CN116490351A - 用于微led及微电子传输的基板 - Google Patents

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Abstract

公开一种具有改良的微LED传输特性的玻璃基板，此玻璃基板包括第一主表面、与第一主表面相对的第二主表面、及在第一主表面和第二主表面之间的厚度。电气功能层可安置在第一主表面上。玻璃晶片展现出在从约0.25mm至约50mm的空间波长范围中具有幅度小于或等于约1μm的起伏。

Description

用于微LED及微电子传输的基板
技术领域
本案依据专利法主张2020年11月24日提出的美国临时申请案第63/117,653号的优先权权益，依赖其内容及通过参照其全文的方式并入本文。
本发明大体上涉及用于微LED及微电子传输的基板，及更具体地涉及展现出优化几何属性的玻璃基板。
背景技术
由于微发光二极管(微LED)的一些固有优势，诸如对比于标准LED标牌的改良的分辨率与对比率，及相较于有机发光二极管显示器(OLED)的更佳的寿命、对比率、及更大的无缝拼装显示器，基于微LED的显示器准备在接下来的数年间与现行的显示器技术竞争。微LED显示器的大规模制造的阻碍为需要近乎完美成功地将数百万个微LED传输至每个显示器基板上。传输的微LED的良率目标为99.9999％，然而现行行业水平为大约99.9％。目前，传输技术涉及机械、静电、或磁性印模传输技术，其中一组的微LED从来源晶片传输至印模上，接着从印模至通常由玻璃制成的接收基板上。成功的传输要求在印模表面上的良好形成且精确排列的微LED、印模与基板的精确定位及接触、及具有良好控制的块体及表面性质的基板，以接收微LED。
发明内容
考虑用于微LED传输的基板源自几个不同的领域。在一种情况中，基板被考虑用于使用作为中间(暂时)传输载具。这些基板通常以其组成与整体形状为特征，及基板的质量通过总厚度变动(TTV)、翘曲(或弯曲)、及粗糙度所估算。在另一情况中，大型世代尺寸(Gen-size)玻璃片可使用于显示器背板应用。实例特定的属性包括完全的片翘曲、起伏(在特定空间波长范围中)、及移动窗口厚度变动。虽然这些属性对于光刻类的背板制造及硅-玻璃或玻璃-玻璃背板之间的暂时或永久接合是有意义的，但它们并没有指明成功的微LED传输组件的充足标准。对于这些新的微LED应用，假设使用对于TTV、翘曲、及粗糙度的先前指导方针的基板为当传输微LED至基板表面时造成较少缺陷。然而，这些指导方针无法很好的预测微LED至基板表面上的传输成功。微LED传输效率的更强的预测指标是起伏的新目标范围。
具有至少低起伏的基板对于在印模传输过程中接收微LED是较佳的基板，例如相较于单独具有低TTV或翘曲的基板具有改良的传输效率。确认了空间波长范围，这些范围内的传输过程对于起伏特别地敏感。在这些空间波长范围中显示出低起伏的基板相较于现存产品会显著地表现地更好。
通过确认对微LED印模传输效率有决定性的基板特征，可进行相较于先前技术的实质的质量改良。尽管基板供应商测量，及制造者指明，翘曲与TTV作为质量度量，使用起伏作为进一步质量度量可产生较佳表现的基板。对于未来应用，随着制造者转向更大印模尺寸，确认出应被最小化以产生可接受的传输效率的特征的特定空间波长范围。
因此，基板被公开为包含第一主表面、在第一主表面对面的第二主表面、及在第一主表面与第二主表面之间的厚度，基板进一步包含在第一或第二主表面的50mm x 50mm区域上的最大起伏，例如，在40mm x 40mm区域上，诸如在30mm x 300mm区域上、或20mm x20mm区域上，具有幅度小于或等于约1μm，例如等于或小于约0.5μm，于从约0.25mm至约50mm的空间波长范围中，例如于从约20mm至约50mm的空间波长范围中，诸如于从约30mm至约50mm的空间波长范围中。
在一些实施例中，基板可进一步包含安置在基板上的电气功能层，例如安置在第一主表面及/或第二主表面上。电气功能层可包含多个金属导体。在一些实施例中，电气功能层可包含薄膜晶体管(TFT)。
基板可进一步包含安置在基板上方的粘结层，例如安置在第一或第二主表面的至少一者上。
