鲍哲南团队研发全光刻无刻蚀工艺,弹性晶体管集成密度提升百倍

我们的方法获得了目前报道的最高可拉伸晶体管阵列密度,可在比拇指还小的面积(0.238 c㎡)上集成超过 1 万个弹性晶体管,比此前的纪录提高了 100 倍以上(www.mbcnw.com)。” 斯坦福大学鲍哲南课题组博士后研究员郑雨晴告诉 DeepTech。

聚合物电子材料使柔性可穿戴的电子设备成为可能。然而,由于缺乏可用于电子皮肤和弹性电路的通用微纳制造技术,器件密度一直难以得到有效提高,信号记录和处理能力也相对有限。

近日,斯坦福大学鲍哲南教授课题组利用聚合物材料独特的可后修饰性,首次实现了有机导电、半导性和介电材料的全光刻直接图案化,并成功制造出可随意拉伸、弯曲且性能稳定的电路。

图 | 相关论文(来源:Science)

7 月 2 日,相关研究以《高密度弹性电路的单片光学微光刻》(“Monolithic optical microlithography of high-density elastic circuits”)为题发表在 Science。该论文通讯作者为斯坦福大学化工系鲍哲南院士,第一作者由斯坦福大学化工系博士后研究员郑雨晴、生物工程系刘宇鑫博士、化工系博士后研究员仲东来共同担任。

首次实现柔性材料全光刻直接图案化,弹性晶体管密度提高 100 倍以上

电子皮肤或可穿戴的电子设备在生物研究、医学诊疗、柔性显示、脑机接口以及智能机器人领域发挥着举足轻重的作用。

但是,当电子器件同生物体结合时,由于传统的刚性电子设备与生物组织的不兼容,在机械特性上会出现巨大的鸿沟。

“鲍哲南教授课题组近 20 年来,一直致力于解决此问题,并通过发展柔性的电子设备,与不规则的 3D 形状的人体或生物体形成更好的结合。” 郑雨晴介绍道。

图 | 像皮肤一样的可拉伸弹性芯片(来源:受访者)

事实上,实现电子设备的可拉伸性有不少方法,如应变工程法。

而鲍哲南课题组主要采用的是本征可拉伸器件,即每一层都用本身可以拉伸的材料共同构筑可拉伸器件。这样,理论上就具有了更高的器件密度以及更好的机械稳定性。

但是,新的问题也随之出现。由于该可拉伸器件使用的都是非标准的有机材料,而有机材料与光刻胶有着相似的溶解度。因此,它并不能像无机材料那样直接使用传统光刻进行加工。

“所以,当我们想要实现高度集成的本征可拉伸器件的时候,首先需要解决的是高通量、高精度的图案化柔性材料的问题,这也是我们研究的一个出发点。” 郑雨晴表示。

该技术的灵感来自于传统的光刻胶。据了解,光刻胶是一种有机物,在光照的情况下会发生聚合反应,溶解度会发生变化。

研究人员本次使用的有机材料相比于无机材料最大的特点是,它拥有很好的可后修饰性,能通过后续的光照条件改变材料的溶解度。

该课题组在电子材料中引入光敏交联剂,通过调节电子材料的溶解度,将溶解度变小的部分保留下来,而没有发生化学反应的部分则会被溶剂洗掉,并在最终产生图案。

图丨单片光学微光刻用于高密度弹性电路(来源:Science)

借助该技术,研究人员成功在 0.238 c㎡ 的弹性基底上集成了超过 1 万个可拉伸晶体管。他们认为,该数字还可以继续扩大,实现翻倍增长。

值得一提的是,晶体管阵列密度超过此前记录 100 倍以上,可以在不影响其电学和机械特性的情况下实现高产量和出色的均匀性制造,性能则可与刚性电路相媲美。

打破电子皮肤产业化关键技术壁垒,加工工艺 “精简化”

对电子皮肤来说,在人体有限的空间里,集成更多的传感单元、运算单元和显示单元,对于最终实现电子皮肤的功能非常重要。而衡量这种电子皮肤器件的功能强弱有一个很重要的指标,即集成度。

