CN102290307B - 场发射显示元件的制作方法及电化学系统 - Google Patents
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Abstract
一种场发射显示元件的制作方法，包含：提供基板；于基板之上形成绝缘层；绝缘层上形成第一金属层；图案化第一金属层及绝缘层以形成一开口；第一金属层上及开口内形成第二金属层，第一金属层上的第二金属层与在开口内的第二金属层彼此电性分离；及利用包含二醇类溶剂的电解液以电化学工艺移除在第一金属层上的第二金属层。本发明还提供一种应用于制作场发射显示元件的电化学系统。本发明通过包含二醇类溶剂作为电解液，当二醇类溶剂与场发射显示元件的金属层接触时，不会破坏所接触的金属层。而且，电解析出的金属离子可溶解于电解液中，不会与电解液反应而产生金属沉淀物。
Description
技术领域
本发明涉及一种场发射显示元件，且尤其涉及一种以电化学工艺移除部份金属层的场发射显示元件的方法。
背景技术
场发射显示器是利用许多微尖端结构在栅极的电场诱导下发射出电子，经阳极导电层的吸引与加速，撞击阳极导电层表面的荧光粉而发出荧光。所产生的光线可穿透过阳极导电层，并从阳极导电层的背面射出，并于阳极导电层背面(显示器面板正面)显示出影像。这种显示器的发光原理和阴极射线管(CathodeRay Tube，简称CRT)相同，由于场发射显示器是利用多个并排的电场放射电子源(Field Emitter)组成面状的电子发射源，因此，场发射显示器可制成扁薄的平面显示器。换言之，场发射显示器具有阴极射线管在画质上的优点，但却没有体积庞大与重量庞大的缺点。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种场发射显示元件的制作方法。通过包含二醇类溶剂作为电解液，当二醇类溶剂与场发射显示元件的金属层接触时，不会破坏所接触的金属层。再者，电解析出的金属离子可溶解于电解液中，不会与电解液反应而产生金属沉淀物。
本发明的另一目的在于提供一种场发射显示元件的电化学系统，其可应用于制作场发射显示元件，优点在于，可以通过操作电压的控制将要移除的金属层完全移除而不会移除到要保留的金属层。
本发明的一较佳实施例提供一种场发射显示元件的制作方法，包含：提供基板；于基板之上形成绝缘层；于绝缘层上形成第一金属层；图案化第一金属层及绝缘层以在第一金属层及绝缘层内形成至少一开口；于第一金属层上及开口内形成第二金属层，其中第二金属层包括位于开口的第一部份以及位于第一金属层上的第二部份，且第一部份与第二部份彼此电性分离；以及利用包含二醇类溶剂的电解液以电化学工艺移除在第一金属层上的第二金属层的第二部份，而保留在开口内的第二金属层的第一部份。
在本发明的一实施例中，上述的第一金属层的材料包含铬，而第二金属层的材料包含钼。
在本发明的一实施例中，上述的第一金属层的材料包含铝，第二金属层的材料包含镍。
在本发明的一实施例中，上述以电化学工艺移除在第一金属层上的第二金属层的第二部份的步骤包含：施加一操作电压于第一金属层上，且以一阳极氧化移除在第一金属层上的第二金属层的第二部份。
在本发明的一实施例中，上述的经阳极氧化的第二金属层的第二部份是以金属离子形式溶解于电解液中。在本发明的一实施例中，上述的施加于第一金属层上的操作电压小于移除第一金属层的临界电压。
在本发明的一实施例中，上述以电化学工艺移除在第一金属层上的第二金属层的第二部份的操作电压小于移除第一金属层的临界电压。
在本发明的一实施例中，上述的二醇类溶剂包含1，2-丙二醇(1，2-propanediol)、1，3-丙二醇(1，3-Propanediol)或乙二醇(ethylene glycol)。
在本发明的一实施例中，上述的电解液包含有机酸电解质。
在本发明的一实施例中，上述的有机酸电解质包含对-甲基苯磺酸(p-Toluenesulfonic acid，简称为p-TSA)。
在本发明的一实施例中，上述的电解液包含盐类。
