用于玻璃片材和載體的受控結(jié)合的玻璃制品和方法
【專利說明】用于玻璃片材和載體的受控結(jié)合的玻璃制品和方法
[0001 ] 本申請根據(jù)35U.S.C.§120要求2013年10月07日提交的美國申請系列號14/047506 的優(yōu)先權(quán)，并根據(jù)35U.S.C.§119要求2012年12月13日提交的美國申請系列號61/736,862的 優(yōu)先權(quán)，上述申請的內(nèi)容是本申請的基礎(chǔ)并通過參考完整地結(jié)合于此。
[000^ 背景 發(fā)明領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明設(shè)及用于在載體上加工柔性片材的制品和方法，具體來說，設(shè)及在玻璃載 體上加工柔性玻璃片材的制品和方法。
【背景技術(shù)】
[0004] 因使用卷對卷加工，柔性基材有望提供更廉價的裝置，并有可能能夠制備更薄、更 輕、更柔性和更耐久的顯示器。但是，卷對卷加工高質(zhì)量顯示器所需的技術(shù)、設(shè)備和工藝尚 沒有完全開發(fā)。因為面板制造商已重金投資用于加工大玻璃片材的成套工具，所W把柔性 基材層壓到載體和通過片材-對-片材加工來制備顯示器裝置為更薄、更輕和更柔性顯示器 的提案提供短期的解決方案。已證實在聚合物片材例如聚糞二甲酸乙二醇醋 (polyethylene naphthalate)(陽N)上形成顯示器，其中裝置制造是片材對片材的，且將 PEN層壓到玻璃載體。陽N的上限溫度限制了裝置質(zhì)量和可使用的加工。此外，聚合物基材的 高可滲透性導(dǎo)致化抓裝置的環(huán)境降解，但是其中需要近乎氣密性的封裝。薄膜包封有望克 服運個限制，但尚未證實能提供可接受的大規(guī)模生產(chǎn)的產(chǎn)率。
[0005] 按照類似的方式，可使用層壓到一種或更多種薄玻璃基材的玻璃載體來制造顯示 裝置。預(yù)期薄玻璃的低滲透性和改善的耐溫性和耐化學(xué)性實現(xiàn)具有更高性能和更長壽命的 柔性顯示器。
[0006] 但是，熱、真空、溶劑和酸性、超聲的平板顯示器(FPD)加工要求薄玻璃牢固地結(jié)合 到載體。FPD過程通常設(shè)及真空沉積(瓣射金屬、透明導(dǎo)電氧化物和氧化物半導(dǎo)體，化學(xué)氣相 沉積(CVD)沉積無定形娃、氮化娃和二氧化娃，W及金屬和絕緣體的干法蝕刻），熱過程(包 括~300-400°CCVD沉積，最高達600°C的p-Si結(jié)晶，350-450°C氧化物半導(dǎo)體退火，最高達 650°C的滲雜劑退火，和~200-350°C接觸退火），酸性蝕刻(金屬蝕刻，氧化物半導(dǎo)體蝕刻）， 暴露于溶劑(剝離光刻膠，沉積聚合物包封），和暴露于超聲波(在光刻膠的溶劑剝離和水性 清潔中，通常在堿性溶液中進行該操作）。
[0007] 粘合劑晶片結(jié)合廣泛用于微機械系統(tǒng)(MEMS)和半導(dǎo)體加工，用于其中加工苛刻程 度較低的后端步驟。由布魯爾科技(Brewer Science)和漢高化enkel)出售的粘合劑通常是 厚聚合物粘合劑層，為5-200微米厚。運些層的較大的厚度潛在地使大量的揮發(fā)物、被捕獲 的溶劑和吸附的物質(zhì)污染FH)過程。運些材料在高于~250°C時熱分解和脫氣。運些材料還 可通過作為在后續(xù)的過程中脫氣的氣體、溶劑和酸的槽，在下游步驟中導(dǎo)致污染。
