat ausgebildet, das auf seiner Oberfläche eine Hartschicht aus CrN oder TiAlN hatte. Als die obige Vorbehandlung nicht erfolgte, bildete sich auf dem CrN infolgedessen eine Schicht, die hauptsächlich α-Aluminiumoxid und eine geringe Menge γ-Aluminiumoxid enthielt, während sich auf dem TiAlN eine Schicht bildete, in der α- und γ-Aluminiumoxid gemischt waren. Als die Oberfläche der Hartschicht mit dem Aluminiumoxidpulver vorbehandelt wurde, bildete sich dagegen auf sowohl dem CrN als auch dem TiAlN die Quasi-α-Aluminiumoxidschicht.
Als die Vorbehandlung statt mit dem Aluminiumoxidpulver unter Verwendung des Pulvers aus Diamant, Zirkoniumoxid oder Siliziumoxid erfolgte, war dagegen anders als bei der Verwendung des Aluminiumoxidpulvers die Wirkung einer beschleunigten α-Kristallisation nicht zu beobachten. Dieses Phänomen scheint durch die gleichen Gründe verursacht zu werden wie bei den Experimenten, bei denen der Si-Wafer als Substrat verwendet wurde.
Anhand der obigen Überlegungen kamen die Erfinder zu dem Ergebnis, dass es beim Ausbilden einer Aluminiumoxidschicht auf einem Substrat (einschließlich eines Substrats mit einer darauf zuvor ausgebildeten Schicht) wirksam ist, die Substratoberfläche mit einem Keramikpulver zu behandeln, das hauptsächlich die gleiche Kristallstruktur wie in α-Kristallstruktur befindliches Aluminiumoxid hat.
Beispiele für das Verfahren zur Vorbehandlung der Oberfläche schließen das Polieren der Substratoberfläche mit einem Keramikpulver, etwa mit einem Aluminiumoxidpulver wie bei dem obigen Experiment, das Eintauchen und eine Ultraschallbehandlung des Substrats in einer Flüssigkeit, in der das Pulver dispergiert ist, und andere ähnliche Behandlungsverfahren ein, einschließlich Kugelstrahlen, Nasshonen und Trommelabnutzung.
Keramikpulver für die Vorbehandlung schließen beispielsweise Metalloxide, Metallnitride, Metallboride, Metallcarbide und Metallcarbide/-nitride ein, wobei bestimmte Beispiele dafür in α-Kristallstruktur befindliches Aluminiumoxid und Keramikpulver mit der gleichen Kristallstruktur wie das in α-Kristallstruktur befindliche Aluminiumoxid, etwa Cr₂O₃ und Fe₂O₃, sind. Es wird vorzugsweise ein Aluminiumoxidpulver mit gleicher α-Kristallstruktur verwendet, wie in der auf der äußersten Schicht auszubildenden Aluminiumoxidschicht.
Angesichts des Zwecks, eine dünne, dichte Aluminiumoxidschicht auszubilden, sollte das Aluminiumoxidpulver vorzugsweise kleiner sein, wobei der mittlere Teilchendurchmesser des verwendeten Aluminiumoxids genauer gesagt 50 µm oder weniger und besser noch 1 µm oder weniger beträgt.
Substrate für die Verwendung bei der Erfindung schließen beispielsweise Si-Wafer, Hartmetall, Schnellstahl, Glas und gesintertes cBN (kubisches Bornitrid) oder deren Verbünde ein, die eine zusätzliche, auf ihnen ausgebildete Schicht tragen. Auf der Substratoberfläche kann eine Schicht aus ein oder mehr der folgenden Verbindungen ausgebildet sein: Verbindungen von einem oder mehr der Elemente der Nebengruppen 4a, 5a und 6a des Periodensystems sowie Al, Si und Y mit einem oder mehr der Elemente C, N, B und O; ihre Mischkristalle; und Verbindungen von einem oder mehr der Elemente C, N und B (beispielsweise Diamant, DLC, Kohlenstoffnitrid oder Bornitride wie cBN und Borcarbid wie B₄C). Typische Beispiele dafür schließen Hartschichten ein, die ein oder mehr der Verbindungen TiN, TiC, TiCN, TiAlN und TiAlCrN enthalten.
