纪佳馨， 林之栋， 何 聲， 吴宝贵

（中国石油大学（华东）机电工程学院，山东 青岛 266580）

0 引 言

随着时代的发展，纳米技术因其极大的经济效益和社会效益逐渐成为各国关注的焦点。其中，光刻技术因其高效率、高精度的特点成为主流的纳米加工技术。目前，光刻技术被广泛应用于超大规模集成电路、信息产业、现代半导体工业等多项领域［1-3］。近场光刻作为一种新型光刻技术，利用超衍射极限分辨光斑，进行宏观尺度上近场范围内的纳米量级复杂图案的加工，高分辨、高效率、低成本等特点使其成为纳米加工技术的研究重点［4-6］。旋转式近场光刻技术主要依靠硬盘驱动器的飞行原理，在磁盘高速旋转下，磁头滑块产生的动压效应使得磁头滑块稳定地飞行在磁盘表面，且飞行高度小于20 nm。表面等离子体透镜在该高度下进行磁头滑块表面雕刻，通过对光刻胶的曝光，实现超衍射极限分辨率加工［7］。但是，在近场光刻系统中，光刻胶的曝光环境非常复杂，以至于影响磁头与磁盘之间的飞行稳定性，进而导致光刻过程失败。

分子动力学模拟（Molecular Dynamics Simulations，MD）是一种结合了物理、数学和化学的理论计算方法，主要依靠牛顿力学确定论的热力学计算方法，通过对不同状态的分子或原子系统抽取样本，进而计算体系的热力学物理量以及其他的宏观性质。同时，MD还可以配合OVITO（Open Visualization Tool）、VMD（Visual Molecular Dynamics）等软件进行分子轨迹的可视化操作［8-11］。MD在材料科学、半导体材料、微纳制造等领域具有广泛应用［12-14］。例如，胡诗一等［15-16］利用MD 方法分析硅单晶热膨胀性质，进而提高了硅微型压力传感器等零件的性能。

本文基于Materials Studio、LAMMPS 和VMD 软件建立分子动力学仿真模型，并系统地分析微观界面磨损和润滑的规律，能够对“新工科”人才培养方法提供参考。

1 分子动力学模型的建立

本文建立的光刻胶从旋转盘转移到光刻头的模型由旋转盘、光刻胶以及光刻头三部分构成。其中，旋转盘基底为二氧化硅，光刻胶需均匀地平铺于旋转盘表面。光刻胶选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）），简称为FPT-8Boc。光刻头表面需要溅射一层铬膜，以满足近场激发条件。因此，该模型构建为二氧化硅、光刻胶以及铬的三层结构。

1.1 Materials Studio软件光刻模型的建立

FPT-8Boc光刻胶的相对分子质量为1 317.4，结构如图1 所示。由图可见，FPT-8Boc 的1 个分子中含有8 个叔丁氧羰基官能团，即Boc基团，该基团容易发生光酸分解反应。

图1 光刻胶结构示意图

利用Materials Studio 软件中的Visualizer 模块构建FPT-8Boc分子模型分为如下5 步：

（1）在Materials Studio 软件中点击Sketch Ring，选择6 Member构建出一个6 个碳原子构成的圆环。

（2）点击Sketch Atom，选择Carbon将碳原子圆环改变为苯环，依次构建5 个相互独立的苯环。

（3）根据FPT-8Boc结构示意图（见图1），在苯环上选择合适的碳原子，依次构建出6 个碳原子相连的碳链。再根据Boc基团的结构示意图将其中2 个碳原子更替为氧原子，并增添双键，得到一个完整的Boc基团。之后再利用同样的方法，完成FPT-8Boc中4 个重复单元的构建。

（4）通过将其中一个苯环中的一个碳原子替换为硫原子，并与其他4 个重复单元相连接完成分子模型的建立。

（5）通过Rebuild Crystal 命令，建立合适大小的立方晶胞，将光刻胶分子放置于晶胞内合适位置，由此得到的光刻胶分子动力学模型，如图2 所示。

图2 光刻胶模型结构

光刻胶模型构建完成后，还需要构建二氧化硅层以及铬层，三者共同构成分子动力学模拟所需的整体模型。此部分的构建需如下6 步：

（1）在Materials Studio软件工具栏中的import命令中，选择Structures 数据库，点击metals 导入二氧化硅晶体结构。

（2）由于二氧化硅晶体结构不是立方体结构，因此需要通过Build 菜单栏中Surfaces 选项中的Cleave Surface命令将二氧化硅晶体结构切割为立方体晶胞。

（3）切割完成后，点击Build 菜单栏，选择Crystals，利用Build Vacuum Slab Crystal命令构建适当大小的真空层。

（4）在Build 菜单栏中，选择Symmetry，再选择Supercell命令，构建二氧化硅晶体的超胞结构，并放置于立方体晶胞最下层。

（5）通过import 命令，选择Structures 数据库，点击metals导入铬晶体结构。由于铬晶体结构为正立方体，因此不需要进行Cleave Surface 切割，直接选择Supercell命令，构建铬晶体的超胞结构，并放置于晶胞内较高位置。

