復(fù)旦團(tuán)隊(duì)全球首創(chuàng)“纖維芯片”！開(kāi)辟柔性集成電路新方向，成果登《自然》

短短的一根柔軟纖維上可集成十萬(wàn)個(gè)甚至更多的晶體管，集成電路由此不再是以塊狀或片狀形態(tài)出現(xiàn)，而是以一維的線狀形態(tài)出現(xiàn)。復(fù)旦大學(xué)彭慧勝/陳培寧團(tuán)隊(duì)突破傳統(tǒng)集成電路硅基研究范式，率先通過(guò)設(shè)計(jì)多層旋疊架構(gòu)，在彈性高分子纖維內(nèi)實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模集成電路，即“纖維芯片”，有望開(kāi)辟柔性集成電路新方向。

“纖維芯片”具有良好的信息處理能力，相較傳統(tǒng)芯片，具有更優(yōu)異的柔性，可耐受彎曲、拉伸、扭曲等復(fù)雜形變，如承受1毫米半徑彎曲、20%拉伸形變、180°/厘米扭轉(zhuǎn)等變形，甚至在經(jīng)過(guò)水洗、高低溫、卡車(chē)碾壓后，仍能保持性能穩(wěn)定。

新的纖維芯片有望為腦機(jī)接口、電子織物、虛擬現(xiàn)實(shí)等新興產(chǎn)業(yè)變革發(fā)展提供有力支撐。相關(guān)成果于北京時(shí)間1月22日凌晨以《基于多層旋疊架構(gòu)的纖維集成電路》為題發(fā)表于國(guó)際頂刊《自然》。

為纖維器件“匹配”纖維芯片

過(guò)去幾十年，纖維器件相繼被賦予發(fā)電、儲(chǔ)能、顯示、感知等功能，有望推動(dòng)信息、能源、醫(yī)療等重要領(lǐng)域變革發(fā)展，甚至催生電子織物等新產(chǎn)業(yè)。這也被多個(gè)國(guó)家和地區(qū)列為國(guó)家級(jí)創(chuàng)新領(lǐng)域，全球市場(chǎng)規(guī)模未來(lái)有望達(dá)萬(wàn)億歐元級(jí)別。

將纖維器件集成得到多功能纖維電子系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用的必經(jīng)之路。但目前，纖維系統(tǒng)通常連接硬質(zhì)塊狀芯片，與其柔軟、可適應(yīng)復(fù)雜變形等應(yīng)用要求存在根本矛盾，這也成為整個(gè)領(lǐng)域面臨的一個(gè)重要挑戰(zhàn)。

纖維芯片結(jié)構(gòu)示意圖

復(fù)旦大學(xué)團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上率先提出“纖維器件”概念，已創(chuàng)建出具有發(fā)電、儲(chǔ)能、發(fā)光、顯示、生物傳感等功能的30多種新型纖維器件，相關(guān)成果七次登上《自然》，獲授權(quán)國(guó)內(nèi)外發(fā)明專(zhuān)利120多項(xiàng)，部分成果已初步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。

在持續(xù)深耕研究過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)意識(shí)到，要實(shí)現(xiàn)纖維器件的大規(guī)模應(yīng)用，必須要將不同功能的纖維器件集成在一起，形成纖維電子系統(tǒng)，并賦予其信息交互功能。也正是因此，團(tuán)隊(duì)在10多年前就提出“纖維芯片”的概念并開(kāi)啟研究。

成卷的纖維芯片和裝有纖維芯片的器件圖（袁婧 攝）

此次，團(tuán)隊(duì)終于通過(guò)在柔軟、彈性的高分子纖維內(nèi)建立多層旋疊架構(gòu)設(shè)計(jì)思想，實(shí)現(xiàn)微型電子器件高集成密度，有望擺脫對(duì)硅基芯片電路的依賴。

纖維發(fā)光圖

據(jù)成果通訊作者之一、復(fù)旦大學(xué)陳培寧教授介紹，通過(guò)設(shè)計(jì)多層螺旋架構(gòu)，按照目前實(shí)驗(yàn)室級(jí)1微米的光刻精度預(yù)測(cè)，長(zhǎng)度為1毫米的“纖維芯片”可集成數(shù)萬(wàn)個(gè)晶體管，其信息處理能力可與一些醫(yī)療植入芯片相當(dāng)；若“纖維芯片”長(zhǎng)度擴(kuò)展至1米，其集成晶體管數(shù)量有望提升至百萬(wàn)級(jí)別，達(dá)到經(jīng)典計(jì)算機(jī)中央處理器的晶體管集成水平。如果光刻精度達(dá)到納米級(jí)的話，集成數(shù)量將更高。