Davon abgesehen ist es bei der Bildung der Aluminiumoxidschicht vorzuziehen, das Substrat nach der erfindungsgemäßen Vorbehandlung zu oxidieren, da sich die Quasi-α-Aluminiumoxidschicht dann leichter bildet. In diesem Fall ist es vorzuziehen, das Substrat in einer Aluminiumoxidschicht-Abscheidevorrichtung zu oxidieren, da dadurch im Anschluss die Aluminiumoxidschicht auf dem Substrat ausgebildet werden kann, während die Oxidationstemperatur gehalten wird, was zu einer Beibehaltung der Substrat- und Schichteigenschaften und zu einer hervorragenden Produktivität führt.
Eines der günstigen Oxidationsverfahren ist ein thermisches Oxidationsverfahren, bei dem ein Substrat bei einer höheren Substrattemperatur in einer Umgebung mit einem oxidativen Gas oxidiert wird. Ein weiteres günstiges Verfahren, das verwendet werden kann, ist ein Verfahren, bei dem ein oxidatives Gas im Plasmazustand auftreffen gelassen wird.
Die Dicke der gebildeten Aluminiumoxidschicht beträgt vorzugsweise 0,1 bis 20 µm. Dies liegt daran, dass eine Dicke von 0,1 µm oder mehr die Wirkung hat, eine hervorragende Wärmebeständigkeit der Aluminiumoxidschicht sicherzustellen, wobei die Dicke besser noch 0,5 µm und am besten 1 µm oder mehr beträgt. Allerdings ist eine übermäßig große Dicke der Aluminiumoxidschicht ungünstig, da dies häufig zu einer Rissbildung in der Aluminiumoxidschicht aufgrund von Eigenspannungen darin führt. Dementsprechend beträgt die Schichtdicke vorzugsweise 20 µm oder weniger, besser noch 10 µm oder weniger und am besten 5 µm oder weniger.
Das Verfahren zum Ausbilden der Aluminiumoxidschicht unterliegt bei der Erfindung keinen besonderen Einschränkungen und kann ein beliebiges Gasphasenwachstumsverfahren wie CVD, PE-CVD, Sputtern, Ionenplattieren und Dampfabscheiden sein. Dabei ist es vorzuziehen, das Sputterverfahren oder ein PVD-Verfahren zu verwenden, das die Schichtabscheidung in einem Bereich niedriger Temperatur erlaubt, wobei reaktives Sputtern besonders zu bevorzugen ist, da es unter Verwendung eines preiswerten Metalltargets eine hohe Abscheidungsrate erlaubt.
Die Substrattemperatur während der Abscheidung der Aluminiumoxidschicht ist hier nicht festgeschrieben, doch erfolgt die Abscheidung der Aluminiumoxidschicht nach der Durchführung des Oxidationsschritts wie zuvor beschrieben vorzugsweise bei einer Temperatur von ungefähr 650 bis 800°C.
Die Erfindung erlaubt die Abscheidung der Quasi-α-Aluminiumoxidschicht auf verschiedenen Substraten ohne Beschränkung auf mit einer Schicht beschichtete Substrate und ist daher in einem breiten Bereich von Gebieten anwendbar: zum Beispiel bei der Herstellung von mit einer mehrlagigen Schicht beschichteten Teilen wie einem Schneidwerkzeug oder Gleitteilen durch Ausbilden einer Quasi-α-Aluminiumoxidschicht auf einem Substrat mit einer Hartschicht aus beispielsweise TiAlN darauf; als Ersatz für Saphir (einkristallines Aluminiumoxid) durch Ausbilden der Quasi-α-Aluminiumoxidschicht auf einem Si-Wafersubstrat; bei der Herstellung von Teilen mit hervorragender Plasmabeständigkeit durch Ausbilden der Quasi-α-Aluminiumoxidschicht auf einem Quarzglas; als hochgradig wärmebeständige Isolierschicht durch Ausbilden der Quasi-α-Aluminiumoxidschicht auf einer wärmebeständigen Legierung; und als Schneidwerkzeug durch Ausbilden der Quasi-α-Aluminiumoxidschicht direkt auf einem Hartmetall-, gesinterten cBN- oder Schnellstahlsubstrat.
BEISPIELE
Im Folgenden wird die Erfindung genauer anhand von Beispielen beschrieben, wobei jedoch verstanden werden sollte, dass die Erfindung nicht auf die folgenden Beispiele eingeschränkt ist und sämtliche Abwandlungen in den technischen Bereich der Erfindung fallen, die im Rahmen der oben- und untenstehenden Beschreibung vorgenommen werden können.
