阳极氧化法制备壁垒型Al2O3绝缘膜的研究

　　采用阳极氧化法在Al膜上制备具有绝缘性能的壁垒型Al2O3膜,研究不同成分比例的电解液、阳极氧化电压对壁垒型Al2O3膜性能的影响。利用能量分散谱和扫描电镜观测壁垒型Al2O3膜的元素组成、表面形貌及厚度,并对其绝缘耐压性进行了测试。结果表明,所制备的Al2O3膜厚度均为纳米量级,在95%乙二醇,1.9%癸二酸铵,3.1%硼酸的电解液中,以300V恒定电压制备的壁垒型Al2O3膜拥有很好的绝缘性能,击穿场强可达5.25MV/cm。

　　关键词： 阳极氧化;壁垒型Al2O3膜;绝缘性能;击穿场强

　　基金项目: 国家自然科学基金项目(61106053);; 教育部博士点博导基金项目(20103514110007);; 电子薄膜与集成器件国家重点实验室开放课题(KFJJ200916)

　　场发射显示器( Field Emission Display, FED) 继承了阴极射线管显示器( Cathode Ray Tube, CRT) 的优良显示性能, 是一种具有广阔应用前景的平板显示器。在三极型FED 中, 介质膜起着隔离栅极和阴极的作用, 要求绝缘性能好, 击穿场强高, 并且, 介质膜的厚度越小, 将降低栅极调控电压, 从而提高显示器的性能。常用的介质膜有Al2O3、SiO2、Ti2O5 等[ 1] , 其中, SiO2 介质膜制备工艺复杂, 一般使用等离子体增强化学气相沉积( Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD) 方法制备, 材料的缺陷密度高, 在制备后栅极结构的时候容易造成击穿, 且厚度为几个至几十个微米, 也不易于降低栅极调控电压。Ta2O5 介质膜制备成本比较高, Al2O3 介质膜具有优良的绝缘性能, 其绝缘击穿场强为5~ 10 MV/ cm[2],此外,Al2O3 介质膜具有良好的热稳定性、化学稳定性以及附着性能, 是目前电子及微电子行业广泛应用的介质膜之一。

　　Al2O3 介质膜的制备方法主要有物理气相沉积(Physical Vapor Deposition, PVD) 、化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition, CVD) 、溶胶-凝胶法( So-l Gel) 以及阳极氧化法( Anodization) [ 3- 5] 。PVD、CVD方法需要真空环境, 所需设备复杂。So-l Gel 法多采用有机化合物, 成本较高, 且对健康和环境不利。阳极氧化法不需要真空环境, 所需设备少, 原材料容易解决, 成本低; 且工艺简单, 可通过改变工艺参数控制薄膜的厚度和结构, 制备的薄膜表面光滑、致密,薄膜成分均匀接近化学计量比, 生成的氧化膜且具有良好的电绝缘性, 成为制备Al2O3 介质膜的最佳选择。

　　阳极氧化Al2O3 膜按其结构不同可分为多孔型和壁垒型两类[ 6] 。多孔型Al2O3 膜具有有序孔状阵列, 主要用作组装纳米结构材料的模板, 开发研制超微光电材料和高催化效率功能薄膜等。关于多孔型Al2O3 膜绝缘性能的研究, 陈锦等[ 7] 在草酸溶液中阳极氧化制备了厚度为1􀀁2 􀀁m 的多孔型Al2O3 膜, 其击穿场强最大为1􀀁04 MV/ cm, 他们还用阳极氧化法制备了厚度为400 nm 的Al2O3-Ta2O5 复合膜, 虽然厚度明显减小了, 但是其击穿场强最大仅为2􀀁32MV/ cm。在接近中性的电解液中阳极氧化, 可得到紧靠金属表面的致密无孔的壁垒型Al2O3 膜, 它不仅厚度薄, 大多为纳米量级, 且绝缘性很好, 在国内被广泛应用于铝电解电容器中[ 8- 9] 。日本HITACHI公司多年来致力于研究阳极氧化法制备度薄且绝缘性能优良的Al2O3 膜, 于SID( Society for Information Display) 2011 国际会议上公布了其研究成果: 采用阳极氧化法制备了6􀀁9 nm 的Al2O3 绝缘膜应用于MIM(Meta-l Insulator-Metal)-FED 中, 延长了MIM 阴极寿命[ 10], 因其掌握技术一直处于垄断地位, 故研究如何用阳极氧化法制备厚度薄且绝缘性能好的Al2O3膜颇有意义。我们在不同成分比例的中性电解液中, 以不同的电压进行阳极氧化制备壁垒型Al2O3绝缘膜, 并对薄膜的表面微观形貌、元素组成、厚度及绝缘性能进行了表征, 为其应用于后栅型FED 打下基础。

　　在乙二醇、癸二酸铵、硼酸的混合弱酸性溶液中, 采用阳极氧化法在纯Al 膜上制备了壁垒型Al2O3 绝缘膜, 研究了不同成分比例的电解液、阳极氧化电压对壁垒型Al2O3 绝缘膜性能的影响。结果表明:

　　(1) 所制备的Al2O3 膜厚度为纳米量级。在相同电压下, 不同电解液所产生的Al2O3 膜厚度基本上随着电解液配方中硼酸含量的减小而增大。在同一电解液中,Al2O3 膜的厚度随着氧化电压的增大而增加。

　　( 2) 在相同电压下, 随着电解液中癸二酸铵含量的增加, 以及硼酸含量的减少, 壁垒型Al2O3 膜的击穿场强先增大后减小。在同一电解液中, 壁垒型Al2O3 膜的击穿场强随阳极氧化电压的增大而增大。结果表明, 在95% 乙二醇, 1􀀁9% 癸二酸铵, 3􀀁1% 硼酸中, 以300 V 恒定电压制备的壁垒型Al2O3 膜绝缘性能最好, 击穿场强约5.25 MV/ cm。

　　( 3) 所制备的Al2O3 膜均没有多孔Al2O3 膜所特有的规则孔洞阵列, 而是以微小纳米颗粒的形态聚集在一起。随着氧化电压的增大, 生成的Al2O3 膜越致密。

参考文献：

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