“我們的方法獲得了目前報(bào)道的最高可拉伸晶體管陣列密度，可在比拇指還小的面積（0.238 c㎡）上集成超過 1 萬個(gè)彈性晶體管，比此前的紀(jì)錄提高了 100 倍以上。” 斯坦福大學(xué)鮑哲南課題組博士后研究員鄭雨晴告訴 DeepTech。
聚合物電子材料使柔性可穿戴的電子設(shè)備成為可能。然而，由于缺乏可用于電子皮膚和彈性電路的通用微納制造技術(shù)，器件密度一直難以得到有效提高，信號(hào)記錄和處理能力也相對(duì)有限。
近日，斯坦福大學(xué)鮑哲南教授課題組利用聚合物材料獨(dú)特的可后修飾性，首次實(shí)現(xiàn)了有機(jī)導(dǎo)電、半導(dǎo)性和介電材料的全光刻直接圖案化，并成功制造出可隨意拉伸、彎曲且性能穩(wěn)定的電路。
圖 | 相關(guān)論文（來源：Science）
7 月 2 日，相關(guān)研究以《高密度彈性電路的單片光學(xué)微光刻》（“Monolithic optical microlithography of high-density elastic circuits”）為題發(fā)表在 Science。該論文通訊作者為斯坦福大學(xué)化工系鮑哲南院士，第一作者由斯坦福大學(xué)化工系博士后研究員鄭雨晴、生物工程系劉宇鑫博士、化工系博士后研究員仲東來共同擔(dān)任。
首次實(shí)現(xiàn)柔性材料全光刻直接圖案化，彈性晶體管密度提高 100 倍以上
電子皮膚或可穿戴的電子設(shè)備在生物研究、醫(yī)學(xué)診療、柔性顯示、腦機(jī)接口以及智能機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)揮著舉足輕重的作用。
但是，當(dāng)電子器件同生物體結(jié)合時(shí)，由于傳統(tǒng)的剛性電子設(shè)備與生物組織的不兼容，在機(jī)械特性上會(huì)出現(xiàn)巨大的鴻溝。
“鮑哲南教授課題組近 20 年來，一直致力于解決此問題，并通過發(fā)展柔性的電子設(shè)備，與不規(guī)則的 3D 形狀的人體或生物體形成更好的結(jié)合?！?鄭雨晴介紹道。
圖 | 像皮膚一樣的可拉伸彈性芯片（來源：受訪者）
事實(shí)上，實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備的可拉伸性有不少方法，如應(yīng)變工程法。
而鮑哲南課題組主要采用的是本征可拉伸器件，即每一層都用本身可以拉伸的材料共同構(gòu)筑可拉伸器件。這樣，理論上就具有了更高的器件密度以及更好的機(jī)械穩(wěn)定性。
但是，新的問題也隨之出現(xiàn)。由于該可拉伸器件使用的都是非標(biāo)準(zhǔn)的有機(jī)材料，而有機(jī)材料與光刻膠有著相似的溶解度。因此，它并不能像無機(jī)材料那樣直接使用傳統(tǒng)光刻進(jìn)行加工。
“所以，當(dāng)我們想要實(shí)現(xiàn)高度集成的本征可拉伸器件的時(shí)候，首先需要解決的是高通量、高精度的圖案化柔性材料的問題，這也是我們研究的一個(gè)出發(fā)點(diǎn)?！?鄭雨晴表示。
該技術(shù)的靈感來自于傳統(tǒng)的光刻膠。據(jù)了解，光刻膠是一種有機(jī)物，在光照的情況下會(huì)發(fā)生聚合反應(yīng)，溶解度會(huì)發(fā)生變化。
研究人員本次使用的有機(jī)材料相比于無機(jī)材料最大的特點(diǎn)是，它擁有很好的可后修飾性，能通過后續(xù)的光照條件改變材料的溶解度。
該課題組在電子材料中引入光敏交聯(lián)劑，通過調(diào)節(jié)電子材料的溶解度，將溶解度變小的部分保留下來，而沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的部分則會(huì)被溶劑洗掉，并在最終產(chǎn)生圖案。
圖丨單片光學(xué)微光刻用于高密度彈性電路（來源：Science）