<Beispiel 1>
Unter den folgenden drei Bedingungen (A) bis (C) wurde jeweils ein Si-Wafersubstrat (Größe: ca. 20 mm × 20 mm) vorbehandelt und gewaschen, so dass sich ein Substrat mit sauberer Oberfläche ergab; das Substrat wurde dann oxidiert; und darauf wurde eine Aluminiumoxidschicht ausgebildet. Als folgendes Aluminiumoxidpulver wurde ein Aluminiumoxidpulver verwendet, das einen mittleren Teilchendurchmesser von 1 µm und eine Zusammensetzung von 99,7 Gew.-% Al₂O₃ hatte. Die Tatsache, dass das Aluminiumoxidpulver hauptsächlich eine α-Kristallstruktur hatte, wurde separat durch Röntgendiffraktrometrieanalyse festgestellt:

(A) ohne Vorbehandlung
(B) Das Substrat wurde mit einem mit Aluminiumoxidpulver beschichteten Glanzschleiftuch poliert.
(C) Das Substrat wurde 6 Minuten lang in Ethanol, in dem 0,25 g/ml Aluminiumoxidpulver dispergiert waren, eingetaucht und mit Ultraschall behandelt.

Die Oxidation des Substrats und die Abscheidung der Aluminiumoxidschicht erfolgten in der in 1 gezeigten Vakuumabscheidevorrichtung.
Das Substrat wurde wie folgt oxidiert: Nach der obigen Vorbehandlung und normalem Waschen wurde ein Substrat 2 mit einem der Planetendrehhalter 4 auf dem Drehtisch 3 der Vorrichtung 1 verbunden; die Vorrichtung wurde dann auf beinahe Vakuumzustand evakuiert; der Versuchskörper wurde mit einem in der Mitte der Vorrichtung sitzenden Heizkörper 5 und an der innere Seitenwand 2 der Vorrichtung sitzenden Heizkörpern 5 auf 750°C erhitzt. Nachdem der Prüfkörper auf diese Temperatur erhitzt worden war, wurde in die Vorrichtung 1 mit einem Durchfluss von 300 Standardkubikzentimeter bis auf einen Druck von 0,75 Pa ein Sauerstoffgas eingeleitet, und der Versuchskörper wurde oxidiert, während er 20 Minuten lang unter den gleichen Bedingungen erhitzt wurde.
Die Oxidation und die unten beschriebene Aluminiumoxidabscheidung erfolgten, während der in 1 gezeigte und oben beschriebene Tisch 3 gedreht und der darauf sitzende Planetendrehhalter 4 (Substrathalterohr) rotiert wurden.
Die Aluminiumoxidschicht wurde wie folgt gebildet: Durch reaktives Sputtern, insbesondere durch Anlegen eines gepulsten Gleichstroms mit ungefähr 2,5 kW auf die beiden in 1 gezeigten Sputterkathoden 6 mit Aluminiumtarget wurde bei einer ähnlichen Substrattemperatur wie im Oxidationsschritt in einer Argon- und Sauerstoffumgebung eine ungefähr 2 µm dicke Aluminiumoxidschicht ausgebildet. Die Aluminiumoxidschicht wurde im Entladungszustand in einem sogenannten Übergangsmodus gebildet, d. h. unter Steuerung der Entladungsspannung und des Durchflussverhältnisses von Argon/Sauerstoff durch Plasmaemissionsspektroskopie.
Die Kristallstruktur der auf der äußersten Schicht gebildeten Aluminiumoxidschicht wurde identifiziert, indem die Oberfläche der auf diese Weise gebildeten Dünnschicht mit einem Röntgendiffraktometer analysiert wurde. Die Ergebnisse sind in den 4, 8 und 9 gezeigt.
4 zeigt die Ergebnisse unter der Bedingung (A), d. h. ohne die erfindungsgemäße Vorbehandlung, wobei aus 4 hervorgeht, dass sich nur Aluminiumoxid in γ-Kristallstruktur bildete. Im Gegensatz dazu zeigt 8 die Ergebnisse, die erzielt wurden, als das Substrat unter der Bedingung (B) (Polieren mit Aluminiumoxidpulver) poliert wurde, und 9 die Ergebnisse, die erzielt wurden, als das Substrat unter der Bedingung (C) (Eintauchen und Ultraschallbehandlung in Ethanol, das dispergiertes Aluminiumoxidpulver enthielt) vorbehandelt wurde, wobei die 8 und 9 zeigen, dass die gebildeten Aluminiumoxidschichten hauptsächlich die α-Struktur hatten.