[000引 2012年02月08日提交的、題目為"使用載體加工柔性玻璃(Processing Flexible Glass with a Carrier)"美國臨時專利申請?zhí)?1/596,727(下文稱為US'727)批露下述概 念，其中設(shè)及通過范德華力把薄片材例如柔性玻璃片材初始地結(jié)合到載體，然后在某些區(qū) 域增大結(jié)合強度，但仍然保留在加工薄片材/載體W在該薄片材上形成裝置(例如，電子或 顯示器裝置，電子或顯示器裝置的組件，有機發(fā)光裝置(OLED)材料，光伏(PV)結(jié)構(gòu)，或薄膜 晶體管)之后，去除部分薄片材的能力。至少部分的薄玻璃結(jié)合到載體，從而阻止裝置加工 流體進入薄片材和載體之間，由此降低了污染下游過程的可能性，即，薄片材和載體之間的 結(jié)合密封部分是氣密性的，在一些優(yōu)選的實施方式中，運種密封包圍在制品的外面，由此阻 止液體或氣體進出密封的制品的任何區(qū)域。
[0009] US'727繼續(xù)批露了在低溫多晶娃化TPSK與固相結(jié)晶加工相比的低溫，固相結(jié)晶 加工可最高達約750°C)設(shè)備制造過程中，可使用約600°C或更高的溫度，真空，和濕蝕刻環(huán) 境。運些條件限制可使用的材料，并對載體/薄片材提出了很高的要求。因此，本領(lǐng)域所需的 是一種載體方法，該方法利用制造商的現(xiàn)有資金基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，使得能加工薄玻璃（即厚度< 0.3mm厚的玻璃），且在較高的加工溫度下不污染或損失薄玻璃和載體之間的結(jié)合強度，和 其中在加工結(jié)束時能容易地將薄玻璃與載體解除結(jié)合。
[0010]如US'727所述，US'727批露的方法的商業(yè)化優(yōu)勢之一是制造商將能使用它觀有 的對加工設(shè)備的資金投入，并獲得用于例如PV，〇LED，LCD和圖案化薄膜晶體管(TFT)電子裝 置的薄的玻璃板的益處。此外，該方法實現(xiàn)加工靈活性，包括用于清潔和表面制備薄玻璃片 材和載體來促進結(jié)合；用于強化結(jié)合區(qū)域中在薄片材和載體之間的結(jié)合；用于保持非結(jié)合 (或強度減少/降低的結(jié)合）區(qū)域中薄片材與載體的可釋放性；W及用于切割薄片材來促進 從載體的提取。
[0011]在玻璃和玻璃結(jié)合過程中，清潔玻璃表面來去除所有的金屬、有機物和微粒殘留 物，并得到大體娃醇封端的表面。首先使玻璃表面親密接觸，其中范德華力和/或氨-鍵結(jié)合 力將它們拉在一起。借助熱量和任選的壓力，表面娃醇基團縮合W在整個界面形成強力共 價Si-0-Si鍵，永久性地烙合玻璃工件。金屬、有機物和微粒殘留物通過隱藏表面防止結(jié)合 所需的親密接觸來阻止結(jié)合。還需要高娃醇表面濃度來形成強力結(jié)合，單位面積上的結(jié)合 數(shù)目由在相對的表面上的兩娃醇物質(zhì)反應(yīng)W縮合出水的概率決定。朱拉威爾（Zhuravlel) 報道對于良好水合的氧化娃，平均徑基數(shù)/nm2是4.6-4.9。朱拉威爾L . T . (Zhuravlel， L.T.),無定形氧化娃的表面化學(xué)，朱拉威爾模型（The Surface化emistiT of Amor地OUS Silika,Zhuravlev Model),《膠體和表面A:理化工程方面（Colloids and Su;rfaces A: F*hysiochemical Engineering Aspects)》173(2000)l-38。在US'727中，在結(jié)合周界之內(nèi)形 成非結(jié)合區(qū)域，所述的形成運種非結(jié)合區(qū)域的主要方式是增加表面粗糖度。平均表面粗糖 度大于2nmRa可阻止在升高溫度的結(jié)合過程中形成玻璃和玻璃結(jié)合。在由相同發(fā)明人在 2012年12月13日提交的、題目為"用于控制片材和載體之間的結(jié)合的促進的加工 (Facilitated Processing for Controlling Bonding Between Sheet and Carrier)"的 美國臨時專利申請?zhí)?1/736，880 (下文稱為US ' 880)中，通過控制載體和薄玻璃片材之間的 范德華力和/或氨鍵結(jié)合形成受控的結(jié)合區(qū)域，但也還使用了共價結(jié)合區(qū)域。