TWI437615B - 場發射顯示元件之製作方法及應用於製作場發射顯示元件之電化學系統 - Google Patents

Description

場發射顯示元件之製作方法及應用於製作場發射顯示元件之電化學系統

本發明是有關於一種場發射顯示元件，且特別是有關於一種以電化學製程移除部份金屬層之場發射顯示元件的方法。

場發射顯示器是利用許多微尖端結構在閘極的電場誘導下發射出電子，經陽極導電層的吸引與加速，撞擊陽極導電層表面的螢光粉而發出螢光。所產生之光線可穿透過陽極導電層，並從陽極導電層之背面射出，並於陽極導電層背面(顯示器面板正面)顯示出影像。這種顯示器的發光原理和陰極射線管(Cathode Ray Tube，簡稱CRT)相同，由於場發射顯示器是利用多個並排的電場放射電子源(Field Emitter)組成面狀的電子發射源，因此，場發射顯示器可製成扁薄的平面顯示器。換言之，場發射顯示器具有陰極射線管在畫質上的優點，但卻沒有體積龐大與重量龐大之缺點。

本發明的目的之一在於提供一種場發射顯示元件的製作方法。藉由包含二醇類溶劑做為電解液，當二醇類溶劑與場發射顯示元件之金屬層接觸時，不會破壞所接觸的金屬層。再者，電解析出的金屬離子可溶解於電解液中，不會與電解液反應而產生金屬沉澱物。

本發明之另一目的在於提供一種場發射顯示元件之電化學系統，其可應用於製作場發射顯示元件，優點在於，可以藉由操作電壓的控制將要移除的金屬層完全移除而不會移除到要保留的金屬層。

本發明之一較佳實施例提供一種場發射顯示元件的製作方法，包含：提供基板；於基板之上形成絕緣層；於絕緣層上形成第一金屬層；圖案化第一金屬層及絕緣層以在第一金屬層及絕緣層內形成至少一開口；於第一金屬層上及開口內形成第二金屬層，其中第二金屬層包括位在開口的第一部份以及位在第一金屬層上的第二部份，且第一部份與第二部份彼此電性分離；以及利用包含二醇類溶劑之電解液以電化學製程移除在第一金屬層上之第二金屬層的第二部份，而保留在開口內之第二金屬層的第一部份。

在本發明之一實施例中，上述之第一金屬層的材料包含鉻，而第二金屬層的材料包含鉬。

在本發明之一實施例中，上述之第一金屬層的材料包含鋁，第二金屬層的材料包含鎳。

在本發明之一實施例中，上述以電化學製程移除在第一金屬層上之第二金屬層的第二部份之步驟包含：施加一操作電壓於第一金屬層上，且以一陽極氧化移除在第一金屬層上之第二金屬層的第二部份。

在本發明之一實施例中，上述之經陽極氧化之第二金屬層之第二部份係以金屬離子形式溶解於電解液中。在本發明之一實施例中，上述之施加於第一金屬層上之操作電壓小於移除第一金屬層之臨界電壓。

在本發明之一實施例中，上述以電化學製程移除在第一金屬層上之第二金屬層的第二部份之操作電壓係小於移除第一金屬層之臨界電壓。

在本發明之一實施例中，上述之二醇類溶劑包含1,2-丙二醇(1,2-propanediol)、1,3-丙二醇(1,3-Propanediol)或乙二醇(ethylene glycol)。

在本發明之一實施例中，上述之電解液包含有機酸電解質。

在本發明之一實施例中，上述之有機酸電解質包含對-甲基苯磺酸(p-Toluenesulfonic acid，簡稱為p-TSA)。

在本發明之一實施例中，上述之電解液包含鹽類。

在本發明之一實施例中，上述之鹽類包含四乙基銨對甲苯磺酸酯(Tetraethylammonium p-Toluenesulfonate，簡稱為TEA-pTS)。

在本發明之一實施例中，上述之在基板上更包含形成一下層金屬層，而絕緣層形成於下層金屬層上，且位於開口內之第二金屬層的第一部份電性連接至下層金屬層。

本發明另提供一種電化學系統，適於應用於製作場發射顯示元件。電化學系統包含：電解槽，用以容置含有二醇類溶劑之一電解液；陽極電極，浸置於含有電解液之電解槽內，其中陽極電極包含基板；絕緣層設置在基板上；第一金屬層，設置在絕緣層上；至少一開口，設置於第一金屬層及絕緣層內；以及第二金屬層，包含設置在開口內之第一部份及設置在第一金屬層上之第二部份，第一部份與第二部份電性分離；陰極電極，浸置於含有電解液之電解槽內；以及電源供應裝置，具有一正極及負極，正極與陽極電極之第一金屬層電性連接，而負極與陰極電極電性連接。

