Nghiên cứu thiết kế hệ thống lò xo vi treo kiểu dầm cong kết cặp cơ và chế tạo mũi dò quét định hướng ứng dụng khắc các cấu trúc nano plasmonic

Nghiên cứu thiết kế hệ thống lò xo vi treo kiểu dầm cong kết cặp cơ và chế tạo mũi dò quét định hướng ứng dụng khắc các cấu trúc nano plasmonic.Nghiên cứu thiết kế hệ thống lò xo vi treo kiểu dầm cong kết cặp cơ và chế tạo mũi dò quét định hướng ứng dụng khắc các cấu trúc nano plasmonic.Nghiên cứu thiết kế hệ thống lò xo vi treo kiểu dầm cong kết cặp cơ và chế tạo mũi dò quét định hướng ứng dụng khắc các cấu trúc nano plasmonic.Nghiên cứu thiết kế hệ thống lò xo vi treo kiểu dầm cong kết cặp cơ và chế tạo mũi dò quét định hướng ứng dụng khắc các cấu trúc nano plasmonic.Nghiên cứu thiết kế hệ thống lò xo vi treo kiểu dầm cong kết cặp cơ và chế tạo mũi dò quét định hướng ứng dụng khắc các cấu trúc nano plasmonic.Nghiên cứu thiết kế hệ thống lò xo vi treo kiểu dầm cong kết cặp cơ và chế tạo mũi dò quét định hướng ứng dụng khắc các cấu trúc nano plasmonic.Nghiên cứu thiết kế hệ thống lò xo vi treo kiểu dầm cong kết cặp cơ và chế tạo mũi dò quét định hướng ứng dụng khắc các cấu trúc nano plasmonic.Nghiên cứu thiết kế hệ thống lò xo vi treo kiểu dầm cong kết cặp cơ và chế tạo mũi dò quét định hướng ứng dụng khắc các cấu trúc nano plasmonic.Nghiên cứu thiết kế hệ thống lò xo vi treo kiểu dầm cong kết cặp cơ và chế tạo mũi dò quét định hướng ứng dụng khắc các cấu trúc nano plasmonic.Nghiên cứu thiết kế hệ thống lò xo vi treo kiểu dầm cong kết cặp cơ và chế tạo mũi dò quét định hướng ứng dụng khắc các cấu trúc nano plasmonic.Nghiên cứu thiết kế hệ thống lò xo vi treo kiểu dầm cong kết cặp cơ và chế tạo mũi dò quét định hướng ứng dụng khắc các cấu trúc nano plasmonic.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Nguyễn Văn Đường

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG LÒ XO VI TREO KIỂU DẦM CONG KẾT CẶP CƠ VÀ CHẾ TẠO MŨI DÒ QUÉT

ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG KHẮC CÁC CẤU TRÚC

NANO PLASMONIC

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

Hà Nội – 2023

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Nguyễn Văn Đường

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG LÒ XO VI TREO KIỂU DẦM CONG KẾT CẶP CƠ VÀ CHẾ TẠO MŨI DÒ QUÉT

ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG KHẮC CÁC CẤU TRÚC

NANO PLASMONIC

Ngành: Khoa học Vật liệu

Mã số: 9440122

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

GS TS CHU MẠNH HOÀNG

Hà Nội - 2023

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, do tôi thực hiệndưới sự hướng dẫn khoa học của tập thể các Thầy hướng dẫn Các số liệu trong luận

án này là trung thực và chưa từng được tác giả khác công bố

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình thực hiện luận văn này, NCS đã mang ơn nhiều người Đây

là lời tỏ lòng cảm ơn những cá nhân cũng như tập thể đã giúp đỡ NCS trong nhữngnăm thực hiện luận án tiến sĩ tại Viện ITIMS

