利用氧離子輔助電子束蒸發(fā)沉積Ta₂O₅薄膜，在固定氧離子能量的條件下研究了氧離子束流密度對(duì)Ta₂O₅薄膜的微觀結(jié)構(gòu)、化學(xué)計(jì)量比和漏電流密度的影響。利用原子力顯微鏡和X 射線衍射儀對(duì)Ta₂O₅薄膜微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征研究，發(fā)現(xiàn)隨著離子束流密度增大，沉積的Ta₂O₅薄膜致密性提高，粗糙度下降，但薄膜一直保持非晶態(tài)；同時(shí)能譜儀測(cè)試的結(jié)果表明，薄膜中O/Ta 比例逐漸提高，直至呈現(xiàn)富氧狀態(tài)。測(cè)量了不同薄膜樣品的漏電流密度和擊穿場(chǎng)強(qiáng)，發(fā)現(xiàn)隨著離子束流密度增大，薄膜漏電流密度顯著降低，擊穿場(chǎng)強(qiáng)提高�？傊�，提高氧離子束流密度能夠明顯改善Ta₂O₅薄膜的微觀結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能。

　　離子輔助沉積作為一種荷能輔助沉積手段，不僅改變了傳統(tǒng)意義上的薄膜形成及生長(zhǎng)概念，而且展示出超乎尋常地控制薄膜結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的潛在能力，是推動(dòng)近代薄膜制造技術(shù)快速發(fā)展的核心因素之一。在離子輔助沉積薄膜的過(guò)程中，輔助轟擊離子的質(zhì)量、能量、入射角、離子與蒸發(fā)原子的到達(dá)速率比和襯底溫度等參量，都會(huì)對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)和性質(zhì)造成影響，并且會(huì)導(dǎo)致一些重要的薄膜電荷效應(yīng)以及薄膜的氧化和氮化效應(yīng)。其中，輔助離子的離子能量、離子質(zhì)量、離子束流密度是最為重要的影響參量。真空技術(shù)網(wǎng)的另外幾篇文章報(bào)道了離子質(zhì)量及離子能量等參量對(duì)薄膜性質(zhì)影響的研究，有關(guān)離子束流密度研究的報(bào)道相對(duì)較少。本文的研究把離子束流密度獨(dú)立出來(lái), 有助于認(rèn)識(shí)離子輔助對(duì)薄膜的作用機(jī)理，并對(duì)實(shí)際的離子輔助沉積中通過(guò)改變離子參量得到可控制的薄膜屬性有參考和指導(dǎo)意義。

　　本研究中，采用霍爾型離子源進(jìn)行氧離子輔助電子束蒸發(fā)沉積Ta₂O₅薄膜，固定離子源陽(yáng)極電壓保持氧輔助離子的能量不變，而變化離子源陽(yáng)極電流來(lái)改變離子束流密度，從而研究氧離子束流密度對(duì)Ta₂O₅薄膜微觀結(jié)構(gòu)和電性能的影響。

1、實(shí)驗(yàn)

1.1、樣品制備

　　Ta₂O₅薄膜的基片為3mm厚浮法玻璃，在超聲清洗機(jī)清洗后用18M去離子水沖洗干凈、120℃紅外烘烤干燥。在北儀創(chuàng)新科技真空有限公司制造的ZZSX-1350B真空鍍膜機(jī)上，利用氧離子束輔助電子束蒸發(fā)的方式在基片上制備Ta₂O₅薄膜。鍍膜機(jī)的本底真空為1.0×10-4Pa，基片溫度為350℃。離子源為鐠瑪泰克真空科技有限公司的Power-C-10A型圓形霍爾等離子源，工作氣體為高純氧氣（純度為99.999％），工作壓強(qiáng)為2.0×10-2Pa 左右。蒸發(fā)膜料選用顆粒度為1~3mm、純度為99.99%的Ta₂O₅顆粒（上海特旺光電材料有限公司）。使用MAXTEK公司的MDC360C型石英晶體膜厚速率監(jiān)控儀控制薄膜厚度和沉積速率�；�片的清洗，運(yùn)輸，鍍膜均在千級(jí)凈化室中完成。

　　為了研究氧離子束流密度對(duì)薄膜的影響，在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，將電子槍的參數(shù)固定，離子源陽(yáng)極電壓固定為80V，保持氧離子能量穩(wěn)定。采用加負(fù)偏壓的法拉第筒收集正離子，然后通過(guò)連接法拉第筒的電流表來(lái)讀取電流I，計(jì)算出電流密度J=I/S，其中S為有效收集面積。測(cè)量出了離子源陽(yáng)極電流大小同離子束流密度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖1所示。

圖1離子源陽(yáng)極電流與離子束流密度的對(duì)應(yīng)關(guān)系

　　實(shí)驗(yàn)過(guò)程中選取了四個(gè)代表性樣品進(jìn)行表征與分析，其制備時(shí)的氧離子束流密度分別對(duì)應(yīng)為:（a）無(wú)離子輔助，束流密度為0；（b）陽(yáng)極電流為2A，束流密度為69 μA·cm-2；（c）陽(yáng)極電流為5A，束流密度為143μA·cm-2；（d）陽(yáng)極電流為8A，束流密度為201μA·cm-2。

1.2、樣品表征

　　采用本原納米儀器公司的CSPM3000型原子力顯微鏡對(duì)制備的Ta₂O₅薄膜進(jìn)行表面微觀結(jié)構(gòu)分析。利用Philips X’Pert Pro X 射線衍射儀分析薄膜晶體結(jié)構(gòu)，陽(yáng)極為Cu 靶，X 射線源管壓為40 kV， 電流為40 mA。使用Oxford 公司的Link-ISIS能譜儀對(duì)薄膜進(jìn)行元素分析。在元素分析時(shí)，浮法玻璃中的氧元素將會(huì)對(duì)Ta₂O₅中的氧含量造成干擾，導(dǎo)致無(wú)法知道Ta₂O₅的真實(shí)O/Ta原子比例，因此，此表征中的Ta₂O₅薄膜的基片改用Si，但是其他制備條件不變。

　　Ta₂O₅薄膜的直流電學(xué)性能采用Agilent34401A 進(jìn)行測(cè)試。為了便于測(cè)試，制備了MIM結(jié)構(gòu)的樣品。首先在玻璃基片沉積一層Cr 薄膜，濕法刻蝕出下電極，保護(hù)好電極的引出端，然后沉積Ta₂O₅薄膜，最后再采用lift- off 的方法制作出Al上電極。