在本发明的一实施例中，上述的盐类包含四乙基铵对甲苯磺酸酯(Tetraethylammonium p-Toluenesulfonate，简称为TEA-pTS)。
在本发明的一实施例中，上述的在基板上更包含形成一下层金属层，而绝缘层形成于下层金属层上，且位于开口内的第二金属层的第一部份电性连接至下层金属层。
本发明另提供一种电化学系统，适于应用于制作场发射显示元件。电化学系统包含：电解槽，用以容置含有二醇类溶剂的一电解液；阳极电极，浸置于含有电解液的电解槽内，其中阳极电极包含基板；绝缘层设置在基板上；第一金属层，设置在绝缘层上；至少一开口，设置于第一金属层及绝缘层内；以及第二金属层，包含设置在开口内的第一部份及设置在第一金属层上的第二部份，第一部份与第二部份电性分离；阴极电极，浸置于含有电解液的电解槽内；以及电源供应装置，具有一正极及负极，正极与阳极电极的第一金属层电性连接，而负极与阴极电极电性连接。
在本发明的一实施例中，上述的二醇类溶剂包含1，2-丙二醇、1，3-丙二醇或乙二醇。
在本发明的一实施例中，上述的电解液包含有机酸电解质。
在本发明的一实施例中，上述的电解液更包含有机盐类。
在本发明的一实施例中，上述的当第一金属层的材料包含铬或铝，而第二金属层的材料包含钼或镍。
在本发明的一实施例中，上述的阴极电极的材料包含白金或白金钛合金。
在本发明的一实施例中，上述的电化学系统更包含一恒温控制装置，用以容置电解槽且控制该电解槽内的电解液的温度。
本发明通过包含二醇类溶剂作为电解液，当二醇类溶剂与场发射显示元件的金属层接触时，不会破坏所接触的金属层。而且，电解析出的金属离子可溶解于电解液中，不会与电解液反应而产生金属沉淀物。
附图说明
图1～图4是根据本发明所揭露的技术，表示场发射显示元件的制作流程示意图；
图5是根据本发明所揭露的技术，表示应用于制作场发射显示元件的电化学系统的示意图；以及
图6是根据本发明所揭露的技术，表示在进行电化学反应时，第一金属层及第二金属层的操作电压及电流的关系图。
其中，附图标记：
10：基板
12：下层金属层
14：绝缘层
16：第一金属层
160：开口
18：第二金属层
181：第二金属层的第一部份
183：第二金属层的第二部份
40：电化学系统
410：电解槽
412：电解液
420：阳极电极
430：阴极电极
440：电源供应装置
450：恒温控制装置
452：恒温槽
454：恒温控制器
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
图1至图4表示场发射显示元件的制作流程示意图；图5表示用于制作场发射显示元件的电化学系统的示意图；以及图6表示在进行电化学反应时，第一金属层及第二金属层的操作电压及电流的关系图。
请参考图1，本实施例的场发射显示元件的制作方法是先提供一基板10，基板10的材料为陶瓷基板、玻璃基板或塑料等硬质或软质材料。接着，在基板10上方形成绝缘层14，此绝缘层14的材料为例如是二氧化硅、氮氧化硅(siliconoxynitride)或氮化硅(silicon nitride)等介电材料。之后，在绝缘层14上形成第一金属层16，在此实施例中，第一金属层16作为栅极层(gate layer)，其材料为铬(chromium)或铝(Al)。此外，在一实施例中，可在基板10上先形成下金属层12，接着再将绝缘层14形成于下金属层12上。
接着请参考图2，于第一金属层16与绝缘层14内形成至少一开口160。在第一金属层16与绝缘层14内形成开口160的方法例如是将具有开口图案的光刻胶层(未绘示)形成在第一金属层16上方以作为掩膜，再利用蚀刻工艺移除部份的第一金属层16以及部份的绝缘层14，进而在第一金属层16与绝缘层14内形成开口160，并曝露出下层金属层12的部份表面。
接着请参考图3，于第一金属层16上与开口160内形成第二金属层18。第二金属层18的形成方式例如是通过蒸镀(evaporation)或其它合适的薄膜沈积技术，将第二金属层18的第一部份181形成在开口160内，第二金属层18的第二部份183形成在第一金属层16上，且第二金属层18的第一部份181与第二金属层18的第二部份183彼此电性分离。另外，第二金属层18的材料为钼或镍。