Trước tiên, NCS xin gửi lời cảm ơn chân thành tới GS.TS Chu Mạnh Hoàng đãgiúp đỡ NCS, người thầy đã truyền động lực nghiên cứu, tận tình hướng dẫn, giúp đỡ

và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho NCS trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu vàthực hiện luận án Nhờ sự ch bảo tận tình, những ch dạy uốn nắn chân tình của thầy,NCS đã c 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 bàitrên các tạp ch ISI và mở ra con đường nghiên cứu khoa học tiếp theo của bản thân.Tiếp theo, NCS muốn gửi lời cảm ơn tới Ban lãnh đạo cùng các thành viêncủa ITIMS, nơi đã giúp NCS c những kiến thức khoa học về khoa học vật liệu,tạo điều kiện để NCS làm các th nghiệm liên quan tới luận án của mình với tâm

lý thoải mái nhất Đặc biệt gửi lời cảm ơn tới TS Nguyễn Văn Toán đã tạo điềukiện để NCS c thể làm việc trong phòng sạch

Luận án này sẽ không thể hoàn thành nếu thiếu sự giúp đỡ, tạo điều kiện cùngnhững trao đổi thú vị của các anh, chị, em trong phòng th nghiệm MEMS, ViệnITIMS: ThS Lê Văn Tâm, TS Nguyễn Ngọc Minh, NCS Nguyễn Thanh Hương, TS.Nguyễn Văn Minh, TS Đặng Văn Hiếu, ThS Nguyễn Ngọc Sơn Và gửi lời cảm ơnsâu sắc tới Kỹ sư tài năng trẻ Nguyễn Quốc Chiến đã cùng đồng hành hướng nghiêncứu, thực nghiệm cùng NCS để c những kết quả nghiên cứu ngày hôm nay

Cuối cùng, tôi xin giành lời cảm ơn gia đình, gia đình là hậu phương vữngchắc, là ch dựa tinh thần để tôi c thể yên tâm nghiên cứu trong suốt thời gianvừa qua

Hà Nội, ngày tháng năm 2023

TÁC GIẢ

Nguyễn Văn Đường

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁ HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

