CN111415859A - 一种精确对位衬底玻璃通孔的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种精确对位衬底玻璃通孔的制造方法，解决了大尺寸面板精确对位衬底玻璃通孔制造的效率及成本问题。具体包括：首先，根据产品规格要求，设计衬底玻璃通孔与相应膜层的对位标记，并明确通孔与其他膜层构体的位置关系，形成设计图纸；其次采用基于激光烧蚀或者光刻技术的微纳工艺对衬底玻璃进行加工制造，形成符合所设计的衬底玻璃通孔；最后，将已实现通孔的面板衬底玻璃投入下一个功能层薄膜(如第一金属电极层)循环工艺，得到精确对位的功能层与通孔的套刻结构。本发明大幅提高了玻璃通孔对位精度，降低了工艺实现难度，提高了产品良率，同时制造效率也得以提升。此外，还降低了物料成本及产能消耗浪费。
Description
技术领域
本发明属于集成电路阵列面板设计与制造领域，具体涉及一种面板衬底玻璃通孔设计及其实现工艺。
背景技术
随着微纳电子技术及其应用的快速发展，对集成电路阵列面板的制造技术与工艺需求越来越多样化，同时相应的要求越来越严格，其中对面板衬底玻璃通孔的技术，是近年来兴起并逐渐普及的一项制造技术，目前广泛应用于诸如手机、PAD等高配消费电子产品相关组件的制造进程中，例如显示屏面板、背光源、触控盖板等。与此同时，随着对产品性能要求的提高和跨学科技术的融合，玻璃衬底通孔技术及其实现工艺在满足更多其他领域产品的需求上，也展现出更多的可行性。例如目前国内外兴起的(液晶)超材料表面天线技术，通过对天线面板的衬底玻璃进行通孔设计及制造，大幅提高天线指标性能。
目前成熟的衬底通孔技术是基于晶圆硅片的硅通孔技术，经过长期的技术开发和应用验证，硅通孔技术已经是一种稳定可靠的半导体芯片制造技术。硅通孔技术不仅大大提高了芯片集成密度，而且通过缩短电极引线长度有效解决了信号延迟问题。同时，硅通孔技术能够实现不同功能的芯片共同封装在同一个构体中，从而得到过功能的封装芯片。
尽管硅通孔技术已经具有很高的成熟度，但是要将其移植于较大尺寸的面板衬底玻璃通孔的实现，仍然会面临许多技术和工艺难题，主要受限于：一方面是衬底玻璃具有更大的尺寸，最大可到3米多长，而目前晶圆硅片最大尺寸也仅有12英寸即0.45米左右；另一方面是衬底玻璃的厚度较晶圆硅片的更厚，一般是晶圆硅片厚度的2到3倍。
正是由于衬底玻璃与晶圆硅片两者在尺寸与厚度上的明显差异，衬底玻璃通孔的实现采用了与硅通孔技术截然不同的工艺。目前通常采用计算机数控(CNC)钻孔工艺实现衬底玻璃通孔，对于一些孔径更小的或者偏差精度要求高的产品，衬底玻璃激光打孔是另外一种有效工艺。但是，目前所用的衬底玻璃通孔工艺的对位精度并不高，精度偏差一般在±200um至±500um内，进一步提高精度将会明显降低制造效率。而且目前均是对面板成品组件(例如显示屏组件、背光组件等)的加工，生产效率不高并且通孔不良品的报废将导致很大的成本损失。
发明内容
针对上述衬底玻璃通孔制造技术的问题，本发明提出一种大尺寸面板精确对位衬底玻璃通孔设计及其实现工艺。
本发明采用的方案及步骤包括：
(1)首先，根据产品规格要求，设计衬底玻璃通孔图纸，图纸可以是光刻工艺掩膜图纸或者激光烧蚀工艺所需图纸。图纸中包括通孔与相应膜层的对位标记，并明确通孔与其他膜层构体的位置关系。
(2)然后，采用激光烧蚀工艺、光刻刻蚀工艺或者两者联用在衬底玻璃上实现已经设计好的通孔图纸图案。采用何种实现工艺应根据产品通孔的规格与要求来决定，一般通孔直径较大或数量较少时可以采用激光烧蚀工艺来实现，而当通孔直径小或数量密集时，应当采用光刻刻蚀工艺来实现。采用何种通孔实现工艺直接决定了产品品质和制造成本。