因此，雖然US '727和US'880中使用載體用于加工薄片材的制品和方法能耐受FTO加工的苛刻環(huán)境，但對 于有些應(yīng)用而言不利地是，由于結(jié)合區(qū)域中薄玻璃和玻璃載體之間的強力共價鍵阻止了載 體的再次利用，在所述結(jié)合區(qū)域中，該薄玻璃和玻璃載體通過粘附力為~1000-2000mJ/m2的共價作用（例如Si-0-Si)結(jié)合進行結(jié)合，該粘附力在玻璃斷裂強度的量級。擦開/剝離不 能用來從載體分離共價地結(jié)合部分的薄玻璃，因此，不能從載體去除整個薄片材。相反，劃 割和提取上面具有裝置的非結(jié)合區(qū)域，留下在載體上的薄玻璃片材的結(jié)合的周界。
[0012] 概述
[0013] 鑒于上述，本領(lǐng)域需要薄片材（sheet)-載體制品，其可耐受FH)加工的苛刻條件， 包括高溫加工(不發(fā)生脫氣，脫氣與使用該制品的半導(dǎo)體或顯示器制備過程是不兼容的）， 但又允許從載體去除整個區(qū)域的薄片材(所有區(qū)域一次性去除，或者分成幾部分去除），從 而可W再次利用載體來加工另一薄片材。本文描述了控制載體和薄片材之間的粘附W形成 臨時結(jié)合的方法，該臨時結(jié)合強到足W耐受FTO加工(包括LTPS加工），但又弱到甚至在高溫 度加工之后，允許解除片材與載體的結(jié)合。運種受控的結(jié)合可用來形成具有可再利用性的 載體的制品，或者在載體和片材之間具有受控的結(jié)合和共價結(jié)合的圖案化的區(qū)域的制品。 具體來說，本發(fā)明提供表面改性層(包括各種材料和相關(guān)的表面熱處理），可在薄片材和/或 載體上提供該表面改性層，從而同時控制薄片材和載體之間的室溫范德華力和/或氨鍵結(jié) 合和高溫共價結(jié)合。更具體來說，可控制室溫結(jié)合，從而在真空加工，濕加工，和/或超聲清 潔加工過程中，足W將薄片材和載體固定在一起。且同時，可控制高溫共價結(jié)合，從而阻止 高溫加工過程中薄片材和載體之間的永久結(jié)合，W及保持足夠的結(jié)合來阻止在高溫加工過 程中發(fā)生脫層。在替代實施方式中，表面改性層可用來形成各種受控的結(jié)合區(qū)域(其中在通 過各種過程(包括真空加工，濕加工，和/或超聲清潔加工)之后，載體和片材仍然是充分結(jié) 合的），該受控的結(jié)合區(qū)域與共價的結(jié)合區(qū)域一起提供其它加工選擇，例如，甚至在將制品 切割成更小的方塊(dice)工件(piece)用于其它裝置加工之后，保持載體和片材之間的氣 密性。此外，有些表面改性層提供控制載體和片材之間的結(jié)合，并同時減少FPD(例如LTPS) 加工環(huán)境中苛刻條件下的脫氣排放，該FTO加工例如包括高溫和/或真空加工。
[0014] 在W下的詳細描述中提出了本發(fā)明的附加特征和優(yōu)點，其中的部分特征和優(yōu)點對 本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言由所述內(nèi)容而容易理解，或按文字描述W及附圖中所述實施各種方 面而被認識。應(yīng)理解，前面的一般性描述和W下的詳細描述都只是各種方面的示例，用來提 供理解要求保護的本發(fā)明的性質(zhì)和特性的總體評述或框架。
[0015] 包括的附圖提供了對本發(fā)明原理的進一步理解，附圖被結(jié)合在本說明書中并構(gòu)成 說明書的一部分。附圖圖示說明了本發(fā)明的一個或多個實施方式，并與說明書一起用來說 明例如本發(fā)明的原理和操作。應(yīng)理解，在本說明書和附圖中掲示的各種特征可任意和 所有的組合使用。作為非限制性的例子，可W按所附權(quán)利要求中所述，將各種特征相互組 厶 1=1 〇
