DE112004000576T5

DE112004000576T5 - Herstellungsverfahren für Aluminiumoxidfilm hauptsächlich in α-Kristallstruktur und mehrlagiger Film draus

Info

Publication number: DE112004000576T5
Application number: DE112004000576T
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Takasago Tamagaki; Toshimitsu Kohara Takasago Kohara; Toshiki Kobe Sato
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2003-04-04
Filing date: 2004-03-22
Publication date: 2006-02-23
Anticipated expiration: 2024-03-23
Also published as: DE112004000576T8; EP1616974A1; US20060257562A1; EP1616974B1; WO2004090191A1; JP4173762B2; EP1616974A4; DE112004000576B4; US7776393B2; IL171284A; JP2004307920A

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumoxidfilms hauptsächlich in α-Kristallstruktur, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ausbildung des hauptsächlich in α-Kristallstruktur befindlichen Aluminiumoxidfilms auf einem Substrat (einschließlich eines Substrats mit einem zuvor darauf ausgebildeten Film) die Oberfläche des Substrats mit einem Keramikpulver behandelt wird, das hauptsächlich die gleiche Kristallstruktur wie in der α-Kristallstruktur befindliches Aluminiumoxid hat.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumoxidfilms hauptsächlich in α-Kristallstruktur, der auf verschleißbeständigen Produkten wie einem Schneidwerkzeug, Gleitteilen und einer Form abgeschieden werden soll, und auf ein Verfahren zur Herstellung eines mehrlagigen Filmabscheideprodukts, bei dem durch das obige Verfahren auf der äußersten Schicht des Produkts ein Aluminiumoxidfilm hauptsächlich in α-Kristallstruktur 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 eines Aluminiumoxidfilms hauptsächlich in α-Kristallstruktur (im Folgenden einfach als „Quasi-α-Aluminiumoxidfilm" bezeichnet) erlaubt.
Der durch die Erfindung erzielte Aluminiumoxidfilm 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.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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), chemische Dampfabscheidung (nachstehend als CVD-Verfahren bezeichnet) oder dergleichen ein Hartfilm wie Titannitrid oder Titanaluminiumnitrid ausgebildet wird.
Im Anwendungsfall des Schneidwerkzeugs, bei dem vom Hartfilm 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 in beiden diesen Eigenschaften hervorragend ist. Der Grund für diese vorteilhaften Eigenschaften von TiAlN ist, dass der TiAlN-Film durch die Wirkung des in dem Film 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-Filme 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 oder dergleichen während der Bearbeitung gelegentlich auf eine Temperatur von 1000°C oder höher erhitzt. Da der TiAlN-Film allein nicht ausreichend wirksam bei der Gewährleistung der Wärmebeständigkeit ist, wird es unter solchen Umständen häufig, wie z.B. in dem US Patent Nr. 5,879,823 offenbart ist, zur Gewährleistung der Wärmebeständigkeit praktiziert, auf einem TiAlN-Film 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 des Films 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 eines Aluminiumoxidfilms 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 Hartfilme, etwa der TiAlN-Filme, die auf einem Substrat als verschleißbeständiger Film ausgebildet werden, im Allgemeinen höchstens bis 800°C und können solche Filme 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 Patentschrift Nr. 5,310,607, 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 des Mischkristallfilms vorkommende Cr jedoch während der Bearbeitung häufig chemisch mit dem Eisen in dem Werkstückmaterial reagieren, was zu einem stärkeren Verbrauch des Films 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 einen Aluminiumoxidfilm 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 4,779 Å oder mehr und 5,000 Å oder weniger in der Korundstruktur (α-Kristallstruktur) ein Oxidfilm mit einer Filmdicke von mindestens 0,005 μm als Unterlage ausgebildet und auf der Unterlage ein Aluminiumoxidfilm in der α-Kristallstruktur ausgebildet wird. Diese Druckschrift zeigt, dass der Bestandteil für den Oxidfilm 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 Hartfilm einen Film aus einem Verbundnitrid auszubilden, der Al und mindestens eines der Elemente der aus Ti, Cr und V bestehenden Gruppe enthält, darauf durch weiteres Oxidieren des obigen Films einen Film aus (Al_z,Cr(_(1-z))N (mit 0 ≤ z ≤ 0,90) als Zwischenschicht auszubilden, der einen Oxidfilm mit der Korundstruktur (α-Kristallstruktur) bildet, und auf dem Oxidfilm dann Aluminiumoxid in der α-Kristallstruktur zu bilden.
