功能型光刻胶助力高集成度有机芯片制造

在“信息爆炸”的当代，信息技术全面融入生活，手机、电脑、智能家居等电子设备的高效运作离不开电子芯片。电子芯片的集成度，作为其性能的核心标志，正随着科技进步不断攀升。从20世纪60年代每颗芯片仅能集成几十个电子元件，到如今极紫外光刻胶等创新材料推动硅基芯片进入3纳米时代，每颗芯片可包含约数十亿个电子元件，密度惊人，不仅强化了运算能力，更深刻重塑了我们的生活方式。

研发有机芯片的机遇与挑战

传统芯片受限于硅基半导体的脆硬性，难以适应现代科技对柔性、折叠及伸缩性的场景需求。相比之下，有机半导体以其柔软性、优越的生物相容性及成本效益，在柔性电子领域如柔性显示器、可穿戴设备、人工假肢、仿生机器人等领域展现出巨大潜力，成为推动柔性电子和生物电子产业革新的关键。然而，无法制造高集成度的有机芯片是一直以来困扰有机芯片产业发展的难题。有机半导体的分子结构在复杂制造过程中极易受损，难以像硅基半导体那样保持稳定，导致传统方法难以实现高密度集成。尽管喷墨打印、丝网印刷等创新工艺被开发出来，但它们所制造的有机芯片集成密度仍停留在每平方厘米数十个单元的低水平，性能可靠性与均一性亦因物理效应限制而在提升集成度时受损，这极大地限制了其商业化应用的前景。因此，研发可靠且高精度的有机芯片加工工艺，以克服集成制造中的瓶颈，成为当前有机芯片产业亟待解决的核心问题。

功能型光刻胶——高集成有机芯片的关键材料

克服有机芯片的高集成度制造难题，我们需借鉴硅基芯片制造行业经验。若能成功将硅基芯片的加工工艺可靠地运用于制造有机芯片，就能突破当前有机芯片的集成度瓶颈，实现与硅基芯片相当的集成度。硅基芯片集成度的快速提高，得益于光刻技术的快速发展。光刻技术的原理类似于照相把照片的图案印在胶片上，而光刻是将电子线路形状的光照射在涂有特殊光敏材料（光刻胶）的基板上，形成特定图案，进而在芯片上制造高度集成的电路。然而，作为光刻技术核心材料的光刻胶，在加工过程中使用的溶剂与高温会严重破坏有机半导体的结构，导致有机芯片无法像硅基芯片一样进行光刻加工。

为此，我们可以转变思路，既然传统的光刻胶只能作为加工模板，缺乏导电、传感等功能，何不通过材料设计赋予光刻胶电学功能，使其能够作为电子材料用于芯片制造呢？这样，将光刻胶本身作为有机半导体材料，从而直接利用光刻工艺制造高集成度有机芯片。这一设想得到了验证，我国有关科研团队历经多年研究，于2021年研发出功能型光刻胶，并开创性提出“全光刻电子学”概念。该光刻胶的配方由光引发剂、交联单体和有机半导体组成，在紫外光照下，交联单体会发生反应生成不能溶解的网络结构，将有机半导体“锁”在其中，形成纳米级互穿网络结构。当浸泡在有机溶剂中，未被光照的区域会溶解于溶剂，从而直接将半导体性的光刻胶图案与芯片上的电路进行连接，作为功能单元使用。研究发现，此功能型光刻胶具有极高的结构稳定性、亚微米级的光刻精度和优异的电学性能，在光刻加工时，不受前述的种种苛刻工艺条件损伤，是当时国际上迁移率最高的p型可光交联有机半导体。这一突破性成果使有机芯片的加工可以像硅基芯片一样，所有芯片组件均通过光刻工艺制造，成为开启有机芯片高集成度时代的一把金钥匙。

改变未来的芯片技术——从基础研究到功能应用

将功能型光刻胶的配方进行拓展，制造出不同功能的有机芯片，是功能型光刻胶走向实用化的重要一步。通过深入研究光刻胶组分的分子结构，团队实现了功能型光刻胶对各种活性粒子的负载，从而使其不仅能作为导电材料使用，还能起到生理信号检测、化学传感、光电探测等作用。由此，功能型光刻胶从一种特殊的光刻胶转变为一系列不同功能的可光刻加工的电子材料，极大地拓宽了其在芯片制造领域的适用范围。

最近，该团队研发出一种具有光电响应能力的功能型光刻胶，并制造出创纪录的高密度、大尺寸、均匀可靠的有机光电传感芯片。该芯片通过在其纳米互穿网络结构中负载光电活性粒子，展现出卓越的光电传感性能。同时，利用该光刻胶制造了包含4500×6000个像素的有机光电传感阵列，集成密度达到310万个像素每平方厘米，即在全画幅尺寸芯片上集成了2700万个像素单元，达到了特大规模集成度（ULSI）水平，是国际上报道的首个ULSI水平的有机芯片，比过去同类工作集成密度提高了两个数量级以上，与目前最新上市的全画幅CMOS相机芯片相当。不仅如此，它的光电性能在大规模集成有机光电传感芯片中处于最高水平，可以用作仿生视网膜，光响应度、功耗和分辨率均与人眼相当，在构建高分辨率智能视觉系统中有巨大潜力。此外，该团队针对不同应用需求，设计了包括p型与n型半导体性光刻胶、生物传感型及电介质型功能光刻胶等十余种功能型光刻胶，不仅可以制造出各种高性能有机集成芯片，还能在同一有机芯片中集成不同的功能模块，极大地推动了高分辨率有机电子学的发展。

重要意义和未来展望

有机电子学自20世纪80年代兴起以来，不断探索有机材料在电子器件中的应用，如OLED显示器和有机太阳能电池，显著推动了21世纪的产业商业化。随着技术进步与市场需求激增，至2023年，全球有机电子产业市场规模已达2600亿元，并预计2030年将突破7000亿元，广泛渗透至汽车、医疗、能源、航空、国防等领域。然而，电子产品中的有机组件虽在轻量、柔性及低成本市场占据优势，但在高集成度应用上仍存空白。幸运的是，功能型光刻胶的问世为填补这一空白带来了希望。近年来，国内外研究团队均认识到光刻技术在高集成度有机芯片制造中的巨大潜力，美日韩等国都在开展相关研究。在此背景下，虽然国内开发的功能型光刻胶在有机芯片的集成度方面处于国际领先水平，但仍需国家持续的政策与资源支持，以稳固并扩大这一优势。

有机芯片并非意图取代硅基芯片，而是在脑机接口、电子皮肤等特定领域展现其独特优势，其高集成度特性更是推动相关产业迈向成熟的重要力量。当前，正积极寻求与产业界的深度合作，以加速功能型光刻胶高集成度有机芯片的市场化进程。已完成的高密度柔性屏驱动电路验证及多功能有机集成芯片的制备，标志着高集成度有机芯片时代的新起点正在到来。展望未来，该技术不仅将深刻促进产业升级，满足国家重大需求，还因其与现有半导体制造工艺的高度兼容性，有望为微电子技术的多元化发展开辟新篇章。（作者系复旦大学高分子科学系研究员）