随着超大规模集成电路（VLSI）的发展，晶体管尺寸越来越小，传统的栅介质SiO₂不能满足下一代器件栅介质的需求，研发高k介质代替SiO₂栅介质受到了极大的关注。Ta₂O₅薄膜具有较高的介电常数，低的漏电流密度，高的击穿强度，和传统工艺兼容性好等优良特性。本文利用直流磁控反应溅射制备了Ta₂O₅薄膜，优化了工艺条件，并进行了快速热退火实验。利用原子力显微镜、X射线衍射仪、紫外-可见光光度计、耐压测试仪等仪器分析了Ta₂O₅薄膜表面形貌、晶体结构、折射率、消光系数、光学带隙、击穿强度和介电常数等物理电子学特性，系统地研究了制备参数和退火温度对Ta₂O₅薄膜性能的影响。研究发现直流磁控反应溅射起辉电压和溅射气压的关系符合帕邢定律，薄膜的沉积速率随着氧流量比的升高呈指数递减，随着溅射气压的增长先增大后减小，在0．3Pa时达到最大。直流磁控反应溅射得到的Ta₂O₅薄膜表面致密平整，无明显缺陷。沉积态薄膜粗糙度均方根在0．488～3．350 nm之间，表面粗糙度与沉积速率密切相关。在退火温度低于结晶温度时，退火能改善薄膜表面形貌，减小表面粗糙度。沉积态Ta₂O₅薄膜均为非晶态，Ta₂O₅薄膜的结晶温度在700～800℃。经过800℃退火，Ta₂O₅薄膜变成六角相结构（δ-Ta₂O₅）晶体，在退火温度为900～1000℃时，薄膜由δ-Ta₂O₅结构开始转化为低温正交相结构（L-Ta₂O₅）。Ta₂O₅薄膜在可见光范围内透射率高（78％～80％），折射率在2．01～2．20之间，消光系数数量级为10^-4，光学带隙在3．6～4．3eV之间，击穿强度范围为2～4．5 MV／cm。沉积态Ta₂O₅薄膜的介电常数为24．3，在退火温度为800℃时，介电常数达到最大26．5。随着退火温度再升高，介电常数反而降低。