Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng hoạt động của bộ vi chấp hành mũi dò quét định hướng ứng dụng khắc các cấu trúc nano

Nội dung tài liệu: Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng hoạt động của bộ vi chấp hành mũi dò quét định hướng ứng dụng khắc các cấu trúc nano

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Đặng Văn Hiếu NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA BỘ VI CHẤP HÀNH MŨI DÒ QUÉT ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG KHẮC CÁC CẤU TRÚC NANO Ngành: Khoa học vật liệu Mã số : 9440122 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU Hà Nội – 2021
2. Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. Chu Mạnh Hoàng 2. TS. Vũ Thu Hiền Phảnbiện 1: Phảnbiện 2: Phảnbiện 3: Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi: giờ, ngày tháng năm . Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1. Thư viện Tạ Quang Bửu – Trường ĐHBK Hà Nội 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
3. DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN A. Bài báo quốc tế ISI (03). 1. Dang Van Hieu, Le Van Tam, Nguyen Van Duong, Nguyen Duy Vy, Chu Manh Hoang, (2020) “Design and simulation analysis of a z axis microactuator with low mode cross-talk”, Journal of Mechanics, DOI: 10.1017/jmech.2020.48. 2. Dang Van Hieu, Le Van Tam, Kazuhiro Hane, and Chu Manh Hoang, (2020) “Models for analyzing squeeze film air damping depending on oscillation mode of micro/nano beam resonators”, Achieve of Mechanics, DOI: 10.1007/s00419-020- 01775-3. 3. Dang Van Hieu, Le Van Tam, Kazuhiro Hane, Chu Manh Hoang, (2020) “Design and simulation analysis of an integrated XYZ micro-stage for controlling displacement of scanning probe”, Journal of Theoretical and Applied Mechanics. DOI: 10.15632/jtam-pl/130549 B. Bài báo trong nước (02). 4. Le Van Tam, Dang Van Hieu, Nguyen Duy Vy, Vu Ngoc Hung, Chu Manh Hoang, (2017) “design and simulation analysis of an electrostatic actuator for improving the performance of scanning probe nanolithography” Vietnam Journal of Science and Technology 55 (4) (2017) 484-493, DOI: 10.15625/2525- 2518/55/4/8803. 5. Dang Van Hieu, Le Van Tam, Nguyen Van Duong, Chu Manh Hoang, (2019) “Design and Simulation of Scanning Probe Micro-Cantilever for the Scanning probe lithography”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ 137 (2019) 084-088, ISSN: 2354-1083. C. Bài báo hội nghị trong nước (04), quốc tế (02). 6. Le Van Tam, Dang Van Hieu, Vu Ngoc Hung and Chu Manh Hoang, (2016) “A micro-suspension electrostatic actuator for improving the performance of scanning probe nanolithography”, The 3rd International Conference on Advanced Materials and Nanotechnology, ISBN: 978-604-95-0010-7 7. Le Van Tam, Dang Van Hieu, Vu Ngoc Hung and Chu Manh Hoang, (2016) “Design and simulation of scanning probe micro-cantilever”, Advances in applied and engineering physics IV, Proceeding, ISBN: 978-604-913-232-2.
4. 8. Le Van Tam, Dang Van Hieu, Nguyen Duy Vy, Vu Ngoc Hung and Chu Manh Hoang, (2017) “Dependence of air damping in microcantilever resonators”, Hội nghị Vật lý Chất rắn và Khoa học Vật liệu Toàn quốc – SPMS 2017, ISBN: 978- 604-95-0325-2. 9. Dang Van Hieu, Le Van Tam, Nguyen Van Cuong, Chu Manh Hoang, (2017) “Design and simulation of serpentine springs for scanning probe”, Hội nghị về Vật liệu và Công nghệ Nano Tiên tiến-WANN 2017, ISBN: 978-604-95-0298-9 10. Dang Van Hieu, Le Van Tam, Nguyen Quoc Chien, Chu Manh Hoang, (2019) “Design and simulation of two-dimensional microstage for scanning probes”, Hội nghị Vật lý Chất rắn và Khoa học Vật liệu Toàn quốc–SPMS 2019, ISBN: 978- 604-98-7506-9. 11. Dang Van Hieu, Le Van Tam, Nguyen Van Duong, Nguyen Quoc Chien, Vu Ngoc Hung, Chu Manh Hoang, (2019) “Fabrication of Scanning Nano-Probe Based on Photolithography and Wet Chemical Etching” The 4th International Conference on Advanced Materials and Nanotechnology. ISBN: 978-604-95-0978-0.
5. MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Gần đây, khoa học và công nghệ nano đã nhận được sự quan tâm của các nhà khoa học trong nước và trên thế giới. Đối tượng nghiên cứu của khoa học và công nghệ nano là dựa trên vật liệu nano. Các cấu trúc nano có tiềm năng ứng dụng làm thành phần chủ chốt trong những dụng cụ thông tin kỹ thuật có những chức năng mà trước đây chưa có nhờ các hiệu ứng vật lý nổi bật xuất hiện ở tỉ lệ thang nano. Chúng có thể được lắp ráp trong những vật liệu trung tâm cho điện tử và quang làm tăng tốc độ xử lý dữ liệu và khả năng chứa thông tin. Các vi cấu trúc này là một trạng thái của vật chất có những hứa hẹn đặc biệt cho những sản phẩm mới và rất hữu dụng. Việc nghiên cứu thiết kế và chế tạo các cấu trúc nano hữu ích trong khoa học và công nghệ đang gia tăng nhanh chóng. Công nghệ chế tạo các cấu trúc nano luôn là thách thức đối với các nhà nghiên cứu làm chủ công nghệ chế tạo. Trong công nghệ vi điện tử, kỹ thuật quang khắc đã là một bước cơ bản trong quy trình sản xuất linh kiện và mạch tích hợp. Với nhu cầu ngày càng tăng mật độ tích hợp linh kiện bán dẫn, công nghệ quang khắc với độ phân giải cao đang là yêu cầu cấp thiết được đặt ra đối với các nhà sản xuất công nghiệp bán dẫn. Độ phân giải của kỹ thuật quang khắc bị giới hạn bởi hiệu ứng nhiễu xạ quang học. Để tăng độ phân giải của kỹ thuật quang khắc gần đây các nghiên cứu sử dụng bước sóng ngắn đang được quan tâm. Hiện tại khi sử dụng kỹ thuật này, các cấu trúc với độ chính xác khoảng vài chục nano có thể đạt được. Tuy nhiên đây vẫn là