《薄膜材料及技术》复习资料总结

1、【讲义总结】1.真空区域的划分：粗真空(1x1051x102Pa)。在粗真空下，气态空间近似为大气状态，分子以热运动为主，分子间碰撞十分频繁；低真空(1x1021x10-1)。低真空时气体分子的流动逐渐从黏滞流状态向分子流状态过度，此时气体分子间碰撞次数与分子跟器壁间碰撞次数差不多；高真空(1x10-11x10-6)。当达到高真空时，气体分子的流动已经成为分子流状态，以气体分子与容器壁间的碰撞为主，且碰撞次数大大减小，蒸发材料的粒子沿直线飞行；超高真空(1x10-6)。达到超高真空时，气体分子数目更少，几乎不存在分子间碰撞，分子与器壁的碰撞机会更少。2.获得真空的主要设备：旋片式机械真空泵，油

2、扩散泵，复合分子泵，分子筛吸附泵，钛生化泵，溅射离子泵和低温泵等，其中前三种属于气体传输泵，后四种属于气体捕获泵，全为无油类真空泵。3.输运式真空泵分为机械式气体输运泵和气流式气体输运泵。4.极限压强：指使用标准容器做负载时，真空泵按规定的条件正常工作一段时间后，真空度不再变化而趋于稳定时的最低压强。5.凡是利用机械运动来获得真空的泵称为机械泵，属于有油类真空泵。6.旋片式真空泵泵体主要由锭子、转子、旋片、进气管和排气管等组成。7.真空测量：指用特定的仪器和装置，对某一特定空间内的真空度进行测定。这种仪器或装置称为真空计。按测量原理分为绝对真空计和相对真空计。8.物理气相沉积：是利用某种物理过

3、程实现物质原子从源物质到薄膜的可控转移过程。特点：需要使用固态或熔融态的物质作为沉积过程的源物质；源物质通过物理过程转变为气相，且在气相中与衬底表面不发生化学反应；需要相对较低的气体压力环境，这样其他气体分子对于气相分子的散射作用较小，气相分子的运动路径近似直线；气相分子在衬底上的沉积几率接近100%。在物理气相沉积技术中最基本的两种方法是蒸发法和溅射法。9.蒸发沉积薄膜纯度取决于：蒸发源物质的纯度；加热装置、坩埚等可能造成的污染；真空系统中的残留气体。10.真空蒸发装置分类：电阻式蒸发装置、电子束蒸发装置、电弧蒸发装置、激光蒸发装置、空心阴极蒸发装置。11.溅射镀膜原理：利用带有电荷的离子在

4、电场中加速后具有一定动能的特点，将离子引向由欲溅射材料制成的靶材。在离子能量适合的情况下，入射离子在与靶材表面原子碰撞过程中将其溅射出来。这些被溅射出来的原子具有一定动能，并沿一定方向射向衬底，从而实现薄膜在衬底上的沉积。12.蒸发法的特点：与溅射法相比显著特点之一是其较高的背底真空度。在较高的真空度下，不仅蒸发出来的物质原子或分子具有较长的平均自由程，可以直接沉积到衬底表面上，而且还可以确保所制备的薄膜具有较高的纯度。13.溅射镀膜的主要优点：镀膜质量好；膜/基结合强度高；均镀能力强。14.溅射沉积的主要特点：与蒸发法相比沉积原子能力较高，因此薄膜的组织更致密，附着力也可以得到显著改造；制备

5、合金薄膜时，容易实现对薄膜成分的准确控制；可方便地进行高熔点物质的溅射和薄膜制备，溅射靶材可以是极难熔的材料；可利用反应溅射技术，用金属靶材制备化合物薄膜；由于被沉积原子均携带有一定的能量，因而有助于改善薄膜对于复杂形状的衬底表面的覆盖能力，降低薄膜表面的粗糙度和孔隙率。15.溅射方法分类：直流溅射、射频溅射、磁控溅射、反应溅射和离子束溅射。16.磁控溅射离子束镀膜的主要特点：薄膜质量高；膜/基结合强度高；实现材料的表面合金化。17.非平衡磁控溅射离子镀技术。特点：离子束流密度高；衬底偏压低；薄膜的结合强度高；沉积速率低。应用领域：制备薄膜磁头的耐磨损氧化薄膜；制备硬质薄膜；制备切削刀具和模具

6、的超硬薄膜；制备固体润滑膜；制备光学薄膜。18.引起衬底温度升高的能量来源：原子的凝聚能；沉积原子额平均动能；等离子体中的其他粒子，如电子、中性原子等的轰击带来的能量。19.交流溅射：使用交变电压进行薄膜溅射的方法。分类：采用正弦波电源的中频溅射法和采用矩形脉冲波电源的脉冲溅射法。20.离子镀：是一种结合了蒸发与溅射两种薄膜沉积技术而发展起来的物理气相沉积方法。21.离子镀的主要优点：它所制备的薄膜与衬底之间具有良好的结合力，且薄膜结构更为致密。另一个优点是它可以提高薄膜对于复杂外形表面的覆盖能力，或称为薄膜沉积过程的绕射能力。主要应用领域是制备钢铁工具和其他金属不见得硬质涂层。22.离子团束

7、沉积的特点：原子团对衬底的高速冲击将会造成衬底局部温度的升高；原子在衬底表面的扩散迁移能力强；能促进各个薄膜核心连成一片，成膜性能好；高能量原子团的轰击具有清洁衬底表面和离子浅注入的作用；能促进衬底表面各种化学反应的产生；薄膜沉积速率高；薄膜与衬底间有良好结合力，沉积过程具有高真空度和高洁净度，薄膜表面平整，能抑制薄膜柱状晶生长倾向，可实现低温沉积，可控制薄膜结构。23.等离子体浸没式离子沉积技术的特点：优点：设备相对简单，适用于大型复杂外形零件的薄膜沉积；可实现多组元的同时沉积，对薄膜成分的控制能力强；沉积离子的能量较高，有利于提高薄膜的致密性和附着力；薄膜沉积温度较低；克服了普通物理气相沉

