Luận án Tiến sĩ Khoa học vật 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

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:133

Thêm vào BST

Báo xấu

20
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài nghiên cứu nhằm 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 linh kiện, 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 mảng hai chiều.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Khoa học vật 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

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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU Hà Nội – 2021
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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS. CHU MẠNH HOÀNG 2. TS. VŨ THU HIỀN Hà Nội – 2020
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Chu Mạnh Hoàng và TS. Vũ Thu Hiền. Các số liệu và kết quả trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào khác. Thay mặt Tập thể hướng dẫn Tác giả PGS. TS. Chu Mạnh Hoàng Đặng Văn Hiếu
LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến PGS.TS. Chu Mạnh Hoàng và TS. Vũ Thu Hiền, những người thầy đã truyền động lực nghiên cứu cho tôi, đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận án. Nhờ sự chỉ bảo tận tình của các thầy, tôi đã có được những kiến thức về khoa học vật liệu, về các công nghệ chế tạo, những kinh nghiệm và phương pháp nghiên cứu, phương pháp viết bài và đăng bài trên các tạp chí ISI và trên hết là mở ra con đường nghiên cứu khoa học tiếp theo của bản thân. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Viện ITIMS, trường ĐH Bách Khoa Hà Nội, trường ĐH Thành Đô và trường Đại học FPT đã tạo điều kiện về thời gian, vật chất và tinh thần giúp tôi hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn GS.TS. Vũ Ngọc Hùng, cùng các anh, chị, em trong phòng thí nghiệm MEMS, Viện ITIMS: ThS. Lê Văn Tâm, TS. Nguyễn Ngọc Minh, NCS. Nguyễn Thanh Hương, TS. Nguyễn Văn Minh, TS. Nguyễn Thị Quỳnh Chi, TS. Ngô Đức Quân, ThS. Nguyễn Ngọc Sơn… đã chia sẻ những kinh nghiệm nghiên cứu khoa học, đã động viên và có những thảo luận góp ý giúp tôi hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Văn Toán đã tạo điều kiện và hướng dẫn tôi sử dụng các thiết bị và làm việc trong phòng sạch. Tôi cũng xin được gửi lời cảm ơn tới bạn bè và đồng nghiệp đã luôn ở bên, động viên khích lệ tôi trong thời gian qua. Cuối cùng, tôi xin giành lời cảm ơn cho gia đình, gia đình là hậu phương vững chắc, là chỗ dựa tinh thần để tôi có thể yên tâm nghiên cứu trong suốt thời gian vừa qua. Hà Nội, ngày …. tháng …. năm 20…. Tác giả Đặng Văn Hiếu
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ................................................. iii DANH MỤC CÁC BẢNG ......................................................................................... v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ............................................................... vi MỞ ĐẦU ................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHẮC ĐẦU DÒ QUÉT ......................................... 6 1.1. Cơ sở về kỹ thuật khắc đầu dò quét ................................................................. 6 1.2. Các phương pháp chấp hành ...........................................................................16 1.2.1. Phương pháp chấp hành nhiệt..................................................................16 1.2.2. Phương pháp chấp hành áp điện ..............................................................17 1.2.3. Phương pháp chấp hành tĩnh điện............................................................17 1.3. Hiệu suất khắc đầu dò quét ................................................................................19 1.4. Công nghệ chế tạo .............................................................................................20 1.5. Mục tiêu của luận án..........................................................................................24 1.6. Kết luận chương 1 .............................................................................................25 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ MÔ PHỎNG ............................................. 