在本發明之一實施例中，上述之二醇類溶劑包含1,2-丙二醇、1,3-丙二醇或乙二醇。

在本發明之一實施例中，上述之電解液包含有機酸電解質。

在本發明之一實施例中，上述之電解液更包含有機鹽類。

在本發明之一實施例中，上述之當第一金屬層的材料包含鉻或鋁，而第二金屬層的材料包含鉬或鎳。

在本發明之一實施例中，上述之陰極電極的材料包含白金或白金鈦合金。

在本發明之一實施例中，上述之電化學系統更包含一恆溫控制裝置，用以容置電解槽且控制該電解槽內之電解液之溫度。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

圖1至圖4係表示場發射顯示元件之製作流程示意圖；圖5係表示用於製作場發射顯示元件之電化學系統之示意圖；以及圖6係表示在進行電化學反應時，第一金屬層及第二金屬層之操作電壓及電流之關係圖。

請參考圖1，本實施例之場發射顯示元件之製作方法是先提供一基板10，基板10的材料為陶瓷基板、玻璃基板或塑膠等硬質或軟質材料。接著，在基板10上方形成絕緣層14，此絕緣層14之材料為例如是二氧化矽、氮氧化矽(silicon oxynitride)或氮化矽(silicon nitride)等介電材料。之後，在絕緣層14上形成第一金屬層16，在此實施例中，第一金屬層16係做為閘極層(gate layer)，其材料為鉻(chromium)或鋁(Al)。此外，在一實施例中，可在基板10上先形成下金屬層12，接著再將絕緣層14形成於下金屬層12上。

接著請參考圖2，於第一金屬層16與絕緣層14內形成至少一開口160。在第一金屬層16與絕緣層14內形成開口160的方法例如是將具有開口圖案之光阻層(未繪示)形成在第一金屬層16上方以做為罩幕，再利用蝕刻製程移除部份的第一金屬層16以及部份的絕緣層14，進而在第一金屬層16與絕緣層14內形成開口160，並曝露出下層金屬層12之部份表面。

接著請參考圖3，於第一金屬層16上與開口160內形成第二金屬層18。第二金屬層18的形成方式例如是藉由蒸鍍(evaporation)或其他合適的薄膜沈積技術，將第二金屬層18之第一部份181形成在開口160內，第二金屬層18之第二部份183形成在第一金屬層16上，且第二金屬層18之第一部份181與第二金屬層18之第二部份183彼此電性分離。另外，第二金屬層18的材料為鉬或鎳。

在本實施例中，形成在開口160內的第二金屬層18之第一部份181係為一微尖端結構。

接著請參考圖4，係將在第一金屬層16上之第二金屬層18之第二部份183移除，而保留在開口160內之第二金屬層18之第一部份181(微尖端結構)。在本實施例中，係利用電化學製程移除在第一金屬層16上之第二金屬層18之第二部份183。

在本實施例中，第二金屬層18之第一部份181(微尖端結構)與下層金屬層12構成場發射顯示元件的陰極電極板。此陰極電極板與第一金屬層16實質上係以交錯的方式設置。因此，當有外加電場施加於陰極電極板時，在陰極電極板以及對向之陽極電極板(未繪示)之間會產生一電場，由於微尖端結構的尖端表面會聚集較多的電子，電子會由微尖端結構的尖端發射出去，當電子打到在陽極電極板上的螢光粉時則會發光。

圖5係表示適於應用於製作場發射顯示元件之電化學系統之示意圖。在圖5中，電化學系統40包含電解槽410、陽極電極420、陰極電極430以及電源供應裝置440。電解槽410用以容置電解液412，電源供應裝置440的正極與負極分別與陽極電極420及陰極電極430電性連接，以進行電解作用。

