基于生物蛋白的绿色纳米光刻技术研究

This research project is focused on solving a fundamental issue in conventional nanofabrication techniques: the use of noxious chemicals for photoresists and developing solvents occurring during lithographic processes. A set of protein-based biopolymers - including both regenerated natural proteins (e.g. silk fibroin proteins) and recombinant proteins (e.g. recombinant spider silk proteins) - will be analyzed in spin-coated thin films to evaluate their suitability as the resist materials for nanolithography with only water as the developing solvent. Comprehensive studies of the physical and chemical properties of these biopolymers will be conducted on the nanoscale using scanning electron microscopy and scanning near-field optical microscopy to assess their photoresist performances under different exposure conditions. This research will enable understanding of the fundamental mechanism of the interaction between biopolymers and incident radiations(e.g. polymerization and depolymerization of proteins upon exposure), which sheds light on identifying and engineering applicable biopolymers for “green” nanolithography. The potential uses of protein-based biopolymers as the resist and template materials for large-scale nanomanufacturing (e.g. roll-to-roll nanoimprinting) will also be investigated.

本课题旨在解决当前微纳加工行业面临的一个共同问题：工艺过程中需要使用大量有害的化学试剂。本课题着重探索生物蛋白作为光刻胶材料的可能应用，针对性地选取一系列的生物蛋白（包括天然蚕丝蛋白、人工重组蜘蛛丝蛋白等），并结合近场扫描红外光学显微镜研究其作为光刻胶的关键性能和参数（曝光灵敏度、抗蚀性、机械强度等）。相比其他传统光刻技术，基于生物蛋白的绿色纳米光刻工艺只使用水作为显影液，且光刻过程中显影分解产物为对环境和人体无害的氨基酸，无需废液回收和处理过程。此外，本课题会探索基于生物蛋白的大规模纳米压印光刻技术，实现绿色环保、高效率、低成本的纳米加工技术。一旦研究成功，可以开创性地为半导体制造行业和纳机电系统等微纳制造密集行业提供一系列新型绿色环保型生物光刻胶及其相应的纳米光刻技术，为未来全面实现无污染半导体集成制造行业进行前沿性基础探索，并打下结实的理论和实践基础。

本项目针对半导体制造行业和纳机电系统（NEMS）等微纳制造密集行业对新型绿色环保型纳米光刻技术的迫切需求，在生物光刻胶材料、光刻反应机理、绿色纳米光刻技术等方面均取得重要成果。整个光刻过程仅使用水作为显影液，而不使用其他任何有害化学物质，且光刻过程中显影分解产物为对环境和人体无害的氨基酸，无需废液回收和处理过程。本项目顺利完成既定研究目标，为未来全面实现无污染半导体集成制造打下结实的理论和实践基础。主要包括：(1)评测了多种生物蛋白作为电子束曝光光刻胶的性能，建立了一套生物蛋白电子束曝光光刻胶库，并提供了一套较为系统的如何选择、制备和设计生物蛋白作为生物光刻胶的方法。(2)揭示了纳米尺度下生物蛋白的电子束曝光反应机理，为如何提高生物蛋白的纳米光刻性能提供了理论指导。(3)发展了一种新型的基于生物蛋白的近场扫描纳米热光刻技术，可以在常温常压下加工任意二维纳米图形，最小线宽达到~30 nm。(4)开发了一种基于天然蚕丝蛋白的大规模纳米压印技术，可快速大规模（不小于10 cm）加工任意二维纳米图形（最小线宽~100 nm）。项目执行期间，所有相关发表的论文均标明是由本项目资助。以第一或者通讯作者发表了 SCI 论文14篇，主要包括Nature Communications（1篇）、Advanced Materials（6篇）、Advanced Science（4篇）、Small（2篇）等，其中被选为封面论文10篇。与国内外同行积极展开学术交流，发表会议论文共计30篇。连续参加本领域顶级国际会议IEEE MEMS（一年一届） 2016-2019共计4次、Transducers（两年一届）2017和2019共计2次，组织Microsystems & Nanoengineering Summit 2019国际会议1次。申请相关国家发明专利6项，其中授权2项。项目负责人陶虎入选科技部科技创新2030-“新一代人工智能”重大项目“首席科学家”、主持“国家自然科学基金优秀青年基金”、入选“上海市优秀学术带头人”、中国科学院上海分院“杰出青年科技创新人才”、“科学中国人(2016)年度人物”，获得“中科院优秀导师奖”、“中国电子教育学会优秀导师奖”。建立了一支国内一流15人左右规模的生物纳米光刻研究团队。培养4名研究生，包括博士研究生1名。