26 2.1. Cơ sở tính toán lý thuyết. ...................................................................................26 2.1.1. Tính toán độ cứng của lò xo .....................................................................26 2.1.2. Tính toán tần số riêng ..............................................................................33 2.1.3. Tính toán điện áp tới hạn (Vpull_in) của cấu trúc dịch chuyển một chiều theo phương z ............................................................................................................36 2.1.4. Tính toán độ dịch chuyển của cấu trúc .....................................................37 2.1.5. Điện dung của cấu trúc ............................................................................38 2.1.6. Hệ số phẩm chất của bộ vi chấp hành ......................................................39 2.2. Cơ sở mô phỏng ................................................................................................42 2.2.1. Giới thiệu chung về phương pháp phần tử hữu hạn ..................................42 2.2.2. Phần mềm phân tích phần tử hữu hạn (FEA) ...........................................44 2.3. Kết luận chương 2 .............................................................................................50 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BỘ CHẤP HÀNH TRỤC Z ................. 51 3.1. Bộ chấp hành sử dụng cấu trúc vi treo dầm thẳng truyền thống và cải tiến ........51 i
3.2. Bộ chấp hành sử dụng cấu trúc vi treo lò xo gấp khúc dạng truyền thống và dạng cải tiến .....................................................................................................................56 3.3. Cấu trúc dầm kết cặp cơ ....................................................................................60 3.4. Cấu trúc vi treo kết cặp cơ sử dụng 2 khung kết cặp ..........................................66 3.5. Kết luận chương 3 .............................................................................................73 CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BỘ VI DỊCH CHUYỂN BA CHIỀU XYZ ...................................................................................................... 74 4.1. Thiết kế bộ vi dịch chuyển XYZ ........................................................................74 4.2. Tính toán và mô phỏng cấu trúc.........................................................................78 4.2.1. Chấp hành trục z ......................................................................................78 4.2.2. Chấp hành trục x và y ..............................................................................84 4.3. Tác động của lực cản không khí lên bộ vi dịch chuyển ba chiều xyz..................86 4.4. Kết quả và thảo luận của cấu trúc vi dịch chuyển ba chiều.................................88 4.4.1. Tần số theo trục z phụ thuộc vào độ rộng và độ dày của lò xo treo ..........88 4.4.2. Tần số hoạt động theo trục x, y phụ thuộc vào độ rộng và độ dày của dầm treo ....................................................................................................................91 4.4.3. Độ dịch chuyển của bộ điều khiển XYZ phụ thuộc vào điện áp điều khiển 94 4.4.4. Hệ số phẩm chất của bộ vi dịch chuyển ba chiều......................................95 4.5. Kết luận chương 4 .............................................................................................96 CHƯƠNG 5: CHẾ TẠO MŨI DÒ BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĂN MÒN ƯỚT.......... 97 5.1. Quy trình chế tạo và thu nhỏ mũi dò ..................................................................97 5.2. Quy trình chế tạo bộ chấp hành trục z có gắn mũi dò .......................................101 5.3. Kết quả chế tạo mũi dò và thảo luận ................................................................102 5.4. Kết luận chương 5 ...........................................................................................106 KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN ÁN ................................................................. 107 ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO CỦA LUẬN ÁN ............................. 