在本發明中，在電解槽410內的電解液412係包含醇類溶劑以及電解質，其中醇類溶劑特別是指二醇類溶劑其特性包括介電常數大於30(在溫度為20℃)、液體黏度(viscosity)小於60毫泊(m Pa-s)以及沸點溫度大於150℃。因此，根據上述溶劑之特性，在本發明中所使用的二醇類溶劑包含乙二醇(EG,ethyl glycol)、1,2-丙二醇(1,2-propanediol)或是1,3-丙二醇(1,3-Propanediol)，另外，二醇類溶劑的特性列於表一：

表一：

此外，要說明的是，在本發明中所使用的二醇類溶劑與欲移除之金屬層接觸時，不會破壞該金屬層。於一實施例中，將做為金屬層的材料例如鋁、鉻、鎳或鉬等或是二氧化矽、高分子膜例如聚亞醯胺膜(polyimide)，分別浸泡於上述的二醇類溶劑之後發現金屬層、二氧化矽或是高分子膜不會被破壞。因此，在本發明的實施例中，係使用二醇類溶劑做為電化學系統中之電解液。此外，二醇類溶劑在溶劑的使用上符合環保規範。

另外，為了增加電解液的導電性，於本發明中的電解液(electrolytic solution)可以加入酸性電解質(acid electrolyte)，例如有機酸電解質(organic electrolyte)或無機酸電解質(inorganic electrolyte)。由於有機酸電解質或無機酸電解質具有較高的解離常數，在溶於電解液之後可以增加電解液之導電性。適用於本發明中所使用的電化學反應之無機酸電解質包括含硫的無機酸例如硫酸(sulfuric acid)、二氧化硫(sulfurous acid)或磺胺酸(sulfamic acid)；而有機酸電解質包括有機磺酸(sulfonic acid)，例如為芳香族磺酸(aromatic sulfonic acid)或具有苯環(benzene ring)之芳香族磺酸。在一實施例中，有機酸電解質為對-甲基苯磺酸(para-Toluenesulfonic acid，簡稱p-TSA)。

另外，在本發明的一實施例中，電解液更包含一鹽類(salt)，例如有機鹽類。在一實施例中，有機鹽類為四乙基銨對甲苯磺酸酯(Tetraethylammonium para-Toluenesulfonate，簡稱TEA-pTS)。

因此，根據以上所述，將圖3所示之結構浸置於電解槽410的電解液412內。在此要說明的是，圖3所示之結構可視為陽極電極420，整個結構係浸置於電解槽410的電解液412內，但是在圖5中僅繪示出在基板10上方與正極電性連接之第一金屬層16以及要被移除之第二金屬層18之第二部份183，其餘的結構仍然與圖3相同。

在本發明的一實施例中，電解液412係由乙二醇溶劑以及電解質為濃度為0.5M之對-甲基苯磺酸(p-TSA)及0.1M之四乙基銨對甲苯磺酸酯所組成。於本發明的另一實施例中，電解液412可以是由1,2-丙二醇溶劑及電解質包含濃度為0.5M之對-甲基苯磺酸及0.1M之四乙基銨對甲苯磺酸酯所組成；或於再一實施例中，電解液412可以是由1,3-丙二醇及電解質濃度為0.5M之對-甲基苯磺酸及0.1M之四乙基銨對甲苯磺酸酯所組成。接下來，電源供應裝置440之正極電性連接於做為陽極電極420之第一金屬層16，電源供應裝置440之負極電性連接於陰極電極430。當進行電化學製程時，由電源供應裝置440同時提供一操作電壓於第一金屬層16與陰極電極430，經過一段時間之後，於第二金屬層18之第二部份183開始發生陽極氧化反應，係以陽極氧化的方式移除在第一金屬層16上之第二金屬層18之第二部份183，其中所移除的第二金屬層18的第二部份183因電解而以金屬離子形式析出，且完全溶解於電解液412。另外，在陰極電極430上有氫氣產生。

