一种致密五氧化二钽薄膜的制备方法与流程

本发明属于材料的制备及光学薄膜技术领域，具体涉及一种致密五氧化二钽薄膜的制备方法。

背景技术：

五氧化二钽薄膜具有良好的光学性质、电学性质和结构性质，近年来在光学薄膜材料、介电材料和结构色材料领域有广泛的应用。在光学薄膜材料方面，五氧化二钽可以透过近红外光和可见光，且在可见光光谱范围内，五氧化二钽薄膜具有较低的吸收率，且其属于高折射率材料，透射光谱范围较宽（0.3～10μm），所以五氧化二钽薄膜材料可以广泛应用于增透膜、光电材料、激光器谐振腔晶片、太阳能晶片和液晶显示器等元器件。在电学材料方面，五氧化二钽具有较高的介电常数（30～35）、较好的热稳定性，且化学性质稳定，能与半导体材料、大规模集成电路元器件的制造工艺匹配，被认为是微电子电路技术中最具开发潜力的非硅介电材料，有希望成为下一代多芯片模块和动态随机储存器的电容材料，另外五氧化二钽在某些热机部件表面涂层和阳电极材料表面涂膜中也有应用。在结构性质方面，五氧化二钽薄膜结构均匀、致密度好，机械强度高、耐磨性好，可以广泛用作各类功能薄膜的保护膜，且可作为结构色广泛涂敷于各类装饰品，替代色素等易脱落材料，绿色环保，寿命长。

技术实现要素：

本发明目的是提供一种通过电子束蒸发法来制备致密五氧化二钽薄膜的方法。本发明技术方案是：在真空条件下，以高能电子束对五氧化二钽颗粒进行加热处理，在硅基片上沉积两层厚度相同的薄膜，最后在300~900℃的空气气氛中进行退火处理，得到五氧化二钽薄膜。

上述五氧化二钽薄膜材料制备方法的具体过程是：

s1、将清洗过的高纯度硅基片置于电子束蒸发装置中，将高纯度的五氧化二钽颗粒放入铜坩埚中；

s2、启动真空泵系统,使腔体真空度降至1×10^-3pa以下，同时对硅基片加热至300℃并维持恒温；

s3、通过手动方式利用e型电子枪发射的高能电子束对五氧化二钽颗粒进行预融处理；

s4、进行离子源处理，清理预融过程中腔内残余气体；

s5、设定镀膜工艺参数，使单层膜的沉积速率均为0.2～0.4nm/s，开始镀膜；

s6、将样品在空气中进行300～900℃的退火处理，得到五氧化二钽薄膜。

所述五氧化二钽颗粒的纯度为99.99%以上。

所述硅基片分别在丙酮中超声清洗15分钟、然后在无水乙醇中超声清洗15分钟,最后在去离子水中超声清洗15分钟。

所述电子枪灯丝电流为300～320ma。

所述五氧化二钽颗粒与硅基片的距离为130～140cm，五氧化二钽颗粒与电子枪灯丝的距离为20～30mm。

所述退火处理的时间为30分钟。

所述五氧化二钽颗粒薄膜连续沉积两层，厚度均为50nm。

本发明的有益效果：本发明利用电子束蒸发法，先通过从钨丝发射的电子经过e型电子枪加速并聚焦到铜坩埚中的五氧化二钽颗粒，在硅基片上沉积生长出金属氧化物薄膜结构，由于五氧化二钽熔点较高，需要使用较高熔点材料的蒸发参数，缩小电子枪光斑面积使之熔化蒸镀，之后在空气中对其进行不同温度退火处理，制备出形貌均匀光滑且致密度高的五氧化二钽薄膜。该方法操作简单，所用试剂和五氧化二钽颗粒均市售可得，利用电子束蒸发的方法按照相同五氧化二钽蒸镀参数，双层重复蒸镀，厚度比1:1，成膜速度快，双层蒸镀方式能给予充足的生长时间，晶粒分布较均匀，在退火后形成的致密五氧化二钽薄膜结晶度好、纯度高，稳定性好，相对于磁控溅射方法制备的薄膜重复性高，成膜性好，在较低的温度下就形成了纯度比较高的致密五氧化二钽薄膜，各批次之间误差比例小，同时本发明获得的致密五氧化二钽薄膜可用于制备增透膜和光学保护膜。

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是制备的致密五氧化二钽薄膜的x射线衍射图。

图2是制备的致密五氧化二钽薄膜的raman光谱图。

图3是制备的致密五氧化二钽薄膜的扫描电子显微镜图一。

图4是制备的致密五氧化二钽薄膜的扫描电子显微镜图二。

图5是制备的致密五氧化二钽薄膜的扫描电子显微镜图三。

图6是制备的致密五氧化二钽薄膜的扫描电子显微镜图四。

图7是制备的致密五氧化二钽薄膜横截面的扫描电子显微镜图五。

图8是制备的致密五氧化二钽薄膜横截面的扫描电子显微镜图六。

图9是制备的致密五氧化二钽薄膜横截面的扫描电子显微镜图七。

图10是制备的致密五氧化二钽薄膜横截面的扫描电子显微镜图八。

具体实施方式

为进一步阐述本发明达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。

实施例1

本实施例提供了一种如图1～10致密五氧化二钽薄膜材料的制备方法：采用电子束蒸发法，控制电子枪灯丝电流为310ma左右，沉积速率为0.3nm/s，先以纯度99.99%的五氧化二钽颗粒为蒸发料在硅基片上沉积一层厚度为50nm的五氧化二钽薄膜，；然后以相同电子枪灯丝电流和沉积速率再沉积一层厚度为50nm的五氧化二钽薄膜；最后在300~900℃的空气气氛中进行退火处理30分钟，退火过程中设定升温速率为5℃/min，得到致密五氧化二钽薄膜。