108 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN .................... 109 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 111 ii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 1. Si: Si-líc 2. IC (Integrated Circuit): Mạch điện tích hợp 3. SPM (Scanning Probe Microscopy): Kính hiển vi đầu dò quét 4. PSL (Probe Scanning Lithography): Kỹ thuật khắc đầu dò quét 5. AFM (Atomic Force Microscope): Kính hiển vi hiển vi lực nguyên tử 6. MFM (Magnetic Force Microscopy): Kính hiển vi lực từ 7. SEM (Scanning Electron Microscope): Kính hiển vi điện tử quét. 8. TEM ( Transmission Electron Microscopy): Kính hiển vi điện tử truyền qua 9. SC (Standard Cleaning): Quy trình rửa phiến Si chuẩn. 10. STM (Scanning Tunneling Microscope): Kính hiển vi quét xuyên ngầm 11. PMMA (Polymethylmethacrylate): Thủy tinh hữu cơ 12. DPN (Dip-Pen nanolithography): Khắc Dip-Pen 13. MEMS (Microelectromechanical system): Hệ thống vi cơ điện tử 14. FEM (Finite Element Method): Phương pháp phần tử hữu hạn 15. FEA (Finite Element Analysis): Phân tích phần tử hữu hạn 16. PDEs (Partial Differential Equations): Phương trình vi phân từng phần 17. HF: Axít Flohydric 18. Tip: Mũi dò (mũi nhọn) 19. KOH: Kali hydro xít 20. SiO2: Si-líc ô xít 21. FESEM: Kính hiển vi điện tử quét hiệu ứng trường 22. CM-AFM: Khắc AFM chế độ tiếp xúc 23. TM-AFM: Khắc AFM chế độ không tiếp xúc 24. Lift-off: Quá trình lift-off 25. DPL: Khắc động 26. CTE: Hằng số giãn nở nhiệt 27. Pd: Palladium 28. Si3N4: Silic nitrua 29. Ge: Germanium 30. MOEMS (Micro Optoelectronic Mechanical Systems): Hệ thống vi cơ quang điện tử 31. Kx; Ky; Kz: Độ cứng của dầm theo các phương x, y và z 32. E: Mô-đun Young iii
33. I: Mô-men quán tính mặt cắt ngang 34. w, h, l: Lần lượt là chiều rộng, chiều cao (độ dày), chiều dài của các cấu trúc. 35. G: Mô-đun trượt 36. m: Khối lượng 37. ω: Tần số góc 38. Vpull_in: Điện áp tới hạn 39. Vdc: Điện áp một chiều 40. Vac: Điện áp xoay chiều 41. Q: Hệ số phẩm chất 42. gc, gz: Lần lượt là khoảng các giữa các răng lược và khoảng các giữa tấm trung tâm và bản cực điều khiển. 43. P: Áp suất 44. ζ: Hệ số cản không khí 45. COMSOL Multiphysics: Phần mềm mô phỏng 46. δf: Sự sai khác tần số giữa hai mode lân cận 47. NaOH: Natri Hydroxit 48. TMAH: Tetramethylammonium Hydroxide (C4H13NO) 49. BHF: Dung dịch axit HF pha loãng (HF48%:H2O = 1:6) 50. Mode: Hình dạng cấu trúc của một hệ thống cơ ở một tần số cộng hưởng iv
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: So sánh STM với AFM hoạt động ở chế độ tiếp xúc (CM-AFM) và AFM hoạt động ở chế độ không tiếp xúc (TM-AFM) cho khắc sử dụng kỹ thuật ôxi hóa vùng [7]...................................................................................................................... 9 Bảng 3.1: Các thông số kích thước của các cấu trúc vi treo 1sb, 2sb, 3sb và 4sb. ..... 52 Bảng 3.2: So sánh kết quả mô phỏng và tính toán..................................................... 53 Bảng 3.3: Các thông số của cấu trúc vi treo lò xo gấp khúc dạng 1fb và 2fb ............. 57 Bảng 3.4: Các thông số kỹ thuật của cấu trúc vi treo kết cặp cơ 1cs, 2cs và 3cs........ 61 Bảng 3.5: Bảng so sánh kết quả giữa tính toán và mô phỏng của cấu trúc vi treo kết cặp cơ 1cs, 2cs và 3cs. .............................................................................................. 64 Bảng 3.6: Các thông số kỹ thuật của cấu trúc vi treo kết cặp cơ sử dụng hai khung kết cặp ........................................................................................................................... 67 Bảng 4.1: Các tính chất vật lý của không khí và Si đơn tinh thể ............................... 78 Bảng 4.2: Các thông số kỹ thuật của cấu trúc dịch chuyển phương z phân tích thành các dầm gấp khúc dạng dầm thẳng. .......................................................................... 80 Bảng 4.3: Các thông số kỹ thuật của cấu trúc dịch chuyển phương z phân tích thành các lò xo gấp khúc dạng zig-zag. .............................................................................. 