在一較佳實施例中，第一金屬層16的材料為鉻，第二金屬層18的材料為鉬，陰極電極430的材料為白金或是白金鈦合金。電源供應裝置440施加於第一金屬層16的操作電壓要小於移除第一金屬層16之臨界電壓，亦即移除第二金屬層18之第二部份183之操作電壓係需小於移除第一金屬層16之臨界電壓。如圖5所示，當施加於第一金屬層16的操作電壓為0.1伏特時，開始移除第二金屬層18，當操作電壓持續增加而超過1.3伏特時，除了鉬金屬會被移除之外，第一金屬層16也會開始發生電解，而有金屬鉻離子被析出。因此可以得知，在此電化學反應中，移除第一金屬層16的臨界電壓約為1.3伏特。所以，在進行電化學反應時，施加於第一金屬層16的 操作電壓需低於第一金屬層16之臨界電壓(1.3伏特)，使得在電化學反應的過程中，只有第二金屬層18被移除，而第一金屬層16不會被移除。此外，在電化學反應的過程中，第二金屬層18之第二部份183因電解所析出之金屬離子例如鉬離子(Mo⁶⁺ )，其可完全溶解於電解液412中。在整個電化學反應過程中，只有在第二金屬層18之第二部份183上能測到電流值，而在第一金屬層16無法測到電流值(即電流值為零)。因此，電化學反應只會移除第二金屬層18之第二部份183，而不會移除其他的金屬層。

於本發明的另一實施例中，第一金屬層16的材料為鋁，第二金屬層18的材料為鎳，施加於第一金屬層16的操作電壓範圍為0.4~13伏特，其係小於移除第一金屬層16的臨界電壓約為14伏特。如此，第二金屬層18在此電化學反應過程中，只會移除在第一金屬層16上之第二金屬層18，而不會將第一金屬層16一併移除。

另外，在本發明所揭露之電化學系統中更包含恆溫控制裝置450，藉以維持整個電化學反應是在恆溫下進行，此恆溫控制裝置450包含恆溫槽452以及恆溫控制器454。在恆溫槽452內所容置的液體例如為水。恆溫控制裝置454之溫度範圍為室溫至90℃。

根據以上所述，利用二醇類溶劑作為電解液之優點在於：當二醇類溶劑與場發射顯示元件之金屬層接觸時，不會破壞特定金屬層。另外，電解析出的金屬離子可以完全溶解於電解液中，使得金屬離子不會與電解液反應而產生金屬沉殿物，故不會有金屬沉澱物附著在微尖端結構上，而影響微尖端結構之使用性。因此，藉由本發明所揭露的二醇類溶劑做為電化學反應中之電解液，可以將特定要移除的金屬層完全移除，在進入水洗段去除溶劑之後，只會留下在電化學反應沒有被移除之金屬層。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10．．．基板

12．．．下層金屬層

14．．．絕緣層

16．．．第一金屬層

160．．．開口

18．．．第二金屬層

181．．．第二金屬層之第一部份

183．．．第二金屬層之第二部份

40．．．電化學系統

410．．．電解槽

412．．．電解液

420．．．陽極電極

430．．．陰極電極

440．．．電源供應裝置

450．．．恆溫控制裝置

452．．．恆溫槽

454．．．恆溫控制器

圖1~圖4係根據本發明所揭露之技術，表示場發射顯示元件之製作流程示意圖；

圖5係根據本發明所揭露之技術，表示應用於製作場發射顯示元件之電化學系統之示意圖；以及

圖6係根據本發明所揭露之技術，表示在進行電化學反應時，第一金屬層及第二金屬層之操作電壓及電流之關係圖。

10．．．基板

12．．．下層金屬層

14．．．絕緣層

16．．．第一金屬層

160．．．開口

181．．．第二金屬層之第一部份

Claims (19)