Darüber hinaus schlugen die Erfinder verschiedene Verfahren vor, bei denen auf einem Hartfilm ein Aluminiumoxidfilm hauptsächlich in α-Kristallstruktur ausgebildet wird (siehe zum Beispiel JP 2002-233848 A).
Als die von den Erfindern vorgeschlagenen Verfahren nicht bei Hartfilmen, sondern bei verschiedenen anderen Substraten eingesetzt wurden, war es jedoch abhängig von der Art des Substrats nicht möglich, einen Quasi-α-Aluminiumoxidfilm zu erzielen. Als der Aluminiumoxidfilm auf dem obigen Hartfilm bei etwa 700°C in einem unteren Temperaturbereich ausgebildet wurde, der üblicherweise die Erzeugung des Quasi-α-Aluminiumoxidfilms erlaubt, nahm außerdem in dem erzielten Aluminiumoxidfilm 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 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 einem darauf durch Elektronenstrahlverdampfung (nachstehend als AIP-Verfahren bezeichnet) als Hartfilm gebildeten 2 bis 3 μm dicken TiAlN- (Ti_0,55Al_0,45N) Film
(3) wie das Substrat (2) behandeltes Hartmetallsubstrat mit einem darauf durch das AIP-Verfahren als Hartfilm gebildeten 2 bis 3 μm dicken CrN-Film.

<Experiment A>
Jedes Substrat wurde zunächst oxidiert, um dann darauf einen Aluminiumoxidfilm auszubilden. Das Substrat wurde in der in 1 gezeigten Vakuumabscheidevorrichtung (AIP-S40 Hybridbeschichtungsanlage, hergestellt von Kobe Steel), die mit einer AIP-Kathode (Bezugszeichen 7 in 1), einer Magnetron-Sputterkathode, einem Heizmechanismus, einem Substratdrehmechanismus und anderem ausgestattet war, oxidiert und mit dem Aluminiumoxidfilm 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 sccm bis zu einem Druck von 0,75 Pa Sauerstoffgas in die Vorrichtung 1 eingeleitet und wurden die Versuchskörper oxidiert, während sie unter den gleichen Bedingungen 20 Minuten lang erhitzt wurden.
Der Aluminiumoxidfilm wurde wie folgt gebildet: Durch reaktives Sputtern wurde ein ungefähr 2 μm dicker Aluminiumoxidfilm 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. Der Aluminiumoxidfilm 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 des auf der äußersten Schicht gebildeten Aluminiumoxidfilms wurde identifiziert, indem die Oberfläche des auf diese Weise gebildeten Dünnfilms mit einem Röntgendiffraktometer analysiert wurde. 2 zeigt das Dünnfilm-Röntgendiffraktometriemuster des Aluminiumoxidfilms, der sich ergab, als das Substrat (2) (TiAlN-Film) verwendet wurde; 3, als das Substrat (3) (CrN-Film) 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 dem TiAlN-Film ein Quasi-α-Aluminiumoxidfilm bildete. 3, in der die α-Aluminiumoxidmaxima höher sind, gibt an, dass sich auch auf dem CrN-Film ein Quasi-α-Aluminiumoxidfilm bildete. In 3 wurden auch Maxima für Chromoxid beobachtet, das sich durch Oxidation der Oberfläche des CrN-Films bildete.
Im Gegensatz dazu ist in 4 kein α-Aluminiumoxidmaximum zu beobachten, was nahe legt, dass sich auf dem Si-Wafer ein Aluminiumoxidfilm hauptsächlich in der γ-Kristallstruktur 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 ein Aluminiumoxidfilm ausgebildet und wurde der Aluminiumoxidfilm mit einem Dünnfilm-Röntgendiffraktometer analysiert. Die Ergebnisse für das Substrat (2) (TiAlN-Film) sind in 5, die für das Substrat (3) (CrN-Film) in 6 und die für das Substrat (1) (Si-Wafer) in 7 gezeigt.
