紀(jì)佳馨， 林之棟， 何 聲， 吳寶貴

（中國石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266580）

0 引 言

隨著時(shí)代的發(fā)展，納米技術(shù)因其極大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益逐漸成為各國關(guān)注的焦點(diǎn)。其中，光刻技術(shù)因其高效率、高精度的特點(diǎn)成為主流的納米加工技術(shù)。目前，光刻技術(shù)被廣泛應(yīng)用于超大規(guī)模集成電路、信息產(chǎn)業(yè)、現(xiàn)代半導(dǎo)體工業(yè)等多項(xiàng)領(lǐng)域［1-3］。近場(chǎng)光刻作為一種新型光刻技術(shù)，利用超衍射極限分辨光斑，進(jìn)行宏觀尺度上近場(chǎng)范圍內(nèi)的納米量級(jí)復(fù)雜圖案的加工，高分辨、高效率、低成本等特點(diǎn)使其成為納米加工技術(shù)的研究重點(diǎn)［4-6］。旋轉(zhuǎn)式近場(chǎng)光刻技術(shù)主要依靠硬盤驅(qū)動(dòng)器的飛行原理，在磁盤高速旋轉(zhuǎn)下，磁頭滑塊產(chǎn)生的動(dòng)壓效應(yīng)使得磁頭滑塊穩(wěn)定地飛行在磁盤表面，且飛行高度小于20 nm。表面等離子體透鏡在該高度下進(jìn)行磁頭滑塊表面雕刻，通過對(duì)光刻膠的曝光，實(shí)現(xiàn)超衍射極限分辨率加工［7］。但是，在近場(chǎng)光刻系統(tǒng)中，光刻膠的曝光環(huán)境非常復(fù)雜，以至于影響磁頭與磁盤之間的飛行穩(wěn)定性，進(jìn)而導(dǎo)致光刻過程失敗。

分子動(dòng)力學(xué)模擬（Molecular Dynamics Simulations，MD）是一種結(jié)合了物理、數(shù)學(xué)和化學(xué)的理論計(jì)算方法，主要依靠牛頓力學(xué)確定論的熱力學(xué)計(jì)算方法，通過對(duì)不同狀態(tài)的分子或原子系統(tǒng)抽取樣本，進(jìn)而計(jì)算體系的熱力學(xué)物理量以及其他的宏觀性質(zhì)。同時(shí)，MD還可以配合OVITO（Open Visualization Tool）、VMD（Visual Molecular Dynamics）等軟件進(jìn)行分子軌跡的可視化操作［8-11］。MD在材料科學(xué)、半導(dǎo)體材料、微納制造等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用［12-14］。例如，胡詩一等［15-16］利用MD 方法分析硅單晶熱膨脹性質(zhì)，進(jìn)而提高了硅微型壓力傳感器等零件的性能。

本文基于Materials Studio、LAMMPS 和VMD 軟件建立分子動(dòng)力學(xué)仿真模型，并系統(tǒng)地分析微觀界面磨損和潤滑的規(guī)律，能夠?qū)Α靶鹿た啤比瞬排囵B(yǎng)方法提供參考。

1 分子動(dòng)力學(xué)模型的建立

本文建立的光刻膠從旋轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)移到光刻頭的模型由旋轉(zhuǎn)盤、光刻膠以及光刻頭三部分構(gòu)成。其中，旋轉(zhuǎn)盤基底為二氧化硅，光刻膠需均勻地平鋪于旋轉(zhuǎn)盤表面。光刻膠選用分子玻璃化合物的八碳酸八叔丁酯（噻吩-2，3，4，5-四基四（苯-4，2，1-三基苯）），簡稱為FPT-8Boc。光刻頭表面需要濺射一層鉻膜，以滿足近場(chǎng)激發(fā)條件。因此，該模型構(gòu)建為二氧化硅、光刻膠以及鉻的三層結(jié)構(gòu)。

1.1 Materials Studio軟件光刻模型的建立

FPT-8Boc光刻膠的相對(duì)分子質(zhì)量為1 317.4，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。由圖可見，F(xiàn)PT-8Boc 的1 個(gè)分子中含有8 個(gè)叔丁氧羰基官能團(tuán)，即Boc基團(tuán)，該基團(tuán)容易發(fā)生光酸分解反應(yīng)。

圖1 光刻膠結(jié)構(gòu)示意圖

利用Materials Studio 軟件中的Visualizer 模塊構(gòu)建FPT-8Boc分子模型分為如下5 步：

（1）在Materials Studio 軟件中點(diǎn)擊Sketch Ring，選擇6 Member構(gòu)建出一個(gè)6 個(gè)碳原子構(gòu)成的圓環(huán)。

（2）點(diǎn)擊Sketch Atom，選擇Carbon將碳原子圓環(huán)改變?yōu)楸江h(huán)，依次構(gòu)建5 個(gè)相互獨(dú)立的苯環(huán)。

