超薄四面体非晶碳膜(tetrahedral amorphous carbon，简称ta-C)具有高硬度、高弹性模量、低摩擦系数、宽透光范围、良好的化学惰性等优点，在微电子工业、半导体器件、高精密模具、数据存储、航空航天、汽车等领域具有广阔应用前景。尤其近年来半导体行业、微电子机械系统(MEMS)、信息存储等领域元器件的微型化、功能化和集成化发展趋势，对研究发展超薄、超硬、超光滑的ta-C碳膜材料提出了迫切需求。　　国内外研究学者围绕超薄ta-C碳膜的制备与性能表征，已开展了一系列研究，并取得了积极的研究成果，但要获得超薄、超硬、超光滑、低应力、连续、致密的高性能ta-C碳膜，一方面目前传统制备技术仍面临着严峻挑战。另一方面，随着薄膜厚度的减小，传统结构表征方法由于厚度尺寸带来的强关联效应和碳膜键态结构的复杂性导致结构表征存在局限性，关于超薄ta-C碳膜的制备、结构和物性间的作用规律仍不清楚。因此，综合实验和分子动力学理论研究，来深入理解超薄ta-C碳膜的生长机制和物性演化，设计、制备高质量超薄ta-C碳膜已成为研究的关键。　　本文采用自主研制的45°双弯曲磁过滤阴极真空电弧技术(FCVA)制备不同厚度的超薄ta-C碳膜，利用新方法表征薄膜的厚度与微观结构，考察膜厚变化对薄膜结构、密度、残余压应力和表面形貌的影响。结果表明:利用椭偏结合分光光度计的方法表征超薄ta-C碳膜的膜厚以及微观结构，可实现sp3C和sp2C含量的精确表征。采用FCVA技术制备的超薄ta-C碳膜，沉积速率低，质量高，薄膜密度最大达到3.070 g/cm3，有利于制备更薄的碳膜。同时，随着膜厚的增加，薄膜sp3的含量减少，拓扑无序度降低;当膜厚为7.6nm时，sp3的含量达到最大81.936％;薄膜的残余压应力由14 GPa逐渐降低到5 GPa，下降幅度较大。同时，本实验所制备的碳膜表面非常光滑，具有填充基体凹坑，减少基底缺陷的作用。在薄膜成核阶段，表面粗糙度与膜厚变化有关，然而在生长阶段，薄膜表面粗糙度与膜厚变化关系不大。　　为了进一步降低超薄ta-C碳膜的高残余应力，论文研究了调控碳源入射角对残余压应力的影响。随入射角增加，薄膜的sp3含量和拓扑无序度没有明显变化，沉积速率降低。但因入射角的改变减少了畸变键长和键角的数目，薄膜中残余压应力降低了约25.4％，同时并没有损伤sp3含量和力学性能，硬度保持30～33.5GPa之间，没有明显的降低。这为低应力、高密度的超薄ta-C碳膜制各提供了一种新方法。　　考虑阴极弧流大小对阴极弧斑运动、寿命及靶材刻蚀的影响，论文最后研究了弧流对超薄ta-C碳膜结构和性能的影响。研究发现:随弧流由40A增加到70A，薄膜沉积速率增加，sp3含量先增加后减小。当弧流为60A时，薄膜sp3的含量达到最大66％，此时密度也达到最大3.067 g/cm3。残余压应力也随弧流增加呈现先增加后减小的变化趋势。当弧流为40A时，薄膜残余应力最小为4 GPa。同时因碳膜沉积过程中碳源粒子具有填充基体凹坑，减少基体缺陷的作用，使得表面非常光滑，ta-C碳膜的表面粗糙度随弧流增加呈现先降低后增加的变化，当弧流为50A时，薄膜表面粗糙度最小为0.195 nm。