1. 一種場發射顯示元件製作方法，包含提供一基板；形成一下層金屬層於該基板上；形成一絕緣層於該下層金屬層上；形成一第一金屬層在該絕緣層上；圖案化該第一金屬層及該絕緣層，以在該第一金屬層及該絕緣層內形成至少一開口；形成一第二金屬層於該第一金屬層上與該開口內，其中該第二金屬層包括位在該開口的一第一部份以及位在該第一金屬層上的一第二部份，該第一部份與該第二部份彼此電性分離，且位於該開口內之該第二金屬層的該第一部份直接連接至該下層金屬層；以及利用包含二醇類溶劑之一電解液以一電化學製程移除在該第一金屬層上之該第二金屬層的該第二部份，而保留在該開口內之該第二金屬層的該第一部份。
2. 如申請專利範圍第1項所述之場發射顯示元件製作方法製作方法，其中該第一金屬層的材料包含鉻，而該第二金屬層的材料包含鉬。
3. 如申請專利範圍第1項所述之場發射顯示元件製作方法，其中該第一金屬層的材料包含鋁，該第二金屬層的材料包含鎳。
4. 如申請專利範圍第1項所述之場發射顯示元件製作方法，其中以該電化學製程移除在第一金屬層上之該第二金屬層的該第二部份之步驟包含：施加一操作電壓於該第一金屬層上，且以一陽極氧化移除在該第一金屬層上之該第二金屬層的該第二部份。
5. 如申請專利範圍第4項所述之場發射顯示元件製作方法，其中經該陽極氧化移除之該第二金屬層之第二部份係以金屬離子形式溶解於該電解液中。
6. 如申請專利範圍第4項所述之場發射顯示元件製作方法，其中施加於該第一金屬層上之該操作電壓係小於移除該第一金屬層之一臨界電壓。
7. 如申請專利範圍第1項所述之場發射顯示元件製作方法，其中以該電化學製程移除在該第一金屬層上之該第二金屬層的該第二部份之一操作電壓係小於移除該第一金屬層之一臨界電壓。
8. 如申請專利範圍第1項所述之場發射顯示元件製作方法，其中該二醇類溶劑包含1,2-丙二醇(1,2-propanediol)、1,3-丙二醇(1,3-Propanediol)或乙二醇(ethylene glycol)。
9. 如申請專利範圍第1項所述之場發射顯示元件製作方法，其中該電解液包含一有機酸電解質。
10. 如申請專利範圍第9項所述之場發射顯示元件製作方法，其中該有機酸電解質包含對-甲基苯磺酸(p-Toluenesulfonic acid，簡稱為p-TSA)。
11. 如申請專利範圍第1項所述之場發射顯示元件製作方法，其中該電解液包含一鹽類。
12. 如申請專利範圍第11項所述之場發射顯示元件製作方法，其中該鹽類包含四乙基銨對甲苯磺酸酯(Tetraethylammonium p-Toluenesulfonate)。
13. 一種電化學系統，適於應用於製作場發射顯示元件，包含：一電解槽，用以容置含有二醇類溶劑之一電解液；一陽極電極，浸置於含有該電解液之該電解槽內，該陽極電極包含：一基板；一下層金屬層，設置在該基板上；一絕緣層，設置在該下層金屬層上；一第一金屬層，設置在該絕緣層上；至少一開口，設置於該第一金屬層及該絕緣層內；以及一第二金屬層，包含設置在該開口內之一第一部份以及設置在該第一金屬層上之一第二部份，該第一部份與該第二部份電性分離，且位於該開口內之該第二金屬層的該第 一部份直接連接至該下層金屬層；一陰極電極，浸置於含有該電解液之該電解槽內；以及一電源供應裝置，具有一正極及一負極，該正極與該陽極電極之該第一金屬層電性連接，而該負極與該陰極電極電性連接。
14. 如申請專利範圍第13項所述之電化學系統，其中該二醇類溶劑包含1,2-丙二醇、1,3-丙二醇或乙二醇。
15. 如申請專利範圍第13項所述之電化學系統，其中該電解液包括含一有機酸電解質。
16. 如申請專利範圍第13項所述之電化學系統，其中該電解液更包含一有機鹽類。
17. 如申請專利範圍第13項所述之電化學系統，其中當該第一金屬層的材料包含鉻或鋁，而該第二金屬層的材料包含鉬或鎳。
18. 如申請專利範圍第13項所述之電化學系統，其中該陰極電極的材料包含白金或白金鈦合金。
19. 如申請專利範圍第13項所述之電化學系統，更包括一恆溫控制裝置，用以容置該電解槽且控制該電解槽內之該電解液的溫度。