8、积技术所具有的薄膜沉积的方向性限制问题，适用于对具有复杂外形的工件表面进行薄膜沉积。缺点：能够同时用于等离子体产生和薄膜沉积的气体种类较少，因此它能够沉积的薄膜种类有限。24.分子束外延（MBE）：是将真空蒸发镀膜加以改进和提高而形成的一种薄膜沉积技术。25.MBE装置：主要由生长室、分子束喷射源和各类监测控制仪器组成。生长室由三部分组成：喷射源及挡板、液氮冷阱、样品架。监控与测量仪器：高能电子衍射仪、喷射源强度测试仪、四极质谱仪、测温仪、膜厚测试仪。1.化学气相沉积是反应物在气态条件下发生化学反应，生成固态物质沉积在加热的固态基体表面进而制得固体材料的工艺技术。2.化学气相沉积特点：优点：与

9、物理气相沉积方法相比，尽管用化学方法制备薄膜的过程控制较为复杂也较为困难，但制备薄膜时使用的设备一般较为简单，价格也较为便宜，对薄膜的液相沉积方法尤其如此。与其他薄膜制备方法相比，它可准确的控制薄膜的组分和掺杂水平，确保其组分具有理想的化学配比；可在复杂形状的集体上沉积成膜；可在大尺寸基体上进行沉积或在多个基体上同时沉积；其较高的沉积温度能大幅度改善晶体薄膜的结晶完整性；可利用某些材料在熔点或蒸发时发生分解的特性得到其他方法无法得到的薄膜；由于许多化学反应可以在大气压下进行，因此不少化学气相沉积装置可免去昂贵的抽真空系统。缺点：大多数化学反应需要在高温下进行；反应气体可能会与基体或沉积设备发生

10、反应；在化学气相沉积中有许多变量需要控制，所使用的装置可能比较复杂。3.用于制备薄膜的化学气相沉积包括三个基本过程：反应物的输运过程、化学反应过程和去除反应副产物的过程。4.在化学气相沉积技术中典型的化学反应类型：利用热分解反应制备金属薄膜；利用还原反应制备薄膜；利用氧化反应制备氧化物薄膜；利用氮化反应和碳化反应制备氮化物和碳化物薄膜；利用有机金属化合物制备化合物薄膜。5.光化学气相沉积优点：可获得高质量、无损伤的薄膜；沉积在低温下进行；沉积速率快，可生长亚稳相和形成突变结；没有高能粒子轰击正在生长的薄膜表面，且引起反应物分子分解的光子没有足够能量引发电离，从而使得利用该技术可获得高质量薄膜。

11、6.等离子体增强化学气相沉积：通过在辉光放电中产生的等离子体自由团簇，使由薄膜组成的气态物质发生化学反应。从而实现薄膜生长的一种新的制备技术。优势在于可在比传统的化学气相沉积方法低得多的温度下获得上述单质和化合物薄膜。其基本作用是促进化学反应。7.等离子体增强化学气相沉积的原理：利用低温等离子体(非平衡等离子体)做能源，工件置于低气压下辉光放电的阳极上，利用辉光放电使工件温度升到预定温度，然后通进适量的反应气体，气体经一系列化学反应和等离子反应，在工件表面形成固态薄膜，包括了化学气相沉积的一般技术，又有辉光放电的强化作用。特点：由于粒子间的碰撞产生剧烈的气体电离，使反应气体受到活化，同时发生阴

12、极溅射反应，为沉积薄膜提供了清洁的活性高的表面，因而整个沉积过程与仅有热激活的过程中有明显不同。8.等离子体增强化学气相沉积分类：交错立式电极；远；感应加热；微波激发；微波电子回旋共振(ECR)化学气相沉积；直流；脉冲感应放电；射频。9.激光化学气相沉积：是一种利用激光束实现化学气相沉积的方法。机制：光致化学反应：利用具有足够高能量的光子使气体分子分解并成膜，或使气体分子与反应气体中的其他化学物质发生反应，在基体上形成化合物膜；热致化学反应：激光束作为加热源以实现热致分解，极光世界在基体上引起的温度升高控制着沉积反应的进行。10.激光源重要特征：方向性：可使光束射向尺寸很小的精确区域，有助于发

13、生局域沉积；单色性：使人们可通过选择激光波长来选择光致反应沉积或热致反应沉积。11. 化学和电化学转化：利用化学或电化学方法，使溶液中的金属离子转化为金属膜层，或通过金属与溶液中还原剂作用而生成化合物膜层的方法，称为化学和电化学转化。膜层的生成过程不需要外加电源的是化学转化，需要外加电源的是电化学转化。12.化学镀：是指在水溶液中，利用化学方法使溶液中的金属离子还原并沉积在你待镀基体表面，从而形成膜层的表面处理方法。13.化学镀应用：利用化学镀能制备的金属及合金薄膜很多，如Pd、Sn、Pt、Cr、Co及Ni-P、Ni-B、Cu-Ag薄膜等，可在金属、非金属(塑料、玻璃、陶瓷)、半导体、有机物等

14、材料表面沉积镀层。所沉积的镀层具有良好的耐磨性、耐蚀性、焊接性及特殊的磁、电性能，在电子、石油、化工、航空航天、核能、汽车、印刷、纺织、机械等工业领域应用广泛。14.化学氧化：是指利用化学方法，使基体与一定氧化液接触，在一定条件下发生化学反应，在基体表面形成稳定氧化物膜层的方法。所得到的氧化物膜层附着力好，可保护基体不受腐蚀介质的影响，并能提高基体耐磨、耐老化等性能或赋予基体表面其他性能。15.钢铁的化学氧化：是化学氧化应用最为广泛的一种，这是一种钢铁在含氧化剂的溶液中，表面生成均匀的蓝黑色到黑色膜层的处理工艺，也称钢铁的发蓝或发黑。16.钝化：是铬酸盐化学处理的简称，是把金属(或金属镀层)放

15、入含有各种添加剂的铬酸或铬酸盐溶液中，通过化学或电化学方法在其表面生成含三价铬或六价铬的铬酸盐膜层的方法，所得膜层一般称为钝化膜。特点：钝化膜与基体结合良好，结构致密，有很好的化学稳定性和耐蚀性，对基体有很好的保护作用；钝化膜颜色丰富，有一定的装饰效果。应用：钝化处理用途较多，可作为锌、镉等镀层的后处理，以提高其耐蚀性，也可用于其他金属如铝、铜、镁及其合金的表面防腐蚀处理。17.钝化过程步骤：金属表面被氧化并以离子的形式进入溶液，同时有氢气析出；所析出的氢气促使一定数量的六价铬还原为三价铬，并使得金属与溶液界面处的pH升高，使三价铬以胶体氢氧化铬的形式沉淀；氢氧化铬胶体从溶液中吸附和结合一定数

