《薄膜材料与技术》复习资料总结

【讲义总结】 1.真空区域的划分：①粗真空(1x105~1x102Pa)。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；②低真空(1x102~1x10-1)。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；③高真空(1x10-1~1x10-6)。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；④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：是利用某种物理过程实现物质原子从源物质到薄膜的可控转移过程。特点：①需要使用固态或熔融态的物质作为沉积过程的源物质；②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；③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；④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：①蒸发源物质的纯度；②加热装置、坩埚等可能造成的污染；③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：①镀膜质量好；②膜/基结合强度高；③均镀能力强。 14.溅射沉积的主要特点：与蒸发法相比①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；②制备合金薄膜时，容易实现对薄膜成分的准确控制；③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；④可利用反应溅射技术，用金属靶材制备化合物薄膜；⑤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：①薄膜质量高；②膜/基结合强度高；③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：①离子束流密度高；②衬底偏压低；③薄膜的结合 强度高；④沉积速率低。应用领域：①制备薄膜磁头的耐磨损氧化薄膜；②制备硬质薄膜；③制备切削刀具和模具的超硬薄膜；④制备固体润滑膜；⑤制备光学薄膜。 18.引起衬底温度升高的能量来源：①原子的凝聚能；②沉积原子额平均动能；③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.离子团束沉积的特点：①原子团对衬底的高速冲击将会造成衬底局部温度的升高；②原子在衬底表面的扩散迁移能力强；③能促进各个薄膜核心连成一片，成膜性能好；④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；⑤能促进衬底表面各种化学反应的产生；⑥薄膜沉积速率高；⑦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：①设备相对简单，适用于大型复杂外形零件的薄膜沉积；②可实现多组元的同时沉积，对薄膜成分的控制能力强；③沉积离子的能量较高，有利于提高薄膜的致密性和附着力；④薄膜沉积温度较低；⑤克服了普通物理气相沉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。①生长室由三部分组成：喷射源及挡板、液氮冷阱、样品架。②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：①优点：与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。②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：①利用热分解反应制备金属薄膜；②利用还原反应制备薄膜；③利用氧化反应制备氧化物薄膜；④利用氮化反应和碳化反应制备氮化物和碳化物薄膜；⑤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：①可获得高质量、无损伤的薄膜；②沉积在低温下进行；③沉积速率快，可生长亚稳相和形成突变结；④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。 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：①交错立式电极~；②远~；③感应加热~；④微波激发~；⑤微波电子回旋共振(ECR)化学气相沉积；⑥直流~；⑦脉冲感应放电~；⑧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：①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；②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：①方向性：可使光束射向尺寸很小的精确区域，有助于发生局域沉积；②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：①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；②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：①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；②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；③氢氧化铬胶体从溶液中吸附和结合一定数量的六价铬，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