CN113345878B - 用于将microLED组装到基底上的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及用于将microLED组装到基底上的方法和系统。将microLED芯片从外延晶片转移到第一试样块基底。该第一试样块基底具有暂时保持microLED芯片的第一软粘合剂层。使用第一转移基底，将microLED芯片的子集从第一试样块基底转移到具有第二软粘合剂层的第二试样块基底。经由第二转移基底，将microLED芯片的图案从另一个基底转移到第二试样块基底，以填充microLED芯片的子集中的空位。转移基底可操作以保持和释放多个微对象。

Description

用于将microLED组装到基底上的方法和系统
发明内容
本公开涉及用于将microLED组装到基底上的方法和系统。在一个实施方案中，将microLED芯片从外延晶片转移到第一试样块基底。第一试样块基底具有暂时保持microLED芯片的第一软粘合剂层。经由第一转移基底，将microLED芯片的子集从第一试样块基底转移到第二试样块基底，该第二试样块基底具有暂时保持microLED芯片的子集的第二软粘合剂层。经由第二转移基底，将microLED芯片的图案从另一个基底转移到第二试样块基底，以填充microLED芯片的子集中的空位。第一转移基底和第二转移基底可操作以同时保持和释放多个微对象。
根据以下详细论述和附图，可以了解各种实施方案的这些和其他特征和方面。
附图说明
下面的论述参考以下附图，其中同一附图标记可用于识别多个附图中的类似/相同部件。图未必按比例绘制。
图1和图2为示出根据一个示例性实施方案的组装过程的框图
图3为根据一个示例性实施方案的设备和系统的框图；
图4为示出根据一个示例性实施方案的高级组装过程的框图；
图5、图6和图7为示出如图4所示的过程的详细处理步骤的框图；
图8和图9为示出根据示例性实施方案的方法的流程图。
具体实施方式
本公开涉及一种系统和方法，该系统和方法用于将大量微对象(例如，颗粒、小芯片、mini-LED或microLED管芯)从供体基底并行转移到另一个基底，同时保持各个微对象的高位置配准。该方法和系统允许从转移基底选择性转移微对象，并且将微对象选择性放置到目的地或目标基底。该方法和系统可用于组装microLED显示器和类似器件。
由于microLED有可能成为更薄、更亮、更轻和低功率的显示器，因此其正在兴起成为下一代显示技术。microLED显示器由各自形成像素的微观LED阵列制成。与常规LCD系统相比，OLED显示器和microLED显示器两者均大幅降低能耗需求。与OLED不同，microLED基于常规GaN LED技术，该技术提供的总亮度比OLED产生的更高，以及每单位功率发射的光效率更高。它也不受到OLED寿命较短的影响。
利用microLED的单个4K电视机具有然后需要组装的约2500万个小LED子像素。小芯片的质量转移是可用于microLED制造的一种技术。依赖于质量转移技术的显示器组装过程为microLED制造过程中的瓶颈之一。显示器通常需要非常高的像素产率，这高于单个外延晶片可实现的像素产率。因此，组装技术应提供避免将非功能性LED转移到显示器基底的方式。例如，在质量转移过程中，可以有效的方式消除晶片和供体载体上有缺陷的microLED并用良好的microLED替换，从而以低制造成本提高总体产率。
在本公开中，描述了一种质量转移方法和系统，该方法和系统可利用这种选择性转移头来以有效的方式组装高像素产率的microLED显示器。该系统和方法在质量转移过程中支持已知良好管芯(KGD)芯片转移和并行像素修复。
能够以任意图案按需选择性转移小芯片对于促进microLED显示器制造的有效转移过程、像素修复、孔/位再填充是有用的，这将导致高过程产率。弹性体压模已用于确定性地转移用于这类应用的微型LED芯片。然而，弹性体压模具有固定的图案，并且不能转移小芯片的任意图案。不可避免地，小芯片的一些子集将是有缺陷的，因此使用此类压模替换其中一小部分变得困难。
