鲍哲南Science：高密度弹性电路的单片光学微刻工艺

研究背景

符合生物组织和适应身体运动的类皮肤和弹性电子器件是皮肤传感器、身体区域网络和可植入生物电子器件的理想选择。相对于传统的刚性电子器件，例如硅基器件，由于器件密度低，弹性电子器件目前在并行信号记录和处理方面受到限制。因此，生物集成电子器件通常采用集成刚性和可拉伸部件的混合方法，但这种混合方法会导致刚性-柔性界面处的局部应力和与生物系统接触时的机械性能不匹配。为了构建完全弹性的传感系统，与生物系统直接接触的刚性芯片应该由弹性芯片代替。制造密集电路的主要限制是缺乏聚合物电子材料的可扩展图案化方法，尤其是将柔软和弹性电子材料微/纳米图案化成复杂、高密度、多层功能器件和电路。

随着半导体工业的发展，光刻技术已经成功地将硅晶体管的沟道长度缩小到纳米尺度，从而允许高度集成的电路制造。不幸的是，传统的光刻技术不能适应微/纳米制造的聚合物(如半导体和导体)，因为光刻中使用的光刻胶缺乏与活性聚合电子材料的化学正交性。虽然聚合材料的溶液加工可以以低生产成本(如丝网印刷或喷墨印刷)轻松制造，但这些是空间分辨率为数百微米的低密度图案化技术。

研究成果

聚合电子材料使电子产品变得柔软和可拉伸。然而，由于缺乏用于类皮肤和弹性电路的通用微/纳米制造方法，导致相对于硅基器件，器件密度低，并行信号记录和处理能力有限。今日，斯坦福大学鲍哲南教授课题组提出了一种单片光学微光刻工艺，它通过连续紫外光触发的溶解度调制直接对一组弹性电子材料进行微图形化。以每平方厘米42，000个晶体管的密度制造了沟道长度为2微米的晶体管。作者制作了弹性电路，包括一个异或门和一个半加器，这两者都是算术逻辑单元的重要组成部分。这项工艺提供了一条实现复杂、高密度和多层弹性电路的晶圆级制造的途径，其性能可与刚性电路媲美。相关研究工作以“Monolithic optical microlithography of high-density elastic circuits”为题发表在国际顶级期刊《Science》上。

这里介绍一下鲍哲南教授，鲍哲南（1970年11月-），出生于江苏省南京市，毕业于芝加哥大学，美国工程院院士，现为斯坦福大学化学工程教授。下图为鲍哲南在南京金陵中学的照片（中间），今天世界最美丽女科学家在当年就是同学心目中的女神吧。

1981年，鲍哲南就读于南京市第十中学（1988年更名为南京市金陵中学） 。

1987年，鲍哲南从南京市第十中学毕业，考取南京大学化学系，在学完三年本科基础课之后移民美国，进入伊利诺伊大学芝加哥分校化学系学习。

1991年，美国芝加哥大学在鲍哲南还没有获得本科学位的情况下被破格录取为该校化学系的公费研究生，她选择了华裔高分子化学家于鲁平作为指导教师。

1995年，鲍哲南在芝加哥大学化学系取得博士学位。

她在制造用于柔性薄型显示器的全塑晶体管的新型高性能有机、高分子半导体材料方面作出了突出的贡献，开拓了高电荷迁移性质的聚合物半导体和空气中稳定的有机半导体材料的分子设计原理，这些材料可以采用溶液喷涂或印刷技术进行处理。她采用新的印刷技术制造了第一例高性能单晶有机半导体场效应晶体管，性能堪比无定型硅晶体管。她还创造了世界上第一例用有机晶体管驱动的全新结构的电子纸，曾获得世界杰出女科学家成就奖。

鲍哲南于2010年底作为创办人之一的C3Nano公司在美国硅谷成立，2011年获得影响世界华人大奖，2015年《自然》年度人物，2017年获得世界杰出女科学家奖。鲍哲南教授于2004年加入斯坦福大学。她目前是K.K.Lee化学工程教授，也是化学和材料科学与工程的教授。她是美国国家工程院院士和国家发明学会的成员。斯坦福大学可穿戴电子中心创始人和主任，未来科学大奖科学委员会委员。她还是Precourt研究所，伍兹研究所，ChEM-H和Bio-X的客座教授。