(3)最后，将已实现通孔的面板衬底玻璃投入下一个功能层薄膜(如第一金属电极层)循环工艺，该循环工艺的主要工序依次包括薄膜沉积、与衬底玻璃通孔精确对位套刻、薄膜刻蚀等主工序。后续其他功能层薄膜类似地进入循环工艺，并与上一功能薄膜层精确对位套刻，最终形成每一个功能薄膜层并与衬底玻璃通孔保持精确对位关系。
上述步骤(1)及(2)中所述的衬底玻璃厚度一般采用0.3-1.5mm，其设计通孔直径一般为0.05-5mm，数量以显示屏为例一般为1-3个/显示屏，以(液晶)超材料天线为例一般为1-10个/天线模块；对位标形状一般为十字标，尺寸一般为5-500um。
上述步骤(2)中所述的激光烧蚀工艺设备的功率一般为30-3000W，烧蚀工艺时间一般为10-600s；光刻刻蚀工艺一般采用G、I、H线光刻机对正性或负性光刻胶进行曝光，曝光时间与光刻胶膜层所需曝光量及光照强度有关，一般采用3-300s；光刻机曝光之后用显影液进行显影，时间一般为10-1200s；最后将带有光刻胶图案的衬底玻璃进行湿法或者干法刻蚀，刻蚀时间一般为5-60min。
上述步骤(3)中所述的与衬底玻璃通孔精确对位套刻具体是指，采用光学图像采集系统(例如CCD图像捕捉系统)抓取第一功能层掩膜图案和衬底玻璃通孔的对位标，调整衬底玻璃位置将两者自动进行对位标重叠对齐对位。该操作的对位精度一般为0.5-5um。
上述衬底玻璃通孔的设计与实现工艺方案及步骤(1)(2)(3)为本发明内容的概括性描述，发明具体内容及技术细节参照本发明具体实施案例。
本发明的衬底玻璃通孔技术和具体实现方法可应用于基于电磁波、微波、毫米波等天线面板通孔制造以实现电信号或磁信号端口馈入与传输功能，以及显示面板和触控盖板通孔制造以实现电路连通和信息传输功能，还可应用于传感器面板通孔制造以实现探测电极贯穿或探测对象运输转移功能。能够取得以下两个主要优势或效益：
第一，大幅提高玻璃通孔对位精度，以及实现工艺效率的成倍提高。
第二，前置化通孔工序且通孔的对象是面板制造整体的第一道工序，大大降低了工艺实现难度，提高了产品良率，同时制造效率也得以提升。此外，也大幅度降低了物料成本及产能消耗浪费。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为衬底玻璃通孔通用性图纸设计示例；图中100为面板制造工艺中的一个最大曝光区域尺寸；1001为对位标设计区；1002为衬底玻璃对位标记(以十字标类型做为参考)；1003为单个设计产品，例如单个显示屏、单个天线；1004为衬底玻璃设计通孔。
图2为显示面板单个显示屏衬底玻璃通孔设计示例；图中200为单个显示屏像素阵列全貌；2001为显示屏玻璃通孔，一般用于整机产品摄像头窗口图像摄制。
图3为天线面板单个天线模块衬底玻璃通孔设计示例；图中300为原理天线模块；3001为衬底玻璃组合对位标记；3002为衬底玻璃通孔。
图4为基于激光烧蚀的衬底玻璃通孔实现工艺示例；图中400为面板衬底玻璃激光烧蚀前后断面结构；4001为无通孔的面板衬底玻璃断面；4002为激光烧蚀成型的衬底玻璃通孔断面；4003为套刻对位标断面。
图5为基于光刻刻蚀的衬底玻璃通孔实现工艺示例；图中5001为面板衬底玻璃；5002为光刻胶薄膜；5003为设计通孔的图案掩膜；5004为湿法工艺刻蚀液；5005为工艺最终实现的衬底玻璃通孔断面。
图6为第一功能层图案与衬底玻璃通孔套刻工艺示例；图中6001为带有通孔和对位标的衬底玻璃；6002为沉积的第一功能层薄膜；6003为第一功能层薄膜的图案掩膜；6004为第一功能层薄膜与衬底玻璃通孔套刻时的光刻机镜头视野；6005为套刻操作时第一功能层图案掩膜上的对位标与衬底玻璃对位标的对位效果。
图7为套刻完成后的衬底玻璃通孔与第一功能层薄膜图案精确对位实物图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