80 Bảng 4.4: Các thông số kỹ thuật của cấu trúc dịch chuyển phương z phân tích thành các khâu càng cua..................................................................................................... 81 Bảng 4.5: Các thông số kỹ thuật của cấu trúc dịch chuyển phương z phân tích thành các lò xo gấp khúc dạng càng cua kép. ..................................................................... 83 Bảng 4.6: Các thông số kích thước của dầm treo gấp và răng lược. .......................... 84 Bảng 4.7: Bảng so sánh kết quả giữa tính toán và mô phỏng tần số hoạt động của cấu trúc chấp hành trục z với các trường hợp phân tích khác nhau. ................................. 88 Bảng 4.8: Kết quả tính toán và mô phỏng tần số riêng của bộ vi dịch chuyển ba chiều xyz. .......................................................................................................................... 91 v
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) [3] ....... 7 Hình 1.2: Hình ảnh minh họa kỹ thuật khắc đầu dò quét [1] ...................................... 8 Hình 1.3: Hình ảnh minh họa kỹ thuật khắc bằng phương pháp chiếu chùm tia điện tử phát xạ [2] .............................................................................................................. 8 Hình 1.4: Sơ đồ minh họa kỹ thuật khắc bằng phương pháp ôxi hóa vùng [5, 6]........ 9 Hình 1.5: Hình ảnh minh họa kỹ thuật khắc Dip-Pen [9] ......................................... 10 Hình 1.6: Hình ảnh minh họa phương pháp khắc cơ nhiệt [10] ................................ 10 Hình 1.7: Hình ảnh minh họa phương pháp khắc cơ học [12] .................................. 11 Hình 1.8: Sơ đồ minh họa kỹ thuật khắc cơ học sử dụng đầu dò AFM [1] ............... 12 Hình 1.9: Hình ảnh của rãnh PMMA được tạo bởi AFM với mũi dò Si (a) và tín hiệu của rãnh (b) [2]......................................................................................................... 12 Hình 1.10: Ảnh SEM mặt cắt của mũi dò (a) và của đỉnh mũi dò (b) [14]................ 13 Hình 1.11: Các bước chính của quy trình chế tạo bóng bán dẫn dựa trên khắc cơ học sử dụng AFM (a), hình ảnh của rãnh được khắc bằng AFM trong polyimide (b) [15]13 Hình 1.12: Hình ảnh động của mũi dò trong kỹ thuật khắc sử dụng AFM (a). tốc độ khắc cao (b), tốc độ khắc trung bình (c), và tốc độ khắc thấp (d) [15]. ...................... 14 Hình 1.13: Cấu trúc của bộ dịch chuyển ba chiều, (a) hình ảnh phóng to của tấm trung tâm; (b) hình ảnh ba chiều của cấu trúc [19]. ................................................... 15 Hình 1.14: Bộ dịch chuyển trục Z (a); bộ dịch chuyển XY (b); Hình ảnh ba chiều của bộ tích hợp bộ chấp hành XYZ (c) [20] .................................................................... 15 Hình 1.15: Mảng mũi dò điều khiển bởi chấp hành nhiệt [21]. ................................ 16 Hình 1.16: Sơ đồ hệ thống đầu dò chấp hành áp điện [22] ....................................... 17 Hình 1.17: Cấu trúc thanh dầm điều khiển bởi chấp hành tĩnh điện [23] .................. 18 Hình 1.18: Hình ảnh thiết kế của cấu trúc dịch chuyển 3 chiều [19] ........................ 18 Hình 1.19: Cấu trúc vi dịch chuyển hai chiều [24]. .................................................. 19 Hình 1.20: Hình ảnh đơn đầu dò và mảng đầu dò [23] ............................................. 20 vi
Hình 1.21: Hình ảnh hốc ăn mòn đẳng hướng [25] .................................................. 20 Hình 1.22: Hình ảnh SEM của mảng đầu dò chấp hành nhiệt [2] ............................. 21 Hình 1.23: Hình ảnh SEM của cấu trúc mảng mũi dò gồm 64 mũi dò được tích hợp trên cùng một đầu dò [26]. ....................................................................................... 22 Hình 1.24: Hình ảnh SEM của mũi dò và mảng đầu dò chấp hành tĩnh điện [8]....... 22 Hình 1.25: Ảnh SEM của sản phẩm được khắc bới kỹ thuật Dip-Pen [27] ............... 23 Hình 1.26: Hình minh họa sự lệch biên của thanh dần cố định một đầu ................... 23 Hình 1.27: Cấu trúc dầm thẳng cố định hai đầu hoạt động đối xứng ........................ 24 Hình 2.1: Tải và biến dạng của dầm tuyến tính [32]. ............................................... 26 Hình 2.2: Tải và biến dạng của: (a) lực và (b) mô-men xoắn [32]. ........................... 27 Hình 2.3: (a) hình ảnh 3 chiều của một lò xo dạng zig-zag, (b) sơ đồ tương đương.. 