在图1和图2中，框图示出了可使用根据示例实施方案的器件、系统和方法实现的组装过程的示例。在图1中，示出了供体晶片/基底100包括可能已生长或放置在基底100上的小芯片101的阵列。阵列101中的阴影小芯片已被识别为有缺陷的，并且当小芯片被转移到目标基底102时，仅转移小芯片阵列的子集101a，即没有阴影的良好小芯片。这可以用如图2所示的转移基底202来实现，这些转移基底一旦被识别，就可以选择性从供体基底100只拾取子集101a。如图2所示，转移基底202随后拾取小芯片的第二组200(例如，从不同的供体基底拾取)。小芯片在组200内的位置对应于有缺陷的小芯片在第一供体基底100上的位置。转移基底202将这个组200移动到目标基底102，从而导致操作小芯片的完整组201位于目标基底102上。
具有转移元件(例如，转移像素)组的转移基底可选择性保持微对象的子集。因此，即使当所有转移元件与大于子集的微对象阵列接触时，也只有子集将被粘附和转移，并且子集外部的对象将被留下或以其他方式不受影响。类似地，转移基底可能够选择性释放当前附接到基底的微对象子集，以使得即使所有转移元件当前都保持微对象，也只有子集被转移到目标。这个过程是可重复并且可逆的，以使得不需要永久性粘结来影响对象的选择性保持或释放。
在图3中，侧视图示出了根据示例实施方案的设备300的细节。设备包括具有两个或更多个转移元件304的转移基底302。转移元件304可选择性制成改变刚度，刚度可被表示为制成元件的材料的杨氏模量。杨氏模量是处于线性弹性状态的材料中的应力(每单位面积的力)除以应变(成比例的变形)的量度。一般来讲，具有较高杨氏模量(针对应力σ存在较低应变)的材料比具有较低杨氏模量(针对相同σ存在较高应变)的材料更硬。也可使用其他度量来表示材料的刚度，诸如储能模量，其也是材料动态性能的考虑因素。一些度量可用于表示部件的刚度，诸如弹簧常数，其在功能上可等同于限定部件的性能。然而，刚度被限定，转移元件304具有响应于可用于如下所述的器件转移的温度的刚度变化。
每个转移元件304包括在较低温度下具有>6MPa的较高杨氏模量并且在较高温度下具有<1MPa的较低杨氏模量的粘附元件306。每个转移元件304还包括热元件308，该热元件308可操作以响应于输入(例如，经由输入310)而改变粘附元件306的温度。耦接控制器312以向热元件308提供输入310，从而致使转移元件304的子集可选择地拾取和保持对象314在转移基底302上并且(可选地)从转移基底302释放对象314。具体地，对象314将不在较低温度下粘着到转移元件304，而将在较高温度下粘着。为了增加粘附的可靠性，可在尝试将对象314拉离转移基底302之前冷却转移元件。需注意，温度的变化可影响粘附元件306的可有助于对象314的选择性粘附和释放的其他属性，诸如粘着性、粘性、孔隙度、流体含量、密度等。
设备300可以为微转移系统319的一部分，该微转移系统为用于将微对象(例如，1μm至1mm)从转移基底302转移到目标基底316的系统。粘附元件306可由包含丙烯酸硬脂基酯基(SA)的多聚合物形成。在这种情况下，较高温度和较低温度之间的差异可小于20℃(或在其他情况下小于50℃)以便调整粘附元件306的粘着性，使得表面粘附力和杨氏模量中存在显著差异，例如，从较高温度下的<1MPa到较高温度下的>6MPa。这种系统中的控制器312可耦接到致动器，该致动器引起基底之间的相对运动以促进如本文所述的对象转移。
热元件308可包括加热元件和冷却元件中的一个或两个。输入310可包括电信号和/或激光。输入310可被配置(例如，使用矩阵电路)以使得走向控制器312的线比转移元件304的总数更少。转移元件304还可包括在粘附元件306与转移基底302之间的热绝缘体309。绝缘体309有助于防止热转移到基底302，从而减少影响粘附元件306处的温度变化所需的能量的量并且减少响应时间。
一般来讲，转移元件304形成中间转移表面，该中间转移表面的顺应性可作为温度的函数进行调节(例如，具有急剧的刚性到柔软转变)。此类表面可用于以受控和可选择的方式拾取和释放微对象组。每个转移元件304可以具有从一个或多个微米到几百微米的横向尺寸W，以拾取类似尺寸的微对象。每个转移元件304的总厚度T可从小于1微米至几百微米。转移阵列的节距可从几微米变化到几毫米。在一些实施方案中，热元件308和绝缘层309是彼此不物理隔离的连续层。因此，转移元件“像素”为加热/冷却元件可被单独寻址和控制的区域。基底302材料可包括但不限于玻璃、石英、硅、聚合物和碳化硅(SiC)。基底302的厚度范围可从几十微米至几毫米，而横向尺寸可从几毫米至一米。
