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全光刻无刻蚀工艺提高弹性晶体管密度100倍以上

  

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。获得了目前报道的最高可拉伸晶体管阵列密度,在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。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

 

| 像皮肤一样的可拉伸弹性芯片

 

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。而该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。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

 

值得一提的是,不但晶体管阵列密度创记录,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。

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。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。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。

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。