29 Hình 2.4: Cấu trúc hình học một khâu cơ bản của lò xo dạng zig-zag [32]............... 29 Hình 2.5: Cấu trúc của một lò xo dạng zig-zag nhiều khâu [32]............................... 30 Hình 2.6: Cấu trúc của một lò xo dạng zig-zag có các khâu kích thước khác nhau và giảm dần tuyến tính [32] .......................................................................................... 30 Hình 2.7: Cấu trúc cơ bản của lò xo dạng càng cua [38]. ......................................... 31 Hình 2.8: Cấu trúc lò xo gấp khúc dạng càng cua kép [32] ...................................... 33 Hình 2.9: (a) cấu trúc vi treo bốn dầm thẳng, (b) sơ đồ tương đương ....................... 33 Hình 2.10: (a) hình ảnh 3 chiều của cấu trúc vi treo bốn lò xo gấp khúc dạng zig-zag, (b) mô hình vật lý tương đương, (c) cấu trúc một lò xo gấp khúc dạng zig-zag cơ bản, (d) mặt cắt ngang của thanh dầm. ............................................................................. 35 Hình 2.11: (a) cấu trúc vi treo bốn dầm dạng càng cua, (b) dạng mô hình hóa, (c) một cấu trúc càng cua cơ bản, (d) mặt cắt ngang của thanh dầm. .............................. 36 Hình 2.12: Sơ đồ hai chiều của tụ điện song song với trường rìa ............................. 39 Hình 2.13: Sơ đồ cấu trúc tụ điện kiểu răng lược ..................................................... 41 Hình 2.14: Các dạng biên chung giữa các phần tử [45] ............................................ 42 Hình 2.15: Các dạng phần tử hữu hạn thường được sử dụng [45] ............................ 43 vii
Hình 2.16: Sơ đồ khối của chương trình tính bằng FEM [45] .................................. 44 Hình 2.17: Hình ảnh chia lưới với các kích thước phần tử khác nhau: (a) chế độ chia lưới cực thô (Extremely Coarse), (b) chế độ chia lưới cơ bản (Normal) và (c) chế độ lưới mịn hơn (Extra Fine). ........................................................................................ 46 Hình 2.18: Ảnh chụp màm hình mô phỏng chia lưới các phần tử hữu hạn ............... 46 Hình 2.19: Ảnh chụp màm hình mô phỏng tần số riêng của cấu trúc ....................... 47 Hình 2.20: Ảnh chụp màn hình mô phỏng điện áp tới hạn ....................................... 48 Hình 2.21: Ảnh chụp màn hình đồ thị thể hiện sự dịch chuyển phụ thuộc vào điện áp điều khiển................................................................................................................. 49 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. .......................................................................................................................... 52 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. .............................. 54 Hình 3.3: Kết quả mô phỏng tần số riêng phụ thuộc vào chiều dài của dầm. ............ 55 Hình 3.4: Kết quả mô phỏng sự sai khác tần số riêng của mode thứ nhất và thứ 2 phụ thuộc vào chiều dài của dầm..................................................................................... 55 Hình 3.5: 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. ............................................... 57 Hình 3.6: Hình dạng mode dao động thứ nhất và thứ hai: (a, b) cấu trúc loại 1fb; (c, d) cấu trúc loại 2fb; (e, f) cấu trúc loại 3fb và (g, h) cấu trúc loại 4fb. ………………..58 Hình 3.7: Đồ thị thể hiện tần số hoạt động của mode thứ nhất phụ thuộc vào chiều dài hiệu dụng của lò xo............................................................................................. 59 Hình 3.8: Đồ thị thể hiện sự sai khác tần số giữa mode thứ nhất và thứ hai của các cấu trúc phụ thuộc vào chiều dài hiệu dụng của lò xo ............................................... 59 viii
