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高密度弹性电路的单片光学微光刻技术



高密度弹性电路的单片光学微光刻技术



【引言】

类皮肤和弹性电子器件是皮肤传感器、体表网络和植入式生物电子器件的理想选择。相对于传统的刚性电子器件(如硅基器件),弹性电子器件由于器件密度低,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刚性和可拉伸部件的混合集成方法,但这种混合方法在与生物系统接触时,会导致刚柔界面局部应力和力学性能不匹配。为了构建全弹性传感系统,与生物系统直接接触的刚性芯片应该被弹性芯片取代。然而,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形化方法,尤其是将柔性和弹性电子材料微/纳米图案化成复杂、高密度、多层功能器件和电路的方法。虽然,硅基半导体行业的光刻技术已经成功地将硅晶体管的通道长度缩小到了纳米级,从而实现了高度集成的电路制造。但是,传统的光刻技术不能适应聚合电子材料(如半导体和导体)的微/纳米加工,因为光刻技术中使用的光刻胶与活性聚合电子材料缺乏化学正交性。尽管聚合物材料的溶液加工以较低的生产成本(如丝网或喷墨打印)轻松制造,但这些是具有数百微米空间分辨率的低密度图案技术。

【成果简介】

今日,在美国斯坦福大学鲍哲南教授团队等人带领下,提出了一种单片光学微光刻工艺,该工艺通过连续紫外光触发的溶解度调制,直接形成一组弹性电子材料的微图案。这一过程涉及聚合物电子材料上的直接光学光刻。团队利用了高分子材料的后功能化特性和传统光刻技术的优点,包括高空间分辨率和每个图案元素的低成本。光学微光刻通过一系列的紫外线(UV)光照射直接对多种电活性材料进行图案化,而不需要光刻胶和剥离过程。具体来说,使用了一种高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通用交联方法。此外,还引入了紫外敏感的聚乙二醇二甲基丙烯酸酯(PEGDMA)来实现化学未改性的导电聚合物的双网络介导的直接光刻。所有基于聚合物的透明弹性电子器件均通过直接光学微光刻的四个步骤制作的,不需要额外的保护、蚀刻、转移或层压过程。基于交联的图案化策略实现了每层的稳健固定和耐化学性,从而实现了晶圆级的逐层顺序沉积。该工艺为实现复杂、高密度、多层弹性电路的晶片级制造提供了一条途径,其性能可与刚性电路相媲美。相关成果以题为“Monolithic optical microlithography of high-density elastic circuits”发表在了Science

 【图文导读】

1 用于高密度弹性电路的单片光学微光刻


2 双网络介导的导电聚合物的直接光学光刻技术


3 卡本介导的半导体和绝缘聚合物的直接光学光刻技术


4 单片光学微光刻制造的高密度、高度均匀的弹性晶体管阵列


5 弹性功能电路


文献链接:Monolithic optical microlithography of high-density elastic circuits(Science,2021,DOI:10.1126/science.abh3551)



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