[0016] 附圖簡要說明
[0017] 圖1是制品的示意性側(cè)視圖，該制備具有使用在它們之間的表面改性層結(jié)合到薄 片材的載體。
[0018] 圖2是圖1所示制品的分解視圖和部分剖視圖。
[0019] 圖3是氧化娃上表面徑基濃度隨溫度變化的關(guān)系圖。
[0020] 圖4是SCI-清潔的玻璃片材的表面能隨退火溫度變化的關(guān)系圖。
[0021] 圖5是沉積在玻璃片材上的薄含氣聚合物膜的表面能隨制備膜的成分材料之一的 百分比的變化關(guān)系圖。
[0022] 圖6是通過結(jié)合區(qū)域結(jié)合到載體的薄片材的示意俯視圖。
[0023] 圖7是玻璃片材堆疊件的示意性側(cè)視圖。
[0024] 圖8是圖7所示的堆疊件的一種實施方式的分解視圖。
[0025] 圖9是測試裝置的示意圖。
[0026] 圖10是在不同條件下，不同材料的（圖A所示的測試裝置的不同部分）的表面能隨 時間變化的關(guān)系圖的集合。
[0027] 圖11是不同材料的氣泡面積變化百分數(shù)隨溫度變化的關(guān)系圖。
[0028] 圖12是不同材料的氣泡面積變化百分數(shù)隨溫度變化的另一關(guān)系圖。
[0029] 詳細描述
[0030] 在W下的詳述中，為了說明而非限制，給出了說明具體細節(jié)的示例性實施方式，W 提供對本發(fā)明的各種原理的充分理解。但是，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員顯而易見的是，在從 本說明書獲益后，可不同于本文詳述的其它實施方式實施本發(fā)明。此外，可省略對熟知 裝置、方法和材料的描述，從而不會模糊對本發(fā)明的各種原理的描述。最后，在任何適用的 情況下，相同的附圖注釋表示相同的元件。
[0031] 在此，范圍可W表示為從"約"一個具體值和/或到"約"另一個具體值的范圍。當(dāng)表 示運樣一個范圍的時候，另一個實施方式包括從一個特定值和/或到另一個特定值。類似 地，當(dāng)使用前綴"約"表示數(shù)值為近似值時，應(yīng)理解，具體數(shù)值形成另一個方面。還應(yīng)理解的 是，每個范圍的端點值在與另一個端點值有關(guān)和與另一個端點值無關(guān)時，都是有意義的。
[0032] 本文所用的方向術(shù)語，例如上、下、左、右、前、后、頂、底，僅僅是參照繪制的附圖而 言，并不用來表示絕對的取向。
[0033] 如本文中所用，單數(shù)形式的"一個"、"一種"和"該"包括復(fù)數(shù)指代形式，除非文中另 有明確說明。因此，例如，提到的一種"組件"包括具有兩種或更多種運類組件的方面，除非 文本中有另外的明確表示。
[0034] 在US ' 727和US ' 880中，提供了用于使得能在載體上加工薄玻璃片材的解決方案， 通過使至少一部分的薄玻璃片材仍然是"非結(jié)合的"從而可從載體去除在薄玻璃片材上加 工的裝置。但是，通過形成共價的Si-0-Si鍵，使薄玻璃的周界永久性地(或共價地，或氣密 性地)結(jié)合到載體玻璃。運種共價地結(jié)合的周界阻止再次利用載體，因為不能在不損壞薄玻 璃和載體的情況下把薄玻璃從該永久性地結(jié)合的區(qū)域去除。
