连续发表Nature、Science后，华人学者DNA技术再发Nature Materials！
奇物论
2021-04-29
通过将材料塑造成具有高保真度的硅设计图案，光刻技术为电子学、光子学、纳米流体学和纳米机电系统奠定了制造基础。在半导体加工中，光刻技术在过去的几十年中被用于调整栅极和触点的间距（即按比例缩小它们的中心间距），以满足集成密度的预期里程碑。近年来，光刻技术的发展主要归功于多图案技术。周期性三维图案的光刻尺度对于推进可扩展的纳米制造至关重要。当前最先进的四重图案化或极紫外（EUV）光刻技术可产生低至30 nm左右的线距，通过复杂的后加工工艺，可以进一步扩展到20 nm以下，例如，高数值孔径EUV或多模式EUV技术所取代，而这两种技术尚待完善。通过将空间定位信息编码到可设计的单链DNA（ssDNA）组件中，结构DNA纳米技术，特别是DNA折纸和DNA砖，可以实现具有单纳米特征分辨率的复杂设计器DNA纳米结构的自组装。此功能允许自组装的DNA模板在缓冲介质中以超出光刻间距限制的空间分辨率对齐或原位合成无机纳米结构。（1）有限的DNA模式尺寸。大多数DNA折纸结构都小于0.01 μm2。因此，先前基于DNA的光刻技术的探索通常依赖于二维DNA图案作为掩模，而通过无机涂层还会牺牲了DNA掩模的空间分辨率。鉴于此，哈佛大学尹鹏等人展示了可扩展的3D纳米光刻技术，该技术可直接在反应离子腐蚀（RIE）中使用3D DNA掩模，而无需任何辅助无机涂层（例如金属或二氧化硅），实现将线距缩小至16.2nm的过程，比最新结果小了约50％。成果发表在Nature Materials上。
他们开发了一种DNA模块化外延方法，以增加图案复杂性并降低3D DNA图案的结构缺陷。研究人员使用32个核苷酸的DNA积木设计了3D DNA掩模。DNA模块化外延首先以一块扁平的DNA砖晶体作为衬底，然后在衬底上以种子介导的方式生长3D-DNA模块。组装好的3D-DNA掩膜被Ni2+离子稳定，防止了DNA在Si衬底上风干后的特征崩塌。最后，利用Ni2+稳定的3D-DNA掩模，采用单次RIE直接生成超尺度Si图形，蚀刻的Si图案显示出规定的多层网格几何形状。Si图形的间距和临界尺寸分别小到16.2和7.2 nm，比四重图案或EUV光刻的当前值小约50%。使用DNA模块外延组装的DNA图案作为光刻掩模，DNA纳米光刻技术可以实现以下目的：（1）高精度间距尺度。DNA模块化外延将3D DNA掩模的线间距尺度到16.2 nm，标准偏差低于1.0 nm。通过一步式RIE，Si图案从3D DNA掩模继承了如此低的标准偏差间距值。（2）高分辨率3D光刻。除了按比例缩小间距和CD之外，DNA模块外延还可以精确控制多层3D DNA掩模的厚度，从而通过单个掩模和单次RIE在垂直CD上形成2 nm的多层Si纳米结构。
通过设计种子生长途径实验性地实现DNA模块化外延，并实现更复杂的ssDNA组件和图案几何形状，以利于纳米光刻。由DNA模块外延引导的纳米光刻的下一步将是与DNA掩模阵列进行晶圆级配准。晶圆级配准的一种有前途的方法是通过将预组装的DNA掩模对准预先形成图案的基板上。DNA模块化外延引导的纳米光刻技术将生物分子的自组装和RIE制造联系起来。除了硅之外，该光刻方法还可以应用于其他RIE衬底。另外，3D DNA掩模可用于化学气相沉积，物理气相沉积和原子层沉积。对于未来的超大规模3D制造，以DNA模块化外延为指导的纳米光刻技术可能会补充其他常规光刻工具，从而合理地成型各种基板。值得注意的是，尹鹏教授课题组近年来在Nature、Science、Cell上连续发表了关于DNA/RNA技术的多篇研究论文。
个人简介
尹鹏是哈佛医学院系统生物学系的教授。其实验室使用合成的DNA/RNA来构建、操纵和可视化纳米级结构。他们开发了一个通用框架来对DNA/RNA链进行编程，以自组装成具有用户指定的几何形状或动力学的结构。通过将这些纳米结构与其他功能实体（例如荧光团，蛋白质，无机物，活细胞）介接，它们已将数字可编程性引入了各种应用领域。目前已在Nature、Science、Cell、Nature Nanotechnology、Nature Materials、Nature Biotechnology、Nature Chemistry等期刊发表多篇研究论文。
Shen, J., Sun, W., Liu, D. et al. Three-dimensional nanolithography guided by DNA modular epitaxy. Nat. Mater. (2021).https://doi.org/10.1038/s41563-021-00930-7
