Science:全新光化学技术高效、经济生产可拉伸集成电路,或将催生全新可穿戴和可植入产品

2021
07/16

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撰文:吴婷婷

编审:寇建超


说起可穿戴设备的发展,科学家们一直致力于材料研制,例如体积缩小、类人皮肤、防止脱落等新优点。这些电子材料使可穿戴电子产品变得柔软和可拉伸,然而,这一领域的另一个方面似乎少有突破 —— 那就是电子皮肤的 “集成电路”。


可穿戴设备或身体植入产品要想发挥功能,必然需要内部嵌入的集成电路与各种材料相适应。然而事实上,当前集成电路的制作普遍集中在常见硬性基片之上,仍然缺乏能够用于类皮肤和弹性电路的微纳米制造方法。

不过,有这样一支团队,近 20 年磨一剑,终于在这一领域取得重要成果!近日,来自斯坦福大学的研究团队提出了一种单片光学微光刻工艺,成功在人造电子皮肤上打印出可随意拉伸、弯曲且不影响性能的电路。研究人员在小至 1 平方厘米的可拉伸电路中,挤压嵌入超过 40000 个晶体管,密度达到了当前其他弹性晶体管的 100 倍以上。

相关研究论文以 “Monolithic optical microlithography of high-density elastic circuits” 为题,已于近日发表于科学期刊 Science 上。


旧工艺:光刻技术
在了解斯坦福团队这项新工艺之前,首先要明确集成电路(integrated circuit)的传统制作办法。集成电路作为智慧产品不可或缺的一种微型电子器件,把电路中所需的晶体管、二极管、电阻、电容和电感等元件及布线互连在一起,集成在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上,然后封装在管壳内,成为具有所需电路功能的微型结构。

而上述过程的实现,离不开的就是光刻技术(photolithography)。1822 年,法国人 Nicephore Niepce 发明了光刻技术,并成功将一种刻蚀在油纸上的图案复刻下来。到了今天,光刻技术早已被应用于半导体行业,并成为集成电路最重要的加工工艺。

光刻技术的基本原理是,利用光刻机发出的光照射在刻有图案(即电路)的掩膜之上,再经过缩图透镜,最后光线到达涂有光刻胶的薄片,光刻胶见光后会发生性质变化,从而使掩膜上的图形复印到薄片上,于是薄片具有电子线路图的作用。可以说光刻的作用类似照相机照相,不过照相机拍摄的照片是印在底片上,而光刻刻的不是照片﹐而是电路图和其他电子元件。

图 | 光刻技术原理图示

新启发:“一步到位” 的弹性电路
光刻技术在半导体行业已经使用了几十年,但将其应用于弹性材料时,科学家们却遇到一个问题 —— 用于溶解和洗掉耐光材料表面的化学物质(即上文中的光刻胶)也会腐蚀作为可拉伸电路基础的类人皮肤材料。因此,人们一直无法将这种技术很好地应用于可穿戴设备等产品之中。

而现在,斯坦福团队成功将光刻技术进行改良,开发出适用于这些类人皮肤软性材料的全新光化学技术。首先,研究人员着重改良传统的光刻技术中光刻胶(即溶解剂)的分布,通过降低被光照区域材料的溶解度,直接 “一步到位”,使软性基片材料即使在溶解剂显影过程之后,也能不被侵蚀,得以保留。

图 | 单片光学微光刻工艺示意图。弹性电子材料通过一系列紫外光触发的溶解度调制过程直接有序地形成电路图案(来源:该论文)

而后,研究人员尝试使用该技术,成功在 1 平方厘米的可拉伸电路中嵌入超过 40000 个晶体管(而且该团队认为这个数字还可以继续扩大到两倍)。虽然该数字与硬性硅芯片的数十亿个晶体管还相去甚远,但它足以为皮肤传感器、可植入生物电子产品创建简单的电路,可谓意义非凡。

图 | 该技术制造出的电路晶体管密度显著提高(来源:该论文)

最后制造出的柔性集成电路可以轻易拉伸、折叠、弯曲和扭转,每次都轻松弹回之前的样子,毫无故障。

对此,论文的共同第一作者、博士后研究员 Yu-Qing Zheng 表示:“我们的方法将弹性晶体管的密度提高到迄今为止其他弹性晶体管的 100 倍以上。它在晶体管中具有出色的均匀性,而且不会牺牲电子或机械性能。”

批量生产使新应用潜力更大
毫无疑问,斯坦福的新工艺可能预示着新的可穿戴和可植入产品的出现,但正如团队领导者 Zhenan Bao 所提出的问题:“如何批量生产使其商业化成为可能?”

为此,研究团队挖掘出该工艺的另一大优势 —— 由于基于现有的光刻技术,如今只需要稍微改动,新的光学微光刻工艺就可以直接使用现成的、制造固体硅芯片的设备来批量制造出软性集成电路。这一特点大大简化了该技术向商业化过渡的进程。

图 | 单片微光刻法制作的 4 英寸晶圆级弹性电路(来源:该论文)

不仅如此,该团队经过严密的试验,证明了使用新工艺生产出的柔性电路,其电气性能与当前计算机显示器所用晶体管大致相同,因此完全可用于实际应用中。 在性能测试中,将柔性集成电路横、纵向分别拉伸至原始尺寸的两倍时,新打印出的材料没有出现裂缝或分层情况。 最重要的是,其功能也没有受到影响 —— 即使经过 1000 次重复拉伸,晶体管依然保持稳定。


正如该论文共同第一作者、博士后研究员 Yuxin Liu 所说: “我们的工艺效率更高,并且能够比刚性电路更经济高效地生产出可拉伸集成电路。

参考资料:
https://science.sciencemag.org/content/373/6550/88
https://techxplore.com/news/2021-07-chemistry-enables-technology-stretchable-bendable.html

本文由作者自行上传,并且作者对本文图文涉及知识产权负全部责任。如有侵权请及时联系(邮箱:nanxingjun@hmkx.cn
关键词:
光化学技术,晶体管,生产,高效,材料,电子,论文

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