采用陽(yáng)極氧化法在Al膜上制備具有絕緣性能的壁壘型Al2O3膜,研究不同成分比例的電解液、陽(yáng)極氧化電壓對(duì)壁壘型Al2O3膜性能的影響。利用能量分散譜和掃描電鏡觀測(cè)壁壘型Al2O3膜的元素組成、表面形貌及厚度,并對(duì)其絕緣耐壓性進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明,所制備的Al2O3膜厚度均為納米量級(jí),在95%乙二醇,1.9%癸二酸銨,3.1%硼酸的電解液中,以300V恒定電壓制備的壁壘型Al2O3膜擁有很好的絕緣性能,擊穿場(chǎng)強(qiáng)可達(dá)5.25MV/cm。

　　關(guān)鍵詞： 陽(yáng)極氧化;壁壘型Al2O3膜;絕緣性能;擊穿場(chǎng)強(qiáng)

　　基金項(xiàng)目: 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61106053);; 教育部博士點(diǎn)博導(dǎo)基金項(xiàng)目(20103514110007);; 電子薄膜與集成器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(KFJJ200916)

　　場(chǎng)發(fā)射顯示器( Field Emission Display, FED) 繼承了陰極射線管顯示器( Cathode Ray Tube, CRT) 的優(yōu)良顯示性能, 是一種具有廣闊應(yīng)用前景的平板顯示器。在三極型FED 中, 介質(zhì)膜起著隔離柵極和陰極的作用, 要求絕緣性能好, 擊穿場(chǎng)強(qiáng)高, 并且, 介質(zhì)膜的厚度越小, 將降低柵極調(diào)控電壓, 從而提高顯示器的性能。常用的介質(zhì)膜有Al2O3、SiO2、Ti2O5 等[ 1] , 其中, SiO2 介質(zhì)膜制備工藝復(fù)雜, 一般使用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積( Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD) 方法制備, 材料的缺陷密度高, 在制備后柵極結(jié)構(gòu)的時(shí)候容易造成擊穿, 且厚度為幾個(gè)至幾十個(gè)微米, 也不易于降低柵極調(diào)控電壓。Ta2O5 介質(zhì)膜制備成本比較高, Al2O3 介質(zhì)膜具有優(yōu)良的絕緣性能, 其絕緣擊穿場(chǎng)強(qiáng)為5~ 10 MV/ cm[2],此外,Al2O3 介質(zhì)膜具有良好的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性以及附著性能, 是目前電子及微電子行業(yè)廣泛應(yīng)用的介質(zhì)膜之一。

　　Al2O3 介質(zhì)膜的制備方法主要有物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition, PVD) 、化學(xué)氣相沉積(Chemical Vapor Deposition, CVD) 、溶膠-凝膠法( So-l Gel) 以及陽(yáng)極氧化法( Anodization) [ 3- 5] 。PVD、CVD方法需要真空環(huán)境, 所需設(shè)備復(fù)雜。So-l Gel 法多采用有機(jī)化合物, 成本較高, 且對(duì)健康和環(huán)境不利。陽(yáng)極氧化法不需要真空環(huán)境, 所需設(shè)備少, 原材料容易解決, 成本低; 且工藝簡(jiǎn)單, 可通過改變工藝參數(shù)控制薄膜的厚度和結(jié)構(gòu), 制備的薄膜表面光滑、致密,薄膜成分均勻接近化學(xué)計(jì)量比, 生成的氧化膜且具有良好的電絕緣性, 成為制備Al2O3 介質(zhì)膜的最佳選擇。

　　陽(yáng)極氧化Al2O3 膜按其結(jié)構(gòu)不同可分為多孔型和壁壘型兩類[ 6] 。多孔型Al2O3 膜具有有序孔狀陣列, 主要用作組裝納米結(jié)構(gòu)材料的模板, 開發(fā)研制超微光電材料和高催化效率功能薄膜等。關(guān)于多孔型Al2O3 膜絕緣性能的研究, 陳錦等[ 7] 在草酸溶液中陽(yáng)極氧化制備了厚度為1􀀁2 􀀁m 的多孔型Al2O3 膜, 其擊穿場(chǎng)強(qiáng)最大為1􀀁04 MV/ cm, 他們還用陽(yáng)極氧化法制備了厚度為400 nm 的Al2O3-Ta2O5 復(fù)合膜, 雖然厚度明顯減小了, 但是其擊穿場(chǎng)強(qiáng)最大僅為2􀀁32MV/ cm。在接近中性的電解液中陽(yáng)極氧化, 可得到緊靠金屬表面的致密無(wú)孔的壁壘型Al2O3 膜, 它不僅厚度薄, 大多為納米量級(jí), 且絕緣性很好, 在國(guó)內(nèi)被廣泛應(yīng)用于鋁電解電容器中[ 8- 9] 。日本HITACHI公司多年來(lái)致力于研究陽(yáng)極氧化法制備度薄且絕緣性能優(yōu)良的Al2O3 膜, 于SID( Society for Information Display) 2011 國(guó)際會(huì)議上公布了其研究成果: 采用陽(yáng)極氧化法制備了6􀀁9 nm 的Al2O3 絕緣膜應(yīng)用于MIM(Meta-l Insulator-Metal)-FED 中, 延長(zhǎng)了MIM 陰極壽命[ 10], 因其掌握技術(shù)一直處于壟斷地位, 故研究如何用陽(yáng)極氧化法制備厚度薄且絕緣性能好的Al2O3膜頗有意義。我們?cè)诓煌�成分比例的中性電解液�? 以不同的電壓進(jìn)行陽(yáng)極氧化制備壁壘型Al2O3絕緣膜, 并對(duì)薄膜的表面微觀形貌、元素組成、厚度及絕緣性能進(jìn)行了表征, 為其應(yīng)用于后柵型FED 打下基礎(chǔ)。

　　在乙二醇、癸二酸銨、硼酸的混合弱酸性溶液中, 采用陽(yáng)極氧化法在純Al 膜上制備了壁壘型Al2O3 絕緣膜, 研究了不同成分比例的電解液、陽(yáng)極氧化電壓對(duì)壁壘型Al2O3 絕緣膜性能的影響。結(jié)果表明:

　　(1) 所制備的Al2O3 膜厚度為納米量級(jí)。在相同電壓下, 不同電解液所產(chǎn)生的Al2O3 膜厚度基本上隨著電解液配方中硼酸含量的減小而增大。在同一電解液中,Al2O3 膜的厚度隨著氧化電壓的增大而增加。

　　( 2) 在相同電壓下, 隨著電解液中癸二酸銨含量的增加, 以及硼酸含量的減少, 壁壘型Al2O3 膜的擊穿場(chǎng)強(qiáng)先增大后減小。在同一電解液中, 壁壘型Al2O3 膜的擊穿場(chǎng)強(qiáng)隨陽(yáng)極氧化電壓的增大而增大。結(jié)果表明, 在95% 乙二醇, 1􀀁9% 癸二酸銨, 3􀀁1% 硼酸中, 以300 V 恒定電壓制備的壁壘型Al2O3 膜絕緣性能最好, 擊穿場(chǎng)強(qiáng)約5.25 MV/ cm。

　　( 3) 所制備的Al2O3 膜均沒有多孔Al2O3 膜所特有的規(guī)則孔洞陣列, 而是以微小納米顆粒的形態(tài)聚集在一起。隨著氧化電壓的增大, 生成的Al2O3 膜越致密。

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