一种平整阻挡型TFT阳极氧化铝绝缘层的制备方法

摘要

本发明属于纳米结构材料领域，具体提供一种平整阻挡型TFT阳极氧化铝绝缘层的制备方法，本发明在磁控溅射镀完铝膜后，直接在真空条件下进行了二次溅射，在纯铝的表面继续镀了一层很薄的氮化镁、硫化镁、氧化镁、氧化钙、过氧化钙、氮化钙或硫化钙薄膜，有效防止了刚镀好的纯铝表面与空气接触迅速形成非晶态天然氧化铝薄膜；并且，二次溅射镀好的氮化镁、硫化镁、氧化镁、氧化钙、过氧化钙、氮化钙或硫化钙薄膜，接触弱酸性电解液后，水解反应生成微量溶解于弱酸性电解液的碱性物质，不会影响后续铝的阳极氧化过程；本发明既能够得到高度平整的阻挡型阳极氧化铝薄膜，又能够避免阳极氧化过程中铝膜瞬间脱落的风险，且工艺简单、成本低。

说明书

技术领域

本发明属于纳米结构材料领域，具体涉及一种阻挡型TFT阳极氧化铝绝缘层的制备方法。

背景技术

铝是比较活泼的金属，在空气中只需几秒钟就可以自然形成一层氧化膜，这层氧化膜是非晶态的，薄而多孔，机械强度低，无法满足高精度半导体材料和薄膜晶体管(TFT)绝缘层应用的要求。为了取得优良的平整性、抗腐蚀性和一些机械上需要的特性，可以人为地制造氧化铝膜，而人工制造氧化膜所采用的最广泛方法就是电化学氧化—阳极氧化。

一般来说，薄膜晶体管(TFT)由源漏电极、有源层、栅绝缘层、栅电极组成，典型的底栅交错型TFT结构如图1所示；TFT的载流子在有源层和绝缘层的接触面附近移动，因此，绝缘层会对TFT的特性产生重要影响，采用阳极氧化法制备氧化铝薄膜作为TFT的绝缘层是近几年来研究的热点。

阳极氧化过程中使用的电解液不同，膜表面的物理形态不同，可以分别形成阻挡型和多孔型的薄膜；在接近中性(pH值为5-7)的弱酸性电解液中(硼酸溶液、硼酸铵溶液、酒石酸铵溶液等)，或者某些有机酸中(柠檬酸、苹果酸和乙二醇)，进行铝阳极氧化时，形成阻挡型的氧化铝膜；而在强酸性(pH<4)的电解质(硫酸、草酸、铬酸、磷酸)中进行阳极氧化时，形成多孔型氧化铝膜。在TFT阳极氧化铝绝缘层的制备上，采用的是阻挡型的氧化铝薄膜，但是在阳极氧化步骤之前，铝往往会在空气中形成天然氧化膜，这种氧化膜是多孔型、非晶态的薄膜，与TFT绝缘层实际需要的绝缘层特性不一致。

目前，对铝的天然氧化膜的处理方法不多，在多孔型氧化铝薄膜的制备中已经有的方法是对铝进行预处理，例如公开号为CN105734662A中提到的方法：将清水水洗后的纯铝置于60℃的碱溶液中30s，从而去除纯铝表面天然的薄氧化物层，所述碱溶液为每升含有20g氢氧化钠的水溶液；再接着，将纯铝取出并再次用清水水洗，并置于体积百分比为25％的稀硝酸溶液中浸渍30s；最后，将纯铝取出并用去离子水超声清洗5min；再将预处理后的纯铝作为阳极且与作为阴极的铂电极一起放入电化学抛光溶液中。该方法的缺点在于：(1)对铝片的预处理过程难以精细控制，不适用于制备阻挡型氧化铝薄膜的半导体工艺，如TFT的制备工艺；(2)铝在空气中氧化的时间极为短暂，上述实验过程中铝的天然氧化膜在碱性溶液中溶解后，在空气中很容易再次氧化，重新形成氧化膜。

另外，传统的阻挡型阳极氧化铝薄膜的制备工艺中，将已经镀好的铝膜放置在电解液中，并加上电压之后，若电压不稳定，铝膜容易产生脱落现象，严重影响氧化铝的阳极氧化过程，进而影响最终制备的TFT的性能。

发明内容

本发明的目的在于针对上述技术缺陷，提供一种平整阻挡型TFT阳极氧化铝绝缘层的制备方法，本发明基于TFT绝缘层制备工艺，提供一种简单有效的防止铝薄膜生成天然氧化层的方法，同时保证铝膜在氧化过程中不脱落，从而制备出一种平整、稳定性好、工艺流程简单、可投入工业生产的阻挡型TFT阳极氧化铝绝缘层。