Die obigen Ergebnisse bestätigten, dass es möglich ist, eine Quasi-α-Aluminiumoxidschicht auch auf einem Substrat wie einem Si-Wafer auszubilden, auf dem sich mit herkömmlichen Verfahren nur schwer eine solche Quasi-α-Aluminiumoxidschicht bilden lässt, wenn das Substrat bei der Bildung der Aluminiumoxidschicht unter der erfindungsgemäßen Bedingung vorbehandelt wird.
<Beispiel 2>
Es wurden die folgenden zwei Substrate (i) und (ii) angefertigt.

(i) Si-Wafer
(ii) Hartmetallsubstrat (12,7 mm × 12,7 mm × 5 mm), spiegelblank poliert (Ra: ungefähr 0,02 µm), durch Ultraschallreinigung in einem mit einer Base gefüllten Behälter und in einem mit gereinigtem Wasser gefüllten Behälter gewaschen und mit einer darauf durch AIP ausgebildeten, ungefähr 2 µm dicken TiAlN-Schicht

Das Substrat wurde dann unter einer der folgenden fünf Bedingungen (D) bis (H) vorbehandelt und gewaschen, so dass sich ein Substrat mit sauberer Oberfläche ergab, wobei das Substrat dann mit Ausnahme dessen, dass das Substrat bei einer Substrattemperatur von 700°C (um 50°C niedriger als beim obigen Beispiel 1) oxidiert wurde und darauf die Aluminiumoxidschicht ausgebildet wurde, auf ähnliche Weise wie im obigen Beispiel 1 behandelt wurde. Als folgendes Aluminiumoxidpulver wurde ein ähnliches Aluminiumoxidpulver wie in Beispiel 1 verwendet, während als das folgende Diamantpulver (Diamantpaste) ein Diamantpulver mit einer Teilchengröße von 0,5 µm verwendet wurde.

(D) ohne Vorbehandlung
(E) Die Substratoberfläche wurde mit einem mit Aluminiumoxidpulver beschichteten Glanzpoliertuch poliert.
(F) Das Substrat wurde 6 Minuten lang in Ethanol mit darin dispergiertem Aluminiumoxidpulver eingetaucht und mit Ultraschall behandelt.
(G) Die Substratoberfläche wurde mit einem mit Diamantpulver beschichteten Hochglanztuch poliert.
(H) Das Substrat wurde 6 Minuten lang in Ethanol mit darin dispergiertem Diamantpulver eingetaucht und mit Ultraschall behandelt.

Die Kristallstruktur der auf der äußersten Schicht gebildeten Aluminiumoxidschicht wurde identifiziert, indem die Oberfläche der auf diese Weise gebildeten Schicht mit einem Dünnschicht-Röntgendiffraktometer analysiert wurde.
Die 7 und 10 bis 13 zeigen zunächst die Ergebnisse, die erzielt wurden, als die Si-Wafer (i) jeweils unter den Bedingungen D bis H vorbehandelt wurden. 7 zeigt die Ergebnisse, die unter der Bedingung (D) erzielt wurden, d. h. als das Substrat nicht unter der erfindungsgemäßen Bedingung vorbehandelt wurde, wobei sich aus 7 ergibt, dass sich als Aluminiumoxidschicht eine hauptsächlich in γ-Kristallstruktur befindliche Aluminiumoxidschicht bildete.
Im Gegensatz dazu zeigt 10 die Ergebnisse, die erzielt wurden, als das Substrat unter der Bedingung (E) (Polieren mit Aluminiumoxidpulver) vorbehandelt wurde, und 11, als das Substrat unter der Bedingung (F) (Eintauchen und Ultraschallbehandlung in Aluminiumoxidpulver/Ethanol-Dispersion) vorbehandelt wurde, wobei die 10 und 11, in denen es neben großen α-Aluminiumoxidmaxima kleine γ-Aluminiummaxima gibt, zeigen, dass sich eine Quasi-α-Aluminiumoxidschicht bildete.
Die Ergebnisse zeigen, dass es möglich ist, auch in einem tieferen Bereich als in Beispiel 1 bei einer Temperatur von 700°C eine Quasi-α-Aluminiumoxidschicht zu bilden, wenn das Substrat erfindungsgemäß mit dem Keramikpulver (Aluminiumoxidpulver) vorbehandelt wird.