Hình 3.9: Mô hình thiết kế của cấu trúc vi treo kết cặp cơ với ba độ lệch khác nhau (D) giữa các thanh dầm của hệ vi treo 1 và hệ vi treo 2: (a) D = 0(cấu trúc vi treo kết cặp cơ 1cs), (b) D = Lf/4 (cấu trúc vi treo kết cặp cơ 2cs), (c) D = Lf/2 (cấu trúc vi treo kết cặp cơ 3cs)............................................................................................... 61 Hình 3.10: Mô hình phân tích tương đương của các cấu trúc vi treo dầm kết cặp cơ 62 Hình 3.11: Hình dạng và tần số của mode thứ nhất và thứ hai cho các dầm kết cặp cơ 1cs, 2cs và 3cs, được thể hiện lần lượt ở (a, b), (c, d) và (e, f) cho Wp = Lp = 150 µm, Lf = 390 µm, Wf = 30 µm, lb1 = lb2 = 120 µm và wb1 = wb2 = 10 µm. Độ dày của lớp cấu trúc được giữ ở 10 µm trong tất cả các khảo sát. ................................................ 63 Hình 3.12: Sự khác biệt của tần số riêng giữa mode thứ nhất và mode thứ hai phụ thuộc vào Wf. ........................................................................................................... 64 Hình 3.13: Tần số riêng mode thứ nhất và mode thứ hai (a); sự sai khác của tần số riêng giữa mode thứ nhất và thứ hai (b) đối với cấu trúc vi treo kết cặp cơ 3cs được nghiên cứu như là một hàm của lb1 và lb2. ................................................................. 65 Hình 3.14: Hình ảnh ba chiều của cấu trúc vi treo kết cặp cơ ba hệ dầm treo sử dụng hai khung kết cặp ..................................................................................................... 66 Hình 3.15: Hai mode hoạt động thứ nhất và thứ hai của bộ vi chấp hành trục z sử dụng hai khung kết cặp cơ 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. .................................................................................. 69 Hình 3.16: 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 sử dung hai khung kết cặp cơ 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............................................................................................................................ 70 Hình 3.17: Điện áp tới hạn phụ thuộc vào độ dài của dầm, l1, l2 và l3 trong ba trường hợp độ dày h: (a) cho h = 10 m, (b) cho h = 20 m và (c) cho h = 30 m. Khi chiều dài của một dầm thay đổi, chiều dài của hai dầm còn lại được giữ ở 20 m. .............. 71 ix
Hình 3.18: Sự dịch chuyển của tấm trung tâm phụ thuộc vào điện áp điều khiển trong ba trường hợp độ dài của dầm thứ hai, l2= 50 µm, 100µm và 150 µm trong khi chiều dài của dầm thứ nhất và thứ ba được giữ ở 50 µm và 20 µm. Chiều rộng và độ dày của tất cả các dầm được giữ ở 10 µm. Độ rộng của các khung được giữ ở 30 µm72 Hình 4.1: Sơ đồ tổng thể thiết kế của bộ 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). ........................................................ 76 Hình 4.2: Sơ đồ kết nối điện để điều khiển bộ truyền động xyz một cách độc lập. ... 77 Hình 4.3: Cấu trúc dầm gấp khúc dạng càng cua ..................................................... 79 Hình 4.4: Cấu trúc lò xo gấp khúc dạng càng cua được phân tích thành các dầm thẳng ........................................................................................................................ 79 Hình 4.5: Cấu trúc lò xo gấp khúc dạng càng cua được phân tích thành các lò xo gấp khúc dạng zig-zag ................................................................................................... 81 Hình 4.6: Cấu trúc lò xo gấp khúc dạng càng cua được phân tích thành các khâu càng cua ................................................................................................................... 82 Hình 4.7: Cấu trúc lò xo gấp khúc dạng càng cua được phân tích thành các lò xo gấp khúc dạng càng cua kép............................................................................................ 83 Hình 4.8: Cấu trúc lò xo treo dạng gấp khúc cho điều khiển hoạt động theo phương xy ............................................................................................................................. 85 Hình 4.9: Đồ thị độ võng của cấu trúc phụ thuộc vào chiều dài của các lò xo treo ... 86 Hình 4.10: Ba hình dạng mode đầu tiên và tần số riêng của bộ chấp hành trục z. Các thông số kích thước của lò xo dạng càng cua là la = 230 µm, lb = 95 µm, lc1 = 160µm, lc2 = 215 µm, lc3 = 160µm, lc4 = 145 µm, lc5 = 120µm, lc6 = 145 µm, ws = 20 µm và h = 10 µm.................................................................................................................... 89 Hình 4.11: Tần số của mode thứ nhất và mode thứ hai và sự sai khác của tần số giữa các mode thứ nhất và thứ hai của bộ chấp hành phương z được khảo sát như là một hàm của độ rộng của lò xo gấp khúc dạng càng cua cho ba độ dày của lò xo, h = 10, 20 và 30 µm. ............................................................................................................ 90 x