破解三方面難題，實(shí)現(xiàn)零的突破

值得一提的是，團(tuán)隊(duì)跳出“僅利用纖維表面”的慣性思維，提出多層旋疊架構(gòu)的設(shè)計(jì)思想，即在纖維內(nèi)部構(gòu)建多層集成電路，形成螺旋式旋疊結(jié)構(gòu)，從而最大化地利用纖維內(nèi)部空間。這也是在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)纖維芯片制備零的突破。

多層電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

據(jù)介紹，實(shí)現(xiàn)這一設(shè)想的挑戰(zhàn)非常大，主要面臨三方面難題。首先，集成電路光刻對(duì)襯底的平整度要求，但常用彈性高分子表面在微觀尺度極不平整，粗糙度為幾十納米，相當(dāng)于在坑坑洼洼的軟泥地上蓋高樓；其次，目前光刻過(guò)程中用到多種極性溶劑，彈性高分子與這些溶劑接觸后極易發(fā)生溶脹；同時(shí)，集成電路中的很多功能組分，如半導(dǎo)體、金屬導(dǎo)電通路等，很難承受纖維拉伸、扭曲等復(fù)雜變形中所引起的局部應(yīng)變集中，極易引發(fā)電路結(jié)構(gòu)脆裂和性能快速失效。

卡車(chē)碾壓穩(wěn)定測(cè)試

為此，團(tuán)隊(duì)通過(guò)多年攻關(guān)，探索出了系統(tǒng)解決方案，發(fā)展出可在彈性高分子上直接進(jìn)行光刻高密度集成電路的制備路線。值得一提的是，團(tuán)隊(duì)所發(fā)展的制備方法，與目前芯片產(chǎn)業(yè)中的成熟光刻制造工藝高效兼容，通過(guò)研制原型裝置，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化制備流程，初步實(shí)現(xiàn)了“纖維芯片”的實(shí)驗(yàn)室級(jí)規(guī)模化制備。

多學(xué)科協(xié)同，走通設(shè)想到產(chǎn)品之路

據(jù)中科院院士、復(fù)旦大學(xué)纖維材料與器件研究院和高分子科學(xué)系彭慧勝教授介紹，這項(xiàng)工作涉及材料合成制備、電子器件構(gòu)建、電路設(shè)計(jì)集成和生物應(yīng)用等多個(gè)不同學(xué)科。團(tuán)隊(duì)所依托的纖維電子材料與器件研究院，近年來(lái)已經(jīng)形成了一支多學(xué)科交叉研究隊(duì)伍。此外，得益于復(fù)旦大學(xué)的多學(xué)科優(yōu)勢(shì)，這項(xiàng)工作還得到了來(lái)自校內(nèi)聚合物分子工程全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、集成電路與微納電子創(chuàng)新學(xué)院、生物醫(yī)學(xué)工程與技術(shù)創(chuàng)新學(xué)院、電鏡中心和中山醫(yī)院等團(tuán)隊(duì)的通力協(xié)作。

裝有纖維芯片的用于虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域的概念產(chǎn)品（袁婧 攝）

未來(lái)，圍繞“纖維芯片”研究，團(tuán)隊(duì)期望繼續(xù)與來(lái)自不同學(xué)科的學(xué)者一起協(xié)同攻關(guān)，在規(guī)模化制備和應(yīng)用方面，團(tuán)隊(duì)已建立了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)體系，期待與產(chǎn)業(yè)界加強(qiáng)合作，推動(dòng)實(shí)現(xiàn)更廣領(lǐng)域高質(zhì)量應(yīng)用，為我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)自立自強(qiáng)貢獻(xiàn)力量。

該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、上海市科委等項(xiàng)目支持。復(fù)旦大學(xué)纖維電子材料與器件研究院、高分子科學(xué)系、先進(jìn)材料實(shí)驗(yàn)室教授彭慧勝、陳培寧為本論文通訊作者，博士研究生王臻、陳珂和博士后施翔為共同第一作者。