比如,在现在关注度比较高的精准医疗方面,对于电子皮肤来说,做到精准医疗需要有更多的数据接触点,这就需要电子皮肤拥有极强的数据预处理能力。

问题的关键在于,目前我们并没有完善的图案化和集成化方法,这也成为了限制电子皮肤产业化的关键技术壁垒。” 郑雨晴告诉 DeepTech。

除了图案化和集成度问题,还需要注意每一层结构的固定问题。不同的有机材料之间有近似的溶解度,所以,怎么把这些有近似溶解度的层逐层叠加上去,而不是用层间转移这种手工的方法叠加,成为对材料进行高精度、高通量集成和加工的阻碍。

“现在,我们赋予了柔性电子材料直接图案化的性能。而且,在这个过程当中,我们也实现了每一层材料的固定化,这意味着当第二层材料在沉积的过程中,前一层材料不会受到任何影响,从而完美实现了逐层加工。” 郑雨晴说。

据介绍,在整个微加工过程中,加工步骤异常简洁,每一层只需要旋涂、曝光、显影就可以完成。

图 | 弹性晶体管阵列贴附在指尖,如皮肤一样柔软(来源:受访者)

由于该方法让电子材料本身具有光照下发生化学反应并图案化的特点,因此,不需要像其他半导体加工那样引入光刻胶。这不仅省去了光刻胶的操作步骤,也省去了引入光刻胶需要刻蚀这一重要步骤。

值得注意的是,在传统硅工艺里,光刻和刻蚀都是非常重要的。虽然,更多人的注意力集中在光刻上,但其实高精度的刻蚀也发挥着至关重要的作用。

相比于传统硅工艺,我们这种制作方式有个很突出的优势,即不需要刻蚀。原因在于该工艺一步成型,可直接将光图案转换成电子器件图案,而不再需要光刻胶作为转移媒介。” 刘宇鑫补充道。

总的来说,该方法突破了长久以来限制电子皮肤进入实际工业生产应用的关键技术壁垒,既保留了传统硅基半导体行业的核心工艺 —— 光刻方法的高通量、高精度等优点。同时,还能够保持、甚至提升材料的电学性能和机械性能,并大幅精简复杂电路的加工工艺。

未来想象空间无限,但距大规模产业化尚有距离

对于柔性可穿戴电子设备来说,其发展正处于一个比较初级的阶段。不过也因此,电子皮肤拥有更多的延伸可能,未来的想象空间巨大。

下一步,鲍哲南课题组会将重心聚焦在提高分辨率、实现低功耗与新材料开发等方面。

首先可延展的方向是分辨率,由于课题组受到使用的光刻机性能的限制,分辨率最小只能达到 1.6 微米。但如果使用性能更优越的光刻设备(如激光直写仪器),那么,不仅是器件的分辨率,也包括电路的集成度和性能,都可以得到很大程度的提升。

图 | 弹性芯片有较强鲁棒性,可很好应对外界应力产生的形变、不易破损(来源:受访者)

而在仲东来看来,虽然电子器件的性能至关重要,但还有一个因素不容忽视,那就是电子皮肤的功耗。

“可以想象当身上安放着电子器件,我们肯定希望它能长久使用,而不是经常更换。而实现这种低功耗、长寿的电子皮肤,最有效的方式是通过降低器件和电路的操作电压,这也是我们下一步的重要研究方向。”

图 | 郑雨晴(左)、鲍哲南(中)、仲东来(右)(来源:受访者)

另外,新电子材料的开发也得到了重点关注。由于当前柔性电子器件尚未形成完整的体系,材料应用并不成熟,课题组研究的只是最简单的晶体管结构。未来,随着更多电子器件的问世,势必使用到各种新型材料,研究人员在此方面也将拥有更多的想象空间。