借助該技術(shù)，研究人員成功在 0.238 c㎡ 的彈性基底上集成了超過 1 萬個(gè)可拉伸晶體管。他們認(rèn)為，該數(shù)字還可以繼續(xù)擴(kuò)大，實(shí)現(xiàn)翻倍增長。
值得一提的是，晶體管陣列密度超過此前記錄 100 倍以上，可以在不影響其電學(xué)和機(jī)械特性的情況下實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)量和出色的均勻性制造，性能則可與剛性電路相媲美。
打破電子皮膚產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)壁壘，加工工藝 “精簡化”
對(duì)電子皮膚來說，在人體有限的空間里，集成更多的傳感單元、運(yùn)算單元和顯示單元，對(duì)于最終實(shí)現(xiàn)電子皮膚的功能非常重要。而衡量這種電子皮膚器件的功能強(qiáng)弱有一個(gè)很重要的指標(biāo)，即集成度。
比如，在現(xiàn)在關(guān)注度比較高的精準(zhǔn)醫(yī)療方面，對(duì)于電子皮膚來說，做到精準(zhǔn)醫(yī)療需要有更多的數(shù)據(jù)接觸點(diǎn)，這就需要電子皮膚擁有極強(qiáng)的數(shù)據(jù)預(yù)處理能力。
“問題的關(guān)鍵在于，目前我們并沒有完善的圖案化和集成化方法，這也成為了限制電子皮膚產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵技術(shù)壁壘。” 鄭雨晴告訴 DeepTech。
除了圖案化和集成度問題，還需要注意每一層結(jié)構(gòu)的固定問題。不同的有機(jī)材料之間有近似的溶解度，所以，怎么把這些有近似溶解度的層逐層疊加上去，而不是用層間轉(zhuǎn)移這種手工的方法疊加，成為對(duì)材料進(jìn)行高精度、高通量集成和加工的阻礙。
視頻 | 基于 “光輔膠” 的全光刻無刻蝕工藝（來源：受訪者）
“現(xiàn)在，我們賦予了柔性電子材料直接圖案化的性能。而且，在這個(gè)過程當(dāng)中，我們也實(shí)現(xiàn)了每一層材料的固定化，這意味著當(dāng)?shù)诙硬牧显诔练e的過程中，前一層材料不會(huì)受到任何影響，從而完美實(shí)現(xiàn)了逐層加工?！?鄭雨晴說。
據(jù)介紹，在整個(gè)微加工過程中，加工步驟異常簡潔，每一層只需要旋涂、曝光、顯影就可以完成。
圖 | 彈性晶體管陣列貼附在指尖，如皮膚一樣柔軟（來源：受訪者）
由于該方法讓電子材料本身具有光照下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并圖案化的特點(diǎn)，因此，不需要像其他半導(dǎo)體加工那樣引入光刻膠。這不僅省去了光刻膠的操作步驟，也省去了引入光刻膠需要刻蝕這一重要步驟。
值得注意的是，在傳統(tǒng)硅工藝?yán)?，光刻和刻蝕都是非常重要的。雖然，更多人的注意力集中在光刻上，但其實(shí)高精度的刻蝕也發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。
“相比于傳統(tǒng)硅工藝，我們這種制作方式有個(gè)很突出的優(yōu)勢(shì)，即不需要刻蝕。原因在于該工藝一步成型，可直接將光圖案轉(zhuǎn)換成電子器件圖案，而不再需要光刻膠作為轉(zhuǎn)移媒介。” 劉宇鑫補(bǔ)充道。
總的來說，該方法突破了長久以來限制電子皮膚進(jìn)入實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)壁壘，既保留了傳統(tǒng)硅基半導(dǎo)體行業(yè)的核心工藝 —— 光刻方法的高通量、高精度等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，還能夠保持、甚至提升材料的電學(xué)性能和機(jī)械性能，并大幅精簡復(fù)雜電路的加工工藝。
未來想象空間無限，但距大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化尚有距離
