台式无掩膜直写光刻助力一篇Nature！柔性可穿戴器件获重要突破

发布日期：2024-05-09

文章名称：High-speed and large-scale intrinsically stretchable integrated circuits

期刊：Nature IF 64.8

文章DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07096-7

【引言】

本征可拉伸的电子器件具有类似人类皮肤的机械性能，可用于连续生理监测，实时分析健康状况，在自主医疗等领域拥有十分广泛的应用前景。然而，现有技术在电学性能、集成规模和功能性上存在一定的局限性。针对这些问题，斯坦福大学的相关课题组通过在材料选择、制造工艺创新和电路设计等方面进行创新，利用小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3制备出了具有优异性能的大规模集成的本征可拉伸的晶体管和相关器件。通过上述工艺，晶体管的集成规模可达每平方厘米100,000个，在100%应变条件下平均场效应迁移率超过20 cm²/Vs，在5 V电压条件下可产生约为2 μA/μm的高驱动电流。值得注意的是，该工作首次在本征可拉伸电子器件上实现了具有1000多个晶体管的大规模集成电路。基于可拉伸电子器件的制备，课题组设计了一种具有高吞吐量能力，高刷新频率的盲文识别系统，以及LED显示设备，展示了本征可拉伸晶体管的多功能性和实用性，为实现高度灵活、高性能的可拉伸电子设备提供了重要的技术基础。相关研究内容以《High-speed and large-scale intrinsically stretchable integrated circuits》为题，在国际SCI期刊《Nature》上发表。

本文中可拉伸的晶体管和相关器件均使用小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3制备。该系统克服了光刻工艺中需要掩膜板的难题，可以在非传统基底上迅速实现高精度的光刻任务，能够满足科研中对光刻的多样化的需求。与此同时，该设备还具备结构紧凑（70 cm X 70 cm X 70 cm）、直写速度高，分辨率高（XY：<1 μm）等特点。采用集成化设计，全自动控制，可靠性高，操作简便。凭借这些优势，MicroWriter ML3为本研究晶体管和相关器件的成功制备提供了关键技术支持。

小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3

【精彩图文展示】

图1.本征可拉伸，高性能类皮肤电子器件。a)本征可拉伸的传感器的核心地位以及高性能要求的示意图；b)高性能本征可拉伸电子器件的三维示意图； c)在4寸硅片上制备高性能器件；d)在大尺寸柔性基底上制备可拉伸的电子器件；e)高密度传感器（1000个晶体管）制备在一颗芝麻上。

图2. 本征可拉伸电子器件通过光刻进行制备的流程图。a）示意图和b）本征可拉伸电子器件的实物图；c）用于制备可拉伸电子器件的材料的示意图；d）可拉伸电子器件的制备过程；e）制备图案化碳纳米管的流程示意图；f）图案化的碳纳米管；g）PEDOT门；h）EGaln导线；i）绝缘层；j）绝缘层材料的绝缘特性；k）碳纳米管的AFM；l）碳纳米管传感器的场效应电子迁移率；m）在有无Pd纳米颗粒条件下的大规模真核特性；n）有无Pd条件下的接触电阻。

图3. 本征可拉伸电子器件的电学和力学特性；a）所制备的电子器件的光学照片；b)10082个晶体管，良率为99.37%； c)晶体管的电学特性；d)电子器件在未拉伸，100%拉伸和释放拉伸后的情形； e)电子器件的电学性能随着拉伸的变化；f)和g)电子管的输出特性；h)本工作和以前工作的比较。

图4. 由晶体管所构成的集成电路。a) 输出增益电压的改变；b) 驱动电流的模拟结果；c)高密度集成电路的光学照片；d)电路构成示意图；e)高密度电路的测量结果；f)和g)大规模集成电路的示意图；h) 527级环形振荡器的输出波形； i)本工作和报道工作的对比；j)三级惯性振荡器的照片；k)10个振荡器中，输出最快的频率图谱；l)不同应变条件下的震荡频率。

图5.可拉伸电子器件用于触觉感知和LED显示。a）感知传感阵列的设计图和实物图；b）传感器的光学照片；c）不同压力下的电流和d）电压；e）不同形状触压下的电流；f）在插入金属棒时的表现；g）本工作和其他工作相比较的结果；h）在传感器上按压盲文SKIN的结果；i）LED显示电路；j）作为LED显示的结果。

【结论】

从论文中可以看出，研究人员基于碳纳米管制备出了本征可拉伸的电子器件。通过制备方法的创新和设计，实现了高性能本征可拉伸晶体管的高密度集成，为制备相关的可拉伸电子设备提供了新的研究思路和方法。