目前,电子皮肤的产业化仍然处于早期阶段,无论是上游的制作工艺,还是终端的产品应用都不太成熟。不仅制作工艺不完善,而且也没有相对成熟的应用作市场主打。

另外,该技术虽然实现了高密度的电路制作,但若想进行工业化应用,对其机械性能以及电路性能都提出了更高的要求。

比如,在皮肤上的电子设备不可能单独存在,必定会和某种设备实现交互。一般这种交互方式需要通过无线链接的方式,这也就意味,器件电路必须具备无线交互的能力。

不过,基于微电子工业数十年发展的红利,电子皮肤在后续生产方面很多可以借鉴甚至直接 “照搬” 使用,其产业化成熟速度相当迅速。

“随着制成工艺的提高,电子皮肤市场会逐渐的打开,这是一个循序渐进的过程。” 刘宇鑫表示。

图 | 郑雨晴(左)、仲东来(右)在实验室(来源:受访者)

刘宇鑫认为,对于微电子工业来说,材料与工艺同样重要。而用于制作电子皮肤的新型材料大多需要在实验室进行合成,现阶段很难实现大批量生产。

“如果真的进入工业,这些材料能否大批量、低成本、高质量合成也是很关键的因素。” 仲东来补充道。

迎难而上,导师支持是成功秘诀

聚合物电子材料使柔软、可拉伸的电子产品成为可能,而为了促成这个可能,课题组成员历经重重困难,付出了大量的心血。

“把一个发生在烧瓶中的化学反应应用到光刻机的体系中是有很长的路要走的。因为在烧瓶里,我们可以非常精准地控制温度、湿度、气体环境。但是,在真正微纳米电子制程中,这些条件做到高度可控还是有挑战的。” 郑雨晴说。

图 | 刘宇鑫(左)与鲍哲南(右)(来源:受访者)

因此,即便一个非常简单的步骤,往往也需要研究人员不停地实验、测试,基本上器件的每一层结构都需要花费大半年的时间进行优化。

对此,刘宇鑫深有同感,他表示,一个最简单的晶体管至少需要四层的结构,同时至少需要三种材料。而他们需要针对每一种材料设计一种化学反应,从而使它既可以实现图案化,又能很好地与下一层兼容。在这个过程中,仅调节层与层之间的兼容性就花了非常多的时间和精力。

在这种情况下,课题组成员们并没有被消磨意志和耐心,而是迎难而上,在优化工艺的道路上一做就是三年。

功夫不负有心人,最终这一创新的 “全光刻构建超高密度柔性集成电路” 设计思想和技术路径问世,不仅将改变柔性电子器件工业制造领域的范式,也为植入式电子、可穿戴电子等产业带来革命性发展。

图 | 弹性芯片贴附在皮肤上(来源:受访者)

该成果的实现离不开鲍哲南教授的悉心指导与全力支持。在学生们的眼中,鲍哲南教授是一个不给他们设限、极有耐心的人。当课题研究进展缓慢时,并没有给他们施加压力,反而会鼓励他们继续坚持。

“鲍老师经常鼓励我们放手去做,不会限制我们的任何想法。当我们有了研究方向,但还暂时没有解决方案的时候,她依旧会支持我们多尝试,并从大方向和小细节上给予很多指导与帮助。” 刘宇鑫表示。

课题组成员中,郑雨晴本科、博士就读于北京大学,从事有机电子学相关研究,主要开发高性能有机半导体材料,2017 年来到斯坦福大学化工系从事博士后研究;刘宇鑫本科就读于新加坡南洋理工大学,毕业之后追随鲍哲南教授从事相关研究长达 5 年,目前专注于可穿戴柔性设备的科研以及创业项目;仲东来拥有 “多学科交叉” 经历,三个学业阶段分别攻读三个专业,他本科是南大物理系,博士是北大电子系,博士后则是斯坦福大学化工系。

谈到未来规划,三人表示,毕业后或回国进入高校继续科研,或开展柔性设备创业。对于他们来说,最希望开发人员能通过这项新技术开辟新思路,然后做出和皮肤一样柔软的电路和电子器件。

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