16、量的六价铬，在金属界面形成具有一定组成的铬酸盐膜，经干燥和脱水处理后，使其收缩并固定于金属表面上，才能最后形成铬酸盐钝化膜。18.电化学转化：若通过外加电源使金属表面获得一定组成和性能的镀层，则可得到电化学转化膜，处理方法为电化学转化处理。19.电镀：是指用电化学方法在镀件表面沉积金属镀层的工艺，在含有欲镀金属盐的溶液中，以镀件为阴极，通过电解作用，使溶液中欲镀金属的阳离子在镀件表面沉积出来成为镀层。20.电镀的目的在于改变材料外观，提高材料的各种物理、化学性能，赋予材料表面特殊的耐磨、耐蚀、装饰、焊接等性能以及光、声、电、磁、热等功能特性。21.电镀溶液包含的组分：提供沉积金属离子的主盐；与

17、沉积金属离子能形成稳定的配合物，改变镀液的电化学性能和金属离子的电沉积过程的配合剂；提高镀液导电能力，降低镀液槽压，图稿电镀电流密度的导电盐；稳定镀液酸碱度的缓冲剂；阳极活化剂；特殊添加剂。22.金属电沉积过程：是指在电流作用下，镀液中的金属离子在阴极表面还原并趁机形成金属镀层的过程。过程：镀液内金属离子(液相传质)双电层中金属离子(表面转化)放电金属离子(电化学反应)表面吸附原子(扩散、结晶)晶格(镀层)内原子。23.电镀前处理是为得到新鲜、干净的金属表面，以获得高质量镀层，包括去油、除锈、除灰等。电镀后处理的目的在于进一步提高镀层的防护能力，包括钝化、封闭、除氢等。24.钝化是指在一定溶液

18、中对电镀后的镀件进行化学处理，在镀层上形成坚硬、致密、稳定的薄膜，进一步增强镀层的耐蚀性、光亮度和抗污能力。为了消除氢渗入镀层中的不利影响，在一定温度下对镀层进行适当热处理的方法称为除氢处理。25. 合金电镀：在阴极上同时沉积出两种或两种以上的金属，形成结构和性能符合要求的合金镀层的工艺过程称为合金电镀。26.两种离子要实现共沉积除具备单金属离子电沉积的条件外，还必须具备：两个金属中至少有异种金属能从其盐类的水溶液中沉积出来；共沉积的两种金属的沉积电位必须十分接近。27.合金电镀分类：常规共沉积。正则共沉积；非正则共沉积；平衡共沉积。非常规共沉积。异常共沉积；诱导共沉积。28.在一定电解液中，

19、以铝作为阳极，在电流作用下使其表面生成氧化膜的方法称为铝的阳极氧化。特点：膜层为多孔结构，有良好吸附性；膜层具有很高的硬度和耐磨性能；膜层在大气中比较稳定，具有很高的耐蚀性；阳极氧化膜的电绝缘性能很好，有较高的绝缘电阻和击穿电压；铝的阳极氧化膜有很好的绝热性能，在1500下可稳定使用；阳极氧化膜与基体的结合强度较高，膜层不易剥落。29.铝阳极氧化膜的封闭处理方法：热水封闭法、水蒸气封闭法、重铬酸盐封闭法、水解封闭法、填充封闭法。30.微弧氧化：是把铝、镁、钽、锆、铌等有色金属及其合金至于电解液中作为阳极，以不锈钢作为阴极，利用高电压在金属表面产生火花或微弧放电，使金属表面原位生成氧化物膜层的方

20、法。经微弧氧化所得到的的膜层具有耐腐蚀性强、耐磨性好、绝缘、美观以及与基体结合牢固等优点，可用于腐蚀防护、耐磨损、电绝缘和装饰等方面。31.微弧氧化陶瓷膜由表面层(疏松层)、致密层和结合层组成。32.微弧氧化应用：在航空、航天、船舶、汽车、军工兵器、轻工机械、化学工业、石油化工、电子工程、仪器仪表、防止、医疗卫生、装饰等领域有很大的应用。1.根据膜厚测量原理将膜厚的测量方法分为：机械法、光学法、物理法和化学法。2.常见的膜厚测量方法：轮廓仪器法、光的干涉法、断面直接观察法、椭圆偏振法、磁性法、涡流法、微量天平法、石英晶体振荡法。3.表面成分分析内容：包括测定表面元素组成、元素化学状态及元素沿表

21、面横向分布和沿纵向的深度分布等。主要方法：俄歇电子能谱、X射线光电子能谱、二次离子质朴和电子探针X射线显微分析等。4.扫描隧道显微镜工作模式：恒电流模式和恒高度模式。5.原子力显微镜工作模式：接触模式、非接触模式和介于两者之间的轻敲模式。6.扫描探针显微镜的分类：按扫描探针显微镜原理分：扫描隧道显微镜；原子力；磁力扫描探针；静电力扫描探针；横向力扫描探针；力调制扫描探针；脉冲力扫描探针；热扫描探针；扫描电容；电流敏感扫描探针；相检测扫描探针；近场扫描光学。按样品测试环境分：超高真空型；大气型；液体型；电化学型。7.扫描探针显微镜的应用：样品表面的原子、分子形貌及电子结构研究和三维成像；材料表面

22、与薄膜的纳米硬度、微摩擦力、粘弹性、弹性等力学性能研究；材料表面与薄膜的电性能研究；材料表面与薄膜的磁性能研究；材料表面与薄膜的热导性能研究；材料与薄膜的粗糙度、表面缺陷、污染情况以及相组成的研究；半导体掺杂、电容及芯片研究；纳米尺度的刻蚀和操纵以及纳米器件研究；电化学反应研究；实时生物表面活性、生物结构与功能的关系研究等。8.表面结构分析：材料结构分析以衍射法为主，衍射方法主要有X射线衍射、电子衍射、中子衍射、穆斯堡谱、射线衍射等。9.耐热性能测试包括：高温抗氧化性能测试、高温软化性能测试和热冲击性能测试等。10.绝缘性能测试方法：传递式绝缘破坏试验法、芯轴式绝缘破坏试验法和压紧式绝缘破坏试

