本文轉自：學習時報

　　魏大程

　　在“信息爆炸”的當代，信息技術全面融入生活，手機、電腦、智能家居等電子設備的高效運作離不开電子芯片。電子芯片的集成度，作爲其性能的核心標志，正隨着科技進步不斷攀升。從20世紀60年代每顆芯片僅能集成幾十個電子元件，到如今極紫外光刻膠等創新材料推動硅基芯片進入3納米時代，每顆芯片可包含約數十億個電子元件，密度驚人，不僅強化了運算能力，更深刻重塑了我們的生活方式。研發有機芯片的機遇與挑战傳統芯片受限於硅基半導體的脆硬性，難以適應現代科技對柔性、折疊及伸縮性的場景需求。相比之下，有機半導體以其柔軟性、優越的生物相容性及成本效益，在柔性電子領域如柔性顯示器、可穿戴設備、人工假肢、仿生機器人等領域展現出巨大潛力，成爲推動柔性電子和生物電子產業革新的關鍵。然而，無法制造高集成度的有機芯片是一直以來困擾有機芯片產業發展的難題。有機半導體的分子結構在復雜制造過程中極易受損，難以像硅基半導體那樣保持穩定，導致傳統方法難以實現高密度集成。盡管噴墨打印、絲網印刷等創新工藝被开發出來，但它們所制造的有機芯片集成密度仍停留在每平方釐米數十個單元的低水平，性能可靠性與均一性亦因物理效應限制而在提升集成度時受損，這極大地限制了其商業化應用的前景。因此，研發可靠且高精度的有機芯片加工工藝，以克服集成制造中的瓶頸，成爲當前有機芯片產業亟待解決的核心問題。功能型光刻膠——高集成有機芯片的關鍵材料克服有機芯片的高集成度制造難題，我們需借鑑硅基芯片制造行業經驗。若能成功將硅基芯片的加工工藝可靠地運用於制造有機芯片，就能突破當前有機芯片的集成度瓶頸，實現與硅基芯片相當的集成度。硅基芯片集成度的快速提高，得益於光刻技術的快速發展。光刻技術的原理類似於照相把照片的圖案印在膠片上，而光刻是將電子线路形狀的光照射在塗有特殊光敏材料（光刻膠）的基板上，形成特定圖案，進而在芯片上制造高度集成的電路。然而，作爲光刻技術核心材料的光刻膠，在加工過程中使用的溶劑與高溫會嚴重破壞有機半導體的結構，導致有機芯片無法像硅基芯片一樣進行光刻加工。爲此，我們可以轉變思路，既然傳統的光刻膠只能作爲加工模板，缺乏導電、傳感等功能，何不通過材料設計賦予光刻膠電學功能，使其能夠作爲電子材料用於芯片制造呢？這樣，將光刻膠本身作爲有機半導體材料，從而直接利用光刻工藝制造高集成度有機芯片。這一設想得到了驗證，我國有關科研團隊歷經多年研究，於2021年研發出功能型光刻膠，並开創性提出“全光刻電子學”概念。該光刻膠的配方由光引發劑、交聯單體和有機半導體組成，在紫外光照下，交聯單體會發生反應生成不能溶解的網絡結構，將有機半導體“鎖”在其中，形成納米級互穿網絡結構。當浸泡在有機溶劑中，未被光照的區域會溶解於溶劑，從而直接將半導體性的光刻膠圖案與芯片上的電路進行連接，作爲功能單元使用。研究發現，此功能型光刻膠具有極高的結構穩定性、亞微米級的光刻精度和優異的電學性能，在光刻加工時，不受前述的種種苛刻工藝條件損傷，是當時國際上遷移率最高的p型可光交聯有機半導體。這一突破性成果使有機芯片的加工可以像硅基芯片一樣，所有芯片組件均通過光刻工藝制造，成爲开啓有機芯片高集成度時代的一把金鑰匙。改變未來的芯片技術——從基礎研究到功能應用將功能型光刻膠的配方進行拓展，制造出不同功能的有機芯片，是功能型光刻膠走向實用化的重要一步。通過深入研究光刻膠組分的分子結構，團隊實現了功能型光刻膠對各種活性粒子的負載，從而使其不僅能作爲導電材料使用，還能起到生理信號檢測、化學傳感、光電探測等作用。由此，功能型光刻膠從一種特殊的光刻膠轉變爲一系列不同功能的可光刻加工的電子材料，極大地拓寬了其在芯片制造領域的適用範圍。最近，該團隊研發出一種具有光電響應能力的功能型光刻膠，並制造出創紀錄的高密度、大尺寸、均勻可靠的有機光電傳感芯片。該芯片通過在其納米互穿網絡結構中負載光電活性粒子，展現出卓越的光電傳感性能。同時，利用該光刻膠制造了包含4500×6000個像素的有機光電傳感陣列，集成密度達到310萬個像素每平方釐米，即在全畫幅尺寸芯片上集成了2700萬個像素單元，達到了特大規模集成度（ULSI）水平，是國際上報道的首個ULSI水平的有機芯片，比過去同類工作集成密度提高了兩個數量級以上，與目前最新上市的全畫幅CMOS相機芯片相當。不僅如此，它的光電性能在大規模集成有機光電傳感芯片中處於最高水平，可以用作仿生視網膜，光響應度、功耗和分辨率均與人眼相當，在構建高分辨率智能視覺系統中有巨大潛力。此外，該團隊針對不同應用需求，設計了包括p型與n型半導體性光刻膠、生物傳感型及電介質型功能光刻膠等十余種功能型光刻膠，不僅可以制造出各種高性能有機集成芯片，還能在同一有機芯片中集成不同的功能模塊，極大地推動了高分辨率有機電子學的發展。    重要意義和未來展望有機電子學自20世紀80年代興起以來，不斷探索有機材料在電子器件中的應用，如OLED顯示器和有機太陽能電池，顯著推動了21世紀的產業商業化。隨着技術進步與市場需求激增，至2023年，全球有機電子產業市場規模已達2600億元，並預計2030年將突破7000億元，廣泛滲透至汽車、醫療、能源、航空、國防等領域。然而，電子產品中的有機組件雖在輕量、柔性及低成本市場佔據優勢，但在高集成度應用上仍存空白。幸運的是，功能型光刻膠的問世爲填補這一空白帶來了希望。近年來，國內外研究團隊均認識到光刻技術在高集成度有機芯片制造中的巨大潛力，美日韓等國都在开展相關研究。在此背景下，雖然國內开發的功能型光刻膠在有機芯片的集成度方面處於國際領先水平，但仍需國家持續的政策與資源支持，以穩固並擴大這一優勢。有機芯片並非意圖取代硅基芯片，而是在腦機接口、電子皮膚等特定領域展現其獨特優勢，其高集成度特性更是推動相關產業邁向成熟的重要力量。當前，正積極尋求與產業界的深度合作，以加速功能型光刻膠高集成度有機芯片的市場化進程。已完成的高密度柔性屏驅動電路驗證及多功能有機集成芯片的制備，標志着高集成度有機芯片時代的新起點正在到來。展望未來，該技術不僅將深刻促進產業升級，滿足國家重大需求，還因其與現有半導體制造工藝的高度兼容性，有望爲微電子技術的多元化發展开闢新篇章。（作者系復旦大學高分子科學系研究員）

標題：功能型光刻膠助力高集成度有機芯片制造

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