MỞ ĐẦU

Chương 1 CÔNG NGHỆ KHẮC CƠ HỌC SỬ DỤNG MŨI DÒ QUÉT 1

1.1 Tổng quan công nghệ khắc sử dụng mũi dò quét 1

1.1.1 Lịch sử của công nghệ khắc mũi dò quét 1

1.1.2 Cấu trúc cơ bản của hệ thống khắc sử dụng mũi dò quét 4

1.1.3 Kỹ thuật khắc sử dụng mũi dò quét chế tạo cấu trúc nano 5

1.1.4 Các phương pháp chấp hành đầu dò khắc 9

1.2 Tình hình nghiên cứu về khắc sử dụng mũi dò quét trên thế giới 14

1.2.1 Mũi dò quét và phương pháp chế tạo 14

1.2.2 Cấu trúc lò xo vi cơ gắn mũi dò quét và vấn đề còn tồn tại 17

1.2.3 Các giải pháp khắc phục nhược điểm của lò xo vi cơ dầm thẳng 19

1.2.4 Hiệu suất khắc đầu dò quét 22

1.2.5 Một số nghiên cứu kỹ thuật khắc sử dụng mũi dò quét 23

1.3 Tình hình nghiên cứu kỹ thuật khắc sử dụng mũi dò quét trong nước 27

1.4 Kết uận chương 29

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM 31

2.1 Cơ sở ý thuyết 31

2.1.1 T nh toán độ cứng của lò xo vi cơ 31

2.1.2 T nh toán tần số riêng 36

2.1.3 Điện dung của cấu trúc 38

2.1.4 Điện áp làm việc ổn định của chấp hành tĩnh điện 40

2.1.5 Hệ số ph m chất của bộ vi chấp hành 42

2.1.6 T nh toán độ dịch chuyển của cấu trúc 44

2.2 Cơ sở mô phỏng phương pháp phần tử hữu hạn 46

2.2.1 Khái quát phương pháp phần tử hữu hạn 46

2.2.2 Phần mềm mô phỏng phân t ch phần tử hữu hạn 48

2.3 Cơ sở thực nghiệm 50

2.3.1 Kỹ thuật quang khắc 50

2.3.2 Ăn mòn h a học 58

2.3.3 Kỹ thuật khắc ướt silic dị hướng 60

2.4 Kết uận 61

Chương 3 THIẾT KẾ BỘ VI DỊCH CHUYỂN MŨI DÒ QUÉT 63

3.1 Mô hình đầu dò khắc sử dụng chấp hành tĩnh điện 63

3.1.1 Mô hình cấu trúc hệ thống lò xo vi cơ treo mũi dò khắc 63

3.2 Nghiên cứu thiết kế hệ ò xo vi cơ treo đĩa tâm gắn mũi dò sử dụng vi dầm gấp khúc không kết cặp 64

3.2.1 Kết quả t nh toán mô hình 65

3.2.2 Kết quả mô phỏng 67

3.3. Hệ ò xo vi cơ chuyển động theo phương z gấp khúc dầm cong 79

3.3.1 Hệ lò xo vi cơ kết cặp với các dầm cong 79

3.3.2 Hệ lò xo vi cơ không kết cặp với các dầm cong 80

3.3.3 Xây dựng mô hình t nh toán độ cứng của lò xo vi cơ kết cặp 81

3.3.4 Kết quả mô phỏng và so sánh hoạt động của các lò xo vi cơ 85

3.3.5 Đánh giá kết quả mô phỏng và t nh toán 91

3.4 Bộ chấp hành tĩnh điện điều khiển dịch chuyển mũi dò 98

3.4.1 Điện áp điều khiển chấp hành tĩnh điện 98

3.4.2 Hệ số ph m chất của Hệ lò xo vi cơ kết cặp cơ 100

3.5 Kết uận 102

Chương 4 CHẾ TẠO MŨI DÒ QUÉT DỰA TRÊN KỸ THUẬT KHẮC QUANG HỌC VÀ VI CƠ KHỐI ƯỚT 103

4.1 Chế tạo mũi dò quét dựa trên kỹ thuật quang khắc 103

4.1.1 Quy trình chế tạo 103

4.1.2 Quang khắc tạo mặt nạ SiO2 105

4.1.3 Ăn mòn tạo mặt nạ SiO2 107

4.1.4 Tạo mũi dò từ mặt nạ SiO2 108

4.1.5 Thu nhỏ k ch thước mũi dò quét dựa trên quá trình oxy h a 110

4.2 In dập khuôn sử dụng trực tiếp mũi dò quét 113

4.2.1 Quy trình dập khuôn sử dụng mũi dò quét 113

4.2.2 Kết quả chế tạo cấu trúc nano plasmonic dựa trên in dập khuôn 114

4.3 Kết uận 115

KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN ÁN 116

ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO CỦA LUẬN ÁN 117

DANH MỤC CÁC CÔNG TR NH Đ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 118

TÀI LIỆU THAM KHẢO 119

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT AFM (Atomic Force Microscope): Kính hiển vi lực nguyên tử.

STM (Scanning tunneling microscope): K nh hiển vi quét xuyên hầm

DPN (Dip-Pen lithography): Khắc sử dụng mũi dò nhúng

SPM (Scanning Probe Microscope): K nh hiển vi đầu dò quét

SEM (Scanning Electronic Microscope): Hiển vi điện tử quét

TEM (transmission electron microscopy): Ảnh hiển vi điện tử truyền qua

SOI (Silicon on Insulator): Phiến c SiO2 giữa hai lớp silic linh kiện

MEMS Micro-Electro-Mechanical Systems): Hệ thống vi cơ điện tử

BHF (Buffered HF): Dung dịch HF pha thêm NH4F theo tỷ lệ nhất định

DRIE (Deep Reactive Ion Etching): Ăn mòn sâu ion hoạt h a

CVD (Chemical Vapor Deposition): Lắng đọng hơi h a học

LPCVD Lắng đọng hơi hoá học áp xuất thấp.

RIE (Reactive Ion Etching): Ăn mòn ion hoạt h a

PSL (Probe Scanning Lithography): Kỹ thuật khắc đầu dò quét

MFM (Magnetic Force Microscopy): K nh hiển vi lực từ

TEM (Transmission Electron Microscopy): K nh hiển vi điện tử truyền qua

SC (Standard Cleaning): Quy trình rửa phiến Si chu n

FEM (Finite Element Method): Phương pháp phần tử hữu hạn

FEA (Finite Element Analysis): Phân t ch phần tử hữu hạn

FESEM K nh hiển vi điện tử quét hiệu ứng trường

CM-AFM Khắc AFM chế độ tiếp xúc

TM-AFM Khắc AFM chế độ không tiếp xúc

Lift-Off Tạo âm bản – Loại bỏ

DPL Khắc động

DQN Cảm quang dương hai thành phần

RCA1 Quy trình làm sạch phiến bằng NH3

RCA2 Quy trình làm sạch phiến bằng HCl

UV (Ultraviolet): Chùm tia tử ngoại

Mode Hình dạng cấu trúc của một hệ thống cơ ở một tần số cộng hưởng

DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Bảng so sánh k ch thước mũi dò chế tạo bằng các kỹ thuật nêu trên 16 Bảng 3.1 Bảng giá trị thông số ban đầu của hệ lò xo vi cơ treo đĩa tâm gắn mũi dò

