《Q235钢表面镀覆二氧化硅薄膜的研究》-毕业论文.doc

绪论 材料是人类文明的里程碑，是人类赖以生存和发展的物质基础。正是材料的使用、发展和发明，才使人类在与自然界的斗争中，走出混沌蒙昧的时代，发展到科学技术高度发达的今天。所以，材料是人类文明发展的标志。金属材料由于其内在特性，根据其成分和组织的不同，可获得高塑性、高韧性、导电率高、热导率高、高强度等鲜明特点，因而具有优异的延展性和综合机械性能。青铜是人类获得的第二种人造材料。青铜的使用大大低推动了人类历史的发展，铸造了一段辉煌的历史。尤其是发展到近代，由于钢铁具有好的机械性能（机械强度、塑性、硬度、冲击韧性、断裂韧性）、好的耐温性(高温或低温)、好的制造加工性（可焊接性、可铸造性、可切削性、可热处理性、可冲压性）、好的物理性能（密度、热导率、比热容、熔点、线膨胀系数）、价格低廉、来源广泛、易于回收等优点。各个国家的现代化过程中，钢铁广泛应用于建筑、桥梁、航空、航海、包装、汽车等领域，为推动各国的现代化做出了巨大的贡献。可是随着科学技术的快速发展，人类对材料提出了更高的要求，尤其是钢铁材料，传统的钢铁材料远远不能满足人们的需求，许多钢铁制零部件都需要在非常苛刻的条件下服役。如铁道、海洋用钢以及暴露在空气中的一些铁制电子器件，由于长期处于恶劣的自然环境中，这就要求这类材料有很好的抗氧化和抗腐蚀性能。对于用于航天、航空及高温下服役的钢铁材料，要求有高的抗氧化性。尤其是对某些特殊服役的部件材料的表面提出了更高的要求。而对材料进行表面处理是提高材料表面性能的一种有效途径。 表面处理的方法很多，表面涂覆是一种有效的表面处理方法。在基体材料上镀覆一层镀覆材料，形成的复合材料，可大大改善基体材料的性能。这同样对被涂覆的材料提出更高的要求。 众所周知，SiO2 薄膜以其优异的性能在半导体、微波、光电子、光学器件以及薄膜传感器等领域获得了广泛的应用。在微电子技术中SiO2 膜被用作扩散掩蔽层、MOS 器件的绝缘栅、多层布线的绝缘隔离层以及器件表面的钝化保护层等。SiO2 膜还以其折射率低（n=1.458）、透光性好的特性用于光学零件的表面防护以及减反射涂层。此外SiO2 膜具有良好的绝缘性、稳定性和机械特性，硬度高、结构精细、膜层牢固、抗磨耐腐蚀、熔点高而用于多层薄膜传感器的绝缘层。为此，多年来人们对SiO2 膜制作方法及性能等进行了广泛的研究。对于应用于微电子技术和传感器技术中的SiO2 膜，人们关心的是SiO2 薄膜的介电常数、击穿场强、绝缘电阻、固定电荷和可动电荷密度等电性能指标。应用于光学镀膜领域的SiO2 膜，人们更关心膜层的折射率、消光系数及透明区间等光学性能指标。介于SiO2 薄膜的稳定性及上述优点，所以，对碳钢表面镀覆SiO2 薄膜是提高钢铁材料抗氧化性和抗腐蚀性的一种有效方法。通常制备SiO2 薄膜现行方法主要有磁控溅射[1]、化学气相沉(CVD)[2]、热氧化法[3]、凝胶- 溶胶法[4-5]等。 1.1 磁控溅射 磁控溅射自1970 年问世以来，由于其沉积速率快、衬底温度低、薄膜厚度的可控性、重复性及均匀性与其它SiO2 薄膜制备方法相比有明显的改善和提高，避免粉尘污染，以及溅射阴极尺寸可以按比例扩大等优点，已应用于从微电子器件到数平方米玻璃镀膜的诸多领域，并逐渐发展成为大面积高速沉积的主流方法。溅射的一般原理是将衬底承片台正对着靶，在靶和衬底之间充入氩气（Ar），由于电场作用气体辉光放电，大量的气体离子将撞击靶材的表面，使被溅射材料以原子状态脱离靶的表面飞溅出来，淀积到衬底上形成薄膜。磁控溅射中的正交电磁场，能使高能电子作螺旋运动，并被局限在阴极附近，这样将使辉光放电区被限制在阴极靶的邻近区域，从而避免了失效离子的产生，大大减小了电子对衬底表面直接轰击造成的损伤，增加了离化率，使工作气压可以大大降低。 如果在沉积室中增加反应性气体，使溅射粒子和反应性气体发生化学反应，从而合成化合物薄膜，这种沉积方法就称为反应磁控溅射。 1.2 化学气相沉积(CVD)法 化学气相沉积(CVD)技术是利用气态的先驱反应物，通过原子、分子间化学反应的途径生成固态薄膜的技术。CVD 过程多是在相对较高的温度(通常≥700℃)和压力环境下进行的，因为较高的温度和压力有助于提高薄膜的沉积速率。但是许多基底材料在沉积SiO2 膜时不允许有太高的温度。为此人们研制出多种不同的CVD 方法来降低制备SiO2 膜时的温度。最典型的是等离子体增强CVD 法，也有采用低温CVD 法和离子束辅助CVD 法。 1.3 热氧化法 热氧化法是一种传统的制备SiO2 膜的工艺。尽管这种方法工艺简单、制备出的SiO2 膜电气性能极好，无论从绝缘性能还是从掩蔽性能方面都能满足半导体器件生产的需要，但这种方法要求在较高的温度环境下(1050℃～1100℃)进行，而且基片只能是