在一些实施例中，第一及/或第二主表面的表面积可等于或大于约1x104 mm2。在一些实施例中，第一及/或第二主表面的表面积可等于或大于约1m2。第一主表面与第二主表面之间的基板的厚度可在从约0.1mm至约1mm的范围中。
基板可为玻璃基板，例如二氧化硅类玻璃基板(例如，等于或大于约50重量％的二氧化硅)，然而在进一步实施例中，基板可为硅基板(例如，硅晶片)。
在各种实施例中，当按照ASTM C1350M-96(2019)测量时，基板的热膨胀系数(CTE)在从约0℃至约300℃的温度范围中为从约3ppm/℃至约10ppm/℃的范围中。
将在之后的实施方式中说明本文所公开的实施例的额外特征与优点，及部分地从说明书或通过实行本文所述的实施例，包括之后的实施方式、申请专利范围、及随附图式所认知的，对于本领域技术人员会是清楚的。
将理解到前面的一般说明及之后的详细说明两者呈现意于提供理解本文所公开的实施例的本质与特性的概观与架构的实施例。提供附图以提供进一步理解且被并入及构成本说明书的一部分。附图显示本发明的各种实施例，及与说明书一同解释本发明的原理与操作。
附图说明
图1是显示出总厚度变动(TTV)的基板的剖面图示；
图2是显示出翘曲的基板的剖面视图；
图3是一系列展示起伏的绘图；
图4是具有例如微LED的多个电子装置的印膜的剖面视图，多个电子装置安置在印模上且定位在包含非平面表面形貌的基板上方；
图5是当印模接近基板时的图5的印膜的剖面视图，及显示电子装置至基板的不完全传输；
图6是显示对于各种玻璃基板样品的模拟电子装置传输效率作为基板起伏的函数的结果的散布图；
图7是显示对于各种玻璃基板样品的模拟电子传输效率作为基板TTV的函数的结果的散布图；
图8是显示对于各种玻璃基板样品的模拟电子装置传输效率作为基板翘曲的函数的结果的散布图；及
图9是显示模拟电子装置传输效率作为印模尺寸的函数的图表。
具体实施方式
现在将详细地参照本发明的实施例，本发明的实例显示在附图中。尽可能地在附图中将使用相同的附图标记指代相同或类似部件。然而，本发明可以许多不同形式实行且不应解释成受限于本文所说明的实施例。
在此使用时，用语“约”意指数量、尺寸、配方、参数、及其他量与特性不是且不需要是准确的，但可根据需要为大约及/或更大或更小，以反映公差、换算系数、舍入、测量误差与类似物，及本领域技术人员所知的其他因素。
范围在本文中可表示成从“约”一特定值，及/或至“约”另一特定值。当表示出此种范围时，另一实施例包括从此一特定值至另一特定值。类似地，当通过使用前缀词“约”来表示数值为约略值时，将理解到此特定值形成另一实施例。将进一步理解到范围的各自的端点在相关于其他端点且独立于其他端点两者上是有效的。
本文所使用的方向用语-例如，上、下、右、左、前、后、顶、底-是参照所绘制的图示且不意在暗示绝对定向。
除非另外明确地说明，绝不意指本文所说明的任何方法被解释成需要将其步骤以特定顺序执行，或需要使用任何设备、特定定向。因此，当方法权利要求没有确实叙明其步骤所依循的顺序，或任何设备权利要求没有确实叙明个别部件的顺序或定向，或在权利要求或说明书中没有另外明确地叙明步骤受限于特定顺序，或没有提及设备的部件的特定顺序或定向时，绝不意指在任何方面中暗示顺序或定向。这适用于任何可能的非明示基础，包括关于步骤的排列、操作流程、部件顺序、或部件的定向的逻辑事态；由文法组织或标点所得出的直白意义，及；本说明书中所述的实施例的数目或类型。
在此使用时，除非上下文清楚地指示并非如此，单数形式“一(a)”、“一(an)”与“该”包括复数参照物。因此，例如，除非上下文清楚地指示并非如此，参照“一”部件包括具有两个或更多个此部件的方面。
字语“范例”、“实例”、或其各种形式在本文中使用以意于作为实例、举例、或图例。本文中描述为“范例”或作为“实例”的任何方面或设计不应解释成相较于其他方面或设计为偏好或有利的。再者，单独地提供实例以用于清晰与理解目的，且不意指以任何方式限制或约束本发明的所公开主题目标或相关部分。可以理解，为了简洁起见，可以提供许多不同范围的其他或替代示例，但已被省略。
在此使用时，除非另外指明，用语“包含”与“包括”及其变化物应解释成同义的及开放式的。在过渡词组包含或包括之后的一列表的组件为非排他性清单，使得除了在此清单中明确叙明的那些组件之外的组件也可存在。
