納米技術(shù)是指在納米尺度（通常指 1~100 納米）范圍內(nèi)，對材料的性質(zhì)和應(yīng)用進(jìn)行研究的技術(shù)。此項技術(shù)的出現(xiàn)，使人類對自然的認(rèn)識和改造進(jìn)入到了一個新的層次，不僅對工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)生了革命性的影響，同時也是科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。如今，納米技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)深入人們的日常生活，我們平時使用的計算機芯片以及各種電子產(chǎn)品的制造都離不開納米技術(shù)。

納米光刻技術(shù)

納米光刻技術(shù)是一種利用光刻手段在物體上制作納米量級圖形的加工方法，目前是集成電路制造領(lǐng)域的主流納米加工技術(shù)。雖然傳統(tǒng)的光刻工藝可以滿足一定的生產(chǎn)需求，但它卻存在著諸多局限性：首先，光學(xué)衍射效應(yīng)會降低分辨率，在一定程度上影響產(chǎn)品的質(zhì)量；其次，較低的生產(chǎn)效率和高昂的生產(chǎn)成本也是制約相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素。

清華大學(xué)摩擦學(xué)國家重點實驗室（以下簡稱“摩擦實驗室”）是清華大學(xué)首批建成的國家重點實驗室之一，主要從事摩擦學(xué)理論與技術(shù)、機械表面科學(xué)與性能控制、生物摩擦學(xué)與生物機械、微納制造理論與技術(shù)等方面的研究。目前，摩擦實驗室的研究人員正在借助仿真手段探索一種低成本、高效率的新型納米光刻工藝。

旋轉(zhuǎn)式近場光刻技術(shù)

在光學(xué)領(lǐng)域，由于衍射現(xiàn)象的存在，傳統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)很難突破半波長的成像分辨率。近年來，為突破這一限制，研究人員利用表面等離子共振能夠產(chǎn)生場強熱點（hotspot）的現(xiàn)象，研發(fā)出了等離子體透鏡，以實現(xiàn)超高分辨率聚焦。然而，這種超高分辨率成像和聚焦方法的工作距離很短，僅適用于介質(zhì)表面，因此在實際應(yīng)用中很難控制。為了能夠穩(wěn)定控制透鏡及聚焦點，摩擦實驗室的研究人員基于硬盤驅(qū)動器的飛行原理和近場光學(xué)理論，提出了一種名為旋轉(zhuǎn)式近場光刻技術(shù)的新型光刻工藝。

硬盤在運行時，磁頭滑塊會在盤片表面穩(wěn)定飛行，其飛行高度的高低取決于盤片的旋轉(zhuǎn)速度和磁頭滑塊的形狀。通過將表面等離子體透鏡集成在磁頭滑塊表面、并將超高分辨率的光刻膠涂于盤片表面，當(dāng)磁頭在盤片表面穩(wěn)定飛行時，表面等離子體透鏡即可對光刻膠進(jìn)行曝光。由于表面等離子體透鏡具有優(yōu)異的聚光效應(yīng)，因此能夠形成突破衍射極限的近場光斑，進(jìn)而實現(xiàn)高分辨率、快速、無掩膜的納米光刻加工。

圖 1 為旋轉(zhuǎn)式近場光刻技術(shù)的工作原理圖。整個光刻系統(tǒng)由控制器、光學(xué)系統(tǒng)和加工系統(tǒng)三部分組成。控制器發(fā)出的脈沖信號可以控制光學(xué)系統(tǒng)中的各類光刻參數(shù)，并通過加工系統(tǒng)中的線性移動臺接收來自控制器的控制信號，對等離子飛行頭的位置進(jìn)行精確控制。在控制器的協(xié)調(diào)控制下，等離子飛行頭可以在光刻膠表面穩(wěn)定飛行。通過光學(xué)系統(tǒng)和加工系統(tǒng)完美的配合，從而實現(xiàn)高精度的納米光刻加工。

圖1.旋轉(zhuǎn)式近場光刻技術(shù)原理圖。在主軸高速運轉(zhuǎn)的條件下，光刻頭可以在光刻膠表面穩(wěn)定飛行。

在旋轉(zhuǎn)式近場光刻技術(shù)的研發(fā)過程中，研究團隊所面對的主要設(shè)計難點是如何實現(xiàn)等離子飛行頭在 5~50 納米的高度范圍內(nèi)穩(wěn)定飛行。傳統(tǒng)的方法是先制作出物理樣機，然后通過反復(fù)的迭代測試對飛行頭的設(shè)計進(jìn)行修改。這種物理試驗不僅需要制作大量成本高昂的樣機，而且也很難直觀地在納米量級對飛行過程進(jìn)行研究。因此，研究人員采用了 COMSOL Multiphysics? 軟件來模擬等離子飛行頭的飛行過程。