（6）将多层光刻胶分子均匀放置于二氧化硅层表面，得到完整的铬、光刻胶、二氧化硅的三层模型，结构如图3 所示。

图3 二氧化硅、光刻胶以及铬的三层结构图

1.2 LAMMPS软件模拟条件的设定

进行光刻前，光刻胶分子应当均匀地平铺在二氧化硅表面，铬位于光刻胶分子上方。故在进行分子动力学模拟之前，要对模型进行预处理。利用LAMMPS软件，在298.15 K的恒温情况下，采用cvff力场，截断半径设置为1 nm，刚化二氧化硅基底，通过fix move命令，最终使光刻胶以小于0.2 nm的表面粗糙度吸附在二氧化硅表面上，具体模型如图4 所示。该模型将用于分析温度恒定不变以及温度线性变化对光刻胶转移的影响及各原子组间的相互作用力变化。

图4 光刻模型结构图

分子动力学模拟过程中，采用X、Y轴周期性边界条件，Z轴非周期性边界条件，采用常规规范集合（NVT系综）下计算模型。首先进行恒温条件下一定的光刻速度对光刻胶转移量的影响模拟。利用LAMMPS软件，设置温度为298.15 K，采用cvff 力场，截断半径设置为1 nm，对铬原子层施加沿X轴0.002

nm/fs（即2 m/s）的速度，通过compute group命令分别计算光刻胶分子间、铬与光刻胶分子间、硅与光刻胶分子间的相互作用力，最后通过fix nvt 命令进行分子动力学模拟。随后，保持其他条件不变，改变温度条件。本文采用线性升温的方法进行对比分析，观察光刻胶分子的转移量及各原子组间的相互作用力变化。线性升温的设置方法为，通过fix nvt 命令设置初始温度298.15 K，模拟结束温度为500 K，线性升温，观察温度对光刻胶转移量及原子组间相互作用力的影响。

1.3 VMD软件的可视化后处理

利用VMD软件对分子动力学模拟结果进行可视化后处理。打开VMD 软件，将LAMMPS 软件生成的lammpstr文件导入VMD Main即可观察到光刻过程部分可视化结果，如图5 所示。

图5 光刻过程可视化结果

2 仿真结果与分析

根据分子动力学模拟结果绘制恒温条件和变温条件下各原子间的相互作用力变化曲线，得到光刻胶原子间的吸引力变化结果如图6 所示。通过对比发现，在恒温条件下，初始时光刻胶原子间的吸引力逐渐增大，随着时间的推移增涨速率变缓，趋于稳定化。而变温条件下，光刻胶原子间的吸引力随温度的增高先逐渐增大然后迅速衰减。结果表明，随着光刻胶原子间的吸引力减小，部分光刻胶分子逐渐向光刻头靠近，甚至吸附在光刻头上面，致使光刻胶转移量逐渐增大，最终导致光刻过程失败。

图6 光刻胶原子间的吸引力变化曲线

铬与光刻胶原子间的吸引力变化曲线如图7 所示。由图可见，恒温条件下，铬原子对光刻胶原子间的吸引力在初始阶段逐渐增大，并伴随台阶式增长的现象。而变温条件下，铬与光刻胶原子间的吸引力随温度的升高逐渐增大，相比于恒温条件，变温时的台阶效应更明显，使得最后的吸引力远高于恒温条件下铬与光刻胶原子间的吸引力。结果表明，温度的升高有助于光刻胶转移量的增加，更易产生光刻胶转移现象。

图7 铬与光刻胶原子间吸引力的变化曲线

硅与光刻胶的原子间吸引力的变化曲线如图8 所示。通过对仿真结果可以发现，在恒温条件和变温条件下，硅对光刻胶的原子间吸引力的数值变化相差较小。这说明，在光刻过程中温度变化并不影响光刻胶对旋转盘的吸附效果，即旋转盘对光刻胶转移量影响不大。

图8 硅与光刻胶的原子间吸引力变化曲线

3 结 语

本文结合“摩擦磨损与润滑”的课程需求与实际科研目标，利用分子动力学模拟软件建立了在旋转式近场光刻系统中的两种光刻模型。仿真结果表明，光刻胶的转移量会随着温度的升高而逐渐增大，其主要原因在于随着温度的升高，光刻胶的原子间吸引力逐渐减小，铬与光刻胶的原子间吸引力逐渐增大，导致光刻胶逐渐被光刻头吸引，光刻胶的转移量增大。将分子动力学模拟软件应用于“摩擦磨损与润滑”课程的教学中，能够帮助学生更直观地看到摩擦导致的微观表界面变化情况，实现根据学生特质逐步向其他课程发散、贯通的联合培养目标，以及传统课程的“新工科”化，完整体现了综合工程教育的系统思想、培养模式和创新实践方法，为培养创新型工程科技人才提出了切实可行的操作方案。

要提升原始创新能力。一流大学是基础研究的主力军和重大科技突破的策源地，要完善以健康学术生态为基础，以有效学术治理为保障、以产生一流学术成果和培养一流人才为目标的大学创新体系，勇于攻克“卡脖子”的关键核心技术，加强产学研深度融合，促进科技成果转化。

——习近平2021 年4 月19 日在清华大学考察时的讲话