采用陽極氧化法在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、陽極氧化電壓對壁壘型Al2O3膜性能的影響。利用能量分散譜和掃描電鏡觀測壁壘型Al2O3膜的元素組成、表面形貌及厚度,并對其絕緣耐壓性進行了測試。結果表明,所制備的Al2O3膜厚度均為納米量級,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,擊穿場強可達5.25MV/cm。

　　關鍵詞： 陽極氧化;壁壘型Al2O3膜;絕緣性能;擊穿場強

　　基金項目: 國家自然科學基金項目(61106053);; 教育部博士點博導基金項目(20103514110007);; 電子薄膜與集成器件國家重點實驗室開放課題(KFJJ200916)

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

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

　　陽極氧化Al2O3 膜按其結構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構材料的模板, 開發研制超微光電材料和高催化效率功能薄膜等。關于多孔型Al2O3 膜絕緣性能的研究, 陳錦等[ 7] 在草酸溶液中陽極氧化制備了厚度為1􀀁2 􀀁m 的多孔型Al2O3 膜, 其擊穿場強最大為1􀀁04 MV/ cm, 他們還用陽極氧化法制備了厚度為400 nm 的Al2O3-Ta2O5 復合膜, 雖然厚度明顯減小了, 但是其擊穿場強最大僅為2􀀁32MV/ cm。在接近中性的電解液中陽極氧化, 可得到緊靠金屬表面的致密無孔的壁壘型Al2O3 膜, 它不僅厚度薄, 大多為納米量級, 且絕緣性很好, 在國內被廣泛應用于鋁電解電容器中[ 8- 9] 。日本HITACHI公司多年來致力于研究陽極氧化法制備度薄且絕緣性能優良的Al2O3 膜, 于SID( Society for Information Display) 2011 國際會議上公布了其研究成果: 采用陽極氧化法制備了6􀀁9 nm 的Al2O3 絕緣膜應用于MIM(Meta-l Insulator-Metal)-FED 中, 延長了MIM 陰極壽命[ 10], 因其掌握技術一直處于壟斷地位, 故研究如何用陽極氧化法制備厚度薄且絕緣性能好的Al2O3膜頗有意義。我們在不同成分比例的中性電解液中, 以不同的電壓進行陽極氧化制備壁壘型Al2O3絕緣膜, 并對薄膜的表面微觀形貌、元素組成、厚度及絕緣性能進行了表征, 為其應用于后柵型FED 打下基礎。

　　在乙二醇、癸二酸銨、硼酸的混合弱酸性溶液中, 采用陽極氧化法在純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、陽極氧化電壓對壁壘型Al2O3 絕緣膜性能的影響。結果表明:

　　(1) 所制備的Al2O3 膜厚度為納米量級。在相同電壓下, 不同電解液所產生的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 膜的擊穿場強先增大后減小。在同一電解液中, 壁壘型Al2O3 膜的擊穿場強隨陽極氧化電壓的增大而增大。結果表明, 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, 擊穿場強約5.25 MV/ cm。

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

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