为实现以上目的，本发明采用的技术方案为：

一种平整阻挡型TFT阳极氧化铝绝缘层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.将玻璃基片放入磁控溅射真空腔内，并装入铝靶材、作为靶材1，装入氮化镁、硫化镁、氧化镁、氧化钙、过氧化钙、氮化钙或硫化钙靶材、作为靶材2，然后进行抽真空，使真空腔内真空度达到1.1×10^-3Pa以下；

步骤2.采用磁控溅射法镀制铝膜：打开靶材1开关，在工作压强为1.1～1.5Pa、本底真空度要求在1.1×10^-5～1.1×10^-3Pa、溅射功率为80～160W、氩气气体流量为10～40sccm条件下，预溅射4～6min后，溅射20～30min，在基片表面制备得一层铝膜；

步骤3.铝膜制备完成后，保持磁控溅射真空腔舱门关闭，关闭靶材1，将玻璃基片旋转至靶材2上方，待基片冷却后，打开靶材2开关，在工作压强为1.1～1.5Pa、本底真空度要求在1.1×10^-5～1.1×10^-3Pa、溅射功率为80～160W、氩气气体流量为10～50sccm条件下，预溅射4～6min后，溅射3～5min，在铝膜表面相应形成一层氮化镁、硫化镁、氧化镁、氧化钙、过氧化钙、氮化钙或硫化钙保护膜；

步骤4.取出基片，将基片作为阳极、与作为阴极的石墨一起放入浓度为1～5mol/L的弱酸性或中性(pH＝5～7)电解溶液中，在电压为30V～100V、恒定电流0.01mA～1mA、温度为10℃～30℃条件下进行阳极氧化2～4h，制得阻挡型阳极氧化铝TFT绝缘层。

进一步的，所述步骤4中，弱酸性或中性(pH＝5～7)电解溶液采用硼酸、酒石酸、硼酸铵溶液、酒石酸铵溶液、柠檬酸、苹果酸或乙二醇酸。

本发明的有益效果在于：

本发明采用磁控溅射制备纯铝薄膜，避免了铝膜制备过程中和以及制备过程后与空气的直接接触，大大提高了铝薄膜的纯度和平整度；另外，在磁控溅射镀完铝膜后，直接在真空条件下进行了二次溅射，在纯铝的表面继续镀了一层很薄的氮化镁、硫化镁、氧化镁、氧化钙、过氧化钙、氮化钙或硫化钙薄膜，有效防止了刚镀好的纯铝表面与空气接触迅速形成非晶态天然氧化铝薄膜；并且，二次溅射镀好的氮化镁、硫化镁、氧化镁、氧化钙、过氧化钙、氮化钙或硫化钙薄膜，接触弱酸性电解液(硼酸、酒石酸、硼酸铵溶液、酒石酸铵溶液、柠檬酸、苹果酸、乙二醇溶液)后，水解反应生成微量的碱性物质，这些碱性物质最终溶解于弱酸性电解液中，不会影响后续铝的阳极氧化过程，具体反应方程式如下：

氮化镁：Mg₃N₂+6H₂O＝3Mg(OH)₂↓+2NH₃↑

硫化镁：MgS+2H₂O＝Mg(OH)₂↓+H₂S↑

氧化镁：MgO+H₂O＝Mg(OH)₂↓(加热)

氧化钙：CaO+H₂O＝Ca(OH)₂

过氧化钙：2CaO₂+2H₂O＝2Ca(OH)₂+O₂↑

氮化钙：Ca₃N₂+6H₂O＝3Ca(OH)₂+2NH₃↑

硫化钙：CaS+2H₂O＝Ca(OH)₂+H₂S↑(加热)

综上，本发明提供一种平整阻挡型TFT阳极氧化铝绝缘层的制备方法，

(1)该方法使得纯铝未接触空气，直接和电解液接触，避免了形成低质量的天然氧化层，最终能够得到高度平整的阻挡型阳极氧化铝薄膜，非常适用于制备TFT的绝缘层；

(2)本发明在纯铝表面镀的一层氮化镁、硫化镁、氧化镁、氧化钙、过氧化钙、氮化钙、硫化钙薄膜，在阳极氧化反应通电后，能够避免铝膜瞬间脱落的风险，加大了阻挡型阳极氧化膜制备的成功率；