如上所述，转移基底302可以为用于从微部件构建器件的自动化系统的一部分。例如，可使用转移基底302将microLED组装到显示器中。控制器312(其可包括多个处理器和设备)也可用于控制其他器件以执行该自动化组装。以举例的方式，示出了可对晶圆322执行操作(诸如翻转、粘结、选择性移除和添加微对象等)的机械臂320和传送器324。用于微型器件组装目的的这些和其他自动化器件的配置和操作在本领域中是众所周知的。
在图3所示的转移基底302的结构上存在许多可能的变型。而且，存在可用于转移元件的不同材料。这些另选实施方案的更完整的描述在2019年11月12日提交的共同拥有的美国专利申请序列号16/681,215中示出和描述，该专利申请的内容据此以引用方式并入。这些实施方案中的许多实施方案可适用于microLED器件的生产，如下文更详细所述。
在图4中，图示出了根据一个示例性实施方案的microLED器件(例如，显示器)制造过程的高级步骤。第一步骤400涉及将microLED芯片的(全部或子集，例如KGD)从制造芯片的外延晶片转移到过渡基底。过渡基底具有粘合剂表面以暂时保持芯片。
在步骤401中，通过从过渡基底选择性转移芯片的子集来产生高产率试样块。这可涉及通过以下两个活动中的至少一个活动来修复试样块像素：(1)从试样块基底选择性移除芯片的子集；(2)用来自过渡基底或另一个试样块基底的芯片填充空位。可重复步骤401，直到试样块的像素产率达到一些要求，例如99.9999％已知良好像素的阈值。在步骤402中，将芯片从试样块基底转移到最终基底，在该最终基底处与底板形成电互连件。
在图5中，图示出了在如图4所示的步骤400中涉及的更详细的过程。需注意，这些过程中的一些过程可以为任选的，并且提供过程步骤的完整列表是出于说明而非限制的目的。外延晶片500形成有520，其包括多个microLED芯片502。如晶片500上的阴影矩形所指出的那样，一些芯片502可例如经由视觉检测(例如，显微镜)、电致发光和/或光致发光测量确定为有缺陷的。在步骤521中，将microLED芯片502的全部或子集从外延晶片500(制造芯片之处)转移到具有粘合剂涂层506的载体基底504(在本文中也称为载体晶片)。在一个实施方案中，该转移涉及翻转外延晶片500并将其按压到载体基底504的粘合剂涂层506。然后使用激光例如通过将激光发射穿过外延晶片500和/或载体基底504来释放外延晶片500(如步骤521中所示)。
粘合剂涂层506包括但不限于紫外(UV)可剥离粘合剂和热可剥离粘合剂。在这些情况下，当粘合剂受到加热或UV照明处理时，粘合剂失去粘附力。如步骤522中所示，翻转并放置载体基底504成与试样块基底508接触，该试样块基底为具有温和粘附力的基底，其保持芯片502以促进修复过程。试样块基底508(其可包括玻璃、硅、石英等)涂覆有材料诸如PDMS和/或有机硅凝胶的至少一个软粘附层510。软粘附层510也可称为温和粘附层和/或弱粘附层。如步骤523中所示，载体基底504已被热释放。
一般来讲，软粘附层510具有足够的粘附力以将芯片502保持在适当位置，但允许使用诸如图3的设备300中所示的转移基底302选择性移除芯片。例如，拉伸强度在1MPa-9MPa之间的材料可用于该移除和本文所述的其他软粘附层。为软粘附材料510选择的极限拉伸强度可取决于转移元件在它们的保持状态和剥离状态下的拉伸强度。一般来讲，由软粘附层510施加的粘附力小于转移元件的保持力(当施加信号以使转移元件处于保持状态时)和转移元件的剥离力(当施加信号以使转移元件处于剥离状态时)。例如，如果转移元件的剥离/保持杨氏模量在1MPa至6MPa的范围内，则软粘附层510的杨氏模量可选择为约3.5MPa。
在一些实施方案中，如图4所示的操作还可包括调节阵列中芯片502的节距的过程，如步骤524中所示。这可涉及从试样块基底508移除芯片的子集，使得剩余芯片满足新的节距规格。另选地，如图3所示，可将芯片502的子集转移到第二试样块基底512。第二试样块基底512具有材料层514，该材料层具有与材料层510类似的属性。可使用诸如图3的设备300中所示的转移基底302来完成转移过程，例如，将芯片502的子集从一个试样块基底508移除到第二试样块基底512。