Als Vergleichsbeispiele zeigt 12 die Ergebnisse, die erzielt wurden, als das Substrat unter der Bedingung (G) (Polieren mit Diamantpulver) vorbehandelt wurde, und 13 die Ergebnisse, die erzielt wurden, als das Substrat unter der Bedingung (H) (Eintauchen und Ultraschallbehandlung in einer Diamantpulver/Ethanol-Dispersion) vorbehandelt wurde.
In 12 gibt es kleine α-Aluminiumoxidmaxima und große γ-Aluminiumoxidmaxima, während in 13 sämtliche für Aluminiumoxid stehende Maxima γ-Aluminiumoxidmaxima sind, weswegen beide Figuren zeigen, dass sich eine hauptsächlich γ-Aluminiumoxid enthaltende Schicht bildete.
Der Vergleich zwischen 10 (Polieren mit Aluminiumoxidpulver) und 12 (Polieren mit Diamantpulver) sowie zwischen 11 (Ultraschallbehandlung mit Aluminiumoxidpulver) und 13 (Ultraschallbehandlung mit Diamantpulver) ergibt, dass bei der Erfindung das Hartpulver für die Vorbehandlung vorzugsweise das Aluminiumoxidpulver ist.
Die 5 und 14 bis 17 zeigen die Ergebnisse, die erzielt wurden, als das Substrat (ii) (Hartmetall mit einer darauf gebildeten TiAlN-Schicht) verwendet und unter den Bedingungen D bis H vorbehandelt wurde.
5 zeigt die Ergebnisse, die erzielt wurden, als das Substrat unter der Bedingung (D) (ohne Vorbehandlung) vorbehandelt wurde. 5, in der die γ-Aluminiumoxidmaxima im Verhältnis höher als die α-Aluminiumoxidmaxima sind, zeigt eine Mischung aus α- und γ-Kristallstruktur.
Im Gegensatz dazu zeigt 14 die Ergebnisse, die erzielt wurden, als das Substrat unter der Bedingung (E) (Polieren mit Aluminiumoxidpulver) vorbehandelt wurde, und 15, als es unter der Bedingung (F) (Ultraschallbehandlung in Ethanoldispersion von Aluminiumoxidpulver) vorbehandelt wurde, wobei die 14 und 15, in denen die γ-Aluminiumoxidmaxima sehr klein sind, zeigen, dass sich günstiger Weise die Quasi-α-Aluminiumoxidschicht bildete.
Als Vergleichsbeispiel zeigt 16 die Ergebnisse, die erzielt wurden, als das Substrat unter der Bedingung (G) (Polieren mit Diamantpulver) vorbehandelt wurde, und 17 die Ergebnisse, die erzielt wurden, als das Substrat unter der Bedingung (H) (Ultraschallbehandlung in Ethanoldispersion von Diamantpulver) vorbehandelt wurde.
Die 16 und 17, in denen die α-Aluminiumoxidmaxima kleiner sind, zeigen, dass die Aluminiumoxidschicht ein Gemisch aus α- und γ-Kristallstruktur ist, also beinahe das gleiche Ergebnis wie ohne die Vorbehandlung des Substrat.
Des Weiteren ergibt sich durch den Vergleich zwischen 14 (Polieren mit Aluminiumoxidpulver) und 16 (Polieren mit Diamantpulver) sowie zwischen 15 (Ultraschallbehandlung mit Aluminiumoxidpulver) und 17 (Ultraschallbehandlung mit Diamantpulver), dass bei der Erfindung die Verwendung des Aluminiumoxidpulvers als Hartpulver für die Vorbehandlung wirksam ist, auch wenn die Aluminiumoxidschicht auf einer TiAlN-Schicht ausgebildet wird.
Durch die Erfindung ist es also möglich, unabhängig von der Art des Substrats nicht nur auf einem Substrat mit einer darauf ausgebildeten Schicht wie TiAlN oder CrN, sondern auch auf einem Substrat wie einem Si-Wafer, auf dem bei einer Temperatur von ungefähr 800°C oder weniger traditionell nur Aluminiumoxid in γ-Kristallstruktur gebildet wurde, bei einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur eine Quasi-α-Aluminiumoxidschicht auszubilden.