（3）根據(jù)FPT-8Boc結(jié)構(gòu)示意圖（見圖1），在苯環(huán)上選擇合適的碳原子，依次構(gòu)建出6 個(gè)碳原子相連的碳鏈。再根據(jù)Boc基團(tuán)的結(jié)構(gòu)示意圖將其中2 個(gè)碳原子更替為氧原子，并增添雙鍵，得到一個(gè)完整的Boc基團(tuán)。之后再利用同樣的方法，完成FPT-8Boc中4 個(gè)重復(fù)單元的構(gòu)建。

（4）通過將其中一個(gè)苯環(huán)中的一個(gè)碳原子替換為硫原子，并與其他4 個(gè)重復(fù)單元相連接完成分子模型的建立。

（5）通過Rebuild Crystal 命令，建立合適大小的立方晶胞，將光刻膠分子放置于晶胞內(nèi)合適位置，由此得到的光刻膠分子動(dòng)力學(xué)模型，如圖2 所示。

圖2 光刻膠模型結(jié)構(gòu)

光刻膠模型構(gòu)建完成后，還需要構(gòu)建二氧化硅層以及鉻層，三者共同構(gòu)成分子動(dòng)力學(xué)模擬所需的整體模型。此部分的構(gòu)建需如下6 步：

（1）在Materials Studio軟件工具欄中的import命令中，選擇Structures 數(shù)據(jù)庫，點(diǎn)擊metals 導(dǎo)入二氧化硅晶體結(jié)構(gòu)。

（2）由于二氧化硅晶體結(jié)構(gòu)不是立方體結(jié)構(gòu)，因此需要通過Build 菜單欄中Surfaces 選項(xiàng)中的Cleave Surface命令將二氧化硅晶體結(jié)構(gòu)切割為立方體晶胞。

（3）切割完成后，點(diǎn)擊Build 菜單欄，選擇Crystals，利用Build Vacuum Slab Crystal命令構(gòu)建適當(dāng)大小的真空層。

（4）在Build 菜單欄中，選擇Symmetry，再選擇Supercell命令，構(gòu)建二氧化硅晶體的超胞結(jié)構(gòu)，并放置于立方體晶胞最下層。

（5）通過import 命令，選擇Structures 數(shù)據(jù)庫，點(diǎn)擊metals導(dǎo)入鉻晶體結(jié)構(gòu)。由于鉻晶體結(jié)構(gòu)為正立方體，因此不需要進(jìn)行Cleave Surface 切割，直接選擇Supercell命令，構(gòu)建鉻晶體的超胞結(jié)構(gòu)，并放置于晶胞內(nèi)較高位置。

（6）將多層光刻膠分子均勻放置于二氧化硅層表面，得到完整的鉻、光刻膠、二氧化硅的三層模型，結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 二氧化硅、光刻膠以及鉻的三層結(jié)構(gòu)圖

1.2 LAMMPS軟件模擬條件的設(shè)定

進(jìn)行光刻前，光刻膠分子應(yīng)當(dāng)均勻地平鋪在二氧化硅表面，鉻位于光刻膠分子上方。故在進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬之前，要對(duì)模型進(jìn)行預(yù)處理。利用LAMMPS軟件，在298.15 K的恒溫情況下，采用cvff力場(chǎng)，截?cái)喟霃皆O(shè)置為1 nm，剛化二氧化硅基底，通過fix move命令，最終使光刻膠以小于0.2 nm的表面粗糙度吸附在二氧化硅表面上，具體模型如圖4 所示。該模型將用于分析溫度恒定不變以及溫度線性變化對(duì)光刻膠轉(zhuǎn)移的影響及各原子組間的相互作用力變化。

圖4 光刻模型結(jié)構(gòu)圖

分子動(dòng)力學(xué)模擬過程中，采用X、Y軸周期性邊界條件，Z軸非周期性邊界條件，采用常規(guī)規(guī)范集合（NVT系綜）下計(jì)算模型。首先進(jìn)行恒溫條件下一定的光刻速度對(duì)光刻膠轉(zhuǎn)移量的影響模擬。利用LAMMPS軟件，設(shè)置溫度為298.15 K，采用cvff 力場(chǎng)，截?cái)喟霃皆O(shè)置為1 nm，對(duì)鉻原子層施加沿X軸0.002

nm/fs（即2 m/s）的速度，通過compute group命令分別計(jì)算光刻膠分子間、鉻與光刻膠分子間、硅與光刻膠分子間的相互作用力，最后通過fix nvt 命令進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬。隨后，保持其他條件不變，改變溫度條件。本文采用線性升溫的方法進(jìn)行對(duì)比分析，觀察光刻膠分子的轉(zhuǎn)移量及各原子組間的相互作用力變化。線性升溫的設(shè)置方法為，通過fix nvt 命令設(shè)置初始溫度298.15 K，模擬結(jié)束溫度為500 K，線性升溫，觀察溫度對(duì)光刻膠轉(zhuǎn)移量及原子組間相互作用力的影響。