需注意，在图3中，示出了不合格/有缺陷的microLED 502被转移到第二试样块基底512。在其他实施方案中，从第一试样块基底508到第二试样块基底512的转移可排除任何有缺陷的microLED。这可伴随着或不伴随着转移的microLED 502的节距的改变。即使将有缺陷的microLED排除在向第二试样块基底512的转移之外，这也不排除在稍后的操作中进一步从第二试样块基底512移除microLED和向该第二试样块基底添加microLED，如下所述。
在图6中，图示出了如图4所示的步骤401中涉及的更详细的过程。该过程使用第一试样块基底508示出，但也可在第二试样块基底512上执行。一般来讲，如步骤600所示，识别有缺陷的芯片的子集(例如，如图5所示的阴影芯片502)并使用转移基底302将其从试样块基底508抬离。该技术也可用于移除在如图5所示的节距调整过程中定位不当或未移除的芯片。
从试样块基底508移除芯片502的子集可产生空位，例如，在正确放置但放置有缺陷的芯片的地方。这些空位用新芯片600填充以形成高产率试样块，如步骤601所示。这可涉及使用转移基底302从另一个试样块或类似的供体基底(例如，涂覆有PDMS、有机硅凝胶等的玻璃、硅、石英等的基底)选择性移除芯片600。移除的芯片600的图案(其通过将适当的激活信号施加到转移基底302的转移元件304来设置)可对应于试样块基底508上的空位的图案。然后通过转移基底302将移除的芯片600放置在试样块基底508上，然后通过向对应的转移元件304选择性施加(或移除)信号来释放它们。
在一些实施方案中，如果转移基底302意外地或有意地从供体基底移除的芯片600多于试样块基底508所需，则仅可选择性释放填充空位所需的那些芯片600，而其他芯片保持附接到转移基底302。这可通过如下方式实现：向那些转移元件304选择性施加/移除信号使得不应转移的芯片保持到转移基底302上，而通过向受影响的转移元件304发送不同的信号来释放应转移的芯片。在这发生之后，新芯片600可与旧芯片600一起在试样块基底208上测试，以确保试样块产率足够高。
在图7中，图示出了如图4所示的步骤402中涉及的更详细的过程。如步骤710中所示，翻转来自图6的高产率像素试样块基底508(其可以另选地为高产率试样块基底512)，然后将microLED芯片502与底板基底700对准并压靠在该底板基底上，该底板基底为显示器组件的一部分。底板基底700包括与microLED芯片502上的对应电极接合的表面电极702。表面电极702耦接到其他部件(例如，电迹线、无源或有源电子部件，诸如电阻器、电容器、薄膜晶体管等)。这些其他部件(未示出)可位于与电极702相同的表面上和/或位于另一表面(例如，相对表面)上和/或内部嵌入底板基底700的层内。
在一个实施方案中，该过程还涉及永久性粘结过程(其可作为步骤710的一部分执行)，其中使用焊接、铟、低温金属合金等将microLED芯片502粘结到底板700上的电极702。在该粘结期间，芯片可夹在试样块基底508和底板700之间。在一些实施方案中，在形成粘结之后，可移除(例如，剥离)试样块基底508，留下坐置在底板上并电连接到底板的microLED芯片，如步骤711中所示。在一些实施方案中，如步骤712中所示，前盖704可置于底板700和microLED芯片502的叠堆的顶部。
在图8中，流程图示出了根据一个示例性实施方案的方法。在步骤800中，该方法涉及将microLED芯片从外延晶片转移到第一试样块基底。第一试样块基底具有暂时保持microLED芯片的第一软粘合剂层。在步骤801中，使用第一转移基底，将microLED芯片的子集从第一试样块基底转移到第二试样块基底，该第二试样块基底具有暂时保持microLED芯片的子集的第二软粘合剂层。在步骤802中，经由第二转移基底，将microLED芯片的图案从另一个基底转移到第二试样块基底，以填充microLED芯片的子集中的空位。需注意，第二转移基底可与第一转移基底相同。可以由于未能从第一试样块到第二试样块转移而引起空位，例如，一个或多个microLED未被第一转移基底拾取或将不从第一转移基底释放。还可以由于首先从第二试样块基底选择性移除不合格的microLED而引起空位。第一转移基底和第二转移基底可操作以保持和释放多个微对象，并且可以为相同的转移基底。