Obwohl die beiden Filme in den 5 und 2 auf dem gleichen TiAlN-Film ausgebildet wurden, ist aus den Figuren ersichtlich, dass, wie in 5 gezeigt ist, ein in einem niedrigeren Temperaturbereich gebildeter Aluminiumoxidfilm 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-Film) 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 Filmbildungstemperatur 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 Filmbildungstemperatur 750°C betrug (obige 4), nur γ-Aluminiumoxidmaxima beobachtet, was zeigt, dass bei der von der Erfindung vorgesehenen Filmbildungstemperatur 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 einen Cr-haltigen Film wie CrN aufweist, und am nächst leichtesten, wenn die Substratoberfläche einen Al-haltigen Film wie TiAlN oder einen Ti-haltigen Film wie TiN oder TiCN aufweist; und dass es selbst auf Substraten wie Schnellstahl oder Hartmetall, auf denen ein solcher Film 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 ein TiAlN-Film, CrN-Film oder dergleichen 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 einen Quasi-α-Aluminiumoxidfilm ausbilden lässt.
Die Erfinder glauben, dass es möglich ist, in einem niedrigeren Temperaturbereich unabhängig von der Art des Substrats einen Quasi-α-Aluminiumoxidfilm auszubilden, indem ein Verfahren etabliert wird, mit dem sich auf einem sich einer Abscheidung eines Quasi-α-Aluminiumoxidfilms widersetzenden Substrat auf diese Weise ein Film ausgebildet wird.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Ausbilden des Quasi-α-Aluminiumoxidfilms auf CrN oder TiAlN zur Verfügung zu stellen, das bei einer niedrigeren Filmbildetemperatur ohne Verunreinigung durch beispielsweise Aluminiumoxid in der γ-Phase die Abscheidung von α-Aluminiumoxid erlaubt.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumoxidfilms hauptsächlich in α-Kristallstruktur ist dadurch gekennzeichnet, dass beim Ausbilden des hauptsächlich in α-Kristallstruktur befindlichen Aluminiumoxidfilms auf einem Substrat (einschließlich eines Substrats, auf dem zuvor ein Film ausgebildet wurde) die Oberfläche eines Substrats mit einem Keramikpulver behandelt wird, das die gleiche Kristallstruktur wie in der α-Kristallstruktur befindliches Aluminiumoxid hat.
Das 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 einen Film aus einer oder mehr Verbindungen haben, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Verbindungen von einem oder mehr aus der aus den Elementen in den Gruppen 4a, 5a und 6a des Periodensystems, Al, Si und Y bestehenden Gruppe gewählten Elementen mit einem oder mehr der Elemente C, N, B und O, aus deren Mischkristallen und aus Verbindungen von einem oder mehr der Elemente C, N und B besteht. Typische Beispiele dafür schließen Substrate mit einem auf ihrer Oberfläche ausgebildeten Hartfilm ein, der ein oder mehr Verbindungen enthält, die aus der aus TiN, TiC, TiCN, TiAlN und TiAlCrN bestehende Gruppe gewählt sind.
Der Schritt zum Behandeln der Substratoberfläche schließt zum Beispiel den Schritt Polieren der Substratoberfläche unter Verwendung des Keramikpulvers (vorzugsweise des Aluminiumoxidpulvers), den Schritt Eintauchen und Ultraschallbehandeln des Substrats in einer Flüssigkeit, in der das Keramikpulver (vorzugsweise das Aluminiumoxidpulver) dispergiert ist, und dergleichen ein.
Der Aluminiumoxidfilm wird vorzugsweise durch ein Gasphasenwachstumsverfahren gebildet, wobei als Gasphasenwachstumsverfahren jedes Verfahren verwendet werden kann, das aus der aus CVD, PE-CVD, Sputtern, Ionenplattierung und Dampfabscheidung bestehenden Gruppe gewählt wird.