công nghệ phức tạp, đắt tiền và chưa phổ biến trên thế giới. Một công nghệ khác được ứng dụng cho chế tạo cấu trúc nano là khắc chùm điện tử. Đây là một công nghệ được dùng phổ biến trong các phòng thí nghiệm ở các nước tiên tiến. Tuy vậy đây lại là một công nghệ cần chi phí lớn, nhưng quy mô sản xuất chỉ ở phòng thí nghiệm. Hơn nữa, các kỹ thuật kể trên không phù hợp để điều khiển các hệ thống hữu cơ và sinh học lớn, có ích trong công nghệ nano. Do vậy, các loại điều khiển lực đã được xem xét cho sự phát triển công nghệ chế tạo nano. Việc ứng dụng những kỹ thuật này đã được bắt đầu từ năm 1990 và nó đã được phát triển để hình thành các phương pháp khắc nano khác nhau. Một trong những phương pháp quan trọng nhất là công nghệ khắc mẫu dựa trên mũi dò quét. Để tạo ra các cấu trúc nano là khắc trực tiếp bề mặt mẫu một cách cơ học với một đầu dò. Mô hình điều khiển các đặc tính ở phạm vi nano với một đầu dò quét kính hiển vi lực nguyên tử được biết đến như là kỹ thuật khắc đầu dò quét. Nhiều nghiên cứu đã giới thiệu về các phương pháp khắc với kỹ thuật này. Mũi dò quét trong kính hiển vi lực nguyên tử là một công cụ để chế tạo cấu trúc nano với kích thước tối thiểu mặt bên với kích thước của một nguyên tử độc lập và xấp xỉ 100 nm trên bề mặt Si hay các bề mặt khác. Tuy nhiên, độ phân giải của cấu trúc nano phụ thuộc vào kích thước của mũi dò và độ sâu của mẫu khắc. Kỹ thuật này được sử dụng cho việc chế tạo mạch tích hợp bán dẫn hay hệ thống cơ điện với độ phân giải ở thang nano. Phương pháp này không hạn chế vật liệu dẫn điện. Ưu điểm của kỹ thuật này là độ phân giải cao, điều khiển chính xác mà các kỹ thuật khắc truyền thống không đạt được. Kỹ thuật khắc truyền thống sử dụng photon hoặc chùm tia điện tử luôn phải dựa vào một vật liệu polyme (lớp phủ) như một lớp tạo hình. Tuy nhiên, kỹ thuật khắc đầu dò quét có thể được thực hiện với nhiều cơ chế khác nhau. Lớp polyme mỏng có thể được chiếu bởi các điện tử phát xạ từ một đầu dò. Bề mặt của mẫu có thể bị biến đổi dưới tác dụng của điện trường vùng rất lớn, như sự ôxi hóa vùng, sự phân hủy gây bởi điện trường hoặc nóng chảy gây bởi nhiệt độ cao. Các vật liệu có thể được truyền từ đầu dò đến bề mặt mẫu tạo ra các cấu trúc, hoặc các mẫu 1
6. được hình thành đơn giản bằng khắc bề mặt mẫu với đầu dò một cách cơ học. Các phương pháp tạo mẫu mới với đầu dò quét đang được tiếp tục phát triển. Một vài kỹ thuật tạo mẫu dựa trên đầu dò quét đã được khai thác thương mại, trở thành công cụ dành riêng cho kỹ thuật khắc nano. Tuy nhiên, hầu hết các kỹ thuật này vẫn còn trong phạm vi phòng thí nghiệm. Đây là một nghiên cứu thuộc lĩnh vực kỹ thuật có tính khả thi cao và hứa hẹn cho cả nghiên cứu cơ bản và ứng dụng công nghệ nano. Tuy vậy, nghiên cứu và ứng dụng lĩnh vực này trong nước vẫn chưa được quan tâm. Do vậy, trong luận án này, nghiên cứu sinh lựa chọn hướng nghiên cứu phát triển đầu dò quét định hướng ứng dụng trong chế tạo cấu trúc nano. 2. Mục đích nghiên cứu Phát triển các bộ vi chấp hành một chiều (trục z) có dịch chuyển thắng đứng để khắc phục độ lệch biên, có dịch chuyển lớn và chống nhiếu kết cặp mode. Thiết kế bộ chấp hành ba chiều có thể điều khiển độc lập, tích hợp trên cùng một chíp, công nghệ chế tạo đơn giản, có thể thực hiện được với công nghệ hiện có ở trong nước, định hướng ứng dụng các bộ vi dịch chuyển có tích hợp mũi dò trong khắc các cấu trúc nano dạng một và hai chiều. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu + Đối tượng nghiên cứu đầu tiên của luận án là bộ chấp hành trục z có nhiễu chéo thấp, có độ dịch chuyển lớn và tần số hoạt động trong phạm vi rộng. + Đối tượng nghiên cứu thứ hai là bộ chấp hành dịch chuyển mũi dò ba chiều, có thể điều khiển chuyển động độc lập và có nhiễu chéo thấp. + Công nghệ vi cơ điện tử đơn giản cho chế tạo hiệu suất cao các mũi dò cũng như hệ thống vi dịch chuyển 1, 2 và 3 chiều có tích hợp mũi dò quét. 4. Phương pháp nghiên cứu Trong luận án này, phương pháp nghiên cứu kết hợp lý thuyết và thực nghiệm. + Thiết kế và khảo sát đặc trưng hoạt động của các bộ chấp hành mũi dò khắc nano dựa trên cơ sở các phương trình giải tích được rút ra từ lý thuyết cơ học vật rắn và lý thuyết trường tĩnh điện. Ngoài ra, các kết quả tính toán giải tích được so sánh với kết quả đạt được từ mô phỏng số sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn. + Nghiên cứu chế tạo mũi dò được thực hiện dựa trên công nghệ vi cơ điện tử, đặc biệt sử dụng công nghệ vi cơ khối ướt và kỹ thuật quang khắc truyền thống. Mũi dò được nghiên cứu chế tạo tại Phòng thí nghiệm Công nghệ Vi hệ thống và cảm biến thuộc Viện Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu (ITIMS), trường đại học Bách khoa Hà Nội. Cấu trúc mũi dò được chế tạo được đánh giá dựa trên ảnh hiển vi điện tử quét hiệu ứng trường (FESEM) tại viện AIST, trường ĐHBKHN. 2
7. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài a. Ý nghĩa khoa học của đề tài: Luận án đã phát triển các bộ chấp hành trục z có nhiễu chéo thấp và phạm vi tần số hoạt động rộng không bị giới hạn bởi tỷ lệ cạnh trong chế tạo. Để đạt được kết quả này, các dầm zig-zag và vị trí đặt dầm được tối ưu cùng với dầm dạng kết cặp đã được đề xuất trong luận án. Khả năng chống nhiễu trong phạm vi tần số hoạt động rộng đã được chứng minh bằng các phương trình giải tích và mô phỏng số. Các cấu trúc dầm ưu tiên chuyển động trong trục z này có thể có đóng góp quan trọng không những trong phát triển các bộ chấp hành mà còn trong các cảm biến vật lý có độ chính xác cao. Luận án này cũng đã đề xuất và khảo sát đặc trưng hoạt động của bộ vi dịch chuyển 3 chiều. Bộ vi dịch chuyển có thể được điều khiển một cách độc lập dựa trên kỹ thuật dùng rãnh cách ly điện trong khi các kết cấu được kết cặp cơ với nhau. Bộ vi dịch chuyển 3 chiều được tạo thành do 3 bộ vi dịch chuyển độc lập được tích hợp trên cùng một chíp và có quy trình chế tạo đơn giản, không sử dụng các quá trình tập hợp phức tạp như các đề xuất trước đây. Một mô hình lý thuyết hoàn chỉnh đã được thiết lập cho thiết kế bộ vi chấp hành dựa trên lý thuyết cơ học vật rắn và lý thuyết trường tĩnh điện. Các mũi dò với kích thước ở thang nano đã được nghiên cứu chế tạo thành công sử dụng kỹ thuật quang khắc truyền thống và ăn mòn dị hướng ướt. Kết quả này sẽ làm cơ sở cho phát triển các hệ thống chấp hành với các mũi dò được tích hợp nhằm định hướng trong khắc các cấu trúc nano dạng 1 chiều hoặc 2 chiều. Các kết quả nghiên cứu của đề tài không những có ứng dụng trong chấp hành mũi dò quét trong khắc các cấu trúc nano, mà còn có thể ứng dụng trong các linh kiện vi cơ điện tử khác như các cảm biến và các bộ vi dịch chuyển có độ chính xác cao. Các kết quả nghiên cứu của luận án đã được chấp nhận đăng trên các tạp chí trong nước, các kỷ yếu hội nghị chuyên ngành, đăng trong các tạp chí quốc tế trong hệ thống ISI và đăng ký sáng chế/giải pháp hữu ích. b. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài: Mục tiêu của đề tài là phát triển các công cụ cho chế tạo các cấu trúc nano mà hiện nay ở trong nước chưa có khả năng đầu tư mua các thiết bị đắt tiền. Hơn nữa, xu hướng phát triển các công cụ mới cho chế tạo các cấu trúc nano có hiệu suất cao, không bị giới hạn bởi hiệu ứng nhiễu xạ quang học và có giá thành thấp cũng đang được đặt ra đối với lĩnh vực sản xuất các cấu trúc và linh kiện ở thang nano nhằm thay thế các thiết bị đắt tiền. Do đó, đề tài đã phát triển các bộ chấp hành dịch chuyển mũi dò theo 1, 2 và 3 chiều, có nhiễu chéo thấp và có thể chấp hành theo các phương độc lập. Bộ chấp hành có gắn mũi dò có thể được chế tạo dựa trên công nghệ quang khắc và ăn mòn ướt, hoàn toàn được thực hiện ở trong nước. Đây sẽ làm cơ sở cho việc ứng dụng trong phát triển các hệ thống khắc cho chế tạo các cấu trúc nano 1 chiều hoặc dạng mảng 2 chiều. 6. Tính mới của đề tài: Tính mới của đề tài nghiên cứu được thể hiện tại 3 điểm sau đây: 3
8. - Nghiên cứu đề xuất và thiết kế mô phỏng bộ chấp hành dịch chuyển một chiều phương z: trong hướng nghiên cứu này, các cấu trúc lò xo dầm dạng zig-zag mở rộng và lò xo dạng dầm kết cặp đáp ứng ưu tiên với dịch chuyển theo phương z trong khi chống lại các mode dao động không mong muốn khác đã được đề xuất và khảo sát bằng cả phương pháp giải tích và phương pháp mô phỏng số. - Nghiên cứu đề xuất và thiết kế mô phỏng bộ chấp hành dịch chuyển 3 chiều xyz: trong hướng nghiên cứu này, bộ vi dịch chuyển 3 chiều với khả năng điều khiển độc lập dựa trên việc đề xuất phương pháp cách ly điện trong khi đảm bảo kết cặp cơ giữa các thành phần cấu trúc đã được thiết kế và mô phỏng. Mô hình lý thuyết cho khảo sát hoạt động của bộ chấp hành đã được xây dựng làm cơ sở cho việc thiết kế các bộ vi chấp hành có đặc trưng hoạt động theo yêu cầu. - Nghiên cứu chế tạo mũi dò quét có kích thước ở thang nano: trong luận án này, mũi dò quét có kích thước ở thang nano được nghiên cứu và chế tạo dựa trên công nghệ quang khắc truyền thống và vi cơ khối ướt. 7. Nội dung luận án Luận án bao gồm năm chương: Chương 1: Tổng quan về khắc đầu dò quét. Chương 2: Cơ sở lý thuyết và mô phỏng. Chương 3: Thiết kế và mô phỏng bộ chấp hành trục z. Chương 4: Tính toán thiết kế và mô phỏng bộ vi dịch chuyển ba chiều xyz. Chương 5: Chế tạo mũi dò bằng phương pháp ăn mòn ướt. KẾT LUẬN CHUNG. 4
9. 1. TỔNG QUAN VỀ KHẮC ĐẦU DÒ QUÉT Tìm hiểu tổng quan các kỹ thuật khắc đầu dò quét cũng như các ưu và nhược điểm của chúng để làm cơ sở cho lựa chọn kỹ thuật khắc được nghiên cứu trong luận án này. Phân tích ưu điểm và nhược điểm của các cơ chế chấp hành mũi dò quét để từ đó lựa chọn phương pháp chấp hành đáp ứng các tiêu chí như công suất tiêu thụ thấp, đáp ứng nhanh và có công nghệ chế tạo đơn giản và dễ dàng tích hợp với các mạch điều khiển. Nghiên cứu và phân tích các dạng lò xo vi cơ và bộ vi dịch chuyển mũi dò quét đã được công bố trên thế giới và ở Việt Nam, để từ đó đề xuất các cấu trúc lò xo và bộ vi dịch chuyển mũi dò quét định hướng ứng dụng trong khắc các cấu trúc nano. 1.1. Cơ sở về kỹ thuật khắc đầu dò quét German Alois Senefelder đã phát minh ra kỹ thuật in mới gọi là lithography vào năm 1798. Sau đó Nicéphore Niépce đã tạo ra hình ảnh đầu tiên bằng phương pháp của ông được gọi là “heliography”, từ đó kỹ thuật chụp ảnh được phát minh. Một khoảng thời gian dài sau đó, kỹ thuật quang khắc được phát minh sử dụng phương pháp quang hóa và xử lý hóa học. Vào những năm 1950, Jack Kilby phát minh ra mạch tích hợp (IC) và phương pháp quang khắc được sử dụng chủ yếu trong sản xuất các mạch IC, bởi vì nó có thể chế tạo ra các mẫu rất nhỏ và có hiệu suất cao để giảm chi phí sản xuất. Tuy nhiên, quang khắc cũng có nhược điểm: độ phân giải bị hạn chế bởi hiện tượng nhiễu xạ và đòi hỏi thiết bị đắt tiền, chỉ thích hợp cho ngành công nghiệp. Do đó, các nhà nghiên cứu đã phát triển một số phương pháp để thay thế quang khắc. Đặc biệt sau khi phát minh kính hiển vi quét đầu tiên (tiếng Anh: Scanning probe microscopy, thường viết tắt là SPM) vào năm 1981, có nhiều phương pháp sử dụng SPM để tạo mẫu có kích thước cỡ 100 nm như: kỹ thuật in lắng đọng