制备致密五氧化二钽薄膜的具体过程如下：

s1、将清洗过的高纯度硅基片置于电子束蒸发装置中，将高纯度的五氧化二钽颗粒放入铜坩埚中，防止实验过程中因杂质的影响导致实验失败；

s2、启动真空泵系统,抽取腔室气体,使腔体真空度降至1×10^-3pa以下，同时对硅基片加热至300℃并维持恒温，防止较低的真空度导致蒸发过程失败，同时减少镀膜时因应力因素导致薄膜质量较差；

s3、通过手动方式利用e型电子枪发射的高能电子束对五氧化二钽颗粒进行预融处理，使预融金属表面均匀平整，可以提高更均匀且更稳定的蒸发气体；

s4、进行离子源处理，清理预融过程中腔内残余气体，使实验过程不受杂质气体的影响；

s5、设定镀膜工艺参数，使其沉积速率为0.2～0.4nm/s，以及使用晶振监控薄膜沉积厚度，并使用电阻丝加热使硅基片温度保持在300℃，开始镀膜；具体过程是：通过调节电子束电流密度大小从而控制五氧化二钽颗粒的蒸发速率，调节蒸发速率为0.2～0.4nm/s，通过安装在真空室上方的晶振片可以实时检测所镀薄膜的沉积厚度，设定每一层沉积厚度为50nm,当其沉积厚度达到所设定薄膜厚度时，薄膜沉积过程自动停止；固定硅基片的行星盘周围安装有环绕真空腔体一周的电阻丝，通电流后可以均匀烘烤匀速转动的行星盘及附着在行星盘上的硅基片；蒸发过程中，使用烘烤的方法将硅基片的温度维持在300℃，以减小薄膜应力，提高成膜质量。

s6、薄膜沉积完成后，将样品进行300～900℃的退火处理。对样品进行退火处理，表面和内部的原子或分子会获得能量，因此会在硅基片表面进行重新分布，填补缺陷，使薄膜质量更均匀，致密性更好。

进一步的，所述高纯五氧化二钽颗粒的纯度为99.99%以上。

进一步的，所述高纯硅基片在丙酮中超声清洗15分钟、然后在无水乙醇中超声清洗15分钟,最后在去离子水中超声清洗15分钟，此目的是去除硅片表面的油渍和难溶杂质，防止其影响薄膜的生长。

进一步的，所述电子枪灯丝电流为300～320ma，沉积速率为0.2～0.4nm/s。设定此电流值范围，可以确保提供实验需要的沉积速率。因为沉积速率对薄膜的生长会起到比较关键的作用，过快或过慢的沉积速率会影响薄膜的生长模式，同时稳定的沉积速率对于制备均匀性良好的薄膜是至关重要的。

进一步的，所述五氧化二钽颗粒与硅基片的距离为130～140cm，五氧化二钽颗粒与电子枪灯丝的距离为20～30mm。五氧化二钽颗粒与电子枪的距离是由设备决定的，不能根据不同实验进行调整。当用电子束加热五氧化二钽颗粒时，灯丝距离五氧化二钽颗粒较近，五氧化二钽颗粒可能会由于坩埚内受热不均匀而部分崩出坩埚，崩出的熔融五氧化二钽颗粒液滴溅到硅基片表面就会严重影响薄膜的形貌。此外，灯丝距离五氧化二钽颗粒距离太近，可能导致难以控制五氧化二钽颗粒气化后气体的上升速率，对薄膜的均匀度有所影响。同时，如果灯丝距离五氧化二钽颗粒太远，电子束难以聚焦，坩埚内的温度达不到所设定的熔融温度，因而不能熔化五氧化二钽颗粒或者需要使用更大的灯丝电流。当硅基片与五氧化二钽颗粒距离为130～140cm之间时，此时，五氧化二钽蒸气的上升速率以及五氧化二钽蒸气的相对气体密度会更均匀，对于薄膜的生长会起到有利的作用。

实施例2

本实施例中，在500℃的空气气氛中进行退火处理30分钟，退火过程中设定升温速率为5℃/min，其他步骤与实施例1相同，得到致密五氧化二钽薄膜。

实施例3

本实施例中，在700℃的空气气氛中进行退火处理30分钟，退火过程中设定升温速率为5℃/min，其他步骤与实施例1相同，得到致密五氧化二钽薄膜。

实施例4

本实施例中，在900℃的空气气氛中进行退火处理30分钟，退火过程中设定升温速率为5℃/min，其他步骤与实施例1相同，得到致密五氧化二钽薄膜。

实施例5

采用扫描电子显微镜、x射线衍射仪、拉曼光谱仪对实施例1～4制备的薄膜进行了分析，结果见图1～10。图1结果显示，所得薄膜均为五氧化二钽薄膜，但当温度升高到900℃时，ta2o5发生相变，由β-ta2o5（低温型）转变成α-ta2o5（高温型）。图2结果中，由ta2o5薄膜在306和432cm^-1的拉曼峰随温度变化曲线，可定性看出ta2o5的拉曼光谱随退火温度的变化不大。图3～6显示：在300～700℃之间，ta2o5薄膜随着退火温度的增加，颗粒尺寸明显变小，这是由于温度的升高，表面自由能增大，使原子的表面迁移率增加，填补了薄膜表面的缺陷造成的，900℃退火出现的明显变化，可能是由于在高温下，五氧化二钽薄膜出现了从低温相转变为高温相的相变。该现象进一步佐证了图1所示结果。图7～10结果显示，300℃时ta2o5薄膜厚度略厚于其他样品，这是由于表面缺陷较多引起的，500～900℃下，由于温度的增加导致迁移率增加，薄膜表面缺陷较少，所以其厚度变化不大。