实施例1
基于激光烧蚀技术的面板衬底玻璃通孔设计及其实现工艺。
本案例是基于激光烧蚀技术的面板衬底玻璃通孔设计及其实施工艺，主要可应用于衬底玻璃通孔射频接口的可靠焊接，能够很好地满足天线面板及雷达相控阵面板的产品制造加工要求。还可应用于显示面板的显示屏及其组件的摄像头区域衬底玻璃通孔。考虑到射频接口或显示屏摄像头区域的通孔尺寸较大，一般在1.0-2.0mm，且精度要求并不高，通常精度达到±0.2mm即可，因此采用激光烧蚀工艺可以快速实现设计方案，详细步骤如下所述：
(1)面板衬底玻璃通孔设计。利用计算机辅助设计软件或者版图设计软件，按照图1的衬底玻璃通孔图纸布局，在相应的区域内设计并绘制好通孔和对位标位置及大小。最终的衬底玻璃通孔设计图纸如图2和图3所示，分别是一种显示面板单个显示屏衬底玻璃通孔设计和一种天线面板单个天线模块衬底玻璃通孔设计。两者通孔设计尺寸均为直径1.5mm。
(2)面板衬底玻璃通孔实现工艺。首先将面板衬底玻璃清洗干净，清洗可以采用有机溶剂、超纯水等超声清洗或机械刷洗，此时状态如图4中4001所示。然后将上述步骤(1)的设计图纸导入激光烧蚀机，型号为SD800，其波长为1064nm，等待清洗干净的面板衬底玻璃进入设备。最后，利用激光烧蚀机的图像控制系统计算玻璃边界，以此确定设计图纸各图形元素的位置坐标。输入工艺参数(主要参数例如功率800W，工艺时间30s)，开始在面板衬底玻璃上自动加工玻璃通孔及对位标，12分钟后完成全部设计通孔工艺加工制造，此时状态如图4中4002或4003所示。测量面板衬底玻璃通孔的实物尺寸为直径1.47-1.52mm之间，具有较好的精度满足产品要求。
(3)完成上述步骤(1)和(2)，即完成了面板衬底玻璃通孔的设计到工艺实现。此时的面板衬底玻璃具备通孔，将投入后续工序即第一功能层及其他各层薄膜的精确对位套刻及制造。以第一功能层薄膜图案制造为例进行说明。首先参照步骤(1)中面板衬底玻璃通孔设计图纸，设计第一功能层薄膜的掩膜图纸，特别要注意两者的对位标必须要精确对准嵌套，从而确保两者较高的对位精度。然后，沉积制造第一功能层的薄膜，本实施例沉积500nm的金属铝，状态如图6中6002所示。参考图6利用光刻技术在第一功能层薄膜6002上将掩膜6003图案转移到光刻胶上并显影，即完成在光刻胶上形成第一功能层薄膜的图案。此过程中，使用光刻机图像系统将第一功能层图案掩膜上的对位标与面板衬底玻璃上的对位标进行精确对位套刻，如图6中6005所示，从而实现了衬底玻璃通孔与第一功能层薄膜团的精确对位。显然地，第一功能层薄膜的制造及其与衬底玻璃的通孔精确对位，同样也可以采用激光烧蚀技术来实现。最后，如图6所示将具有第一功能层薄膜及其光刻胶图案的衬底玻璃进行湿法刻蚀，完成后并去除光刻胶即可得到第一功能层薄膜图案。经测量，第一功能层图案与衬底玻璃通孔的对位精度在±5um至±10um以内。套刻完成后的衬底玻璃通孔与第一功能层薄膜铝图案精确对位实物图如图7所示，通孔内已经加工好焊锡。显然地，后续通过工艺优化来进一步提高两者的对位精度，并不困难。
实施例2
基于光刻刻蚀技术的面板衬底玻璃通孔设计及其实现工艺。
本案例是基于光刻刻蚀技术的面板衬底玻璃通孔设计及其实施工艺，主要可应用于某些较小孔径尺寸的衬底玻璃通孔的制造加工，可满足传感器特别是生物传感器相关的产品要求。此类衬底玻璃通孔一般小于500um，且通常数量较多。因此采用光刻刻蚀工艺制造经济效益更好，详细步骤如下所述：
(1)面板衬底玻璃通孔设计。与实施例1中步骤(1)类似，完成通孔图纸设计。通孔设计孔径为300um，共100个通孔，10x10阵列排布。随后，将通孔设计图纸加工成光刻掩膜，即通孔掩膜。