dip-pen, kỹ thuật ôxi hóa vùng, kỹ thuật sử dụng lực cơ học nó được gọi chung là khắc đầu dò quét (SPLs). Khắc cơ học: Bằng việc đặt một lực lên mũi dò AFM hoặc bằng điều khiển thanh dầm lệch đi trong quá trình quét, mẫu khắc cơ học trên bề mặt cứng hoặc mềm sẽ được tạo với chiều rộng khoảng vài chục nano mét và chiều sâu khoảng vài nano mét [9]. Việc khắc trên mặt cứng có thể làm mòn mũi dò và làm giảm thời gian sử dụng, khắc phục bằng cách phủ mũi dò với một vật liệu cứng hoặc làm mũi dò trực tiếp từ các vật liệu cứng như kim cương có thể cải thiện thời gian sử dụng [10]. Hình 1.1: Hình ảnh minh họa phương pháp khắc cơ học Các vật liệu mềm giống như polymer là rất dễ khắc rãnh cơ học. Đầu dò AFM đã được sử dụng cho khắc trực tiếp trên lớp phủ PMMA, và dây nano kim loại có thể được tạo bằng quá trình lift- off [11]. 5
10. Các phương pháp chấp hành Để điều khiển các đầu dò hoạt động có ba phương pháp chấp hành thường được sử dụng đó là: chấp hành nhiệt, chấp hành áp điện và chấp hành tĩnh điện. Phương pháp chấp hành tĩnh điện Phương pháp sử dụng lực hút tĩnh điện của hai điện cực trái dấu để điều khiển thanh dầm. Hình 1.2: Cấu trúc thanh dầm điều khiển bởi chấp hành tĩnh điện Phương pháp này có tốc độ đáp ứng của các bộ truyền động tĩnh điện rất cao và chỉ giới hạn bởi tần số riêng của hệ thống dầm treo và hằng số thời gian của dao động điện đặt vào hệ thống. Để sử dụng phương pháp chấp hành tĩnh điện ta thiết kế một bản cực song song với thanh dầm và mặt sau của thanh dầm làm một điện cực, khi phân cực ngược cho hai điện cực thì thanh dầm sẽ bị hút và uốn cong như hình 1.2 [19]. 1.2. Hiệu suất khắc đầu dò quét Một vấn đề chung cho tất cả SPL là hiệu suất khắc thấp, nghĩa là diện tích mẫu được khắc trên một đơn vị thời gian rất nhỏ. Đây sẽ không phải là một vấn đề đối với phòng thí nghiệm nhưng khi sản xuất thương mại thì chi phí sản xuất lại là vấn đề cần được chú ý. Trong sản xuất công nghiệp, vấn đề hiệu suất phải được giải quyết. Một giải pháp là sử dụng mô hình mảng với nhiều đầu dò song song (Hình 1.3). Có hai loại mảng đầu dò: mảng đầu dò tích cực và mảng đầu dò thụ động. Hình 1.3: Hình ảnh đơn đầu dò và mảng đầu dò [19] 6
11. 1.3. Mục tiêu của luận án Trong luận án này nghiên cứu sinh tiến hành nghiên cứu tổng quan về các kỹ thuật khắc sử dụng đầu dò quét, các cấu trúc và phương pháp chấp hành điều khiển đầu dò quét. Từ đó đưa ra các mục tiêu nghiên cứu cụ thể trong luận án như sau: - Nghiên cứu đề xuất và thiết kế mô phỏng hoạt động các cấu trúc chấp hành đầu dò quét dịch chuyển thẳng đứng, nhằm khắc phục sự bất đối xứng của các đầu dò dạng dầm thẳng cố định một đầu truyền thống để cải thiện độ lệch biên của mũi dò từ đó nâng cao độ chính xác của các cấu trúc nano được khắc. Ngoài ra, các cấu trúc đầu dò được phát triển có khả năng chống nhiễu gây bởi kết cặp của các mode lân cận, tăng hiệu suất khắc và tăng độ dịch chuyển. - Nghiên cứu đề xuất và thiết kế mô phỏng hoạt động bộ chấp hành dịch chuyển ba chiều xyz với khả năng điều khiển độc lập dựa trên việc đề xuất phương pháp cách ly điện trong khi đảm bảo kết cặp cơ. - Xây dựng các mô hình lý thuyết làm cơ sở cho việc thiết kế các bộ vi chấp hành có các đặc trưng hoạt động theo yêu cầu. - Đề xuất quy trình chế tạo và chế tạo thành công mũi dò quét có kích thước ở thang nano dựa trên kỹ thuật quang khắc truyền thống và công nghệ vi cơ khối ướt. 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ MÔ PHỎNG Lý thuyết cơ bản làm cơ sở cho tính toán để lựa chọn các thông số của cấu trúc bộ chấp hành được đề xuất. Tần số hoạt động, điện áp điều khiển, và độ dịch chuyển được tính toàn dựa trên lý thuyết cơ học vật rắn và lý thuyết trường tính điện. Các đại lượng liên quan đến hoạt động của bộ vi dịch chuyển như nhiễu kết cặp mode và điều kiện môi trường hoạt động như hệ số cản không khí cũng được nghiên cứu. Ngoài ra, trong luận án này phương pháp phần tử hữu hạn được lựa chọn để mô phỏng hoạt động của các bộ vi dịch chuyển. Các kết quả tính toán từ các phương trình toán học được so sánh với các kết quả mô phỏng nhằm xác nhận độ chính xác của các phương pháp nghiên cứu đối với các bộ vi dịch chuyển có cấu tạo phức tạp. 2.1. Tính toán độ cứng của lò xo Trong kỹ thuật vi cơ điện tử, dịch chuyển của một bộ chấp hành thường được thực hiện bằng biến dạng đàn hồi của các phần tử lò xo đàn hồi. Một cách để mô tả đáp ứng tĩnh của các phần tử lò xo đàn hồi là xác định độ cứng liên quan của chúng[32]. a. Độ cứng của dầm thẳng Xét trường hợp dầm cố định một đầu, đầu còn lại bị tác động một lực làm uốn cong, lúc này ngoài chịu tác dụng uốn nó còn chịu một lực xoắn như hình 2.1 (b). (a) (b) Hình 2.1: Tải và biến dạng của: (a) lực và (b) mô-men xoắn [32]. Trong trường hợp này lực tác dụng theo phương z được xác định theo phương trình (2.1). 7
12. Fz Ku lz K cy (2.1) y z Độ cứng tương đương của một thanh dầm theo phương y ( keq ) và phương z ( keq ) được tính bằng các công thức sau: 12EI 12EI yy ky zz , k z , (2.2) eqL3 eq L 3 b. Độ cứng của dầm gấp khúc kiểu zig-zag Một giải pháp khác cho thanh dầm nhằm tăng chiều dài, giảm kích thước của cấu trúc, có thể tạo độ cứng thấp và bảo đảm tỉ lệ cạnh không vượt quá 20 lần khi chế tạo thanh dầm, đó là lò xo gấp khúc có dạng zig-zag (serpentine) như hình ba chiều bên dưới (hình 2.2). Lò xo zig-zag có thể chuyển động kéo dãn hoặc nén lại hoặc uốn cong theo phương z[32]. Ngoài ra nó còn giải quyết các vấn đề của sự vênh lên do các ứng suất dư[37]. (a) (b) Hình 2.2: (a) hình ảnh 3 chiều của một dầm dạng zig-zag, (b) sơ đồ tương đương Nếu các khâu có độ dài không bằng nhau mà mà chiều dài l1 giảm một cách tuyến tính thì ta thu được cấu trúc như hình 2.3. Hình 2.3: Cấu trúc của một lò xo dạng zig-zag có các khâu kích thước khác nhau và giảm dần tuyến tính[32] Độ cứng của 1 khâu dích dắc được xác định bởi phương trình (2.3) 3EGI I K y t (2.3) z1 6EIlll 3 l 4 GIl3 2 l 2 y1 2 1 2 t 1 2 Với các khâu của lò xo giống nhau ta có công thức tính tổng độ cứng theo phương z: 1 1 1 n K K z1 (2.4) K K K Kz n zz1 zzn 1 8