23、验法。11.空隙测定方法：物理法、化学法、电解显像法、显微镜观察法和绝缘测试法等。12.耐腐蚀性能测定：大气暴露试验、盐雾试验和SO2工业气体腐蚀试验。13.薄膜材料的力学性能包括薄膜的强度、硬度、界面结合强度、残余应力和摩擦磨损性能等。14.薄膜材料的力学性能测试方法：超显微硬度测试、纳米压入法、界面结合强度测试、摩擦磨损试验、内应力测量。1.X射线光电子能谱（XPS）主要用于表面化学成分和元素的化学状态分析。利用XPS可对薄膜样品的成分以及组成元素的化学状态进行定性分析、定量分析以及深度剖面分析，反映其表面成分以及成分随深度的变化。2.薄膜的表面形貌评价：用扫描电镜(SEM)观察和评价非晶

24、碳膜的表面和断面形貌(SEM是利用聚焦电子束在试样表面扫描时激发的各种物理信号来调制成像的)；用原子显微镜(AFM)观察非晶碳膜表面的三维形貌(AFM利用固定在具有弹性的悬臂末端的尖针，通过杠杆或弹性元件把阵间轻轻压在待测表面上，从样品的一端到另一端进行扫描，通过检测样品表面和针尖之间相互作用力的变化来获得薄膜表面的三维形貌信息)。3.薄膜的结晶状态与相组成分析：用X射线衍射仪(XRD)分析非晶碳膜的结晶状态和相组成。X射线衍射仪分析的基本原理：发生衍射现象的条件是满足布拉格公式2dsin=n；掠入射XRD分析；非晶材料的XRD分析。用选区电子衍射(SAD)对非晶碳膜进行微区结构分析。4.薄膜

25、的显微组织分析：用透射电镜(TEM)分析非晶碳膜的显微组织(TEM是以波长极短的单色电子束作为照明源，利用一系列电磁透镜将穿过试样的电子信号放大成高分辨率，高放大倍数的电子光学仪器普通TEM的明、暗唱像可直观地材料表面厚度，晶粒尺寸，界面结构等大量微结构信息，高分辨透射电镜可直接观察到材料的晶格排列、位错以及界面和晶界的原子排列情况)；用高分辨透射电镜(HREM)观察非晶碳膜的显微组织。5.薄膜的价键结构分析：利用激光拉曼光谱评价非晶碳膜的碳键结构；利用X射线电子能谱(XPS)确定非晶碳膜的碳键结构。6.薄膜厚度的测量：用球面研磨法和扫描电镜断面法测量掺铬非晶碳膜的薄膜厚度，分别属于机械法(金

26、相法)和光学法。7.薄膜硬度的测量：采用配备维氏压头的显微硬度计测量掺铬非晶碳膜的硬度，在加载50kg，保载15s的条件下进行测试。8.薄膜内应力：是表征薄膜与基体接触界面间结合强度的附着力和反映薄膜单位截面上承受的来自基体的约束作用力。薄膜内应力产生的原因：由薄膜与基体的热膨胀不同引起(热应力)；由薄膜生长过程中的非平衡性或薄膜特有的微观结构引起(内禀应力)。9.薄膜附着力评价：用压痕试验法评价非晶碳膜的结合强度；用划痕试验法评价非晶碳膜的结合强度(两种检测模式：声发射方法，切向力方法)。10.薄膜的摩擦磨损性能检测：非晶碳膜的摩擦性能测量：使用销-盘摩擦试验来评价非晶碳膜的摩擦性能，并结合

27、球面研磨法来评价非晶碳膜的耐磨性能；非晶碳膜的磨损率测量：用磨损率来评定非晶碳膜的耐磨性。11.功能薄膜材料：指具有电、磁、声、光、热、过滤、吸附等物理性能及催化、反应等化学性能的薄膜。按性能不同主要分为：电功能膜，磁功能膜，光功能膜，声功能膜，分离膜，催化膜，气敏膜；按材质不同分为：金属膜，玻璃膜，陶瓷膜，高分子膜，生物膜；也可按机理用途等分类。12.光电效应：物质受到光照射以后，经常会发生某些电学性质的变化，即产生了光电效应。光电效应主要有光电导效应，光生伏特消音和光电子发射效应三种。物质受到光照射作用时，其电导率产生变化的现象，称为光电导效应；如果光照到半导体p-n结上，在p-n结两侧就

28、会出现电势差，p区为正极，n区为负极，这一电势差可以用高内阻的电压表测量出来，称为光生伏特效应；当金属或半导体受到光照射作用时，其表面和体内的电子因吸收光子能量而被激发，如果被激发的电子有足够的能量，足以克服表面势垒而从表面离开，就会产生光电子发射效应。前两种因在物体内部发生，称为内光电效应，一般发生在半导体中；光电子发射效应发生在物体表面，称为外光电效应，主要发生在金属和半导体中。13.硅薄膜按结晶结构可分为单晶薄膜，多晶薄膜和非晶薄膜。单晶薄膜用于制造半导体器件和集成电路，多晶硅薄膜制造半导体期间，集成电路和太阳能电池，非晶硅薄膜主要用于制造太阳能电池。14.外延硅薄膜：在半导体技术中，单

29、晶硅薄膜通常采用外延法制备，有气相外延，固相外延和分子束外延等，这样的薄膜也常称为外延硅薄膜。15.外延硅薄膜解决了原来半导体器件技术中难以解决的问题：在基片衬底上沉积一层电阻率较高的外延硅薄膜作为晶体管的集电区，级增大了晶体管的功率，又提高了其截止频率和反向击穿电压；在半导体器件中采用外延硅薄膜后大大改进了晶体管的频率响应、脉冲性能和开关特性；由于采用了外延工艺，同样使得双极型集成电路的制造工艺大大简化。16.外延硅单晶薄膜中的缺陷：表面缺陷和体内缺陷。表面缺陷有角锥体，云雾，小丘等，体内缺陷主要是堆垛层错和位错。17.在外延单晶硅薄膜中产生层错的主要原因：外延硅膜的生长温度过低；外延硅膜的