sử dụng vi dầm gấp khúc không kết cặp 65

Bảng 3.2 n=1, Khảo sát tần số dao động mode-z của hệ lò xo vi cơ mô phỏng, thay

đổi từng tham số: độ dày t, độ rộng w và g c mở α 69

Bảng 3.3 n=2, Khảo sát tần số dao động mode-z của hệ lò xo vi cơ mô phỏng, thay

đổi từng tham số: độ dày t, độ rộng w và g c mở α 72

Bảng 3.4 n = 3, Khảo sát tần số dao động mode-z của hệ lò xo vi cơ mô phỏng, thay

đổi từng tham số: độ dày t, độ rộng w và g c mở α 72

Bảng 3.5 Độ chênh lệch giữa tần số mode dao động phương z thẳng đứng và

phương lân cận khi thay đổi độ dày t 74

Bảng 3.6 Độ chênh lệch giữa mode dao động phương z thẳng đứng và phương lân

cận khi thay đổi độ rộng w 75

Bảng 3.7 Độ chênh lệch giữa mode dao động phương z thẳng đứng và phương

75

Bảng 3.8 Độ dịch chuyển z khi thay đổi giá trị các thông số độ dày t, đội rộng w và

góc α của dầm lò xo vi cơ 78

Bảng 3.9 Bảng giá trị thông số ban đầu của hệ lò xo vi cơ kết cặp với các dầm cong

79

Bảng 3.10 Sai lệch tần số dao động riêng giữa kết quả mô phỏng và phương pháp

t nh toán khi thay đổi độ rộng w 94

Bảng 3.11 Sai lệch tần số dao động riêng giữa kết quả mô phỏng và phương pháp

t nh toán khi thay đổi độ dày t 94

Bảng 3.12 Sai lệch tần số dao động riêng giữa kết quả mô phỏng và phương pháp

t nh toán khi thay đổi khoảng cách dầm lò xo vi cơ dầm thẳng lIB 95

Bảng 3.13 Sai lệch tần số dao động riêng giữa kết quả mô phỏng và phương pháp

t nh toán khi thay đổi khoảng kết nối giữa các lò xo vi cơ gấp khúc lIS. 95

Bảng 3.14 Độ dịch chuyển z khi thay đổi giá trị các thông số của dầm lò xo vi cơ.91 Bảng 4.1 Bảng tổng hợp quá trình công nghệ vi cơ khối ướt chế tạo mảng mũi dò

trong luận án 112

DANH MỤC CÁC H NH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Sơ đồ k nh hiển vi đầu dò quét đơn giản [13] 1

Hình 1.2 Sơ đồ thành phần, hoạt động của kinh hiển vi lực nguyên tử AFM [19] 3

Hình 1.3 K nh hiển vi lực nguyên tử không tiếp xúc (a) và tiếp xúc((b) [12] 4

Hình 1.4 Cấu trúc cơ bản của hệ thống khắc sử dụng mũi dò quét [20] 4

Hình 1.5(a) Khắc sử dụng mũi dò nhúng [27], (b) Quang khắc trường gần [28], (c) Ôxi h a vùng sử dụng mũi dò [29] 6

Hình 1.6 Kết quả khắc mũi dò quét tạo cấu trúc dây nano [40] 8

Hình 1.7 Cơ chế chấp hành nhiệt [44] 10

Hình 1.8 (a), (c) Hình ảnh thiết kế mảng đầu dò quét, (b) ảnh SEM mảng đầu dò quét với bộ dịch chuyển chấp hành nhiệt [22][44] 10

Hình 1.9 Cấu trúc chấp hành áp điện(a) Mũi dò khắc DPN [46], (b) Thanh lò xo vi cơ dầm thẳng treo mũi dò [47] 11