13. Trong đó E là mô đung Young, Iy là mô men quán tính mặt cắt ngang của dầm theo trục y, It là mô men xoắn, l1 và l2 là chiếu dài của các đoạn dầm. wh3 I y (2.5) 12 3 3 1 h h It wh 0.21 1 4 (2.6) 3w 12 w c. Độ cứng của dầm gấp khúc kiểu càng cua (Crab-leg). Nhược điểm lớn nhất của việc thiết kế các cấu trúc dầm treo là khi phần tải trọng dịch chuyển dầm bị nén đạt đến giới hạn tới hạn nó tạo ra sự vênh của dầm đó. Để khắc phục điều này ta có thể dùng cấu trúc lò xo gấp khúc dạng càng cua như hình 2.4 Hình 2.4: Cấu trúc cơ bản của lò xo dạng càng cua[38]. Do đó, độ cứng Kx có thể được tính theo công thức (2.7) [32]. F 1 K x l kl2 l 3 kl 2 33 kll 2 2 3 kll 2 (2.7) x 1 22 2 21 212 212 EA3 EI Tương tự, độ cứng Ky được tính theo công thức sau [39]: F 1 Ky (2.8) l kl2 lkl3 2 33 klkl ( ) 3( kll ) 2 3( klkl ) 2 y 1 2 2 2 12 3131 312 3112 EA3 EI Trong đó: ll2 lll 2 2 l 3 ll l 2 k 1 2,,,,, k 1 1 2 2  1 2  2 1P2EI 3 P 2 EI 11 3 EI 33 EI 2 EI 33kk 1PP 3  11 kk 3 PP 1 k1 2, k 3 2  11 33  11 33 Độ cứng Kz [39]: F 1 K z ()lkl z2 l 2 l 3 3() klkl zz (2.9) z 1 2 2 1 2 2 1 2 1 GI3 EI P 1 Trong đó: 2 z zlll1 1 2 z ll 1 2 z k 2P k2P ,, 22 k 2 z 2EI1 GIp EI 1 GI P 2 P G là mô-đun trượt, I1 là mô-men quán tính mặt cắt ngang của dầm, IP là mô-men quán tính cực của mặt cắt ngang, η là hệ số Poisson. 9
14. E wh3 1 h h 4 G , I , I wh3 0.21 (1 ) 2(1  )1 12P 3w 12 w4 Khi ghép hai khâu càng cua lại để giảm hiệu ứng vênh của các lò xo treo gấp khúc dạng càng cua được trình bày trong hình 2.5. Hình 2.5: Cấu trúc lò xo gấp khúc dạng càng cua kép[32] Độ cứng Kz được xác định bằng biểu thức sau[32]: 3EGI I K y t z 2 2 3 3 (2.10) 6EIlly 121122 l ll l GI t 4 l 1 6 llll 1212 ( ) 3 l 2 2.2. Tính toán tần số tự nhiên Tần số dao động riêng cho phép chúng ta xác định được độ dịch chuyển của cấu trúc và tần số cộng hưởng khi đặt điện áp điều khiển. Ngoài ra tần số dao động riêng có thể giúp chúng ta thiết kế cấu trúc với các độ cứng của dầm sao cho tần số hoạt động không xảy ra hiện tượng kết cặp giữa các mode lân cận. Khối lượng của cấu trúc được tính như phương trình (2.11) [35]. m Axfxdx() ()2 eq (2.11) L Trong đó, là khối lượng riêng, A(x) là diện tích mặt cắt ngang của thanh dầm. f( x ) là hàm phân phối uốn. Khối lượng quy đổi có thể được tính theo công thức (2.12): 13 meq m (2.12) 35 Trong đó, m là khối lượng của thanh dầm. Tần số tự nhiên của cấu trúc có thể được tính bằng: 1 K feq (2.13) 2 M 2.3. Tính toán điện áp tới hạn (Vpull_in) của cấu trúc dịch chuyển một chiều theo phương z Một hiện tượng liên quan đến lực tĩnh điện với Vac= 0, khi cung cấp Vdc, điện cực dịch chuyển chịu ảnh hưởng của hai lực, lực tĩnh điện và lực đàn hồi. Lực tác dụng Fnet lên vật ở vị trí cân bằng là: 1 A 2 Fnet o2 V dc Kgz eff ( ) 0 2 (g z) (2.14) 10
15. Phương trình có nghiệm khi Vdc nhỏ hơn điện áp tới hạn Vpull-in. Nó được xác định như phương trình (2.15) khi đạo hàm của điện áp đối với vị trí dịch chuyển bằng không [43]. K zg( z )2 V 2 eff (2.15)  A o Từ phương trình (2.14) và (2.15) ta có [43]: 3 8 Keff g Vpull in với z=g/3 (2.16) 27 o A Khi Vdc lớn hơn hoặc bằng giá trị tới hạn Vpull-in, vi chấp hành không tồn tại vị trí cân bằng, đầu dò sẽ ở trạng thái không ổn định và có thể tiếp xúc hoặc chạm vào điện cực điều khiển. 2.4. Tính toán độ dịch chuyển của cấu trúc Khi xem xét dao động của đĩa điện cực mang mũi dò dịch chuyển dưới tác dụng của lực động trong môi trường không khí. Đối với các chuyển vị, phương trình dao động của hệ thống là: dz2 dz A meff2 Kzc eff  o 2 VV dc ac cos  t (2.17) dt dt( g z ) Trong đó c là hệ số lực cản của không khí. Phương trình tương đương là: A z  VV cos( t ) (2.18) oK g 2 dc ac eff 3. KẾT QUẢ THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BỘ CHẤP HÀNH TRỤC Z Để khắc phục độ lệch biên của các đầu dò quét truyền thống, tăng độ dịch chuyển, chống lại nhiễu kết cặp mode và tăng hiệu suất khắc. Chương này sẽ đề xuất các cấu trúc dạng vi treo khắc phục các nhược điểm vừa nêu. Đối với bộ chấp hành, bộ dao động hay các cảm biến cơ học, lò xo vi cơ là một thành phần quan trọng [19, 46-50]. Thiết kế cấu trúc lò xo được xem là tối ưu nếu nó có thể ưu tiên hoạt động theo một mode khi trong hạn chế được các mode hoạt động không mong muốn [51- 54]. Đối với các bộ dịch chuyển trong hai hướng độc lập x và y thì dạng lò xo với các thanh dầm gấp là lựa chọn tốt nhất. Do nó có độ dịch chuyển lớn và hoạt động ổn định [25, 55, 56]. Tuy nhiên, đối với bộ dịch chuyển ngoài mặt phẳng (theo trục z) [19, 46- 49, 57] có rất ít dạng lò xo được đề xuất và nghiên cứu, chỉ có dạng lò xo với dầm thẳng hoặc dạng gấp khúc. Các đặc tính hoạt động của các bộ vi treo này được nghiên cứu bằng các phương trình lý thuyết và so sánh với phương pháp mô phỏng số (FEM). 3.1. Bộ chấp hành sử dụng lò xo kiểu dầm thẳng truyền thống và cải tiến Cấu trúc vi treo bốn dầm thẳng có một đầu gắn cố định đầu còn lại gắn ở trung điểm ở các cạnh của tấm hình vuông trung tâm như hình 3.1 (a), được gọi là cấu trúc vi treo dạng 1sb (spring with straight beams). Cấu trúc thứ hai là một cấu trúc vi treo sử dụng thanh dầm thẳng bố trí chéo có một đầu cố định, đầu còn lại gắn với các góc của tấm hình vuông trung tâm như trong hình 3.1 (b), được gọi là cấu trúc vi treo 11