(3)本发明的氧化过程只用到一种电解液用于氧化，成本较低，氧化速率较快，成膜速率快，大大提高了制备效率。

附图说明

图1为典型的底栅交错型TFT结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1

本实施例提供一种阻挡型阳极氧化铝TFT绝缘层的制备方法，包括如下步骤：

步骤(1)对玻璃基片进行预处理，包括切割、清洗、烘干：

首先，选取25.4mm×75.2mm，厚度为12mm的玻璃基片，将其切割成25.4×60mm的长方形基片(适应氧化槽比例)，用去离子水做第一步清洗，再用洗洁精配合去离子水做第二次清洗，再将基片放入丙酮中进行清洗，最后把基片放入酒精中并用超声清洗5min～10min。将超声完的基片放入干燥的培养皿中，随后放入恒温120℃的烘干箱内，进行热风烘干，大约15min后取出玻璃基片；

步骤(2)采用直流磁控溅射法制备高纯度铝膜：

将步骤(1)烘干后的玻璃基片放入磁控溅射机的真空腔内，并在真空腔内的靶材1位置装入铝靶材，靶材2位置装入氮化镁靶材；机器工作压强为1.1-1.2Pa，关闭舱门进行抽真空，使得真空度达到1.1×10^-4Pa，打开阀门通入氩气，通气速率为25sccm，待稳定后，设定电流约为3A，进行预溅射5min，随后打开靶材1挡板，进行铝的直流溅射，有效溅射时间为20min，最终形成的铝膜厚度约为350nm；

步骤(3)采用射频磁控溅射法溅射氮化镁薄膜：

步骤(2)溅射完成后，不打开舱门，等5-10min后基片冷却，打开公转开关，使得基片旋转至靶材2上方；进行抽真空，使得真空度达到1.1×10^-4Pa，打开阀门通入氩气，通气速率为35sccm，待稳定后，将溅射方式调整为射频溅射，溅射功率设置为120w，进行预溅射5min，随后打开靶材2挡板，进行氮化镁的射频溅射，有效溅射时间为3min，最终形成的氮化镁膜厚度约为50nm；

步骤(4)配制1mol/L的硼酸铵(pH＝6)电解溶液：

称取20g硼酸(称准至0.002g)，在20℃的温度下，使其溶解于170ml 10％的氨水中，转入1000ml容量瓶，用水稀释至刻度即可；

步骤(5)阳极氧化法制备氧化铝薄膜：

步骤(3)溅射完成后，等待5-10min基片冷却，然后打开舱门，取出基片，将基片作为阳极，石墨作为阴极，一起放入预先准备好的氧化槽内，再将2mol/L的硼酸铵(pH＝6)电解溶液倒入氧化槽，然后接通电路，打开电源开关，恒定电流0.1mA，在30V～100V的电压范围内，10℃～20℃的温度下，进行阳极氧化3h，制得阻挡型阳极氧化铝TFT绝缘层。

实施例2

本实施例提供一种阻挡型阳极氧化铝TFT绝缘层的制备方法的制备方法，其基本工艺流程与实施例1相同，区别之处在于：

在真空腔内的靶材1位置装入铝靶材，靶材2位置装入硫化镁靶材；

直流磁控溅射法镀完铝膜后，不打开舱门，等5-10min后基片冷却，打开公转开关，使得基片旋转至靶材2上方；进行抽真空，使得真空度达到1.1×10^-4Pa，打开阀门通入氩气，通气速率为30sccm，待稳定后，将溅射方式调整为射频溅射，溅射功率设置为120w，进行预溅射5min，随后打开靶材2挡板，进行硫化镁的射频溅射，有效溅射时间为5min，最终形成的硫化镁膜厚度约为50nm；

实施例3

本实施例提供一种阻挡型阳极氧化铝TFT绝缘层的制备方法的制备方法，其基本工艺流程与实施例1相同，区别之处在于：

在真空腔内的靶材1位置装入铝靶材，靶材2位置装入氧化镁靶材；

直流磁控溅射法镀完铝膜后，不打开舱门，等5-10min后基片冷却，打开公转开关，使得基片旋转至靶材2上方；进行抽真空，使得真空度达到1.1×10^-4Pa，打开阀门通入氩气，通气速率为25sccm，待稳定后，将溅射方式调整为射频溅射，溅射功率设置为120w，进行预溅射5min，随后打开靶材2挡板，进行氧化镁的射频溅射，有效溅射时间为5min，最终形成的氧化镁膜厚度约为50nm；

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。