30、生长速率过快；衬底表面结构欠完美及表面被玷污。18.位错是晶体滑移区与未滑移区交界处形成的原子排列畸变区，属于线缺陷。在外延单晶硅薄膜中形成位错的原因：衬底原有的位错在外延生长过程中被延伸到外延膜中；热应力引起衬底高温滑移；掺杂应力引起滑移。19.外延单晶硅薄膜中的缺陷对半导体器件性能的影响：角锥体和堆垛层错会使半导体器件表面出现热斑，导致器件反向特性变软，击穿电压降低；正常温度下，堆垛层错和位错对半导体中的载流子浓度影响很小，但可以大大改变载流子的迁移率和寿命，使迁移率降低，正常温度下，堆垛层错和位错对这些参数的影响会增大，层错和位错密度较高时，能使p-n结电物理性能出现反常，破坏其反向特性

31、，原因是缺陷处易发生杂质沉积，从而降低半导体的可靠性。20.对于外延方法制备的单晶硅薄膜而言，除了要求达到规定的厚度和厚度均匀性外，最重要的性能指标是缺陷程度，电阻率和杂质分布曲线，这些性能主要取决于外延膜的生长条件，未专门掺杂的外延膜的纯度通常用电阻率来评价。21.多晶硅薄膜的制备及应用：通常用化学气相沉积法制备。采用低压化学气相沉积法生长的多晶硅膜结构收到生长温度、掺杂剂、杂质及沉积后热处理工艺的强烈影响。在沉积过程中，薄膜晶粒大小随生长温度升高而增大，对多晶硅薄膜的掺杂有促进其晶粒长大的作用，多晶硅薄膜的结构和择优取向与衬底种类有关。适于制造大面积的p-n结，制造太阳能电池，且比单晶硅便

32、宜，但多晶硅中存在的晶界会影响太阳能电池的能量转换效率。22.多晶硅薄膜的性能：电学性能：未掺杂的多晶硅膜具有很高的电阻率，但掺杂多晶硅膜的电阻率会随掺杂浓度的增加而迅速降低；光学和光电性能：在可见光区域未掺杂和掺杂多晶硅膜的折射率近似相等，掺杂薄膜的稍低，在红外光区域，随掺杂剂量的增加折射率降低，这归因于光辐射和载流子的相互作用。多晶硅薄膜的平均光电导率与晶粒大小、光照强度、吸收系数、薄膜厚度、晶界态密度(陷阱密度)以及陷阱的俘获截面有关，电导率和晶界处的复合电流密度都与晶粒大小成正比，平均光电导率随薄膜厚度增加而减弱，陷阱密度越高俘获截面越大，势垒高度越高，光电导降低。23.非晶硅薄膜：原

33、子排列可以看作构成一个连续的无规网络，它是长程无序的，大多用于制造太阳能电池。只能采用沉积方法来得到。最重要的沉积方法有真空蒸发纯硅，溅射硅靶以及辉光放电分解硅烷等。辉光放电法制备的氢化非晶硅薄膜具有比其他方法大得多的光电导，因此采用辉光放电分解法沉积a-Si:H薄膜。a-Si:H的吸收系数光谱曲线符合非晶半导体吸收系数的一般规律，其吸收系数曲线包括三个区：由电子从价带扩展态到导带扩展态的带间跃迁所决定的高吸收区，主要由电子从价带扩展态到导带扩展态或从价带尾部局域态至导带扩展态的跃迁所决定的指数吸收区，及由带内跃迁(自由载流子吸收)和带尾之间的跃迁所决定的弱吸收区。24.磁光记录既光记录与磁记

34、录于一体，具有很高的存储密度和反复擦写功能。磁光记录优于普通记录的原因是磁光薄膜具有垂直于膜面的磁单轴异性，磁化强度在垂直于膜面方向自发平行取向，极小的柱畴可形成非常高的面密度。信息写入过程是薄膜的矫顽力随温度变化来实现的。25.作为实用的磁光记录薄膜必须具备的特性：具有垂直膜面的磁各向异性，且Ku2Ms2；具有矩形磁滞回线(Mr/Ms=1)和高的高温矫顽力；具有高的磁光记录灵敏度；大的磁光效应(大的克尔角k或大的法拉第角F)；低的磁盘写入噪声(没有或只有小的晶粒)；足够高的循环写入次数(大于106次)；良好的抗氧化性，耐腐蚀性及长期稳定性；居里温度在400600K之间，补偿温度在室温左右。2

35、6.能满足要求的磁光薄膜有三大类：稀土-过渡(RETM)金属非晶态慈光薄膜；Bi代石榴石磁光膜；Pt/Co系列多层调制膜。以TbFeCo非晶态薄膜为磁光记录介质的磁光盘，具有便于携带，存储容量大，寿命长以及可反复接触擦写等优点，已用于计算机数据备份，联机数据存储和检索，工作站计算，文字处理，信号处理等方面。27.氮化铁薄膜材料的相结构：-Fe2N相、-Fe4N相、-Fe3N相、-Fe16N2相。28.氮化铁薄膜材料的制备方法：真空蒸镀法、分子束外延法、离子注入法、磁控溅射法。29.直流磁控溅射方法所制备薄膜的生长机制：在基片不加热的情况下，随氮气流量比的增加，薄膜中N/Fe原子比增大；在表征基

36、片加热条件下沉积氮化膜时发现，相同氮气流量比下，随着基片温度升高薄膜中的氮含量降低；随氮气流量比的减小，薄膜的饱和磁化强度增大，随基片温度的增加，薄膜的饱和磁化强度也呈增大趋势；随氮气流量比增加，薄膜表面光滑度增加，而随基片温度升高，样品表面粗糙度有所增加；基片加偏压大小影响薄膜表面光滑度，各偏压下获得薄膜样品的饱和磁化强度值比较接近，但是矫顽力随衬底偏压的增大呈减小的规律；一定条件下，增大励磁功率有利于富铁相的沉积，随励磁功率增加薄膜表面变得光滑，晶粒则随之减小；磁控溅射获得的Fe-N样品表面都具有自仿射分形特点，不同氮气流量及基片温度下，薄膜生长有不同的标度指数。溅射沉积薄膜具有相同的生长