[0035] 為了保持有益的表面形狀特征，載體通常是顯示器級別玻璃基材。因此，在一些情 況下，僅僅在使用一次后就丟棄載體是非常浪費和昂貴的。因此，為了降低制造顯示器的成 本，需要能再次利用載體來加工多于一片薄片材基材。本發(fā)明詳細描述用于能使薄片材通 過FTO加工流水線（1 ines)的苛刻的環(huán)境加工的制品和方法，包括高溫加工一其中高溫加工 是在含400°C的溫度下的加工，并可取決于制備的裝置類型而變化，例如，在無定形娃或無 定形氧化銅嫁鋒（IGZ0)背板加工中最高達約450°C的溫度，在晶體IGZ0加工最高達約500- 550°C，或在典型的LTPS加工中最高達約600-650°C-并仍然允許在不損壞(例如，其中載體 和薄片材中的一種破碎或斷裂成兩塊或更更多塊)薄片材或載體的情況下，容易地將薄片 材從載體去除，由此可再次利用載體。
[0036] 如圖1和2所示，玻璃制品2具有厚度8,并包括具有厚度18的載體10,具有厚度28的 薄片材20(即，具有厚度^ 300微米的薄片材，包括但不限于厚度為例如，10-50微米，50-100 微米，100-150微米，150-300微米，300,250,200,190,180,170,160,150140,130,120,110， 100，90，80，70，60，50，4030，20，或10微米），和具有厚度38的表面改性層30。玻璃制品2設(shè)計 成使得能在設(shè)計用于較厚片材（即，厚度> .4mm,例如，.4mm, .5mm, .6mm, .7mm, .8mm, .9mm, 或1.0mm量級的那些片材)的裝置上加工薄片材20,但薄片材20自身含300微米。即，將厚度8 (其是厚度18,28,和38之和)設(shè)計成等于較厚片材的厚度，該較厚片材是設(shè)備一例如，設(shè)計 來在基材片材上設(shè)置電子裝置組件的設(shè)備一所設(shè)計來加工的工件(piece)。例如，假設(shè)厚度 38可忽略，如果加工設(shè)備設(shè)計用于700微米的片材，且薄片材的厚度28是300微米，那么將厚 度18選定為400微米。即，表面改性層30并未按照比例顯示，相反僅僅為了說明性目的將其 顯著夸大。此外，表面改性層顯示為切開的。實際上，當(dāng)提供可再次利用的載體時，表面改性 層在結(jié)合表面14上均勻地設(shè)置。通常，厚度38在納米量級，例如0.1-2.化m，或最高達lOnm， 和在一些情況下可最高達l(K)nm。厚度38可用楠圓光度儀(ellipsometer)來測量。此外，表 面改性層的存在可通過表面化學(xué)分析例如通過ToF Sims質(zhì)譜來檢測。因此，厚度38對制品 厚度8的貢獻可忽略，在計算決定用于加工具有厚度28的給定薄片材20的載體10的合適的 厚度1別寸，可忽略厚度38。但是，當(dāng)表面改性層30到達具有任意顯著的厚度38的程度時，在 決定用于給定薄片材20的厚度28的載體10的厚度18, W及加工裝置所設(shè)計的給定厚度時， 應(yīng)考慮該厚度38。
[0037] 載體10具有第一表面12,結(jié)合表面14,周界16,和厚度18。此外，載體10可為任意合 適的材料例如包括玻璃。載體并非必須是玻璃，但相反可為陶瓷，玻璃-陶瓷或金屬（因為表 面能和/或結(jié)合可按照類似于下文設(shè)及玻璃載體所述的方式進行控制）。如果載體10由玻璃 制成，載體10可為任意合適的組合物，包括侶娃酸鹽、棚娃酸鹽、棚侶娃酸鹽、鋼巧娃酸鹽， 且取決于其最終應(yīng)用可包含堿或不含堿。厚度18可為約0.2-3mm，或更大，例如0.2，0.3， 0.4,0.5，0.6,0.65，0.7,1.0,2.0,或3mm，或更大，并將取決于厚度28和厚度38(當(dāng)厚度38是 不可忽略的情況下），如上所述。此外，載體10可由一層(如圖所示)或結(jié)合在一起的多層(包 括多個薄片材)制成。此外，載體可具有Genl尺寸或更大，例如，Gen2，Gen3，Gen4，Gen5，Gen8 或更大(例如，片材尺寸是從lOOmmxlOOmm到3米x3米或更大）。