Die Erfindung stellt also ein Verfahren zur Herstellung eines mehrlagigen Filmabscheideprodukts, das dadurch gekennzeichnet ist, dass auf dem oben beschriebenen Film ein hauptsächlich in α-Kristallstruktur befindlicher Aluminiumoxidfilm ausgebildet wird, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines mehrlagigen Filmabscheideprodukts zur Verfügung, das gekennzeichnet ist durch

(1) den Schritt Ausbilden eines Hartfilms, der ein oder mehr Verbindungen enthält, die aus der aus TiN, TiC, TiCN, TiAlN und TiAlCrN bestehenden Gruppe gewählt sind, auf einem Substrat,
(2) den Schritt Behandeln der Substratoberfläche mit einem Keramikpulver, das hauptsächlich die gleiche Kristallstruktur wie Aluminiumoxid in der α-Kristallstruktur hat, und
(3) nach der Behandlung den Schritt Ausbilden eines hauptsächlich in α-Kristallstruktur befindlichen Aluminiumoxidfilms auf dem Substrat,

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt schematisch (Draufsicht) eine bei der Umsetzung der Erfindung verwendete Vorrichtung.
2 zeigt als Diagramm das Dünnfilm-Röntgendiffraktometriemuster eines auf einem TiAlN-Film ausgebildeten Aluminiumoxidfilms (Filmbildungstemperatur: 750°C).
3 zeigt als Diagramm das Dünnfilm-Röntgendiffraktometriemuster eines auf einem CrN-Film ausgebildeten Aluminiumoxidfilms (Filmbildungstemperatur: 750°C).
4 zeigt als Diagramm das Dünnfilm-Röntgendiffraktometriemuster eines auf einem Si-Wafer ausgebildeten Aluminiumoxidfilms (Filmbildungstemperatur: 750°C).
5 zeigt als Diagramm das Dünnfilm-Röntgendiffraktometriemuster eines auf einem TiAlN ausgebildeten Aluminiumoxidfilms (Filmbildungstemperatur: 700°C).
6 zeigt als Diagramm das Dünnfilm-Röntgendiffraktometriemuster eines auf einem CrN-Film ausgebildeten Aluminiumoxidfilms (Filmbildungstemperatur: 700°C).
7 zeigt als Diagramm das Dünnfilm-Röntgendiffraktometriemuster eines auf einem Si-Wafer ausgebildeten Aluminiumoxidfilms (Filmbildungstemperatur: 700°C).
8 zeigt als Diagramm das Dünnfilm-Röntgendiffraktometriemuster eines Aluminiumoxidfilms, der auf einem Si-Wafer ausgebildet wurde, der zuvor mit Aluminiumoxidpulver poliert wurde (Filmbildungstemperatur: 750°C).
9 zeigt als Diagramm das Dünnfilm-Röntgendiffraktometriemuster eines Aluminiumoxidfilms, der auf einem Si-Wafer ausgebildet wurde, der zuvor in Ethanol mit darin dispergiertem Aluminiumoxidpulver eingetaucht und mit Ultraschall behandelt wurde (Filmbildungstemperatur: 750°C).
10 zeigt als Diagramm das Dünnfilm-Röntgendiffraktometriemuster eines Aluminiumoxidfilms, der auf einem Si-Wafer ausgebildet wurde, der zuvor mit Aluminiumoxidpulver poliert wurde (Filmbildungstemperatur: 700°C).
11 zeigt als Diagramm das Dünnfilm-Röntgendiffraktometriemuster eines Aluminiumoxidfilms, der auf einem Si-Wafer ausgebildet wurde, der zuvor in Ethanol mit darin dispergiertem Aluminiumoxidpulver eingetaucht und mit Ultraschall behandelt wurde (Filmbildungstemperatur: 700°C).
12 zeigt als Diagramm das Dünnfilm-Röntgendiffraktometriemuster eines Aluminiumoxidfilms, der auf einem Si-Wafer ausgebildet wurde, der zuvor mit Diamantpulver poliert wurde (Filmbildungstemperatur: 700°C).
13 zeigt als Diagramm das Dünnfilm-Röntgendiffraktometriemuster eines Aluminiumoxidfilms, der auf einem Si- Wafer gebildet wurde, der zuvor in Ethanol mit darin dispergiertem Diamantpulver und mit Ultraschall behandelt wurde (Filmbildungstemperatur: 700°C).
14 zeigt als Diagramm das Dünnfilm-Röntgendiffraktometriemuster eines Aluminiumoxidfilms, der TiAlN-Film ausgebildet wurde, der zuvor mit Aluminiumoxidpulver poliert wurde (Filmbildungstemperatur: 700°C).