在 COMSOL 軟件中模擬飛行頭的飛行過程

COMSOL Multiphysics? 強大的數(shù)值模擬功能在近場光刻系統(tǒng)的設(shè)計過程中發(fā)揮著重要的作用。軟件的自定義方程功能，使計算過程和軟件結(jié)果處理具有高度的靈活性，為等離子飛行頭飛行過程的研究工作提供了極大的便利。

影響飛行頭穩(wěn)定性的因素有很多，其中重要的參數(shù)包括飛行頭表面的氣體壓力、與盤片間的接觸力以及范德華力（又稱分子間作用力）。由于飛行頭與盤面的距離僅有幾納米到幾十納米，飛行頭周邊的氣體也十分稀薄，因此需要研究人員建立一個飛行頭在稀薄氣體中飛行的物理模型，用于研究氣體對飛行頭的潤滑作用，以及不同飛行參數(shù)對飛行平穩(wěn)性的影響。為了在模型的求解過程中，實現(xiàn)求解精度和求解規(guī)模的良好平衡，模型采用了 COMSOL 軟件的自適應(yīng)網(wǎng)格剖分功能（圖 2）。自適應(yīng)網(wǎng)格剖分功能可以基于飛行頭表面的氣體壓力分布自動調(diào)節(jié)不同區(qū)域的網(wǎng)格密度，幫助我們在保證求解精度的前提下，節(jié)省大量的計算時間。

圖 2.上圖：飛行頭表面氣體壓力分布；下圖：基于氣體壓力梯度計算出的自適應(yīng)網(wǎng)格，可大幅節(jié)省模型的計算時間。

為了計算在飛行過程中飛行頭表面的壓力分布，研究人員使用三個自由度的運動微分方程描述了飛行頭的動態(tài)飛行過程，并通過 COMSOL 軟件的自定義方程功能建立了飛行頭的瞬態(tài)計算模型，瞬態(tài)模型可以描述飛行頭的起飛和受外界沖擊等動態(tài)過程，因此可以準(zhǔn)確地預(yù)測飛行頭在實際飛行過程中的受力情況，從而提升飛行的穩(wěn)定性。

等離子飛行頭的仿真設(shè)計

在提升飛行頭飛行穩(wěn)定性的設(shè)計過程中，所有設(shè)計步驟都是在 COMSOL Multiphysics 軟件中完成的。由于無需針對每一個設(shè)計方案制作物理樣機，從而大幅縮短了設(shè)計周期，同時節(jié)約了制作樣機的費用。通過調(diào)整模型的參數(shù)，研究人員設(shè)計了一款具有良好靜態(tài)和動態(tài)性能的飛行頭，實現(xiàn)在 10nm 的高度能夠穩(wěn)定飛行。研究人員依據(jù)優(yōu)化結(jié)果對飛行頭進(jìn)行了加工，飛行頭設(shè)計圖和加工圖見圖 3。

 

圖 3. 飛行頭的設(shè)計圖和加工圖對比。

仿真App讓整個實驗室受益于仿真研究

在項目的推進(jìn)過程中，摩擦實驗室的研究人員分工不同，只有少數(shù)成員從事仿真方面的工作。面對產(chǎn)品參數(shù)的每一次修改，設(shè)計人員都需要通過仿真人員對模型進(jìn)行修改，因此樣機的設(shè)計速度受限于仿真人員的時間安排及工作負(fù)荷。為解決上述問題，研究團隊使用軟件中的“App開發(fā)器”嘗試開發(fā)了“穩(wěn)定飛行姿態(tài)求解”仿真 App（圖 4）。在操作界面直接輸入飛行頭形貌、空氣壓力等各類參數(shù)，仿真 App 就可以快速對飛行頭的飛行穩(wěn)定性進(jìn)行評估。

圖 4：“穩(wěn)定飛行姿態(tài)求解”仿真 App。用戶可在界面輸入各類設(shè)計參數(shù)，快速評估飛行頭的飛行穩(wěn)定性。

仿真 App 讓摩擦實驗室所有的研究人員無需了解仿真模型的具體設(shè)置，也可以自行修改設(shè)計參數(shù)并運行仿真分析，從而評估不同飛行頭設(shè)計的有效性。這極大地提高了研究工作的靈活性，同時增強了實驗室各團隊間的合作，從而大幅加快了飛行頭的設(shè)計進(jìn)程。

仿真 App 的另一個優(yōu)勢在于，新進(jìn)入實驗室的研究人員在參與研究工作時，無需先期學(xué)習(xí)大量的設(shè)計和仿真理論，便能夠快速參與到研究項目中，從而大幅度降低了新成員的學(xué)習(xí)成本。

擁有強大計算能力的 COMSOL Multiphysics 已成為摩擦實驗室研究工作中不可或缺的工具。而仿真 App 則進(jìn)一步幫助實驗室的全體研究人員在探索新型納米加工技術(shù)的道路上披荊斬棘。