在本文中使用的用语“实质的”、“实质上”、及其变化物意于指明所描述的特征是等于或大约等于一数值或说明。例如，“实质上平面”表面意于表示表面为平面或大致上平面。再者，“实质上”意味着两个数值为相等或大致上相等。在一些实施例中，“实质上”可表示彼此在约10％之内的数值，诸如彼此在约5％之内，或彼此在约2％之内。
除非另外指明，否则图式并不按比例。
如图1所示，总厚度变动(TTV)指基板10的最大厚度Tmax与基板10的最小厚度Tmin之间的差异，其中基板10包含第一主表面12与在第一主表面对面12的第二主表面14。厚度界定为第一主表面上的第一点与第二主表面上的第二点之间的距离，第一点与第二点落在正交于第一主表面或第二主表面的至少一者的线段上。因此，TTV取决于第一主表面与第二主表面两者的形貌。TTV可计算成Tmax-Tmin。TTV用于参照整个基板，局部厚度变动(LTV)可界定成基板的一部分的厚度变动。因此，LTV可用于指称在小于特定基板的总面积的表面积上的厚度变动，例如及面积大约用于将微LED传输至基板的印模的大小。
参照图2，翘曲是测量参考表面16与基板10的中心线18之间的距离D中的变动。翘曲可计算成(Dmax-Dmin)/2。
起伏是在去掉表面特征之后以大于例如50毫米(mm)与小于0.25mm的空间波长的基板的主表面的形貌的测量。例如，如图3(a)-3(c)所显示，原始表面形貌数据(图3a)可以高斯滤波器(图3(b))过滤以去掉大尺度表面特征(例如，具有大于约50mm的空间频率)，产生表面起伏(图3(c))。具有小于约0.25mm的空间频率的特征可被表征为表面粗糙度且进行类似去除。
微LED传输过程可包括四种不同情况：1)从原生磊晶基板至中间(暂时)基板的传输；2)从原生磊晶基板至最终背板基板的传输；3)从中间基板至另一中间基板的传输；及/或4)从中间基板至最终背板基板的传输。在这四个事例中，接收基板可为裸基板(例如，裸、未涂布玻璃)、涂布有粘结剂的基板、或带有经制造的电子部件的基板，例如，电气功能层。在此使用时，电气功能层指称在基板上的一层或多层，其引导或者利用及/或传输电气能量于用在包含此基板的电子装置中的部件之间。例如，电功能层可包含电传导金属层。电导体可包括用于递送电流及/或电压至一或多个电子部件的电引线。电引线可为电力线或数据线。电引线可通过诸如光刻的传统方式图案化在基板上。电气功能层可进一步包括电子部件，诸如薄膜晶体管(TFT)或其他电子及/或电气部件，包括但不限于电阻、电容、电感、晶体管、二极管，包括发光二极管，及类似物。下面描述用于改善微LED传输产量的基板配方可应用于非涂层、涂层、或基板图案化层，例如，图案化金属层及/或图案化半导体层。
现行工业上要求用于电子装置传输(诸如微LED的传输)的中间载具基板具有小于2μm的TTV与小于10微米(μm)的翘曲的非涂层属性。类似地，用于显示器背板制造的世代尺寸(Gen-size)玻璃基板目前被要求具有对于150mm x 150mm移动窗口厚度变动小于9μm、完全片翘曲小于500μm、从0.8mm至8mm的空间波长范围中的起伏小于0.06μm、及从0.8mm至25mm的空间波长范围中的起伏小于0.33μm的非涂层属性。玻璃基板与世代尺寸(Gen-size)背板玻璃基板的这些属性被指明用于非涂布基板且被选择用于电子装置传输之外的理由。
使用实验测量及模拟的组合发现电子装置传输至基板上的传输效率的改良。使用多表面轮廓仪将玻璃基板样品特征化，其可提供表面的详细形貌地图。使用表面形貌绘图以特征化每个基板样品的翘曲、总厚度变动(TTV)、局部厚度变动(LTV)、起伏、等等。此详细表面信息用于建构微LED印模传输至每个基板样品的表面上的过程的模拟。模拟的图表显示在图4和5中，其中在表面上载有微LED的印模20下降至基板表面上的各种位置上。若印模上的微LED接触安置在基板表面上的粘结层24，微LED将被传输至基板。然而，基板的一些区域可具有高局部表面变动(例如，起伏)，使得并非所有的微LED可与基板接触。因此，模拟可基于基板的表面形貌及其他处理变量，诸如印模尺寸、施加压力、及微LED的间隔，来预测将传输至给定基板的微LED的百分比。与可能传输的总数目(安置在印模上的微LED的总数目)相比较的成功传输的百分比指明传输效率。即，将传输效率决定为(在传输事件期间成功的微LED传输的数目/在传输事件中微LED的总数目)x100％。