在本实施例中，形成在开口160内的第二金属层18的第一部份181为一微尖端结构。
接着请参考图4，将在第一金属层16上的第二金属层18的第二部份183移除，而保留在开口160内的第二金属层18的第一部份181(微尖端结构)。在本实施例中，利用电化学工艺移除在第一金属层16上的第二金属层18的第二部份183。
在本实施例中，第二金属层18的第一部份181(微尖端结构)与下层金属层12构成场发射显示元件的阴极电极板。此阴极电极板与第一金属层16实质上是以交错的方式设置。因此，当有外加电场施加于阴极电极板时，在阴极电极板以及对向的阳极电极板(未绘示)之间会产生一电场，由于微尖端结构的尖端表面会聚集较多的电子，电子会由微尖端结构的尖端发射出去，当电子打到在阳极电极板上的荧光粉时则会发光。
图5表示适于应用于制作场发射显示元件的电化学系统的示意图。在图5中，电化学系统40包含电解槽410、阳极电极420、阴极电极430以及电源供应装置440。电解槽410用以容置电解液412，电源供应装置440的正极与负极分别与阳极电极420及阴极电极430电性连接，以进行电解作用。
在本发明中，在电解槽410内的电解液412包含醇类溶剂以及电解质，其中醇类溶剂特别是指二醇类溶剂其特性包括介电常数大于30(在温度为20℃)、液体黏度(viscosity)小于60毫泊(m Pa-s)以及沸点温度大于150℃。因此，根据上述溶剂的特性，在本发明中所使用的二醇类溶剂包含乙二醇(EG，ethylglycol)、1，2-丙二醇(1，2-propanediol)或是1，3-丙二醇(1，3-Propanediol)，另外，二醇类溶剂的特性列于表一：
表一：
| 溶剂 | 介电常数(20℃) | 沸点温度(℃) | 黏度(mPa.s) |
| 乙二醇 | 38.6 | 198 | 25.66 |
| 1，2-丙二醇(α-PG) | 32 | 187.6 | 56 |
| 1，3-丙二醇(β-PG) | 35 | 214 | 0.466 |
此外，要说明的是，在本发明中所使用的二醇类溶剂与欲移除的金属层接触时，不会破坏该金属层。于一实施例中，将作为金属层的材料例如铝、铬、镍或钼等或是二氧化硅、高分子膜例如聚亚酰胺膜(polyimide)，分别浸泡于上述的二醇类溶剂之后发现金属层、二氧化硅或是高分子膜不会被破坏。因此，在本发明的实施例中，使用二醇类溶剂作为电化学系统中的电解液。此外，二醇类溶剂在溶剂的使用上符合环保规范。
另外，为了增加电解液的导电性，于本发明中的电解液(electrolytic solution)可以加入酸性电解质(acid electrolyte)，例如有机酸电解质(organic electrolyte)或无机酸电解质(inorganic electrolyte)。由于有机酸电解质或无机酸电解质具有较高的解离常数，在溶于电解液之后可以增加电解液的导电性。适用于本发明中所使用的电化学反应的无机酸电解质包括含硫的无机酸例如硫酸(sulfuricacid)、二氧化硫(sulfurous acid)或磺胺酸(sulfamic acid)；而有机酸电解质包括有机磺酸(sulfonic acid)，例如为芳香族磺酸(aromatic sulfonic acid)或具有苯环(benzene ring)的芳香族磺酸。在一实施例中，有机酸电解质为对-甲基苯磺酸(para-Toluenesulfonic acid，简称p-TSA)。
另外，在本发明的一实施例中，电解液更包含一盐类(salt)，例如有机盐类。在一实施例中，有机盐类为四乙基铵对甲苯磺酸酯(Tetraethylammoniumpara-Toluenesulfonate，简称TEA-pTS)。
因此，根据以上所述，将图3所示的结构浸置于电解槽410的电解液412内。在此要说明的是，图3所示的结构可视为阳极电极420，整个结构浸置于电解槽410的电解液412内，但是在图5中仅绘示出在基板10上方与正极电性连接的第一金属层16以及要被移除的第二金属层18的第二部份183，其余的结构仍然与图3相同。