Hình 1.10 Đầu dò quét chấp hành tụ điện hai bản cực song song [49] 12

Hình 1.11 Cấu trúc dầu dò và chấp hành tĩnh điện song song [39] 13

Hình 1.12 (a) Cấu trúc chấp hành tĩnh điện răng lược [51], (b) ảnh SEM chấp hành tĩnh điện răng lược [52], (c) thiết kế mũi dò dịch chuyển 3 chiều sử dụng chấp hành tĩnh điện răng lược [53] 13

Hình 1.13 Quy trình chế tạo mũi dò bằng kỹ thuật quang khắc [57] 15

Hình 1.14 Quy trình khắc bằng chùm điện tử [58] 15

Hình 1.15 Sơ đồ nguyên lý kỹ thuật khắc trực tiếp bằng chùm laser [59] 16

Hình 1.16 (a) Ảnh lò xo vi cơ dầm thẳng chiều dài khoảng 200 , tần số dao động sử dụng chấp hành nhiệt là 20 kHz [71], (b) Hình ảnh quang học 3D của mảng đầu dò quét đang hoạt động [67], (c) Ảnh AFM dầm lò xo vi cơ thẳng dài 300 [9] 17

Hình 1.17 (a) Ảnh vi mô SEM của cấu trúc lò xo vi cơ dạng chữ T, (b) Hình ảnh thiết kết 3D mô phỏng kết quả chế tạo [72] 18

Hình 1.18 Sự lệch biên của đầu tự do trên lò xo vi cơ dầm thẳng cố định một đầu.

18

Hình 1.19 Mô_men xoắn ngang lò xo vi cơ dầm thẳng 19

Hình 1.20 Hình ảnh lò xo vi cơ hình chữ V [75][76] 19

Hình 1.21 Hệ vi cơ dịch chuyển 3 chiều [77] 20

Hình 1.22 Cấu trúc hệ lò xo vi cơ Serpentine dầm không đổi [78][79] 20

Hình 1.23 (a) Mô hình lò xo vi cơ Serpentine dầm tuyến t nh, (b) và (c) so sánh lò xo vi cơ Serpentine dầm không đổi và lò xo vi cơ Serpentine dầm tuyến tính [81] 21

Hình 1.24 Hình ảnh cấu trúc hệ lò xo vi cơ Serpentine dầm tuyến t nh [4] 22

Hình 1.25 (a) ảnh SEM cấu tạo đầu dò quét đơn mũi dò và cơ cấu chấp hành [9], (b) mảng mũi dò t ch cực [52], (c) mảng mũi dò thụ động [82] 22

Hình 1.26 Kỹ thuật DPN(a) Hình ảnh DPN lắng đọng, (b), (c) Ảnh kết quả lắng đọng [31][88], (d) chế tạo lớp lipid làm cảm biến sinh học [89] 24

Hình 1.27 (a) Dây nano silic hình thành trước khi ăn mòn [92], (b) Ảnh hiển vi lực nguyên tử (AFM) của dây nano silic chế tạo bằng kỹ thuật khắc sử dụng mũi dò [93] 25

Hình 1.28 (a) Hình ảnh đầu dò quét sử dụng mũi dò kim cương,(b) và (c) kết quả khắc trực tiếp lên silic [97] 25

Hình 1.29 (a) Quang khắc trường gần sử dụng mảng mũi dò [42], ((b) Kết quả sử dụng mũi dò khắc dập khuôn lên PDMS [84] 26

Hình 1.30 Ảnh kết quả sử dụng kỹ thuật dập khuôn 3D chế tạo mảng dây nano [82]. 26

Hình 1.31 Bộ chấp hành phương z sử dụng cấu trúc bốn lò xo vi cơ thẳng: (a) cấu trúc sử dụng bốn lò xo vi cơ thẳng dạng song song, (b) cấu trúc sử dụng bốn lò xo vi cơ thẳng dạng đối xứng [99] 27

Hình 1.32 Hệ lò xo vi cơ gấp khúc càng cua [98] 28

Hình 2.1 Biến dạng của lò xo vi cơ dầm thẳng (dầm công xôn) khi chịu lực tác động