37、机制，薄膜生长表面存在一定程度的空位或孔洞，表面有悬臂生长现象，薄膜生长过程中的弛豫靠解吸完成。30.磁阻：磁电阻是指导体在磁场中电阻的变化，通常用电阻变化/率描述。巨磁电阻(GMR)效应指某些磁性材料或合金材料多层膜的磁电阻在一定磁场作用下急剧减小，而/急剧增大的特性。分类：又磁场直接引起的磁性材料的正常磁电阻、与技术磁化相联系的各向异性磁电阻、掺杂稀土锰氧化物中的超大磁电阻、磁性多层膜和颗粒膜中特有的巨磁电阻、隧道磁电阻等。31.对掺杂锰氧化物材料的巨磁电阻效应研究表明：样品的巨磁电阻行为伴随有磁学性质的变化；样品电阻率的压力效应与施加外磁场的效果相似；磁致伸缩测量显示，样品的巨磁电阻行为

38、亦与样品晶格的变化相联系。32.锰氧化物薄膜的制备工艺：主要方法是激光脉冲沉积(PLD)和磁控溅射(包括直流磁控溅射和射频磁控溅射)技术。靶材的制备与块样的制备相同，通常有固态反复应法、溶胶凝胶法、溶液燃烧法。离子束溅射和分子束外延技术均可制备锰氧化物薄膜。用金属有机化学气相沉积法(MOCVD)可制备高质量、多组分的薄膜。具体过程是先将试剂原料制成粉末样品，然后进行压制、烧结成靶，最后在进行镀膜。33.巨磁电阻薄膜材料的应用：可使器件小型化、廉价化，主要用于高密度记录读出磁头、磁传感器、随身存储器、磁光信息存储、汽车、数控机床、非接触开关，卫星定位，家用电器，商标识别等。与光电传感器相比，有功

39、耗小，可靠性高，体积小，价格便宜和更强的输出信号及能工作于恶劣环境等优点。34.超硬薄膜：指由、和三个主族元素构成的共价键单质薄膜或化合物薄膜，其显微硬度接近天然金刚石，符合标准的薄膜有以下几种：金刚石膜；类金刚石膜(DLC)；立方氮化硼(c-BN)薄膜；氮化谈薄膜(-C3N4和CNx)；硼碳氮(BCN)薄膜；纳米多层结构薄膜和纳米晶复合薄膜。35.超硬材料的主要特点：化学键以共价键为主，离子键成分很少；由元素周期表第二、三周期中的、主族的碳/氮化物或单质组成，元素的原子半径很小。36.金刚石膜的力学性能及应用：硬度和弹性模量极高，摩擦系数很小，具有很好的耐磨和减摩性能，金刚石膜用于涂于车刀，

40、能提高刀具使用寿命，满足高精度机械零件的加工要求，薄膜与钻头的结合强度很好，可用于商业领域，用金刚石膜制作的拉丝膜，加工效率高，可连续拉制，使用寿命长，产品质量好，表面光滑，精度高。金刚石膜刀具最大的缺点是不能加工钢铁零件，刀尖上的高温能使金刚石与铁发生化学反应，加速刀具磨损，在高速车削过程中此现象很明显。37.CVD金刚石膜在半导体器件中的应用：是良好的电绝缘体，在沉积过程中可通过掺杂形成p行或n型半导体，可制成在高温、高频、高功率或强辐射条件下稳定工作的大规模集成电路，金刚石膜高热导率，化学性质稳定，辐射抗力，硬度，生物相容性好的特性可使其在极限的热、压力、辐射条件和化学环境介质中成为理想

41、的传感器材料。金刚石膜传感器可与集成电路结合起来，构成微电子机械系统(MEMS)，还可用于辐射探测器，制成微波源使用的碰撞离化时间传输二极管。38.CVD金刚石膜在光学方面的应用：在所有的固体薄膜材料中，金刚石的投射光谱带最宽，且抗辐照损伤性强，若能减少沉积薄膜中的伴生碳和其它杂质，则可用于X射线或红外窗口材料，同时控制一定的晶粒尺寸，可得到光学清洗不散射的光学膜，光刻软X射线掩膜衬底，雷达罩以及导弹头罩，但由于CVD金刚石膜生成温度较高，残余应力答，薄膜玻璃过程易破碎，难制成大面积可玻璃薄膜。39.CVD金刚石膜在热学和声学方面的应用：金刚石膜是电子封装的绝好材料，可作为高性能多芯片电子模块

42、的基板，还可作为半导体热沉、热敏电阻及高灵敏度温度计等，涂于扬声器钛振膜表面可制造宽音频，高保真的扬声器。40.CVD金刚石膜的主要制备工艺：常见的制备方法有直流电弧法、直流等离子体喷射法、微波等离子沉积法、热丝合成法、火焰合成法等。41.直流电弧法：指在两个有一定距离的平行点电极之间加上直流电压，使反应器中的气体受激发电离成等离子体。该方法的特点是：可通过升高电压，增大电极间距和电极面积而扩大金刚石膜的沉积面积；未经表面处理的衬底也易于沉积金刚石膜，并且沉积速度较快；沉积过程容易抑制，薄膜与衬底附着性能好；其缺点是对衬底必须采用水冷却，不能应用于低熔点材料；由于电极处于反应室内，沉积薄膜可能

43、受污染。42.微波等离子沉积法：利用微波进行气体活化合成金刚石膜。该工艺的特点：通过气体分子离解，产生活性离子的效率较高，电子密度大，有利于金刚石形核；电子动能大，形成金刚石膜的气体压力范围款，沉积速率可达到每小时数微米；沉积时，衬底温度较低，合成金刚石膜的结晶性和质量重现性均很好；要增大沉积面积，必须大大提高微波功率和放电区域，并需要精确有效地控制等离子体，设备制造费用大为增多；微波方法所能达到的金刚石生长速率有限，阻碍影响走向产业化进程。43.在微波等离子体化学气相沉积（MWCVD）和热丝化学气相沉积（HFCVD）金刚石膜过程中，影响金刚石膜形核和生长的主要工艺参数：衬底温度、气源成分、气