15 zeigt als Diagramm das Dünnfilm-Röntgendiffraktometriemuster eines Aluminiumoxidfilms, der auf einem TiAlN-Film ausgebildet wurde, der zuvor in Ethanol mit darin dispergiertem Aluminiumoxidpulver eingetaucht und mit Ultraschall behandelt wurde (Filmbildungstemperatur: 700°C).
16 zeigt als Diagramm das Dünnfilm-Röntgendiffraktometriemuster eines Aluminiumoxidfilms, der TiAlN-Film ausgebildet wurde, der zuvor mit Diamantpulver poliert wurde (Filmbildungstemperatur: 700°C).
17 zeigt als Diagramm das Dünnfilm-Röntgendiffraktometriemuster eines Aluminiumoxidfilms, der auf einem TiAlN-Film ausgebildet wurde, der zuvor in Ethanol mit darin dispergiertem Diamantpulver eingetaucht und mit Ultraschall behandelt wurde (Filmbildungstemperatur: 700°C).
BESTE DURCHFÜHRUNGSART FÜR DIE ERFINDUNG
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 ein Aluminiumoxidfilm hauptsächlich in α-Kristallstruktur ausbilden lässt. Dabei fanden die Erfinder heraus, dass es bei der Ausbildung eines Aluminiumfilms auf einem Substrat (einschließlich eines Substrats mit einem darauf ausgebildeten Film) 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 des Aluminiumoxidfilms hat.
So bildet sich auf dem Substrat insbesondere dann, wenn beispielsweise eine Substratoberfläche mit einem darauf durch das AIP-Verfahren ausgebildeten TiAlN- oder CrN-Film oxidiert wird, häufig Aluminiumoxid mit α-Kristallstruktur. Auf der äußersten Schicht des TiAlN-Films bildet sich durch die Oxidation Aluminiumoxid und auf der äußersten Schicht des CrN-Films Cr₂O₃, das die gleiche Kristallstruktur wie in α-Kristallstruktur befindliches Aluminiumoxid hat, wobei diese Metalloxide während der Anfangsphase der Filmbildung 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 der Film unter den gleichen Bedingungen wie beim TiAlN- oder CrN-Film gebildet wird, überhaupt kein in der α-Kristallstruktur befindliches Aluminiumoxid. Dies liegt wahrscheinlich daran, dass der dichte und dünne SiO₂-Film, der 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 Filmbildungstemperatur im Bereich von 700°C und 750°C auch dann, als ein Si-Wafer als Substrat verwendet wurde, ein Quasi-α-Aluminiumoxidfilm, als das Si-Wafersubstrat vor der Abscheidung des Aluminiumoxidfilms 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 kein Quasi-α-Aluminiumoxidfilm. Als bei einer ähnlichen Behandlung (Ultraschall) anstelle des Aluminiumoxidpulvers Zirkoniumoxid- oder Siliziumoxid-(SiO₂-)Pulver verwendet wurde, bildete sich ein hauptsächlich in γ-Kristallstruktur befindlicher Aluminiumoxidfilm, der eine geringere Menge in α-Kristallstruktur befindliches Aluminiumoxid enthielt.
Die Tatsache, dass sich der Quasi-α-Aluminiumoxidfilm 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 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 statt auf dem Si-Wafer Aluminiumoxidfilme ähnlich wie oben bei einer Substrattemperatur von 700°C auf einem Substrat ausgebildet, das auf seiner Oberfläche einen Hartfilm aus CrN, TiAlN oder dergleichen hatte. Als die obige Vorbehandlung nicht erfolgte, bildete sich auf dem CrN infolgedessen ein Film, der hauptsächlich α-Aluminiumoxid und eine geringe Menge γ-Phasealuminiumoxid enthielt, während sich auf dem TiAlN ein Film bildete, in dem α- und γ-Aluminiumoxid gemischt waren. Als die Oberfläche des Hartfilms mit dem Aluminiumoxidpulver vorbehandelt wurde, bildete sich dagegen auf sowohl dem CrN als auch dem TiAlN der Quasi-α-Aluminiumoxidfilm.
Als die Vorbehandlung statt mit dem Aluminiumoxidpulver unter Verwendung des Pulvers aus Diamant, Zirkoniumoxid oder Siliziumoxid erfolgte, war dagegen anders 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 eines Aluminiumoxidfilms auf einem Substrat (einschließlich eines Substrats mit einem darauf ausgebildeten Film) 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 Behandlung 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, Trommelabnutzung und dergleichen.