[100] 32

Hình 2.2 Lò xo vi cơ Saggitta, (a)Cấu trúc 3D lò xo vi cơ Saggitta, (b) Sơ đồ phân t ch t nh độ cứng [100] 32

Hình 2.3 Lò xo vi cơ Serpentine dầm tuyến t nh tương đương [100] 34

Hình 2.4 Mô hình lò xo vi cơ càng cua [100] 34

Hình 2.5 Mô hình 3D lò xo vi cơ cung tròn 36

Hình 2.6 Hệ lò xo vi cơ sử dụng hai lò xo vi cơ gấp khúc [100] 38

Hình 2.7 Tụ điện hai bản cực song song [100] 39

Hình 2.8 Sơ đồ hai chiều của tụ điện song song với trường rìa [100][111] 40

Hình 2.9 Lò xo vi cơ cân bằng lực tĩnh điện [100] 40

Hình 2.10 Đồ thị xác định ngưỡng dịch chuyển Zhút chập ổn định của bản cực tự do [100] 41

Hình 2.11 Đồ thị thể hiện sự phụ thuộc của biên độ chu n hoá vào cho ba giá trị khác nhau của tỷ lệ suy hao [117] 44

Hình 2.12 Các dạng phần tử hữu hạn: (a) phần tử bậc nhất một chiều, (b) phần tử hữu hạn bậc hai một chiều, (c) phần tử hữu hạn bậc ba một chiều, (d) phần tử bậc nhất hai chiều, (e) phần tử hữu hạn bậc hai hai chiều, (f) phần tử hữu hạn bậc ba hai chiều, (g) phần tử bậc nhất ba chiều, (h) phần tử hữu hạn bậc hai ba chiều, (i) phần tử hữu hạn bậc ba ba chiều [119] 47

Hình 2.13 Các dạng biên chung giữa các phần tử [119] 48

Hình 2.14 (a) Hình ảnh thiết kế 3D, (b) chia lưới cấu trúc trên phần mềm Comsol Multiphysics 49

Hình 2.15 Hình ảnh khảo sát tần số riêng cấu trúc MEMS trên Comsol Multiphysice .49

Hình 3.1 (a) Hệ lò xo vi cơ treo đơn mũi dò, (b) Hệ lò xo vi cơ treo mảng mũi dò 63 Hình 3.2 Hệ lò xo vi cơ gấp khúc dầm thẳng (a) hệ lò xo vi cơ gấp khúc cung tròn (b) lIB là khoảng cách giữa các dầm của lò xo vi cơ 64

Hình 3.3 Mô hình 3D của lò xo vi cơ gấp khúc với các dầm thẳng (a), lò xo vi cơ

gấp khúc được chia thành các lò xo vi cơ càng cua cơ bản nối tiếp (b) và

mô hình lò xo vi cơ nối tiếp tương đương (c) 65

Hình 3.4 Mô hình 3D của lò xo vi cơ gấp khúc với các cung tròn (a), lò xo vi cơ

gấp khúc được chia thành các lò xo vi cơ cung tròn cơ bản được mắc nốitiếp (b) và mô hình lò xo vi cơ nối tiếp tương đương (c) 67

Hình 3.5 Ba mode đầu tiên được mô phỏng tương ứng cho: lò xo vi cơ gấp khúc

dầm thẳng (a)-(c) và lò xo vi cơ gấp khúc dầm cong (d)-(f) 68

Hình 3.6 Tần số hoạt động của hai hệ lò xo vi cơ với n = 1 được khảo sát bằng cả

t nh toán lý thuyết và mô phỏng dưới dạng hàm của w (a), t (b) và α (c)

Sự khác biệt giữa kết quả được t nh toán và mô phỏng được khảo sát dướidạng hàm của w (d), t (e) và α (f) 70

Hình 3.7 Tần số hoạt động của hai hệ lò xo vi cơ được khảo sát bằng cả t nh toán lý

thuyết và mô phỏng dưới dạng hàm của w, t và α với n = 2 hình (a)-(c) và

n = 3 hình (d)-(f) Sự khác nhau giữa tần số t nh toán và mô phỏng khảosát theo các tham số chiều w hình (g), t hình (h), và αα αhình α(i) 73

Hình 3.8 fc được t nh bởi hai mô hình dưới dạng hàm của w hình (a), t hình (b) và

 hình (c) với n = 1, 2 và 3 f cho hai hệ lò xo vi cơ được khảo sát dướidạng hàm của w hình (d), t hình (e) và  hình (f) với n = 3 76