對(duì)于柔性可穿戴電子設(shè)備來說，其發(fā)展正處于一個(gè)比較初級(jí)的階段。不過也因此，電子皮膚擁有更多的延伸可能，未來的想象空間巨大。
下一步，鮑哲南課題組會(huì)將重心聚焦在提高分辨率、實(shí)現(xiàn)低功耗與新材料開發(fā)等方面。
首先可延展的方向是分辨率，由于課題組受到使用的光刻機(jī)性能的限制，分辨率最小只能達(dá)到 1.6 微米。但如果使用性能更優(yōu)越的光刻設(shè)備（如激光直寫儀器），那么，不僅是器件的分辨率，也包括電路的集成度和性能，都可以得到很大程度的提升。
圖 | 彈性芯片有較強(qiáng)魯棒性，可很好應(yīng)對(duì)外界應(yīng)力產(chǎn)生的形變、不易破損（來源：受訪者）
而在仲東來看來，雖然電子器件的性能至關(guān)重要，但還有一個(gè)因素不容忽視，那就是電子皮膚的功耗。
“可以想象當(dāng)身上安放著電子器件，我們肯定希望它能長久使用，而不是經(jīng)常更換。而實(shí)現(xiàn)這種低功耗、長壽的電子皮膚，最有效的方式是通過降低器件和電路的操作電壓，這也是我們下一步的重要研究方向?！?/span>
圖 | 鄭雨晴（左）、鮑哲南（中）、仲東來（右）（來源：受訪者）
另外，新電子材料的開發(fā)也得到了重點(diǎn)關(guān)注。由于當(dāng)前柔性電子器件尚未形成完整的體系，材料應(yīng)用并不成熟，課題組研究的只是最簡單的晶體管結(jié)構(gòu)。未來，隨著更多電子器件的問世，勢(shì)必使用到各種新型材料，研究人員在此方面也將擁有更多的想象空間。
目前，電子皮膚的產(chǎn)業(yè)化仍然處于早期階段，無論是上游的制作工藝，還是終端的產(chǎn)品應(yīng)用都不太成熟。不僅制作工藝不完善，而且也沒有相對(duì)成熟的應(yīng)用作市場主打。
另外，該技術(shù)雖然實(shí)現(xiàn)了高密度的電路制作，但若想進(jìn)行工業(yè)化應(yīng)用，對(duì)其機(jī)械性能以及電路性能都提出了更高的要求。
比如，在皮膚上的電子設(shè)備不可能單獨(dú)存在，必定會(huì)和某種設(shè)備實(shí)現(xiàn)交互。一般這種交互方式需要通過無線鏈接的方式，這也就意味，器件電路必須具備無線交互的能力。
不過，基于微電子工業(yè)數(shù)十年發(fā)展的紅利，電子皮膚在后續(xù)生產(chǎn)方面很多可以借鑒甚至直接 “照搬” 使用，其產(chǎn)業(yè)化成熟速度相當(dāng)迅速。
“隨著制成工藝的提高，電子皮膚市場會(huì)逐漸的打開，這是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程?！?劉宇鑫表示。
圖 | 鄭雨晴（左）、仲東來（右）在實(shí)驗(yàn)室（來源：受訪者）
劉宇鑫認(rèn)為，對(duì)于微電子工業(yè)來說，材料與工藝同樣重要。而用于制作電子皮膚的新型材料大多需要在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行合成，現(xiàn)階段很難實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。
“如果真的進(jìn)入工業(yè)，這些材料能否大批量、低成本、高質(zhì)量合成也是很關(guān)鍵的因素?！?仲東來補(bǔ)充道。
迎難而上，導(dǎo)師支持是成功秘訣
聚合物電子材料使柔軟、可拉伸的電子產(chǎn)品成為可能，而為了促成這個(gè)可能，課題組成員歷經(jīng)重重困難，付出了大量的心血。
“把一個(gè)發(fā)生在燒瓶中的化學(xué)反應(yīng)應(yīng)用到光刻機(jī)的體系中是有很長的路要走的。因?yàn)樵跓坷?，我們可以非常精?zhǔn)地控制溫度、濕度、氣體環(huán)境。但是，在真正微納米電子制程中，這些條件做到高度可控還是有挑戰(zhàn)的?！?鄭雨晴說。
圖 | 劉宇鑫（左）與鮑哲南（右）（來源：受訪者）
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