[0038] 薄片材20具有第一表面22,結(jié)合表面24,周界26,和厚度28。周界16和26可為任意 合適的形狀，可相互相同，或可相互不同。此外，薄片材20可為任意合適的材料，包括例如玻 璃、陶瓷或玻璃-陶瓷。如果由玻璃制成，薄片材20可具有任意合適的組成，包括侶娃酸鹽、 棚娃酸鹽、棚侶娃酸鹽、鋼巧娃酸鹽，且取決于其最終應(yīng)用可包含堿或不含堿。薄片材的熱 膨脹系數(shù)可與載體的熱膨脹系數(shù)較接近地匹配，從而防止制品在升高的溫度下加工時發(fā)生 翅曲。薄片材20的厚度28是300微米或更小，如上所述。此外，薄片材可具有Genl尺寸或更 大，例如，Gen2 ,Gen3 ,Gen4 ,Gen5 ,Gen8或更大（例如，片材尺寸是從lOOmmxlOOmm至Ij3米x3米 或更大）。
[0039] 制品2需要正確的厚度不僅是為了在現(xiàn)有裝置中加工，還因為需要能使它能夠耐 受進行加工的苛刻環(huán)境。例如，平板顯示器(FPD)加工可包括濕、超聲、真空和高溫(例如，> 400°C)加工。如上所述，對于某些過程，溫度可^ 500°C，或^ 600°C，和最高達650°C。
[0040] 為了使制品2能夠耐受加工的苛刻環(huán)境(如FTO制造之時例如），結(jié)合表面14應(yīng)W足 夠強度結(jié)合到結(jié)合表面24,從而薄片材20不與載體10分離。而且，在整個加工中應(yīng)保持運種 強度，從而加工時薄片材20不與載體10分離。此外，為了能將薄片材20從載體10去除（從而 載體10可再次利用），結(jié)合表面14不應(yīng)通過初始設(shè)計的結(jié)合力和/或通過因初始設(shè)計的結(jié)合 力變化導(dǎo)致的結(jié)合力過強地結(jié)合到結(jié)合表面24,例如當(dāng)制品經(jīng)歷在高溫例如溫度含400°C 下的加工時可發(fā)生運種變化。表面改性層30可用來控制結(jié)合表面14和結(jié)合表面24之間的結(jié) 合強度，從而同時實現(xiàn)運兩個目標(biāo)。通過控制范德華力（van der Waals)(和/或氨鍵結(jié)合） 和共價的吸引能對總粘附能的貢獻來實現(xiàn)受控的結(jié)合力，該總粘附能通過調(diào)節(jié)薄片材20和 載體10的極性和非極性表面能分量komponent)來控制。運種受控的結(jié)合強到足W耐受FPD 加工（包括濕、超聲、真空和包括溫度含400°C的熱過程，和在一些情況下，加工溫度^00 °C，或含600°C，和最高達650°C )且在施加足夠的分離力時仍然是可解除結(jié)合的，且該分離 力不會導(dǎo)致毀滅性地損壞薄片材20和/或載體10。運種去結(jié)合允許去除薄片材20和在其上 制造的裝置，還允許再次利用載體10。
[0041] 雖然表面改性層30顯示為薄片材20和載體10之間的固體層，但并非必須如此。例 如，層30的厚度可為0.1-2納米量級，且可不完全覆蓋結(jié)合表面14的每一處。例如，覆蓋率可 為 < 100%，1%-100%，10%-100%，20%-90%，或者50%-90%。在其他實施方式中，層30 可最高達lOnm厚，或在其他實施方式中甚至最高達lOOnm厚。即使表面改性層30不接觸載體 10和/或薄片材20，也可認為表面改性層30設(shè)置在載體10和薄片材20之間。在任意情況下， 表面改性層30的重要方面是其改變結(jié)合表面14與結(jié)合表面24結(jié)合的能力，由此控制載體10 和薄片材20之間的結(jié)合強度。表面改性層30的材料和厚度，W及結(jié)合之前對結(jié)合表面14，24 的處理，可用來控制載體10和薄片材20之間的結(jié)合強度(粘附能）。
[0042] 通常，兩個表面之間的粘附能通過下式Γ用于表面能和界面能估算的理論.1.界 面張力的推導(dǎo)和應(yīng)用（A theory for the estimation of surface and interfacia