44、体温度、衬底直流偏压、气体压强。44.天然金刚石很少的原因：通常条件下，石墨的生长速率远大于金刚石的生长速率，它们之间的竞争生长使石墨覆盖了任何可能形成的金刚石晶核；石墨和金刚石之间存在高势垒，使石墨向金刚石的转化十分困难。45.在沉积过程中掺入大量的氢，可抑制石墨形核生长，从而在非高温高压条件下合成金刚石膜。CVD金刚石膜的形核和生长的动力学可分为以下几个方面：含有碳和氢的入射气体被热丝、微波、直流电弧等加热而活化，并转变成等离子体态；氢和碳的等离子体随入射气体一同扩散或被喷送到衬底表面，在衬底表面上沉积并形成sp2和sp3碳的杂化态，即形成动力学上稳定的石墨、无定形碳和亚稳态的金刚石结构；

45、氢和其它元素(如氧、氯、氩等)的等离子体能刻蚀sp2和sp3键，但由于其对sp2键的刻蚀速率远远大于sp3键，因而金刚石膜能成和并长大。46.直接在铁基材料上沉积金刚石膜存在障碍的原因：铁对碳的形成有强的催化作用，会促使sp2杂化的无定形碳和石墨的生长，因此在铁基衬底上沉积出的金刚石是附着在一层松软的黑色碳层上，而不是在表面碳化的铁基材料上生长；碳在铁基材料中扩散系数很高，易在表面附近生成铁的碳化物，使衬底表面变脆，严重降低其使用性能；由于沉积的金刚石膜和铁基衬底有如前所述的含碳层及金刚石和铁基材料的热导率差别很大，导致金刚石膜在铁基表面的附着力很低，因此在铁基材料上预先制备过渡层或表面改性是

46、有效的解决方法。47.金刚石膜WC-Co硬质合金工具衬底上直接沉积也很困难，主要受到Co对碳有很高的溶解度，使金刚石膜的形核孕育期过长，不易形核。去除Co的不利影响的的方法有：用算溶液侵蚀去除硬质合金表面的Co；采用低Co甚至无Co的硬质合金工具作为衬底；添加过渡层；激光处理；化学热处理。48.热丝CVD技术设备简单，过程易控制，薄膜生长质量好，速率适当，通过增加热丝的排列根数，即可扩大生长面积，是发展大面积、高速率，高质量气相生长金刚石膜工业化生产的良好工艺。热丝CVD大面积优质金刚石膜的形成和生长条件：均匀的热丝温度；均匀的衬底温度；衬底表面附近均匀的气体温度；衬底表面附近均匀的气体质量流

47、密度；均匀的衬底偏压电场。49.在硅(100)上生长高取向金刚石膜的四个步骤：等离子体预处理，碳化，偏压形核和无偏压生长，后来发现不需要碳化步骤。高取向金刚石晶粒首先是在偏压形核步骤内形成的，然后生长成连续的(100)织构金刚石膜。50.金刚石膜品质检测手段：拉曼光谱测量薄膜结构、纯度和薄膜内应力状况；X射线衍射仪分析金刚石膜的晶体结构；用扫描电镜观察薄膜表面形貌及测量成核密度和生长速度；用红外光谱分析薄膜的红外透过率，透过率越高，薄膜纯度越高；薄膜与衬底界面结合力是金刚石膜工具的重要评价指标，采用压痕法定性分析。51.具有高比例sp3结构的类金刚石膜存在以下问题：在DLC膜中存在着很大的压应

48、力导致薄膜与基体的结合强度很低。DCL膜在许多基体表面不易成膜，膜厚稍大即自行剥落。DCL膜与基体之间脆弱的结合强度不仅使得可沉积的薄膜厚度受到了很大限制，也使其在使用过程中容易发生早起失效，因为严重限制了其工业应用；DCL膜的热稳定性较低，其最高工作温度大约为400500，这使得DCL膜在高速切削刀具及热作模具上的应用受到交较大限制；DCL膜与多种金属接触时会发生触媒效应，这大大限制了DCL膜在钢铁基体上及加工钢铁材料的工、模具上的应用。52.DCL膜中混合有不同比例的sp3和sp2杂化结构，晶体结构为非晶，是长程无序的，但其中可能具有短程有序或尺寸很小的微晶区。DCL膜通常被分为含氢DCL

49、膜和无氢DCL膜两大类。53.DCL膜模型：两相结构模型(TP模型)。该模型认为DCL膜的结构可以描述为具有sp2咋花的类石墨团簇镶嵌在由具有sp3杂化的碳原子构成的骨架中；完全约束网络模型(FCN模型)：该模型认为碳原子形成充分横向交联的无规则网络时，其自由度为零，网络是完全约束的。54.非晶碳膜的性能：力学性能。一般认为DLC膜的硬度主要取决于薄膜的sp3杂化结构含量，sp3杂化结构含量越高，薄膜硬度越大，不同沉积方法制备DCL膜硬度差异很大；其弹性模量受薄膜中所包含的sp3杂化结构和sp2杂化结构比例的影响，sp3杂化结构比例越高，薄膜弹性模量越大；DCL膜中存在着高达GPa量级的压应力

50、；非晶碳膜的内应力，弹性模量和硬度彼此成正比关系，薄膜硬度越大，内应力越大。摩擦学性能。DCL膜在摩擦因数方面有明显优势；工作环境状况对DCL膜的摩擦性能影响很大；DCL膜可保持很低的磨损率，具有良好的耐磨性能。光学性能。具有较大的光学带隙，薄膜的sp3杂化结构含量越高，光学带隙越高；用磁控溅射法制备DCL膜时，薄膜的折射率随溅射功率的增加而缓慢增大，随镀膜室氩气压力的升高而减小。电学性能。一般含氢DCL膜的电阻率比不含氢薄膜的电阻率高，薄膜中掺杂金属时，电阻率较低；具有较低的电子亲和势；DCL膜的电子发射具有阀值电场低，发射电流稳定，电子发射面密度均匀等优点。化学稳定性。纯DCL膜是一种极好

51、的化学惰性材料，具有优异的耐腐蚀性；DCL膜没有金属离子的毒副作用，不受人体体液的侵蚀，不会与肌肉发生反应，因此具有良好的生物相容性。55.类石墨碳膜的性能特点：在保持较高硬度的同时具有较小的内应力，易于保证薄膜与基体的良好结合；其碳键结构以sp2杂化为主，大大减小了与黑色金属发生触媒反应的顾虑；在大气环境中有更好的摩擦磨损性，更适于在大气环境中使用；56.为了获得最大的非晶碳膜厚度，需要做到：要确保薄膜与衬底之间具有良好的结合力；在衬底与薄膜之间增加过渡层及制备结构和成分渐变的梯度薄膜以缓冲膜中的内应力；制备多层膜，利用界面和韧性相释放膜中的内应力。57.限制DCL膜广泛应用的问题主要有：D