1.3 VMD軟件的可視化后處理

利用VMD軟件對(duì)分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果進(jìn)行可視化后處理。打開VMD 軟件，將LAMMPS 軟件生成的lammpstr文件導(dǎo)入VMD Main即可觀察到光刻過程部分可視化結(jié)果，如圖5 所示。

圖5 光刻過程可視化結(jié)果

2 仿真結(jié)果與分析

根據(jù)分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果繪制恒溫條件和變溫條件下各原子間的相互作用力變化曲線，得到光刻膠原子間的吸引力變化結(jié)果如圖6 所示。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在恒溫條件下，初始時(shí)光刻膠原子間的吸引力逐漸增大，隨著時(shí)間的推移增漲速率變緩，趨于穩(wěn)定化。而變溫條件下，光刻膠原子間的吸引力隨溫度的增高先逐漸增大然后迅速衰減。結(jié)果表明，隨著光刻膠原子間的吸引力減小，部分光刻膠分子逐漸向光刻頭靠近，甚至吸附在光刻頭上面，致使光刻膠轉(zhuǎn)移量逐漸增大，最終導(dǎo)致光刻過程失敗。

圖6 光刻膠原子間的吸引力變化曲線

鉻與光刻膠原子間的吸引力變化曲線如圖7 所示。由圖可見，恒溫條件下，鉻原子對(duì)光刻膠原子間的吸引力在初始階段逐漸增大，并伴隨臺(tái)階式增長的現(xiàn)象。而變溫條件下，鉻與光刻膠原子間的吸引力隨溫度的升高逐漸增大，相比于恒溫條件，變溫時(shí)的臺(tái)階效應(yīng)更明顯，使得最后的吸引力遠(yuǎn)高于恒溫條件下鉻與光刻膠原子間的吸引力。結(jié)果表明，溫度的升高有助于光刻膠轉(zhuǎn)移量的增加，更易產(chǎn)生光刻膠轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。

圖7 鉻與光刻膠原子間吸引力的變化曲線

硅與光刻膠的原子間吸引力的變化曲線如圖8 所示。通過對(duì)仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在恒溫條件和變溫條件下，硅對(duì)光刻膠的原子間吸引力的數(shù)值變化相差較小。這說明，在光刻過程中溫度變化并不影響光刻膠對(duì)旋轉(zhuǎn)盤的吸附效果，即旋轉(zhuǎn)盤對(duì)光刻膠轉(zhuǎn)移量影響不大。

圖8 硅與光刻膠的原子間吸引力變化曲線

3 結(jié) 語

本文結(jié)合“摩擦磨損與潤滑”的課程需求與實(shí)際科研目標(biāo)，利用分子動(dòng)力學(xué)模擬軟件建立了在旋轉(zhuǎn)式近場(chǎng)光刻系統(tǒng)中的兩種光刻模型。仿真結(jié)果表明，光刻膠的轉(zhuǎn)移量會(huì)隨著溫度的升高而逐漸增大，其主要原因在于隨著溫度的升高，光刻膠的原子間吸引力逐漸減小，鉻與光刻膠的原子間吸引力逐漸增大，導(dǎo)致光刻膠逐漸被光刻頭吸引，光刻膠的轉(zhuǎn)移量增大。將分子動(dòng)力學(xué)模擬軟件應(yīng)用于“摩擦磨損與潤滑”課程的教學(xué)中，能夠幫助學(xué)生更直觀地看到摩擦導(dǎo)致的微觀表界面變化情況，實(shí)現(xiàn)根據(jù)學(xué)生特質(zhì)逐步向其他課程發(fā)散、貫通的聯(lián)合培養(yǎng)目標(biāo)，以及傳統(tǒng)課程的“新工科”化，完整體現(xiàn)了綜合工程教育的系統(tǒng)思想、培養(yǎng)模式和創(chuàng)新實(shí)踐方法，為培養(yǎng)創(chuàng)新型工程科技人才提出了切實(shí)可行的操作方案。

要提升原始創(chuàng)新能力。一流大學(xué)是基礎(chǔ)研究的主力軍和重大科技突破的策源地，要完善以健康學(xué)術(shù)生態(tài)為基礎(chǔ)，以有效學(xué)術(shù)治理為保障、以產(chǎn)生一流學(xué)術(shù)成果和培養(yǎng)一流人才為目標(biāo)的大學(xué)創(chuàng)新體系，勇于攻克“卡脖子”的關(guān)鍵核心技術(shù)，加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研深度融合，促進(jìn)科技成果轉(zhuǎn)化。

——習(xí)近平2021 年4 月19 日在清華大學(xué)考察時(shí)的講話