Keramikpulver für die Vorbehandlung schließen beispielsweise Metalloxide, Metallnitride, Metallboride, Metallcarbide, Metallcarbide/-nitride und dergleichen ein, wobei bestimmte Beispiele dafür in α-Kristallstruktur befindliches Aluminiumoxid, Keramikpulver mit der gleichen Kristallstruktur wie das in α-Kristallstruktur befindliche Aluminiumoxid, etwa Cr₂O₃ und Fe₂O₃, und dergleichen ein. Es wird vorzugsweise ein Aluminiumoxidpulver mit gleicher α-Kristallstruktur verwendet, wie in dem auf der äußersten Schicht auszubildenden Aluminiumoxidfilm.
Angesichts des Zwecks, einen dünnen, dichten Aluminiumoxidfilm 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, gesintertes cBN (kubisches Bornitrid) und dergleichen oder deren Verbünde ein, die einen zusätzlichen, auf ihnen ausgebildeten Film tragen. Auf der Substratoberfläche kann ein Film aus ein oder mehr Verbindungen ausgebildet sein, die aus der Gruppe gewählt sind, die aus Verbindungen von einem oder mehr aus der aus den Elementen in den Gruppen 4a, 5a und 6a des Periodensystems, Al, Si und Y bestehenden Gruppe gewählten Elementen mit einem oder mehr der Elemente C, N, B und O gewählt sind, aus ihren Mischkristallen und aus Verbindungen von einem oder mehr der Elemente C, N und B (beispielsweise Diamant, DLC, Kohlenstoffnitrid oder Bornitride wie cBN, und Borcarbid, wie B₄C) besteht. Typische Beispiele dafür schließen Hartfilme ein, die ein oder mehr Verbindungen enthalten, die aus der aus TiN, TiC, TiCN, TiAlN und TiAlCrN bestehenden Gruppe gewählt sind.
Davon abgesehen ist es bei der Bildung des Aluminiumoxidfilms vorzuziehen, das Substrat nach der erfindungsgemäßen Vorbehandlung zu oxidieren, da sich der Quasi-α-Aluminiumoxidfilm dann leichter bildet. In diesem Fall ist es vorzuziehen, das Substrat in einer Aluminiumoxidfilmabscheidevorrichtung zu oxidieren, da dadurch im Anschluss der Aluminiumoxidfilm auf dem Substrat ausgebildet werden kann, während die Oxidationstemperatur gehalten wird, was zu einer Beibehaltung der Substrat- und Filmeigenschaften 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 des gebildeten Aluminiumoxidfilms 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 des Aluminiumoxidfilms sicherzustellen, wobei die Dicke besser noch 0,5 μm und am besten 1 μm oder mehr beträgt. Allerdings ist eine übermäßig große Dicke des Aluminiumoxidfilms ungünstig, da dies häufig zu einer Rissbildung im Aluminiumoxidfilm aufgrund von Eigen spannungen darin führt. Dementsprechend beträgt die Filmdicke vorzugsweise 20 μm oder weniger, besser noch 10 μm oder weniger und am besten 5 μm oder weniger.
Das Verfahren zum Ausbilden des Aluminiumoxidfilms unterliegt bei der Erfindung keinen besonderen Einschränkungen und kann ein beliebiges Gasphasenwachstumsverfahren wie CVD, PE-CVD, Sputtern, Ionenplattierung und Dampfabscheidung sein. Dabei ist es vorzuziehen, das Sputterverfahren oder ein PVD-Verfahren zu verwenden, das die Filmabscheidung 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 des Aluminiumoxidfilms ist hier nicht festgeschrieben, doch erfolgt die Abscheidung des Aluminiumoxidfilms nach der Durchführung des Oxidationsschritts wie zuvor beschrieben vorzugsweise bei einer Temperatur von ungefähr 650 bis 800°C.