通过模拟在几十个基板上的数百个印模传输过程，可描述哪些表面特征有利于有效微LED传输及哪些特征不利。使用诸如翘曲、LTV、及传输印模之下的基板区的起伏的表面形貌数据可计算传输效率。数据表明，仅通过表征翘曲或厚度变动无法预测转移效率，这是常见的误解。分析显示出翘曲是不良的度量，因为在传输过程期间的基板以真空(夹持)被固持于表面，基板中的大部分翘曲被夹持处理及印模接合力所消除。基板夹持的研究显示出表面变动的较小波长特征在夹持之后维持。类似地，TTV是不良的预测指标，因为其考虑到基板表面的两个点，最大厚度的点与最小厚度的点。局部厚度变动(LTV)考虑到在印模的区域上的厚度变动，但是LTV仍是不良的预测指标，因为其取决于基板的顶表面与底表面两者的特性。另一方面，起伏捕捉到基板顶表面的质量，同时考虑到与微LED的传输相关的空间波长范围上的特征。因此，相较于其他因素优化起伏的基板(例如，晶片)可造成更大的传输成功。
分析进一步显示出对于微LED传输考虑的独特属性为在约0.25mm至约50mm(及更特定地从约30mm至约50mm)的空间波长范围中于50mm x 50mm移动窗口上的最大起伏。翘曲与LTV的次要组合也可扮演简化角色。玻璃基板可在尺寸从100mm x 100mm晶片至大于1x1m2片材的范围。当通过根据ASTM C623的“Test Method for Youngs Modulus,ShearModulus,and Poissons Ratio for Glass and Glass-Ceramics by Resonance”的共振超声波光谱仪测量时，玻璃基板的弹性模数值的范围可从约60十亿帕斯卡(GPa)至约90GPa。玻璃基板的厚度范围可从约0.1mm至约1mm、从约0.1mm至约0.7mm、从约0.3mm至约1mm、从约0.1mm至约0.250mm、从约0.3至约1mm，包括在这些范围之间的所有范围与子范围，其中厚度界定为基板的第一主表面与基板的第二主表面之间沿着正交于第一与第二主表面的任一者或两者的线段的距离。当根据ASTM E228–17的“Standard Test Method for LinearThermal Expansion of Solid Materials With a Push-Rod Dilatometer”量测时，玻璃基板的热膨胀系数(CTE)值范围可为在从约0℃至约300℃的温度范围中从约3ppm/℃至约10ppm/℃。
接下来的内容更详细地说明所进行的实验工作以评估起伏在电子部件传输效率上的影响。使用Tropel Flatmaster测量23个玻璃基板的形貌属性(例如，翘曲、LTV、及起伏)。这些基板是200mm直径盘片且包含三种不同的商业上可取得的玻璃：碱土铝硼硅酸盐玻璃(玻璃1与3)，两种不同的无碱铝硼硅酸盐玻璃(玻璃2与4)，及无碱硼硅酸盐玻璃(玻璃5)。然后使用这些数据创建了玻璃晶片(虚拟玻璃晶片)的数字模型，展现出量测属性的各种组合，及执行多个模拟，其中包含多个微LED的假定的印模用于数字压印这个虚拟玻璃晶片。印模被建模具有30mm x 30mm的印模表面。此印模被当作坚固且平坦，带有弹性模数为70GPa。进一步假设通过印模施加至虚拟玻璃晶片的力为1牛顿(N)。假定像素间距(微LED结构之间的间隔)为200μm，及安置在虚拟玻璃晶片上的粘结层的厚度被设定为1μm。进一步假设粘结层根据需要顺应及变形。各个微LED被假设为方形15μm x 15μm结构，带有厚度为5μm。若单一微LED的一半或更多的接触表面(面向粘结层的表面)接触粘结剂，微LED被当作已成功地传输至虚拟玻璃晶片。弯曲与翘曲两者被当作已经通过真空夹持而从虚拟玻璃晶片去掉。模拟数据显示在图6、7、和8中。