在本发明的一实施例中，电解液412由乙二醇溶剂以及电解质为浓度为0.5M的对-甲基苯磺酸(p-TSA)及0.1M的四乙基铵对甲苯磺酸酯所组成。于本发明的另一实施例中，电解液412可以是由1，2-丙二醇溶剂及电解质包含浓度为0.5M的对-甲基苯磺酸及0.1M的四乙基铵对甲苯磺酸酯所组成；或于再一实施例中，电解液412可以是由1，3-丙二醇及电解质浓度为0.5M的对-甲基苯磺酸及0.1M的四乙基铵对甲苯磺酸酯所组成。接下来，电源供应装置440的正极电性连接于作为阳极电极420的第一金属层16，电源供应装置440的负极电性连接于阴极电极430。当进行电化学工艺时，由电源供应装置440同时提供一操作电压于第一金属层16与阴极电极430，经过一段时间之后，于第二金属层18的第二部份183开始发生阳极氧化反应，以阳极氧化的方式移除在第一金属层16上的第二金属层18的第二部份183，其中所移除的第二金属层18的第二部份183因电解而以金属离子形式析出，且完全溶解于电解液412。另外，在阴极电极430上有氢气产生。
在一较佳实施例中，第一金属层16的材料为铬，第二金属层18的材料为钼，阴极电极430的材料为白金或是白金钛合金。电源供应装置440施加于第一金属层16的操作电压要小于移除第一金属层16的临界电压，也即移除第二金属层18的第二部份183的操作电压需小于移除第一金属层16的临界电压。如图5所示，当施加于第一金属层16的操作电压为0.1伏特时，开始移除第二金属层18，当操作电压持续增加而超过1.3伏特时，除了钼金属会被移除之外，第一金属层16也会开始发生电解，而有金属铬离子被析出。因此可以得知，在此电化学反应中，移除第一金属层16的临界电压约为1.3伏特。所以，在进行电化学反应时，施加于第一金属层16的操作电压需低于第一金属层16的临界电压(1.3伏特)，使得在电化学反应的过程中，只有第二金属层18被移除，而第一金属层16不会被移除。此外，在电化学反应的过程中，第二金属层18的第二部份183因电解所析出的金属离子例如钼离子(Mo6+)，其可完全溶解于电解液412中。在整个电化学反应过程中，只有在第二金属层18的第二部份183上能测到电流值，而在第一金属层16无法测到电流值(即电流值为零)。因此，电化学反应只会移除第二金属层18的第二部份183，而不会移除其它的金属层。
于本发明的另一实施例中，第一金属层16的材料为铝，第二金属层18的材料为镍，施加于第一金属层16的操作电压范围为0.4～13伏特，其小于移除第一金属层16的临界电压约为14伏特。如此，第二金属层18在此电化学反应过程中，只会移除在第一金属层16上的第二金属层18，而不会将第一金属层16一并移除。
另外，在本发明所揭露的电化学系统中更包含恒温控制装置450，借以维持整个电化学反应是在恒温下进行，此恒温控制装置450包含恒温槽452以及恒温控制器454。在恒温槽452内所容置的液体例如为水。恒温控制装置454的温度范围为室温至90℃。
根据以上所述，利用二醇类溶剂作为电解液的优点在于：当二醇类溶剂与场发射显示元件的金属层接触时，不会破坏特定金属层。另外，电解析出的金属离子可以完全溶解于电解液中，使得金属离子不会与电解液反应而产生金属沉殿物，故不会有金属沉淀物附着在微尖端结构上，而影响微尖端结构的使用性。因此，通过本发明所揭露的二醇类溶剂作为电化学反应中的电解液，可以将特定要移除的金属层完全移除，在进入水洗段去除溶剂之后，只会留下在电化学反应没有被移除的金属层。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。
Claims (19)
1.一种场发射显示元件制作方法，其特征在于，包含：
提供一基板；
形成一下层金属层于该基板上；
形成一绝缘层于该下层金属层上；
形成一第一金属层在该绝缘层上；
