超临界CO2/IPA协同调控晶圆纳米结构干燥的分子机制与溶胀扩散行为研究

本文通过分子动力学模拟与实验相结合，系统研究了超临界CO2（scCO2

　　

MD simulation details

晶圆超临界流体干燥体系由硅纳米狭缝、scCO₂、IPA和残留水分子构成，其中IPA是scCO₂干燥晶圆纳米结构最常用的共溶剂组分之一。本研究通过平衡态与非平衡态分子动力学模拟（MD），系统研究了不同浓度IPA分子对硅纳米狭缝中残留水与超临界流体的混溶和扩散行为。

硅表面模型采用α-石英(101)晶面构建，其晶格参数源自Materials Project数据库（MP-ID: mp-6930）。水分子采用TIP4P/2005力场描述，CO₂分子使用EPM2模型，IPA分子采用OPLS-AA力场。所有模拟均在GROMACS 2022.4软件中完成。平衡态MD（EMD）模拟在NVT系综下进行，温度由Nosé-Hoover热浴控制在305 K。非平衡态MD（NEMD）模拟通过沿x轴施加0.5?kcal/(mol·?)的压力梯度实现流体驱动。

Density distribution of EMD systems

水液滴在晶圆纳米狭缝中的溶解与分散行为对干燥过程至关重要。研究发现，随着IPA添加量从0%增至20%（相对于scCO₂质量比），水液滴的界面溶解行为显著增强。IPA分子优先吸附在纳米狭缝固体表面与scCO₂流体的界面处，形成定向排列的分子层，有效促进水液滴的剥离与分散。

Conclusions

本研究通过实验与MD模拟揭示了scCO₂/IPA体系在硅纳米孔中的溶胀扩散规律。EMD模拟表明IPA添加剂通过降低能量壁垒促进水分子溶解，增强溶胀行为。NEMD模拟进一步证实压力梯度下的流体驱动可加速水液滴的剥离与运移过程，为晶圆纳米结构干燥工艺优化提供了理论依据。