纳米技术是指在纳米尺度（通常指 1~100 纳米）范围内，对材料的性质和应用进行研究的技术。此项技术的出现，使人类对自然的认识和改造进入到了一个新的层次，不仅对工业领域产生了革命性的影响，同时也是科学技术发展水平的重要标志。如今，纳米技术的应用已经深入人们的日常生活，我们平时使用的计算机芯片以及各种电子产品的制造都离不开纳米技术。 6park.com
纳米光刻技术 6park.com
纳米光刻技术是一种利用光刻手段在物体上制作纳米量级图形的加工方法，目前是集成电路制造领域的主流纳米加工技术。虽然传统的光刻工艺可以满足一定的生产需求，但它却存在着诸多局限性：首先，光学衍射效应会降低分辨率，在一定程度上影响产品的质量；其次，较低的生产效率和高昂的生产成本也是制约相关产业发展的重要因素。 6park.com
清华大学摩擦学国家重点实验室（以下简称“摩擦实验室”）是清华大学首批建成的国家重点实验室之一，主要从事摩擦学理论与技术、机械表面科学与性能控制、生物摩擦学与生物机械、微纳制造理论与技术等方面的研究。目前，摩擦实验室的研究人员正在借助仿真手段探索一种低成本、高效率的新型纳米光刻工艺。 6park.com
旋转式近场光刻技术 6park.com
在光学领域，由于衍射现象的存在，传统的光学系统很难突破半波长的成像分辨率。近年来，为突破这一限制，研究人员利用表面等离子共振能够产生场强热点（hotspot）的现象，研发出了等离子体透镜，以实现超高分辨率聚焦。然而，这种超高分辨率成像和聚焦方法的工作距离很短，仅适用于介质表面，因此在实际应用中很难控制。为了能够稳定控制透镜及聚焦点，摩擦实验室的研究人员基于硬盘驱动器的飞行原理和近场光学理论，提出了一种名为旋转式近场光刻技术的新型光刻工艺。 6park.com
硬盘在运行时，磁头滑块会在盘片表面稳定飞行，其飞行高度的高低取决于盘片的旋转速度和磁头滑块的形状。通过将表面等离子体透镜集成在磁头滑块表面、并将超高分辨率的光刻胶涂于盘片表面，当磁头在盘片表面稳定飞行时，表面等离子体透镜即可对光刻胶进行曝光。由于表面等离子体透镜具有优异的聚光效应，因此能够形成突破衍射极限的近场光斑，进而实现高分辨率、快速、无掩膜的纳米光刻加工。 6park.com
图 1 为旋转式近场光刻技术的工作原理图。整个光刻系统由控制器、光学系统和加工系统三部分组成。控制器发出的脉冲信号可以控制光学系统中的各类光刻参数，并通过加工系统中的线性移动台接收来自控制器的控制信号，对等离子飞行头的位置进行精确控制。在控制器的协调控制下，等离子飞行头可以在光刻胶表面稳定飞行。通过光学系统和加工系统完美的配合，从而实现高精度的纳米光刻加工。 6park.com
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图1.旋转式近场光刻技术原理图。在主轴高速运转的条件下，光刻头可以在光刻胶表面稳定飞行。 6park.com
在旋转式近场光刻技术的研发过程中，研究团队所面对的主要设计难点是如何实现等离子飞行头在 5~50 纳米的高度范围内稳定飞行。传统的方法是先制作出物理样机，然后通过反复的迭代测试对飞行头的设计进行修改。这种物理试验不仅需要制作大量成本高昂的样机，而且也很难直观地在纳米量级对飞行过程进行研究。因此，研究人员采用了 COMSOL Multiphysics® 软件来模拟等离子飞行头的飞行过程。 6park.com
在 COMSOL 软件中模拟飞行头的飞行过程 6park.com
COMSOL Multiphysics® 强大的数值模拟功能在近场光刻系统的设计过程中发挥着重要的作用。软件的自定义方程功能，使计算过程和软件结果处理具有高度的灵活性，为等离子飞行头飞行过程的研究工作提供了极大的便利。 6park.com
影响飞行头稳定性的因素有很多，其中重要的参数包括飞行头表面的气体压力、与盘片间的接触力以及范德华力（又称分子间作用力）。由于飞行头与盘面的距离仅有几纳米到几十纳米，飞行头周边的气体也十分稀薄，因此需要研究人员建立一个飞行头在稀薄气体中飞行的物理模型，用于研究气体对飞行头的润滑作用，以及不同飞行参数对飞行平稳性的影响。为了在模型的求解过程中，实现求解精度和求解规模的良好平衡，模型采用了 COMSOL 软件的自适应网格剖分功能（图 2）。自适应网格剖分功能可以基于飞行头表面的气体压力分布自动调节不同区域的网格密度，帮助我们在保证求解精度的前提下，节省大量的计算时间。 6park.com
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图 2.上图：飞行头表面气体压力分布；下图：基于气体压力梯度计算出的自适应网格，可大幅节省模型的计算时间。 6park.com
为了计算在飞行过程中飞行头表面的压力分布，研究人员使用三个自由度的运动微分方程描述了飞行头的动态飞行过程，并通过 COMSOL 软件的自定义方程功能建立了飞行头的瞬态计算模型，瞬态模型可以描述飞行头的起飞和受外界冲击等动态过程，因此可以准确地预测飞行头在实际飞行过程中的受力情况，从而提升飞行的稳定性。 6park.com
等离子飞行头的仿真设计 6park.com
在提升飞行头飞行稳定性的设计过程中，所有设计步骤都是在 COMSOL Multiphysics 软件中完成的。由于无需针对每一个设计方案制作物理样机，从而大幅缩短了设计周期，同时节约了制作样机的费用。通过调整模型的参数，研究人员设计了一款具有良好静态和动态性能的飞行头，实现在 10nm 的高度能够稳定飞行。研究人员依据优化结果对飞行头进行了加工，飞行头设计图和加工图见图 3。 6park.com
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图 3. 飞行头的设计图和加工图对比。 6park.com
仿真App让整个实验室受益于仿真研究 6park.com
在项目的推进过程中，摩擦实验室的研究人员分工不同，只有少数成员从事仿真方面的工作。面对产品参数的每一次修改，设计人员都需要通过仿真人员对模型进行修改，因此样机的设计速度受限于仿真人员的时间安排及工作负荷。为解决上述问题，研究团队使用软件中的“App开发器”尝试开发了“稳定飞行姿态求解”仿真 App（图 4）。在操作界面直接输入飞行头形貌、空气压力等各类参数，仿真 App 就可以快速对飞行头的飞行稳定性进行评估。 6park.com
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图 4：“稳定飞行姿态求解”仿真 App。用户可在界面输入各类设计参数，快速评估飞行头的飞行稳定性。 6park.com
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仿真 App 让摩擦实验室所有的研究人员无需了解仿真模型的具体设置，也可以自行修改设计参数并运行仿真分析，从而评估不同飞行头设计的有效性。这极大地提高了研究工作的灵活性，同时增强了实验室各团队间的合作，从而大幅加快了飞行头的设计进程。 6park.com
仿真 App 的另一个优势在于，新进入实验室的研究人员在参与研究工作时，无需先期学习大量的设计和仿真理论，便能够快速参与到研究项目中，从而大幅度降低了新成员的学习成本。 6park.com
拥有强大计算能力的 COMSOL Multiphysics 已成为摩擦实验室研究工作中不可或缺的工具。而仿真 App 则进一步帮助实验室的全体研究人员在探索新型纳米加工技术的道路上披荆斩棘。 6park.com
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