Die Erfindung erlaubt die Abscheidung des Quasi-α-Aluminiumoxidfilms auf verschiedenen Substraten ohne Beschränkung auf filmbeschichtete Substrate und ist daher in einem breiten Bereich von Gebieten anwendbar: zum Beispiel bei der Herstellung von mehrlagigen filmbeschichteten Teilen wie einem Schneidwerkzeug oder Gleitteilen durch Ausbilden eines Quasi-α-Aluminiumoxidfilms auf einem Substrat mit einem Hartfilm aus beispielsweise TiAlN darauf; als Ersatz für Saphir (einkristallines Aluminiumoxid) durch Ausbilden des Quasi-α-Aluminiumoxidfilms auf einem Si-Wafersubstrat; bei der Herstellung von Teilen mit hervorragender Plasmabeständigkeit durch Ausbilden des Quasi-α-Aluminiumoxidfilms auf einem Quarz glas; als hochgradig wärmebeständiger Isolierfilm durch Ausbilden des Quasi-α-Aluminiumoxidfilms auf einer wärmebeständigen Legierung; und als Schneidwerkzeug oder dergleichen durch Ausbilden des Quasi-α-Aluminiumoxidfilms 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 ein Aluminiumoxidfilm 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 des Aluminiumoxidfilms erfolgten in der in 1 gezeigten Vakuumabscheidevorrichtung (AIP-S40 Hybridbeschichtungsanlage, hergestellt von Kobe Steel).
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 sccm bis auf einen Druck von 0,75 Pa ein Sauerstoffgas eingeleitet und wurde der Versuchskörper 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.
Der Aluminiumoxidfilm 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 ein ungefähr 2 μm dicker Aluminiumoxidfilm ausgebildet. Der Aluminiumoxidfilm wurde im Entladungszustand in einem sogenannten Übergangsmodus gebildet, d.h. unter Steuerung der Entladungsspannung und des Durchflussverhältnisses von Argon/Sauerstoff durch Plasmaemissionsspektroskopie.
Die Kristallstruktur des auf der äußersten Schicht gebildeten Aluminiumoxidfilms wurde identifiziert, indem die Oberfläche des auf diese Weise gebildeten Dünnfilms 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 Aluminiumoxidfilme hauptsächlich die α-Struktur hatten.
Die obigen Ergebnisse bestätigten, dass es möglich ist, einen Quasi-α-Aluminiumoxidfilm auch auf einem Substrat wie einem Si-Wafer auszubilden, auf dem sich mit herkömmlichen Verfahren nur schwer ein solcher Quasi-α-Aluminiumoxidfilm bilden lässt, wenn das Substrat bei der Bildung des Aluminiumoxidfilms 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 einem darauf durch AIP ausgebildeten, ungefähr 2 μm dicken TiAlN-Film

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 der Aluminiumoxidfilm 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 des auf der äußersten Schicht gebildeten Aluminiumoxidfilms wurde identifiziert, indem die Oberfläche des auf diese Weise gebildeten Films mit einem Dünnfilm-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 Aluminiumoxidfilm ein hauptsächlich in γ-Kristallstruktur befindlicher Aluminiumoxidfilm 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 ein Quasi-α-Aluminiumoxidfilm bildete.
Die Ergebnisse zeigen, dass es möglich ist, auch in einem tieferen Bereich als in Beispiel 1 bei einer Temperatur von 700°C einen Quasi-α-Aluminiumoxidfilm 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 ein hauptsächlich γ-Aluminiumoxid enthaltender Film 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 einem darauf gebildeten TiAlN-film) 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, und zeigen die 14 und 15, in denen die γ-Aluminiumoxidmaxima sehr klein sind, dass sich günstiger Weise der Quasi-α-Aluminiumoxidfilm 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 der Aluminiumoxidfilm 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 der Aluminiumoxidfilm auf einem TiAlN-Film ausgebildet wird.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Durch die Erfindung ist es möglich, unabhängig von der Art des Substrats nicht nur auf einem Substrat mit einem darauf ausgebildeten Film 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 einen Quasi-α-Aluminiumoxidfilm auszubilden.
Darüber hinaus ist es bei der Verwendung eines Substrats, auf dessen Oberfläche ein Film 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, einen Quasi-α-Aluminiumoxidfilm zu bilden.