16. dạng 2sb. Tương tự như hình 3.1 (b), cấu trúc vi treo trong hình 3.1 (c) gồm bốn thanh dầm nối bốn góc, nhưng các thanh dầm trong trường hợp này ghép song song với nhau, gọi là cấu trúc vi treo dạng 3sb. Để cấu trúc hoạt động không kết cặp giữa các mode lân cận thì sự sai khác của tần số y z z y f2nd f 1 st f1st f2nd f 100 z mode thứ nhất và mode thứ hai f phải lớn hơn 30%. 1st Thanh dầm (a) Thanh dầm (b) Tấm trung tâm Mũi dò Tấm trung tâm Mũi dò Tấm trung tâm (c) (d) Tấm trung tâm Thanh dầm 2 Mũi dò Thanh dầm 1 Mũi dò Thanh dầm Hình 3.1: Bộ chấp hành phương z sử dụng cấu trúc vi treo bốn dầm thẳng (a) cấu trúc vi treo bốn dầm thẳng dạng 1sb; (b) cấu trúc vi treo bốn dầm thẳng dạng 2sb; (c) cấu trúc vi treo bốn dầm thẳng dạng 3sb; (d) cấu trúc vi treo bốn dầm gấp khúc dạng 4sb. Hình 3.2: Hình dạng mode thứ nhất và thứ hai của bộ chấp hành phương z sử dụng cấu trúc vi treo bốn dầm thẳng truyền thống (a, b) cấu trúc vi treo 1sb; (c, d) cấu trúc vi treo 2sb; (e, f) cấu trúc vi treo 3sb; (g, h) cấu trúc vi treo 4sb. 12
17. Hình 3.3: Kết quả mô phỏng sự sai khác tần số riêng của mode thứ nhất và thứ 2 phụ thuộc vào chiều dài của dầm. Các cấu trúc lò xo gấp khúc là các kiểu chấp hành theo trục z được sử dụng nhiều với ưu điểm vượt trội về độ dịch chuyển. Hình 3.4: Bộ chấp hành sử dụng cấu trúc vi treo lò xo gấp khúc: (a) cấu trúc vi treo lò xo gấp khúc 1fb, (b) cấu trúc vi treo lò xo gấp khúc 2fb, (c) cấu trúc vi treo lò xo gấp khúc 3fb, (d) cấu trúc vi treo lò xo gấp khúc 4fb. 13
18. Ngoài ra chấp hành trục z sử dụng các lò xo dạng gấp khúc còn đảm bảo tỉ lệ cạnh cho các thanh dầm khi chế tạo. Tăng chiều dài của dầm mà kích thước tổng thể của lò xo tăng không đáng kể, do cấu tạo gấp khúc sẽ có thể tiết kiệm được không gian thiết kế và có khả năng tăng tích hợp và hiệu suất cho hệ thống. Bốn cấu trúc đề xuất trong hình 3.4. Sử dụng phương pháp mô phỏng số để khảo sát hình dạng của các mốt hoạt động của từng dạng cấu trúc. Hình 3.5 (a, b) là mode thứ nhất và thứ hai của cấu trúc 1fb, hình 3.6 (c, d), (e, f), (g, h) lần lượt là hình dạng của mode dao động thứ nhất và thứ hai của các cấu trúc 2fb, 3fb và 4fb Hình 3.5: Hình dạng mode dao động thứ nhất và thứ hai: (a, b) cấu trúc 1fb; (c, d) cấu trúc 2fb; (e, f) cấu trúc 3fb và (g, h) cấu trúc 4fb Hình 3.6:(a) Đồ thị thể hiện tần số hoạt động của mốt thứ nhất phụ thuộc vào chiều dài hiệu dụng của lò xo và (b) đồ thị thể hiện sự sai khác tần số giữa mốt thứ 1 và 2 của các cấu trúc phụ thuộc vào chiều dài của lò xo Khảo sát sự phụ thuộc của tần số riêng và sự sai khác tần số giữa mốt thứ nhất và thứ hai phụ thuộc vào chiều dài của dầm. Kết quả thể hiện trong hình 3.6 (a) và hình 3.6 (b). Từ các kết quả khảo sát ta có thể lựa chọn dạng cấu trúc và chiều dài của các dầm phù hợp để đáp ứng được yêu cầu và điều kiện của thiết kế như tỷ lệ cạnh và chống 14
19. nhiễu kết cặp giữa các mode lân cận tốt. Cấu trúc dạng 3 đã được lựa chọn để làm cấu trúc dịch chuyển theo phương z, tích hợp trong cấu trúc dịch chuyển ba chiều xyz 3.3. Cấu trúc dầm kết cặp cơ sử dụng 2 khung kết cặp để tăng chiều dài dịch chuyển Bộ vi treo dịch chuyển theo trục z được thiết kế như trong hình 3.7, trong đó lò xo bao gồm ba hệ treo sử dụng dầm thẳng được ghép với nhau thông qua hai khung. Hình 3.7: Hình ảnh thiết kế 3 chiều của cấu trúc kết cặp cơ ba hệ dầm treo sử dụng dầm Hình 3.8: Hai mode hoạt động thứ nhất và thứ hai của bộ vi chấp hành trục z cho ba trường hợp chiều dài thanh dầm: (a, b), (c, d) và (e, f) lần lượt là l2 = 50 µm, 100 µm, và 150 µm, trong khi chiều dài của dầm thứ nhất và thứ ba ( l1 và l3), được giữ lần lượt là 50 µm và 20 µm. Chiều rộng và độ dày của tất cả các dầm được giữ ở 10 µm. 15
20. Hình 3.9: Sự phụ thuộc của tần số hoạt động f và sự sai khác tần số f giữa hai mode hoạt động đầu tiên của bộ vi chấp hành trục z trong ba trường hợp độ dày của dầm, h = 10 µm, 20 µm, và 30 µm, trên chiều dài của dầm, l1, l2 và l3: (a, b), (c, d) và (e, f) lần lượt là f và f cho h = 10 µm, 20 µm và 30 µm. 4. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BỘ VI DỊCH CHUYỂN BA CHIỀU XYZ Một bộ chấp hành trục z có gắn mũi dò quét kết hợp với một bộ dịch chuyển đế theo phương xy có thể được sử dụng để chế tạo các cấu trúc nano. Tuy vậy, việc phát triển một hệ thống khắc nano dựa trên một thiết bị được tích hợp cả ba bộ vi dịch chuyển x, y, và z là rất cần thiết cho giảm giá thành chế tạo và tăng khả năng tích hợp với các hệ thống điều khiển. Trên thế giới, người ta đã tìm cách để tích hợp cả ba bộ chấp hành x, y, z vào trong cùng một chíp. Tuy nhiên, các công bố này còn rất hạn chế. Trong chương này, một bộ vi chấp hành ba chiều có khả năng điều khiển độc lập các phương x, y, z được đề xuất thiết kế và mô phỏng. Bộ chấp hành trục z với cấu trúc vi treo bốn dầm gấp khúc dạng càng cua được sử dụng nhằm thu nhỏ diện tích thiết kế, cung cấp phạm vi tần số hoạt động rộng và tăng độ dịch chuyển, kết hợp với dầm treo gấp khúc được bố trí trực giao với nhau để điều khiển mũi dò quét theo các hướng x, y. Bộ chấp hành tĩnh điện dạng tụ điện kiểu răng lược được sử dụng để điều khiển dịch chuyển theo hướng x và y, trong khi truyền động tĩnh điện dạng tụ kiểu song song được sử dụng để điều khiển các dịch chuyển theo hướng z. 16