(2)如图5所示，用有机溶剂和超纯水对衬底玻璃清洗后，在其正面与背面两面均制备正性光刻胶薄膜(图5中5002)，厚度为2.0um。显然地，采用单面制备光刻胶薄膜也是可行的，本实施例对正面与背面双面都进行，是为了提高生产效率。随后，利用曝光机对正面与背面的光刻胶进行通孔掩膜图5中5003投影曝光，曝光时间为10s。显影后放入玻璃刻蚀液中图5中5004，进行湿法刻蚀，同时水浴加热保持80℃，刻蚀时间30分钟。最后清洗并去除光刻胶，得到衬底玻璃通孔。经测量，通孔的直径为180-200um。通孔的实物直径相比设计尺寸偏差很大，是由于采用的湿法刻蚀，具有较大的侧向刻蚀loss，后续可以采用设计补偿，避免刻蚀loss导致的偏差。自然地，采用干法刻蚀，刻蚀loss则会要小很多。
(3)完成上述步骤(1)和(2)，即完成了面板衬底玻璃通孔的设计到工艺实现。此时的面板衬底玻璃具备通孔，将投入后续工序即第一功能层及其他各层薄膜的精确对位套刻及制造。此步骤与实施例1中的步骤(3)一样，因此不再复述。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种精确对位衬底玻璃通孔的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
根据产品规格要求，设计衬底玻璃通孔与相应功能层的对位标记，并确定通孔与其他功能层的位置关系，形成设计图纸；
采用微纳工艺对衬底玻璃进行加工制造，形成符合设计的衬底玻璃通孔。
2.根据权利要求1所述的一种精确对位衬底玻璃通孔的制造方法，其特征在于，进一步包括：
将已实现通孔的衬底玻璃投入下一个功能层薄膜循环工艺，得到精确对位的功能层与通孔的套刻结构，然后进行功能层与衬底玻璃通孔精确对位套刻。
3.根据权利要求2所述的一种精确对位衬底玻璃通孔的制造方法，其特征在于，
所述功能层与衬底玻璃通孔精确对位套刻，包括：采用光学图像采集系统抓取第一功能层掩膜图案和衬底玻璃通孔的对位标记，调整衬底玻璃位置将两者自动进行对位标记重叠对齐对位。
4.根据权利要求1所述的一种精确对位衬底玻璃通孔的制造方法，其特征在于，
所述功能层是材料为金属的电极层，或材料为非金属的隔离层、钝化层，或半导体材料形成的半导体层。
5.根据权利要求1所述的一种精确对位衬底玻璃通孔的制造方法，其特征在于，
所述微纳工艺为激光烧蚀或者基于光刻技术，制作通孔和对位标记采用激光烧刻工艺、采用湿法或干法刻蚀工艺，所述衬底玻璃之上的其他功能层采用真空镀膜工艺、化学电镀、化学沉积或印刷或3D打印等薄膜工艺。
6.根据权利要求5所述的一种精确对位衬底玻璃通孔的制造方法，其特征在于，
所述激光烧蚀，包括：
将设计好的通孔及对位标记图纸导入激光设备系统，采用激光烧蚀工艺直接在衬底玻璃上加工制作出所需通孔及对位标记。
7.根据权利要求5所述的一种精确对位衬底玻璃通孔的制造方法，其特征在于，
所述通孔的形状是圆形或其他任意多边形。
8.根据权利要求1所述的一种精确对位衬底玻璃通孔的制造方法，其特征在于，
所述对位标记的形状为十字标、圆形标、游标或者其他能够实现对位功能的形状，所述对位标记可以采用一种或者多种组合的方式设计。
9.根据权利要求2所述的一种精确对位衬底玻璃通孔的制造方法，其特征在于，
所述功能层与衬底玻璃通孔精确对位套刻，包括：
第一层功能层薄膜对应的图形掩膜版上的对位标记与已实现通孔的衬底玻璃上的对位标记进行套刻对位，完成第一层功能层图案并实现与衬底玻璃通孔高精度对位。
10.根据权利要求2所述的一种精确对位衬底玻璃通孔的制造方法，其特征在于，
所述功能层与衬底玻璃通孔精确对位套刻，包括：
第一层功能层薄膜镀膜；
第一层功能层图纸或掩膜与衬底玻璃激光或光刻套刻对位；
第一层功能层薄膜图形化工艺。
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