Hình 4.12: Điện áp tới hạn của bộ chấp hành phương z là hàm của độ rộng của lò xo gấp khúc dạng càng cua, với g = 2 µm, cho ba độ dày khác nhau h = 10 µm, 20 µm và 30 µm. ................................................................................................................. 90 Hình 4.13: 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 4.6. 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. ................................................................................................ 92 Hình 4.14: Tần số của mode ngoài mặt phẳng phụ thuộc vào tỷ lệ cạnh h/w............ 92 Hình 4.15: 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. ............................................. 93 Hình 4.16: 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).......................................................................... 94 Hình 4.17: Hệ số phẩm chất của bộ vi dịch chuyển ba chiều xyz, Qx,y,z, được khảo sát như là một hàm của hệ số cản không khí cho ba hướng dao động dọc trục x và y (lực cản của màng không khí trượt) và trục z (lực cản của màng không khí nén). ............ 95 Hình 5.1: Quy trình chế tạo mũi dò ......................................................................... 98 Hình 5.2: Quá trình thu nhỏ mũi dò: mũi dò sau khi ăn mòn và tẩy bỏ mặt nạ (a), tiếp tục cho ôxi hóa (b), tẩy bỏ lớp ôxít (c) ...................................................................... 99 Hình 5.3: Độ dày lớp SiO2 đối với Si định hướng (100), (110) và (111) bằng ooxxi hóa ướt[84]............................................................................................................... 99 Hình 5.4: Hình ảnh quang của toàn bộ mặt nạ ....................................................... 100 Hình 5.5: Hình ảnh thiết kế (a) và ảnh quang học mặt nạ của các mẫu mũi dò (b) . 100 Hình 5.6: Hình ảnh thiết kế và ảnh chụp mặt nạ của mẫu hình vuông có bù góc .... 100 Hình 5.7: Quy trình chế tạo bộ chấp hành trục z có gắn mũi dò ............................. 101 xi
Hình 5.8: Hình ảnh minh họa mở lỗ trên bề mặt cấu trúc để tang tốc độ ăn mòn ngang lớp SiO2 ở giữa hai lớp linh kiện ................................................................. 102 Hình 5.9: (a) ảnh quang học của mảng các mẫu mũi dò quét bằng chất cảm quang sau khi đã truyền từ mặt nạ bằng quang khắc vào phiến silic đã được ôxi hóa, (b) ảnh quang học của mảng các mẫu mũi dò quét bằng SiO2 sau khi thực hiện ăn mòn trong dung dịch BHF. ...................................................................................................... 103 Hình 5.10: Ảnh chụp quang học của mũi dò sau khi ăn mòn 10 phút ..................... 103 Hình 5.11: Ảnh chụp quang học của mũi dò sau khi ăn mòn phiến Silic 20 phút trong dung dịch KOH 40% .............................................................................................. 104 Hình 5.12: Ảnh quang học của mũi dò sau khi ăn mòn phiến Silic 25 phút trong dung dịch KOH 40% ....................................................................................................... 104 Hình 5.13: Ảnh quang học của mũi dò sau khi ăn mòn phiến Silic 30 phút trong dung dịch KOH 40% ....................................................................................................... 105 Hình 5.14: Ảnh quang học của mũi dò sau khi ăn mòn phiến Silic 33 phút trong dung dịch KOH 40% ....................................................................................................... 105 Hình 5.15: (a) Hình ảnh FESEM tổng thể của mảng các mũi dò;(b) Hình ảnh phóng to của một mũi dò................................................................................................... 106 xii
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 1
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 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 linh kiện, 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 mảng hai chiều. 2
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. 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. 3
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: 4