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)。測量了不同薄膜樣品的漏電流密度和擊穿場強(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)道相對較少。本文的研究把離子束流密度獨(dú)立出來, 有助于認(rèn)識(shí)離子輔助對薄膜的作用機(jī)理，并對實(shí)際的離子輔助沉積中通過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，固定離子源陽極電壓保持氧輔助離子的能量不變，而變化離子源陽極電流來改變離子束流密度，從而研究氧離子束流密度對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。基片的清洗，運(yùn)輸，鍍膜均在千級凈化室中完成。

　　為了研究氧離子束流密度對薄膜的影響，在實(shí)驗(yàn)的過程中，將電子槍的參數(shù)固定，離子源陽極電壓固定為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，然后通過連接法拉第筒的電流表來讀取電流I，計(jì)算出電流密度J=I/S，其中S為有效收集面積。測量出了離子源陽極電流大小同離子束流密度之間的對應(yīng)關(guān)系，如圖1所示。

圖1離子源陽極電流與離子束流密度的對應(yīng)關(guān)系

　　實(shí)驗(yàn)過程中選取了四個(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應(yīng)為:（a）無離子輔助，束流密度為0；（b）陽極電流為2A，束流密度為69 μA·cm-2；（c）陽極電流為5A，束流密度為143μA·cm-2；（d）陽極電流為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Ta₂O₅中的氧含量造成干擾，導(dǎo)致無法知道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)行測試。為了便于測試，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。