在图9中，在步骤800中，流程图示出了根据一个示例性实施方案将microLED芯片从载体基底转移到第一试样块基底的方法。在步骤900中，该方法涉及在载体基底上涂覆粘合剂。在步骤901中，移动(例如，翻转)外延晶片以接触载体基底，使得microLED芯片粘结到粘合剂。在步骤902中，从microLED芯片热释放或光学释放外延层的基底，例如，通过将激光发射穿过载体基底和外延晶片中的一者。在步骤903中，移动载体基底以接触第一试样块基底，使得microLED芯片粘附到第一软粘合剂层。在步骤904中，将microLED芯片从载体基底转移到第一试样块基底。在步骤904中，该转移可通过施加紫外光、热或机械力(例如，震动和/或振动)来进行。
除非另有说明，否则本说明书和权利要求书中使用的表达特征尺寸、数量和物理特性的所有数字应被理解为在所有情况下均被术语“约”修饰。因此，除非另有说明，否则上述说明书和所附权利要求书中列出的数值参数为近似值，近似值可根据本领域技术人员利用本文所公开的教导所寻求获得的所需特性而变化。带端点的数值范围的使用包括该范围内的所有数字(例如，1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4和5)以及该范围内的任何范围。
上述各种实施方案可使用交互以提供特定结果的电路、固件和/或软件模块来实现。本领域技术人员可使用本领域公知的知识易于实现此类所述的功能，无论是在模块化级别上还是在整体上。例如，本文所示的流程图和控制图可用于创建计算机可读指令/代码以供处理器执行。此类指令可存储在非暂态计算机可读介质上并且传输到处理器以用于执行，如本领域已知。以上所示的结构和程序仅为可用于提供上文所述功能的实施方案的代表性示例。
对示例性实施方案的前述描述已经为了说明和描述的目的而呈现。并非旨在穷举或者将实施方案限制为所公开的精确形式。按照上述教导内容，许多修改形式和变型形式是可能的。所公开的实施方案的任何或所有特征可单独或者以任何组合应用，并不意味着是限制性的，而是纯粹说明性的。本发明的范围旨在不受该具体实施方式的限制，而是由本文所附的权利要求确定。

Claims (22)

1.一种方法，所述方法包括：
将microLED芯片从外延晶片转移到第一试样块基底，所述第一试样块基底具有暂时保持所述microLED芯片的第一软粘合剂层；
经由一个或多个转移基底，将所述microLED芯片的子集从所述第一试样块基底转移到第二试样块基底，所述第二试样块基底具有暂时保持所述microLED芯片的子集的第二软粘合剂层；以及
经由所述一个或多个转移基底，将microLED芯片的图案从另一个基底转移到所述第二试样块基底，以填充所述microLED芯片的子集中的空位，所述一个或多个转移基底具有多个转移元件，单独致动所述多个转移元件以分别将所述microLED芯片的子集和所述microLED芯片的图案作为组来保持和释放；
其中所述转移元件中的每个经由相应的加热器元件激活，所述加热器元件改变所述转移元件的粘附力和杨氏模量中的至少一者。
2.根据权利要求1所述的方法，其中与所述第一试样块基底上的所述microLED芯片的节距相比，从所述第一试样块基底到所述第二试样块的所述microLED芯片的所述子集在所述第二试样块基底上具有增加的节距。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括检测所述第一试样块基底上的有缺陷的microLED，其中选择所述microLED的所述子集以排除所述有缺陷的microLED。
4.根据权利要求3所述的方法，其中检测所述有缺陷的microLED包括光致发光检测、电致发光检测和使用显微镜的视觉检测中的一者或多者。
5.根据权利要求1所述的方法，其中第一软粘合剂层和第二软粘合剂层施加粘附力，所述粘附力小于所述转移元件中的每个的保持力并且大于所述转移元件中的每个的释放力。