图6描绘作为对于范围从0.25mm至50mm中的空间波长以μm表示的最大起伏的函数的以百分比表示的模拟微LED传输效率。具有空间波长小于0.25mm的特征被当作表面粗糙度，具有空间波长大于50mm的特征被分类成翘曲。实际上，报告出的最大起伏是在低与高的空间波长特征已经从表面数据被数字过滤之后的在表面高度中的变动。图6显示出独立于玻璃基板组成或来源，特定空间波长的起伏具有对于印模传输良率的强烈关联。数据显示出对于范围从0.25mm至50mm中的空间波长，使用具有在50mm x 50mm移动窗口中的最大起伏等于或小于约1μm，诸如等于或小于约0.75μm，或等于或小于约0.5μm的玻璃基板，可产生约100％的传输效率。另一方面，显示出对于LTV或翘曲的微小关联，如分别描绘在图7和8。
图9显示出除了在上方所指示的特定空间波长范围(0.25mm至50mm)之外，将所有的表面特征从数据过滤之后的对于玻璃晶片的模拟传输效率。改变印模尺寸以更好理解印模尺寸如何贡献于传输效率。数据显示出对于小的印模尺寸，例如，10mm x 10mm，传输效率始终很高，但随着印模尺寸增加，传输效率降低。这对于朝向更高产量制造的处理缩放是重要的。较长的空间波长，特别是大于30mm，对于较大印模的传输是特别不良的。最小的空间波长，例如在范围从约0mm至约10mm，对于大的印模也表现不良。此结果显示出当制造者移向较大印模尺寸以增加效率时，晶片会需要在30mm至50mm的空间波长范围中展现出降低起伏以维持可接受的传输效率。再者，此结果显现需要使用不仅是低起伏的晶片，且是在约0.25mm至约50mm空间波长范围中的低起伏，及更特定地在从约30mm至约50mm的空间波长范围中。此空间波长范围并未在现行的世代尺寸(Gen-size)、商业上可获得的玻璃基板产品中得到表征。
在受限情况中，微LED可传输至裸、未涂布基板。在大多数的情况中，微LED将传输至已经历经粘结涂布或电子部件制造处理的基板。考虑到这一点，应该指明具有组合的涂布与结构的基板属性以获得有效的微LED传输效率，因为基板的三维形状可在处理之后(例如，在热循环之后)改变。这在现行x-y玻璃压实研究中被忽略了，尤其是垂直z方向。例如，当热循环铝硼硅酸盐基板至500℃与650℃条件时，可观察到显著增加的翘曲与起伏，这些条件在沉积TFT时晶片可能会经历到。因此，虽然在本实验中所执行的玻璃晶片测量是在裸玻璃样品上进行，但假定这些测量结果代表处理后的表面特性。即，假定裸样品为已被热处理，诸如在TFT沉积处理期间，这可能会改变表面形貌。
虽然各种实施例已经相对于其某些例示与特定实例而得到详细说明，但本发明不应被当作局限于此，因为在不背离之后的权利要求的范畴下，对于所公开的特征的许多修改与组合是可能的。

Claims (13)

1.一种基板，包含：
第一主表面、在所述第一主表面对面的第二主表面，、及所述第一主表面与所述第二主表面之间的厚度，其中在所述第一主表面或所述第二主表面的50mm x 50mm区域上所评估的所述基板的最大起伏包含幅度，所述幅度在范围从约0.25mm至约50mm的空间波长中小于或等于约1μm。
2.根据权利要求1所述的基板，所述基板进一步包含安置在所述第一主表面上的电气功能层。
3.根据权利要求2所述的基板，其中所述电气功能层包含多个金属导体。
4.根据权利要求2所述的基板，其中所述电气功能层包含薄膜晶体管。
5.根据权利要求1所述的基板，其中所述空间波长在从约30mm至约50mm的范围中。
6.根据权利要求1所述的基板，其中所述起伏等于或小于约0.5μm。
7.根据权利要求1所述的基板，进一步包含安置在所述第一主表面上的粘结层。
8.根据权利要求1所述的基板，其中所述第一主表面的表面积等于或大于1x104 mm2。
9.根据权利要求1所述的基板，其中所述第一主表面的表面积等于或大于1m2。
10.根据权利要求1所述的基板，其中所述基板的厚度在从约0.1mm至约1mm的范围中。
11.根据权利要求1所述的基板，其中所述玻璃基板的热膨胀系数为在从0℃至300°C的温度范围中的从约3ppm/℃至约10ppm/℃的范围中。
12.根据权利要求1所述的基板，其中所述基板是二氧化硅类玻璃基板。
13.根据权利要求1所述的基板，其中在30mm x 30mm区域上评估所述最大起伏。
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