Darüber hinaus ist es bei der Verwendung eines Substrats, auf dessen Oberfläche eine Schicht aus beispielsweise TiAlN oder CrN ausgebildet ist, möglich, sogar bei einer niedrigeren Temperatur, bei der sich leicht ein Gemisch aus Aluminiumoxid in γ- und α-Kristallstruktur bildet, eine Quasi-α-Aluminiumoxidschicht auszubilden.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer hauptsächlich in α-Kristallstruktur befindlichen Aluminiumoxidschicht auf einem Substrat, mit den Schritten: Vorbehandeln einer Oberfläche eines zu beschichtenden Substrats mit einem Keramikpulver, das die gleiche Kristallstruktur wie in der α-Kristallstruktur befindliches Aluminiumoxid hat, um auf der Oberfläche des Substrats feine Kratzer auszubilden; Abwaschen des Keramikpulvers, um die auf der Oberfläche des Substrats ausgebildeten feinen Kratzer zu hinterlassen; und Abscheiden der hauptsächlich in α-Kristallstruktur befindlichen Aluminiumoxidschicht auf dem Substrat.
Verfahren zur Herstellung einer Aluminiumoxidschicht nach Anspruch 1, bei dem das verwendete Keramikpulver ein in α-Kristallstruktur befindliches Aluminiumoxidpulver ist.
Verfahren zur Herstellung einer Aluminiumoxidschicht nach Anspruch 2, bei dem das verwendete Aluminiumoxidpulver einen mittleren Teilchendurchmesser von 50 µm oder weniger hat.
Verfahren zur Herstellung einer Aluminiumoxidschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Oberfläche des Substrats, die mit dem Keramikpulver vorbehandelt wird, von der das Keramikpulver abgewaschen wird und auf der die hauptsächlich in α-Kristallstruktur befindliche Aluminiumoxidschicht abgeschieden wird, die Oberfläche einer Schicht ist, die zuvor auf einer Oberfläche des verwendeten Substrats ausgebildet worden ist, wobei die Schicht aus ein oder mehr der folgenden Verbindungen besteht: Verbindungen von einem oder mehr der Elemente der Nebengruppen 4a, 5a und 6a des Periodensystems sowie Al, Si und Y mit einem oder mehr der Elemente C, N, B und O; deren Mischkristalle; und Verbindungen von einem oder mehr der Elemente C, N und B.
Verfahren zur Herstellung einer Aluminiumoxidschicht nach Anspruch 4, bei dem die Schicht eine Hartschicht ist, die ein oder mehr der Verbindungen TiN, TiC, TiCN, TiAlN und TiAlCrN enthält.
Verfahren zur Herstellung einer Aluminiumoxidschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Vorbehandeln der Oberfläche des Substrats oder das Vorbehandeln der Oberfläche der zuvor auf dem Substrat ausgebildeten Schicht durch Polieren der Oberfläche mit dem Keramikpulver erfolgt.
Verfahren zur Herstellung einer Aluminiumoxidschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Vorbehandeln der Oberfläche des Substrats oder das Vorbehandeln der Oberfläche der zuvor auf dem Substrat ausgebildeten Schicht durch Eintauchen und Ultraschallbehandlung des Substrats in einer Flüssigkeit erfolgt, in der das Keramikpulver dispergiert ist.
Verfahren zur Herstellung einer Aluminiumoxidschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Aluminiumoxidschicht durch ein Gasphasenwachstumsverfahren abgeschieden wird.
Verfahren zur Herstellung einer Aluminiumoxidschicht nach Anspruch 8, bei dem das verwendete Gasphasenwachstumsverfahren eines der Verfahren CVD, PE-CVD, Sputtern, Ionenplattieren und Dampfabscheiden ist.
Verfahren zur Herstellung einer Aluminiumoxidschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem das Abscheiden der hauptsächlich in α-Kristallstruktur befindlichen Aluminiumoxidschicht bei einer Temperatur von 650 bis 800°C erfolgt.
Verfahren zur Herstellung eines mit einer mehrlagigen Schicht beschichteten Teils, wobei unter Verwendung des Verfahrens gemäß Anspruch 1 auf einer zuvor auf dem Substrat ausgebildeten Schicht die hauptsächlich in α-Kristallstruktur befindliche Aluminiumoxidschicht abgeschieden wird.
Verfahren zur Herstellung eines mit einer mehrlagigen Schicht beschichteten Teils nach Anspruch 11, bei dem die zuvor auf dem Substrat ausgebildeten Schicht eine Hartschicht ist, die ein oder mehr der Verbindungen TiN, TiC, TiCN, TiAlN und TiAlCrN enthält.