北大学者开发全光刻无刻蚀工艺，打破电子皮肤产业化关键技术壁垒
能与人体/生物体无缝整合的柔性可拉伸电子器件将为精准诊疗、智能机器人、可穿戴设备等领域带来变革性发展。
然而，传统刚性电子设备，与生物组织在机械特性上存在巨大的鸿沟。聚合物电子材料独特的本征柔性、可溶液加工性和结构多样性使其受到了广泛研究，并部分实现了实际应用。
但是，该领域仍然存在一个关键的挑战——缺乏与先进半导体工业兼容的、具有普适性的聚合物电子材料的高分辨图案化及集成方法。
对电子皮肤来说，在人体有限的空间里，集成更多的传感单元、运算单元和显示单元，对于最终实现电子皮肤的功能非常重要。而衡量这种电子皮肤器件的功能强弱有一个很重要的指标，即集成度。
然而，此前本征可拉伸晶体管的集成密度，仅相当于硅晶体管 1960 年代的发展水平，极大限制了其在智能化电子系统构筑中的应用前景。
北京大学集成电路学院特聘研究员郑雨晴的研究方向为柔性电子学、柔性脑机接口、可穿戴生物传感器。她利用聚合物材料独特的可后修饰性，首次实现了聚合物导电、半导性和介电材料的全光刻直接图案化，并成功制造出可随意拉伸、弯曲且性能稳定的弹性电路[1]。
该方法获得了目前报道的最高本征可拉伸晶体管阵列密度，可在比拇指还小的面积（0.238cm2）上集成超过 1 万个弹性晶体管，创造了比此前报道提高 100 倍以上的器件阵列密度新纪录。
这一技术突破了长期以来限制电子皮肤在实际工业生产应用中的关键瓶颈，既保留了传统硅基半导体行业的核心工艺——光刻方法的高通量、高精度等优点。同时，还能够保持、甚至提升功能高分子材料的电学性能和机械性能，并大幅精简复杂电路的加工工艺。
图丨2022 年度《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国入选者郑雨晴
凭借基于“功能性光刻胶”的全光刻无刻蚀工艺，实现本征可拉伸晶体管器件高成品率和高均一性制造，突破了限制电子皮肤产业化的关键集成技术壁垒，为柔性电子器件工业制造领域提供新的范式，郑雨晴成为 2022 年度《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人” 中国入选者之一。
首次实现柔性材料全光刻直接图案化
实际上，早在 2018 年，斯坦福大学鲍哲南教授课题组就第一次实现了本征可拉伸晶体管阵列的批量化制造，集成密度达到了 347 个晶体管/cm2，但该数值仍然与实际应用中需要的集成能力有很大差距 。
如何将不同种类的本征可拉伸电子材料逐层叠加，从而制作更复杂的电子学器件、传感器件，是电子皮肤从实验室走向工业生产实际应用的关键挑战。
在大量实验和阅读文献中寻找灵感的过程中，在偶然一次用普通的光刻胶做传统光刻工艺时，郑雨晴突然想到，本征可拉伸功能高分子跟负性光刻胶都是有可修饰位点的有机物。
如果模仿负性光刻胶的原理，在本征可拉伸功能高分子中引入光敏剂，或许可以通过光照引发的交联反应降低其溶解度。于是，她开始着手针对不同的材料选择不同的光激发交联反应，并设计不同的交联剂。
图 | 弹性芯片有较强鲁棒性，可很好应对外界应力产生的形变、不易破损（来源：郑雨晴）
基于此，郑雨晴提出了高分子电子材料的普适性直接光刻图案化方法，实现了高密度柔性可拉伸电子器件的单片式集成。
利用高分子材料独特的后修饰性，通过高效的紫外光激发化学反应在薄膜中原位形成高分子共价键交联网络，发展了一系列电学性能图案化前后保持稳定的“功能性光刻胶”体系。同时，实现了各类柔性功能高分子材料的高精度图形化和固定化，最小线宽低至 2µm。
在此基础上，实现了柔性可拉伸电子器件的单片式集成，大幅精简复杂电路加工工艺，无需刻蚀的逐层沉积、图案化工艺保证了良好的多层器件层间界面，使得晶体管器件迁移率在 50% 的形变下拉伸 1000 次仍保持不变。
郑雨晴指出，在不影响其电学和机械特性的情况下，该工艺可实现高产量和出色的均匀性制造，性能可与刚性电路相媲美。
该方法让电子材料具有光照下发生化学反应并图案化的特点，因此不需要像其他半导体加工那样引入光刻胶作为牺牲层。“这不仅省去了光刻胶的操作步骤，也省去了引入光刻胶后需要刻蚀功能层这一耗时、且往往需要高真空的步骤。”她说。
图丨单片光学微光刻用于高密度弹性电路（来源：Science）
该技术实现了将本征可拉伸晶体管的集成密度提高了 2 个数量级以上，达到 42000 个/cm2，且成品率高达 98.5%，满足柔性电子器件批量化制备要求。