21. 4.1. Thiết kế cấu trúc vi dịch chuyển XYZ Thiết kế cấu trúc vi dịch chuyển ba chiều đề xuất được hiển thị trong hình 4.1. Hình 4.1: Sơ đồ tổng thể thiết kế của cấu trúc vi dịch chuyển ba chiều XYZ (a); bộ truyền động trục z (b); hình ảnh phóng đại của cấu trúc răng lược kiểu tụ (c); dầm gấp khúc (d); một cầu nối cơ học nhưng cách điện (e) và lỗ tiếp xúc để liên kết điện giữa các đường dẫn điện ở lớp trên và điện cực dưới (f). 4.2. Kết quả và thảo luận của cấu trúc vi dịch chuyển ba chiều xyz. 4.2.1. Tần số theo trục z phụ thuộc vào độ rộng và dộ dày của dầm treo Ba hình dạng mode đầu tiên và tần số riêng của bộ truyền động trục z dựa trên dầm gấp khúc dạng càng cua thu được từ mô phỏng được thể hiện trong hình 4.2. Hình 4.2: Ba hình dạng mode đầu tiên và tần số riêng của bộ chấp hành trục z. Các thông số kích thước của dầm dạng càng cua là la = 230 µm, lb = 95 µm, lc1 = 160µm, lc2 = 215 µm, lc3 = 160µm, lc4 = 145 µm, lc5 = 95 µm, lc6 = 145 µm, ws = 20 µm và h = 10 µm. 17
22. Hình 4.3: Tần số của mode thứ nhất và mode thứ hai và sự sai khác của tần số giữa các mode thứ nhất và thứ 2 của bộ chấp hành phương z được khảo sát như là một hàm của độ rộng của dầm gấp khúc dạng càng cua cho ba độ dày của dầm, h = 10, 20 và 30 µm. 140 t = 10 m 120 t = 20 m 100 t = 30 m [V] 80 60 pull-in V 40 20 8 10 12 14 16 18 20 w [m] f Hình 4.4. Điện áp tới hạn của bộ chấp hành phương z là hàm của độ rộng của dầm gấp khúc dạng càng cua, với g = 2 µm, cho ba độ dày khác nhau của thiết bị: h = 10 µm, 20 µm và 30 µm. Điện áp tới hạn Vpull-in được nghiên cứu như là một hàm của độ rộng dầm cho ba giá trị độ dày, h = 10 µm, 20 µm và 30 µm, được thể hiện trong hình 4.7. Phạm vi tham số được chọn để khảo sát dựa trên tiêu chuẩn của chế tạo thực tế đó là tỷ lệ cạnh giữa chiều rộng/chiều dày và chiều dài của thanh dầm nhỏ hơn 20. Do đó, khi chiều rộng của dầm w tăng thì Vpull-in tăng. Từ những nghiên cứu này, chúng ta có thể chọn điện áp cung cấp phù hợp với bộ truyền động trục z để tránh hiệu ứng mất ổn định trong quá trình hoạt động. 4.2.2. Tần số theo trục xy phụ thuộc vào độ rộng và dộ dày của dầm treo Sự khác biệt giữa mode thứ nhất và thứ hai là 88,23%, trong khi hai mode này được tách biệt hoàn toàn với mode thứ ba (0,85 kHz và 1,6 kHz so với 27,9 kHz). 18
23. Hình 4.5: Ba hình dạng mode và tần số riêng của bộ vi dịch chuyển ba chiều xyz. Các tham số kích thước được thể hiện trong bảng 4.2. Hình nhỏ ở góc trên, bên phải là hình ảnh phóng to của bộ chấp hành theo trục z được tích hợp trong bộ vi dịch chuyển ba chiều xyz. Hình 4.6: Tần số của mode ngoài mặt phẳng phụ thuộc vào tỷ lệ cạnh h/w. 19
24. Sự phụ thuộc tần số hoạt động cộng hưởng của ba mode quan tâm vào tỷ lệ cạnh giữa độ dày và chiều rộng của dầm, h/w cũng được khảo sát và được thể hiện như trong hình 4.6. Tần số của mode dao động trong mặt phẳng x và y là độc lập với độ dày h. Tuy nhiên, tần số của mode dao động ngoài mặt phẳng phụ thuộc vào tỷ lệ cạnh h/w. Tần số tỷ lệ tuyến tính với tỷ lệ h/ws. Để đáp ứng yêu cầu hoạt động với nhiễu chéo tại các mode bậc thấp (f > 40%) [45, 64, 75], tần số hoạt động fz có thể được thiết kế trong khoảng [fx, fy] hoặc bên ngoài phạm vi này như được hiển thị trong các dải màu xanh lam trong hình 4.6 bằng cách thay đổi các tham số của dầm gấp khúc dạng càng cua như trong thiết kế của bộ truyền động trục z. Sự khác biệt mode hoạt động giữa các trục x và y được xác định bằng cách chọn một cách thích hợp các tham số của dầm gấp khúc. Hình 4.7: Sự phụ thuộc của tần số fx và fy và độ cứng kx và ky của bộ vi chuyển động ba chiều xyz vào chiều rộng w và chiều dài L của dầm: (a-b) cho h = 10 µm, 20 µm và 30 µm và (c-d) cho w = 5 µm, 7 µm và 10 µm. 4.2.3. Độ dịch chuyển của cấu trúc phụ thuộc vào điện áp điều khiển Các chuyển vị của tấm trung tâm dọc theo trục x, y và z được nghiên cứu như là một hàm của điện áp điều khiển cho ba khe hở khác nhau giữa hai răng lược liền kề, gc = 1 µm, 1,5 µm và 2 µm và ba khe hở giữa hai bản cực song song điều khiển dịch chuyển dọc trục z, gz = 2 µm, 3 µm và 4 µm tương ứng trong hình 4.8 (a) và (b). Số lượng cặp răng lược trên mỗi hệ tụ là 160. Đối với khoảng cách giữa các răng lược là 1 µm, độ dịch chuyển của tấm trung tâm dọc theo trục x và y lần lượt là 57 µm ở điện áp 60V Đối với bộ truyền động trục z, diện tích điện cực cố định bằng toàn bộ diện tích mặt sau của tấm trung tâm. Khoảng cách giữa hai điện cực truyền động là 3 µm. 20
25. Hình 4.8. Các chuyển vị x và y của tấm trung tâm được khảo sát là hàm của điện áp điều khiển cho ba khoảng cách khác nhau giữa hai điện cực răng lược liền kề, gc = 1 µm, 1,5 µm và 2 µm với h = 10 µm (a) và độ dịch chuyển z của tấm trung tâm được khảo theo điện áp điều khiển cho ba khe hở giữa hai bản cực song song điều khiển trục z, gz = 2 µm, 3 µm và 4 µm (b). 4.2.4. Hệ số phẩm chất của cấu trúc Hệ số phẩm chất của bộ vi dịch chuyển ba chiều xyz phụ thuộc vào hệ số cản không khí được thể hiện trong hình 4.9. Như đã thấy trong hình 4.9, hệ số phẩm chất theo hướng trục z thấp hơn so với hướng trục x và y. Điều này cũng có nghĩa là lực cản không khí trong trục z lớn hơn so với hai trục còn lại. Khi áp suất xung quanh cao hơn 104 Pa, Q gần như không phụ thuộc vào P. Đối với việc dịch chuyển của cấu trúc, biên độ dao động của bộ vi dịch chuyển ba chiều theo mỗi hướng được tính bằng Z =  Q, trong đó  là hằng số phụ thuộc vào các thông số kích thước của bộ vi dịch chuyển ba chiều và lực hút tĩnh điện điều khiển [68]. Hình 4.9: Hệ số chất lượng của cấu tríc vi dịch chuyển 3 chiều xyz, Qx, y, z, được nghiên cứu như là một hàm của áp suất xung quanh cho ba hướng dao động, trục x và y (lực cản của màng trượt không khí) và trục z (lực cản của màng nén không khí). 21
