氧離子束流密度對Ta2O5薄膜的影響

真空鍍膜 趙靖 福州大學物理與信息工程學院

  利用氧離子輔助電子束蒸發沉積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薄膜的微觀結構、化學計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薄膜微觀結構進行表征研究,發現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;同時能譜儀測試的結果表明,薄膜中O/Ta 比例逐漸提高,直至呈現富氧狀態。測量了不同薄膜樣品的漏電流密度和擊穿場強,發現隨著離子束流密度增大,薄膜漏電流密度顯著降低,擊穿場強提高。總之,提高氧離子束流密度能夠明顯改善Ta2O5薄膜的微觀結構和電學性能。

  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構與性質的潛在能力,是推動近代薄膜制造技術快速發展的核心因素之一。在離子輔助沉積薄膜的過程中,輔助轟擊離子的質量、能量、入射角、離子與蒸發原子的到達速率比和襯底溫度等參量,都會對薄膜結構和性質造成影響,并且會導致一些重要的薄膜電荷效應以及薄膜的氧化和氮化效應。其中,輔助離子的離子能量、離子質量、離子束流密度是最為重要的影響參量。真空技術網的另外幾篇文章報道了離子質量及離子能量等參量對薄膜性質影響的研究,有關離子束流密度研究的報道相對較少。本文的研究把離子束流密度獨立出來, 有助于認識離子輔助對薄膜的作用機理,并對實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意義。

  本研究中,采用霍爾型離子源進行氧離子輔助電子束蒸發沉積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薄膜微觀結構和電性能的影響。

1、實驗

1.1、樣品制備

  Ta2O5薄膜的基片為3mm厚浮法玻璃,在超聲清洗機清洗后用18M去離子水沖洗干凈、120℃紅外烘烤干燥。在北儀創新科技真空有限公司制造的ZZSX-1350B真空鍍膜機上,利用氧離子束輔助電子束蒸發的方式在基片上制備Ta2O5薄膜。鍍膜機的本底真空為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%),工作壓強為2.0×10-2Pa 左右。蒸發膜料選用顆粒度為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控儀控制薄膜厚度和沉積速率。基片的清洗,運輸,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,在實驗的過程中,將電子槍的參數固定,離子源陽極電壓固定為80V,保持氧離子能量穩定。采用加負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關系,如圖1所示。

離子源陽極電流與離子束流密度的對應關系

圖1離子源陽極電流與離子束流密度的對應關系

  實驗過程中選取了四個代表性樣品進行表征與分析,其制備時的氧離子束流密度分別對應為:(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薄膜進行表面微觀結構分析。利用Philips X’Pert Pro X 射線衍射儀分析薄膜晶體結構,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能譜儀對薄膜進行元素分析。在元素分析時,浮法玻璃中的氧元素將會對Ta2O5中的氧含量造成干擾,導致無法知道Ta2O5的真實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薄膜的直流電學性能采用Agilent34401A 進行測試。為了便于測試,制備了MIM結構的樣品。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。