这一创新的“全光刻构建超高密度柔性集成电路”的思想和技术路径，不仅为柔性电子器件工业制造领域提供了新的范式，也将为植入式电子、可穿戴电子等产业带来革命性发展。
相关论文以《高密度弹性电路的单片光学微光刻》（Monolithic optical microlithography of high-density elastic circuits）为题发表在 Science 上。
目前，郑雨晴与课题组在努力解决电子学性能相关问题，包括迁移率和导电率以及在实际使用过程中的稳定性问题。她表示：“目前，我们在这些方面都取得了不错的进展，也将继续优化技术，希望未来将其推到产业化。”
“个人的意志和努力，可能让选择变成还不赖的答案”
郑雨晴走上科研之路，源于在两次重要的选择时提交的“错误答案”。第一次是高考填志愿时对于专业的“纠结”，她的父亲建议选择彼时热门的金融专业，而她在“激烈的争辩”中坚持选择了自己热爱的、“非热门”的化学专业。然后，在北京大学化学与分子工程学院完成了本科阶段的学习，并选修了经济双学位。
在郑雨晴大四时，身边的同学们都在为自己的“下一步”做打算，她也不例外。要不要放弃化学选择更加热门的金融、经济方向呢？一场科学颁奖典礼让她做出了决定。
当时，她参加了在北京大学举行的“世界因你而美丽——影响世界华人盛典 2010-2011”，华裔女科学家鲍哲南教授因发明人造皮肤器件 ，成为当年“影响世界华人大奖”的获奖者。
虽然当时郑雨晴对柔性电子领域还一无所知，“但看到一位与我有相似家庭背景的女科学家，做出了可能改变世界的科研成果，让我重新审视科学研究对社会发展的意义。最终决定放弃金融，保研读博、搞科研。”郑雨晴说。
随后，她在北大读博，师从裴坚教授，研究方向为有机共轭功能分子的聚集态行为与光电性能关系。在博士期间的研究中，郑雨晴建立了弱非共价作用力引导的有机材料聚集态微观结构精准调控新策略，发展了一系列高迁移率有机半导体材料，多次创造了有机半导体电子迁移率的新世界记录。
此外，她提出溶液下共轭聚合物的多级组装结构调控策略，使用冷冻显微技术首次实现了对共轭聚合物溶液中组装体的直接观察。除了系列科研成果，她还获得了 Springer 论文奖、北京大学优秀博士学位论文、北京大学优秀毕业生等荣誉。
图丨郑雨晴（来源：郑雨晴）
2016 年 8 月 19 日，郑雨晴对她博士后申请面试的日期记忆犹新。在从北京的酒店到机场的出租车后排，她和鲍哲南老师讨论了 40 分钟其博士期间的研究工作。一个月后，她收到鲍老师的邮件确认，正式成为鲍哲南课题组的博士后。2017 年博士毕业后，她在斯坦福大学开展了为期四年的博后研究。
2021 年 9 月，郑雨晴回到母校北京大学担任集成电路学院特聘研究员、博士生导师，并成立独立课题组，研究方向围绕着“基于可化学编程软物质的柔性电子器件”。
“我们从材料创新角度出发，通过新材料的引入，赋予传统的材料新的生命。让材料变得更聪明、性能变得更丰富。”她说。
除了坚持科技创新工作，郑雨晴也注重与产业界的合作与联动。据悉，该课题组目前与北京斯微智感科技有限公司正在开展柔性汗液传感器的研发，共同开发面向运动监测、健康检测和临床诊疗需求的汗液传感系统 ，实现身体健康状况的可视化呈现、智能化分析 。
谈及对领域未来的期待，她表示，非常期待看到越来越多的可穿戴柔性生物传感器问世，为人们提供精准、实时的生命信息监测甚至治疗，逐步替代目前有线连接的、硬质的、大型的医用传感器，如心电监测器 、血压监测器等 ，把门诊“搬”到家里 ，甚至随时贴在身上 。
她希望带领课题组能够建立高性能、高生物亲和性的柔性可拉伸集成电路和微系统，实现在高密度柔性脑机接口系统，和柔性可拉伸神经形态器件等领域的关键科学问题突破。
回忆自己的科研之路，郑雨晴表示：“我并不是一个非常聪明的人，但我非常幸运，凭着一腔热情支撑我在‘错误答案’里一路走过来。摆在我面前的两次重要的选择几乎是‘送分题’，而我却完美避开了看起来正确的答案。但还好人生没有标准答案，个人的意志和努力有可能让选择变成还不赖的答案。”
欢迎具有微电子、化学、材料或生物专业背景的博士后、博士生、本科生加入郑雨晴课题组
参考资料：
1.Yu-qing Zheng,Yuxin Liu,Donglai Zhong et al. Science 373, 6550,88-94(2021). https://www.science.org/doi/abs/10.1126/science.abh3551
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