52、CL膜的高内应力；DCL膜的热稳定性较差。58.DCL膜应用的技术手段：非晶碳膜的过渡层技术。其主要失效机理是在不连续的膜/基界面处产生了应力集中应变，从而导致了薄膜与基体的剥离。非晶碳膜的掺杂技术。可显著降低其内应力，明显提高薄膜对基体的附着力，同时改善它的某些重要理化性能。掺杂非金属的DCL膜。掺硅DCL膜：使薄膜硬度降低，有效组织高温下薄膜的石墨化进程，显著提高DCL膜的热稳定性，延缓摩擦诱发石墨化的作用，有利于提高DCL膜的摩擦学性能，降低DCL膜的表面张力，增加表面润湿性；掺氮DCL膜：使薄膜内应力降低，但使其机械性能变差，导致DCL膜的摩擦因数和比磨损率增大；掺氟DCL膜：显著增强

53、DCL膜的稳定性和热稳定性，改善表面性能，降低表面能和硬度，增加表面粗糙度。掺杂金属的DCL膜。显著降低薄膜内应力，提高非晶碳膜与金属基体之间的化学相容性，减小二者物性差异，有助于提高薄膜附着力。偏压溅射技术。非晶碳膜的热稳定性问题。59.影响非晶碳膜摩擦磨损性能的主要因素：影响DCL膜成分和结构的关键因素是薄膜中sp3键、sp2键的比例和薄膜的氢含量及掺杂元素的种类和含量。60.DCL膜的摩擦学研究主要集中在制备方法、掺杂元素、摩擦环境、滑动速度、载荷、基体和对偶材料等对其摩擦学性能的影响方面。61.最常用来解释DCL膜的摩擦磨损机理的有：摩擦界面的石墨化理论：认为DCL膜是一种亚稳态结构的

54、碳，若能客服能垒，将会转化成更稳定的石墨；摩擦界面的转移膜理论：认为DCL膜具有低摩擦因数和较长的磨损寿命的一个重要原因是其在摩擦时形成了转移膜，在摩擦过程中，摩擦接触界面的薄膜首先发生石墨化转变，在薄膜表面形成石墨层，然后表面石墨层的部分材料在摩擦力的作用下转移到对偶件表面上，从而形成石墨化的转移膜；摩擦界面的化学反应理论：认为DCL 膜在滑动过程中的摩擦力主要来源于摩擦界面上存在的短程和长程物理、化学作用，包括共价键、范德华力、静电引力和表面张力等。62.固态润滑涂层可用于干摩擦场合和有油(脂)润滑的场合。在全油膜润滑状态，具有高硬度的固体润滑涂层能提高摩擦表面的承载能力；在边界润滑状态或

55、当液体润滑失效时，固体润滑涂层的存在可有效防止金属与金属直接对磨，起到减摩、耐磨、延长机件寿命的作用。63.在深入理解固-液复合润滑摩擦磨损机理的基础上，使固体润滑涂层与液体润滑剂两者实现相互促进而避免相互擎肘，是固-液复合润滑技术需要着力研究的重要课题。本课题拟解决的关键问题是：通过对涂层摩擦界面的成分、磨损性茂、相组成、显微组织和微观结构等的综合分析，渗入理解掺铬类石墨碳膜在固-液复合润滑条件下的摩擦磨损机理；在此基础上，确定掺铬类石墨碳膜在固-液复合润滑条件下维持稳定磨损的条件，扬长避短，使“掺铬类石墨碳膜+油(脂)”负荷润滑体系的性能实现最优化。64.合成氮化碳CNx薄膜的气相沉积方法

56、主要有：反应溅射(射频磁控溅射、直流磁控溅射)、离子束辅助沉积、等离子体增强CVD、脉冲激光沉积、离子注入、离子镀等。65.离子束辅助沉积制备薄膜的工艺分类：Ar+溅射石墨靶，N+辅助轰击。该工艺设计碳原子和氮离子的交互作用，在沉积过程中能比较精确的控制沉积过程中到达沉积表面的离子和原子数量比一级薄膜沉积速率等参数；N+溅射，N+、NHn或N+NHn辅助轰击。在这种工艺中，NH3中N和H+是单化学键结合，而N2中N以三重键存在，N在NH3中比在N2中具有较强的化学活性，易离化形成原子态氮。66.用于制备CNx薄膜的等离子增强CVD方法主要有：射频或直流等离子体CVD。利用射频或直流电源使原料气

57、体辉光放电产生C、N等离子体，这些等离子体在自偏压作用下轰击沉积表面并凝聚成形成薄膜；热丝等离子体CVD。高温热丝是一个活化热源，反应气体通过高温热丝的加热分解，产生各种原子或原子团等离子体，具有高的离化程度和化学活性；微波等离子体CVD。具有较高的电子密度和能量，其电子密度可达1011cm-3，电子温度可达10eV，可获得有-C3N4与-C3N4混合相的氮化碳薄膜。67.等离子增强CVD的优点：反应气体中，提供C原子的一般是CH4、C2H2、CO、C60等，提供N原子一般为NH3等，在这些化合物中N的化学活性比溅射气体中N2的化学活性要高许多，从而与C原子更易形成CN化合物；反应气压高，使反应气氛中N2的分压提高，从而提高CNx薄膜中N含量；衬底温度底稿，超过800甚至达到1200。促进表面原子的扩散，使晶体形核和生长更加容易，有利于改善薄膜的表面状态及薄膜内盈利的大小和分布，并促进-C3N4晶体自由生长。68.离子注入法制备CNx薄膜的基本思路是：先利用Ar离子枪轰击石墨靶，在衬底上得到一层表面光滑、致密、与衬底具有良好结合力的C薄膜，然后利用高能的N+注入该薄膜，从而得到高N含量的薄膜。69.氮化碳薄膜的性能：硬度。有很高硬度，且薄膜光滑致密；摩擦磨损性能。有优异的摩擦磨损性能，即良好的耐磨性和较低的摩擦系数；抗腐蚀性和耐热性。化学稳定性和化学惰性比金刚石高，能比金