6.根据权利要求1所述的方法，其中由于未能将一个或多个microLED芯片从所述第一试样块基底转移到所述第二试样块基底而引起所述空位。
7.根据权利要求1所述的方法，其中由于有意地不将有缺陷的microLED芯片从所述第一试样块基底转移到所述第二试样块基底而引起所述空位。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括从所述第二试样块基底选择性移除一个或多个有缺陷的microLED芯片，从而在所述第二试样块基底上产生所述空位。
9.根据权利要求8所述的方法，其中重复所述选择性移除所述有缺陷的microLED芯片和所述填充所述空位，直到所述试样块基底上的所有microLED芯片满足产率阈值。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述将所述microLED芯片从所述外延晶片转移到所述第一试样块基底包括：
将粘合剂涂覆在载体基底上；
移动所述外延晶片以接触所述载体基底，使得所述microLED芯片粘结到所述粘合剂；
从所述microLED芯片热释放或光释放所述外延晶片的基底；
移动所述载体基底以接触所述第一试样块基底，使得所述microLED芯片粘附到所述第一软粘合剂层；以及
将所述microLED芯片从所述载体基底转移到所述第一试样块基底。
11.根据权利要求10所述的方法，其中将所述microLED芯片从所述外延晶片转移到所述载体基底包括将激光发射穿过所述载体基底和所述外延晶片中的一者。
12.根据权利要求10所述的方法，其中将所述microLED芯片从所述载体基底转移到所述第一试样块基底包括翻转所述载体基底以面向所述第一试样块基底。
13.根据权利要求10所述的方法，其中将所述microLED芯片从所述载体基底转移到所述第一试样块基底包括施加紫外光、热或机械力中的至少一者。
14.根据权利要求10所述的方法，还包括在所述载体基底上测试所述microLED芯片，所述测试包括所述microLED芯片的电致发光和光致发光测量中的一者或多者。
15.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一软粘合剂层和所述第二软粘合剂层包括有机硅凝胶和聚二甲基硅氧烷中的至少一者。
16.根据权利要求1所述的方法，还包括将所有所述microLED芯片从所述第二试样块基底转移到底板基底以形成显示器。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述底板包括其上形成有薄膜晶体管的基底。
18.根据权利要求16所述的方法，其中所述底板包括PCB基底或硅基底。
19.根据权利要求1所述的方法，其中所述microLED具有介于一微米和一毫米之间的最大尺寸。
20.根据权利要求1所述的方法，其中所述另一个基底包括保持所述microLED芯片的图案的第三软粘合剂层。
21.一种系统，所述系统包括：
一个或多个转移基底，所述一个或多个转移基底各自具有多个转移元件，单独致动所述多个转移元件以将多个microLED芯片作为组来保持和释放；
外延晶片，在所述外延晶片上形成有多个microLED芯片；
第一试样块基底和第二试样块基底，所述第一试样块基底和第二试样块基底包括相应的第一软粘合剂层和第二软粘合剂层；和
控制器，所述控制器耦接到所述一个或多个转移基底并且能够操作以：
将所述多个microLED芯片从所述外延晶片转移到所述第一试样块基底的所述第一软粘合剂层；
经由所述一个或多个转移基底，将所述多个microLED芯片的子集从所述第一试样块基底转移到所述第二试样块基底的所述第二软粘合剂层；并且
经由所述一个或多个转移基底，将microLED芯片的图案从另一个基底转移到所述第二试样块基底以填充所述microLED芯片的子集中的空位；
其中所述转移基底中的每个经由相应的加热器元件激活，所述加热器元件改变所述转移元件的粘附力和杨氏模量中的至少一者。
22.根据权利要求21所述的系统，还包括显示器的底板基底，其中所述控制器还能够操作以将所有所述microLED芯片从所述第二试样块基底转移到所述底板基底以形成所述显示器。
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