26. 5. KẾT QUẢ CHẾ TẠO MŨI DÒ BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĂN MÒN ƯỚT Với điều kiện công nghệ tại Việt Nam và các thiết bị hiện có tại ITIMS, Đại học Bách khoa Hà Nội, một quy trình chế tạo mũi dò và quy trình chế tạo các cấu trúc chấp hành trục z phù hợp được đề xuất và thực hiện. Chương này trình bày các bước chế tạo mũi dò có độ phân giải khoảng 100 nm, sử dụng kỹ thuật quang khắc truyền thống và công nghệ vi cơ khối ướt. Các kết quả chế tạo mũi dò được khảo sát dựa trên ảnh hiển vi điện tử quét hiệu ứng trường FESEM. 5.1. Quy trình chế tạo và thu nhỏ mũi dò Từ phiến SOI bán dẫn loại n định hướng với chiều dày lớp linh kiện là 30 µm và lớp SiO2 là 3 µm (hình 5.1(a)). Lớp SiO2 ở giữa có tác dụng làm lớp cách điện giữa các cấu trúc trong lớp linh kiện, nhưng đồng thời tạo kết cặp cơ giữa lớp linh kiện và lớp silic đế phía dưới. Phiến silic được cắt thành các đế có kích thước 2 cm x 2 cm và tiến hành làm sạch bề mặt bằng quy trình SC (Surface cleaning) chuẩn trong phòng sạch theo các bước như sau: - Bước 1: Rửa bằng Aceton và ethanol được thực hiện ở điều kiện nhiệt độ phòng và rung siêu âm trong 10 phút. - Bước 2: Rửa bằng Phyranha ở nhiệt độ 80oC trong 30 phút - Bước 3: Tẩy lớp oxit tự nhiên bằng HF 1% trong 1 phút. Sau khi làm sạch, đế được cho vào lò để ôxi hóa ướt ở nhiệt độ 1050oC trong 15 phút nhằm tạo ra lớp SiO2 có độ dày 140 nm (kiểm tra chiều dày lớp SiO2 bằng máy Elipsometer). Lớp SiO2 này được dùng để làm mặt nạ bảo về Si trong quá trình ăn mòn dị hướng trong KOH (Hình 5.1(b)). Để thực hiện quang khắc, mặt nạ phim đã được thiết kế và in tại Việt Nam. Lớp cảm quang sau đó được phủ lên bề mặt đế bằng phương pháp quay phủ với vận tốc quay 3000 vòng/phút trong 30 giây (Hình 5.1(c)), sau đó nung sơ bộ ở nhiệt độ 95oC trong 10 phút nhằm bay hơi bớt dung môi của chất cảm quang. Bước tiếp theo tiến hành quang khắc với chùm tia UV có công suất 300 W ở bước sóng 365 nm. Sau khi quang khắc đế được hiện hình và nung ở nhiệt độ 125oC trong 30 phút để đóng rắn chất cảm quang (Hình 5.1(d)). Sau khi hiện hình, cấu trúc được kiểm tra bằng kính hiển vi trước khi cho vào ăn mòn SiO2 sử dụng dung dịch BHF (tỷ lệ HF:NH4F = 1:5) (Hình 5.1(e)). Tiếp theo, lớp cảm quang được tẩy bỏ để thu được lớp mặt nạ SiO2 để bảo vệ Si khi ăn mòn trong KOH (Hình 5.1(f)). Bước tiếp theo, phiến đã mở cửa sổ ăn mon được nhúng vào dung dịch KOH 40% ở nhiệt độ 70oC có khuấy từ 250 vòng/phút, xuất hiện ăn mòn bậc cao mặt với tốc độ ăn mòn r=r /r =1,72 từ đó ta có thể tính được với mặt nạ có độ rộng 20 µm thì khi ăn mòn sâu xuống 10 µm thì đỉnh của mũ dò có thể đạt kích thước cỡ vài chục nano (Hình 5.1(g)). Tuy nhiên khi ăn mòn đến một độ sâu nào đó thì lớp SiO2 sẽ bị gãy, vậy nên mũi dò không thể nhọn được như mong muốn ở kích thước nano. Lớp SiO2 sau đó được tẩy đi và mũi dò tiếp tục được thu nhỏ (Hình 5.1(i)) bằng cách ôxi hóa và tẩy bỏ lớp SiO2 để để làm nhọn mũi dò từ 22
27. (a) (e) (f) (b) (g) (c) (h) (d) (i) Si (100) (311) SiO2 Lớp cảm quang Hình 5.1: Quy trình chế tạo mũi dò Sau 33 phút ăn mòn trong KOH, lớp mặt nạ SiO2 được tảy bỏ. Ảnh hiển vi điện tử phát xạ trường (FESEM) của mảng mũi dò quét như được thể hiện trên hình 5.2 (a) 23
28. và ảnh khuếch đại một mũi dò quét được thể hiện trên hình 5.2 (b). Ảnh FESEM được thực hiện máy JEOL JSM-7600F của Mỹ tại viện AIST, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Hình 5.2: (a) Hình ảnh FESEM tổng thể của mảng các mũi dò;(b) Hình ảnh phóng to của một mũi dò. 6. KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN ÁN Như vậy, luận án này đã nghiên cứu và phát triển các cấu trúc chấp hành có nhiễu chéo thấp nhờ thiết kế các lò xo đáp ứng với chuyển động trong một hướng, trong khi chống lại các mode hoạt động không mong muốn khác. Các đặc trưng hoạt động của bộ vi chấp hành theo phương z cũng như bộ chấp hành dịch chuyển theo ba trục xyz độc lập được khảo sát cả bằng các công thức toán học và mô phỏng số bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Dựa trên các kết quả nghiên cứu đề xuất và khảo sát lý thuyết các bộ vi chấp hành, luận án cũng đã tiến hành chế tạo thử nghiệm mũi dò quét nhằm định hướng tích hợp trong các bộ vi chấp hành cho khắc các cấu trúc nano. Một số kết luận chung của luận án được tóm tắt như sau: - Luận án đã đề xuất thiết kế và mô phỏng đặc trưng hoạt động của bộ chấp hành trục z với độ dịch chuyển lớn trong khi nhiễu kết cặp mode thấp, sai khác tần số 65% - 180% trong phạm vi tần số hoạt động từ 120 kHz – 800 kHz. - Luận án cũng đã phát triển một bộ vi dịch chuyển mũi dò trong ba chiều. Điều khiển độc lập bằng cách bố trí các cấu trúc lò xo trực giao với nhau, mỗi hệ thống lò xo sẽ ưu tiên chuyển động theo một phương mong muốn x, y, z trong khi hạn chế các mốt hoạt động không mong muốn khác. Độ dịch chuyển theo phương x, y, z là 57 µm và 1 µm, điện áp hoạt động tương ứng 60 V và 48.7 V. - Các mô hình lý thuyết đã được thiết lập để khảo sát các đặc trưng hoạt động của các bộ vi chấp hành dựa trên lý thuyết cơ học vật rắn và lý thuyết trường tĩnh điện. Kết quả tính toán từ mô hình lý thuyết phù hợp với kết quả mô phỏng với sai số nhỏ hơn 15% . - Dựa trên cơ sở thiết kế lý thuyết, luận án cũng đã tiến hành nghiên cứu chế tạo thử nghiệm bước đầu các đơn mũi dò có kích thước khoảng 100 nm, dựa trên kỹ thuật quang khắc truyền thống và công nghệ vi cơ khối ướt. 24