图案化该第一金属层及该绝缘层，以在该第一金属层及该绝缘层内形成至少一开口；
形成一第二金属层于该第一金属层上与该开口内，其中该第二金属层包括位于该开口的一第一部份以及位于该第一金属层上的一第二部份，且该第一部份与该第二部份彼此电性分离，且位于该开口内的该第二金属层的该第一部份直接电性连接至该下层金属层，该第二金属层的该第一部份为微尖端结构，该第二金属层的该第一部份与该下层金属层构成一阴极电极板，该阴极电极板与第一金属层以交错的方式设置；以及
利用包含二醇类溶剂的一电解液以一电化学工艺移除在该第一金属层上的该第二金属层的该第二部份，而保留在该开口内的该第二金属层的该第一部份。
2.根据权利要求1所述的场发射显示元件制作方法，其特征在于，该第一金属层的材料包含铬，该第二金属层的材料包含钼。
3.根据权利要求1所述的场发射显示元件制作方法，其特征在于，该第一金属层的材料包含铝，该第二金属层的材料包含镍。
4.根据权利要求1所述的场发射显示元件制作方法，其特征在于，以该电化学工艺移除在第一金属层上的该第二金属层的该第二部份的步骤包含：
施加一操作电压于该第一金属层上，且以一阳极氧化移除在该第一金属层上的该第二金属层的该第二部份。
5.根据权利要求4所述的场发射显示元件制作方法，其特征在于，经该阳极氧化移除的该第二金属层的第二部份以金属离子形式溶解于该电解液中。
6.根据权利要求4所述的场发射显示元件制作方法，其特征在于，施加于该第一金属层上的该操作电压小于移除该第一金属层的一临界电压。
7.根据权利要求1所述的场发射显示元件制作方法，其特征在于，以该电化学工艺移除在该第一金属层上的该第二金属层的该第二部份的一操作电压小于移除该第一金属层的一临界电压。
8.根据权利要求1所述的场发射显示元件制作方法，其特征在于，该二醇类溶剂包含1,2-丙二醇、1,3-丙二醇或乙二醇。
9.根据权利要求1所述的场发射显示元件制作方法，其特征在于，该电解液包含一有机酸电解质。
10.根据权利要求9所述的场发射显示元件制作方法，其特征在于，该有机酸电解质包含对-甲基苯磺酸。
11.根据权利要求1所述的场发射显示元件制作方法，其特征在于，该电解液包含一盐类。
12.根据权利要求11所述的场发射显示元件制作方法，其特征在于，该盐类包含四乙基铵对甲苯磺酸酯。
13.一种电化学系统，适于应用于制作场发射显示元件，其特征在于，包含:
一电解槽，用以容置含有二醇类溶剂的一电解液；
一阳极电极，浸置于含有该电解液的该电解槽内，该阳极电极包含:
一基板；
一下层金属层，设置于该基板上；
一绝缘层，设置在该下层金属层上；
一第一金属层，设置在该绝缘层上；
至少一开口，设置于该第一金属层及该绝缘层内；以及
一第二金属层，包含设置在该开口内的一第一部份以及设置在该第一金属层上的一第二部份，该第一部份与该第二部份电性分离，且位于该开口内的该第二金属层的该第一部份直接电性连接至该下层金属层，该第二金属层的第一部份为微尖端结构，该第二金属层的该第一部份与该下层金属层构成一阴极电极板，该阴极电极板与第一金属层以交错的方式设置；
一阴极电极，浸置于含有该电解液的该电解槽内；以及
一电源供应装置，具有一正极及一负极，该正极与该阳极电极的该第一金属层电性连接，该负极与该阴极电极电性连接。
14.根据权利要求13所述的电化学系统，其特征在于，该二醇类溶剂包含1,2-丙二醇、1,3-丙二醇或乙二醇。
15.根据权利要求13所述的电化学系统，其特征在于，该电解液包括含一有机酸电解质。
16.根据权利要求13所述的电化学系统，其特征在于，该电解液更包含一有机盐类。
17.根据权利要求13所述的电化学系统，其特征在于，当该第一金属层的材料包含铬或铝，该第二金属层的材料包含钼或镍。
18.根据权利要求13所述的电化学系统，其特征在于，该阴极电极的材料包含白金或白金钛合金。
19.根据权利要求13所述的电化学系统，其特征在于，更包括一恒温控制装置，用以容置该电解槽且控制该电解槽内的该电解液的温度。
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