2021年4月，鲍哲南当选美国艺术与科学院院士。

图文速递

图1. 用于高密度弹性电路的单片光学微光刻

图2. 导电聚合物的双网络介导直接光刻

作者描述了用于高密度生产弹性电路的单片光学微光刻工艺(称为光辅助)。这个过程包括在聚合电子材料上的直接光刻(图1，A到D)。既利用了聚合材料的后功能化特性，又利用了传统光刻技术的优势，包括高空间分辨率和每个图案元素的低成本。光辅助通过一系列紫外线曝光直接对多种电活性材料进行图案化，而不需要光致抗蚀剂和剥离工艺。具体来说，使用有效的光触发卡宾插入反应作为半导体聚合物和绝缘聚合物的一般交联方法。在一种化学上未改性的导电聚合物的直接光学平版印刷术中，使用了一种对光敏感的聚乙二醇二甲基丙烯酸酯。所有基于聚合物的透明弹性电子器件都是通过四步直接光学微光刻制造的，不需要额外的保护、蚀刻、转移或层压工艺(图1F)。基于交联的图案化策略能够稳固地固定每一层和耐化学性，从而能够在晶片规模上逐层顺序沉积。

图3卡宾介导的半导体和绝缘聚合物的直接光刻

半导体和绝缘聚合物的直接光学光刻是通过紫外触发反应的化学交联实现的(图3A)。为了防止半导体聚合物电荷传输性能的退化，光触发交联反应需要对非共轭侧链特异，而不破坏主链中的共轭。受生物应用中的光亲和标记的启发，作者将双末端官能化的三氟甲基取代的二氮杂环丙烷交联剂(支化的二氮杂环丙烷交联剂)引入到半导体聚合物膜中(图3A)。通过快速光解形成的卡宾物种可以经历共轭聚合物侧链上非共轭键特有的清洁反应，导致分子量增加，从而导致紫外诱导的溶解度调节。选择支链烷基链作为接头，以减少交联剂结晶并改善与半导体聚合物的混溶性，从而实现有效的光交联和更大的膜变形性。光交联效率随聚合物分子量而变化(图3B)。具有较高分子量并因此具有较低初始溶解度的聚合物需要较低的交联剂浓度来实现对显影溶剂的完全不溶性。

图4单片光学微光刻制作高密度、高均匀弹性晶体管阵列

图5 弹性功能电路

作者成功地制造了一个全聚合物弹性晶体管阵列，在0.238 cm2衬底内包含10，000个晶体管(图4，A和B)，使器件密度达到约42，000个晶体管/cm2。比报道的密度高100倍，随着沟道长度从100毫米减小到5毫米，接触电阻与沟道电阻之比的增加可能导致对电荷载流子迁移率的低估，这是基于有机半导体的晶体管的常见现象。因此，短弹性晶体管的性能可以通过界面改性来提高，以实现PEDOT:PSS和半导体聚合物之间的更好接触。集成电路的构造要求以统一的方式和高产量制造弹性晶体管。因此，作者测量了来自10×10阵列的两个不同批次的100个晶体管的传输特性(图4，D和E)，所有晶体管都表现出理想的p型传输特性，具有小滞后和0.255 cm2 V–1s–1的平均饱和迁移率，这是从栅极源极电压的接近理想的二次电流依赖性中提取的(图4F)。此外，实现了98.5%的高器件产率和标准偏差仅为3.76%的窄迁移率分布。

结论与展望

这项光辅助策略支持弹性聚合电子材料的直接光学光刻，具有微米级分辨率、高产量和优异的均匀性，而不会影响其电子和机械特性。这项工作使弹性晶体管的密度相对于以前报道的最高密度增加了两个数量级以上。电活性材料的直接光学图案化的一般策略可以扩展到直接激光和电子束写入方法，以进一步提高空间分辨率。诸如生物传感聚合物和有机发光材料的附加材料也可以被集成以构建复杂的电子器件。

链接：https://science.sciencemag.org/content/373/6550/88