ZUSAMMENFASSUNG
Es ist ein Verfahren zu Herstellung eines Aluminiumoxidfilms mit hauptsächlich α-Kristallstruktur und hervorragender Wärmebeständigkeit vorgesehen, bei dem der hauptsächlich in α-Kristallstruktur befindliche Aluminiumoxidfilm auf einem Substrat unabhängig von der Art des Substrats bei einer verhältnismäßig geringen Temperatur ausgebildet wird, indem beim Ausbilden des hauptsächlich in α-Kristallstruktur befindlichen Aluminiumoxidfilms auf dem Substrat (einschließlich eines Substrats mit einem darauf zuvor ausgebildeten Film) die Substratoberfläche mit einem Keramikpulver behandelt wird, das hauptsächlich die gleiche Kristallstruktur wie in der α-Kristallstruktur befindliches Aluminiumoxid hat.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumoxidfilms hauptsächlich in α-Kristallstruktur, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ausbildung des hauptsächlich in α-Kristallstruktur befindlichen Aluminiumoxidfilms auf einem Substrat (einschließlich eines Substrats mit einem zuvor darauf ausgebildeten Film) die Oberfläche des Substrats mit einem Keramikpulver behandelt wird, das hauptsächlich die gleiche Kristallstruktur wie in der α-Kristallstruktur befindliches Aluminiumoxid hat.
Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumoxidfilms nach Anspruch 1, bei dem das verwendete Keramikpulver ein in α-Kristallstruktur befindliches Aluminiumoxidpulver ist.
Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumoxidfilms nach Anspruch 2, bei dem das verwendete Aluminiumoxidpulver einen mittleren Teilchendurchmesser von 50 μm oder weniger hat.
Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumoxidfilms nach Anspruch 1, bei dem auf der Oberfläche des verwendeten Substrats ein Film ausgebildet ist, der aus ein oder mehr Verbindungen besteht, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Verbindungen von einem oder mehr aus der aus den Elementen in den Gruppen 4a, 5a und 6a des Periodensystems, Al, Si und Y bestehenden Gruppe ausgewählten Elementen mit einem oder mehr der Elemente C, N, B und O; deren Mischkristallen; und Verbindungen von einem oder mehr der Elemente C, N und B besteht.
Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumoxidfilms nach Anspruch 4, bei dem auf der Oberfläche des verwendeten Substrats ein Hartfilm ausgebildet ist, der ein oder mehr Verbindungen enthält, die aus der aus TiN, TiC, TiCN, TiAlN und TiAlCrN bestehenden Gruppe ausgewählt sind.
Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumoxidfilms nach Anspruch 1, bei dem die Substratoberflächenbehandlung den Schritt Polieren der Substratoberfläche mit dem Keramikpulver einschließt.
Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumoxidfilms nach Anspruch 1, bei dem die Substratoberflächenbehandlung den Schritt Eintauchen und Ultraschallbehandlung des Substrats in einer Flüssigkeit einschließt, in der das Keramikpulver dispergiert ist.
Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumoxidfilms nach Anspruch 1, bei dem der Aluminiumoxidfilm durch ein Gasphasenwachstumsverfahren gebildet wird.
Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumoxidfilms nach Anspruch 8, bei dem das verwendete Gasphasenwachstumsverfahren ein Verfahren ist, das aus der aus CVD, PE-CVD, Sputtern, Ionenplattierung und Dampfabscheidung bestehenden Gruppe gewählt wird.
Verfahren zur Herstellung eines mit einem mehrschichtigen filmbeschichteten Teil, dadurch gekennzeichnet, dass unter Verwendung des Verfahrens gemäß Anspruch 1 auf dem Film ein hauptsächlich in α-Kristallstruktur befindlicher Aluminiumoxidfilm ausgebildet wird.
Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen filmbeschichteten Teils, gekennzeichnet durch Ausbilden eines Hartfilms, der ein oder mehr aus der aus TiN, TiC, TiCN, TiAlN und TiAlCrN bestehenden Gruppe gewählte Verbindungen enthält, auf einem Substrat, den Schritt Behandeln der Substratoberfläche mit einem Keramikpulver, das hauptsächlich die gleiche Kristallstruktur wie in der α-Kristallstruktur befindliches Aluminiumoxid hat, und nach der Behandlung den Schritt Ausbilden eines Aluminiumoxidfilms hauptsächlich in α-Kristallstruktur auf dem Substrat, wobei die Bearbeitung in dieser Reihenfolge erfolgt.