Hình 3.9 Sự phụ thuộc tần số của mode-z, mode-x và mode-tor đã khảo sát một

hàm của  với n = 1, 2 và 3: (a)-(c) đối với hệ 1 và (d)- (f) đối với hệ 2 77

Hình 3.10 Hệ lò xo vi cơ kết cặp sử dụng các thanh dầm cong (cung tròn) và các

hằng số thiết kế: (a) mô hình ba chiều và (b) hình chiếu bằng 79

Hình 3.11 Hệ lò xo vi cơ dạng B đối xứng trục (a) và dạng C đối xứng quay (b) sử

dụng lò xo vi cơ dầm gấp khúc gồm các thanh dầm cong 80

Hình 3.12 Mô hình lò xo vi cơ tương đương gồm các lò xo vi cơ thành phần ghép

nối tiếp nhau: (a) mô hình kết cấu cơ tương đương để đánh giá độ cứng và(b) mô hình lò xo vi cơ tương đương gồm các thành phần lò xo vi cơ mắcnối tiếp 82

Hình 3.13 Lò xo vi cơ Saggitta tương đương 84

Hình 3.14 Lò xo vi cơ Serpentine dầm tuyến t nh tương đương 85

Hình 3.15 (a)-(c) Mode dao động ngoài mặt phẳng mode-z, (d)-(f) mode-2 với bộ thông số c giá trị ban đầu 86

Hình 3.16 (a) Đồ thị tần số mode-z, (b) mode-2, (c) độ cứng mode-z và (d) là δf của ba hệ lò xo vi cơ được khảo sát theo chiều rộng của thanh dầm lò xo vi cơ 87

Hình 3.17 (a) Đồ thị tần số mode-z, (b) mode-2, (c) độ cứng mode-z và (d) δf của ba hệ lò xo vi cơ được khảo sát theo chiều dày của thanh dầm lò xo vi cơ 88

Hình 3.18 (a) Đồ thị tần số mode-z, (b) mode-2, (c) độ cứng mode-z và (d) δf của ba hệ lò xo vi cơ được khảo sát theo chiều dài của thanh dầm kết nối 89

Hình 3.19 (a) Đồ thị tần số mode-z, (b) mode-2, (c) độ cứng mode-z và (d) δf của ba hệ lò xo vi cơ được khảo sát theo chiều dài của thanh kết nối các lò xo vi cơ 90

Hình 3.20 Tần số dao động mode-z khi thay đổi t 91

Hình 3.21 Tần số dao động mode-z khi thay đổi w 92

Hình 3.22 Tần số dao động mode-z khi thay đổi lIB 92

Hình 3.23 Tần số dao động mode-z khi thay đổi lIS 93

Hình 3.24 Sai số kết quả mô phỏng với t nh toán khi thay đổi w, t, lIB, lIS 96

Hình 3.25 Hệ lo xo vi cơ và tụ điện chấp hành 98

Hình 3.26 Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa điện áp điều khiển và độ dịch chuyển của bản cực gắn mũi dò với 3 khoảng cách giữa hai bản cực g (gap) 99

Hình 3.27 Đồ thị hệ số ph m chất theo dải tần số dao động của hệ lò xo vi cơ kết cặp với ba khoảng cách điện môi g: (a) g = 1 μm, (b) g = 2 μm, (c) g = 3m, (b) g = 2 μm, (b) g = 2 μm, (c) g = 3m, (c) g = 3 μm, (b) g = 2 μm, (c) g = 3m 101

Hình 4.1 Quy trình chế tạo mũi dò: (a) làm sạch phiến SOI, (b) oxy hoá tạo lớp mặt

nạ SiO2, (c) quang khắc tạo mặt nạ mũi dò cảm quang, (d) ăn mòn tạo mặt

nạ SiO2, (e) ăn mòn tạo mũi dò Si, (f) điều khiển ăn mòn ngang định

thời tạo mũi dò Si và t y bỏ lớp mặt nạ SiO2 103

Hình 4.2 Quy trình chế tạo lò xo vi cơ và bộ chấp hành tĩnh điện: (a) chu n bị phiến c mũi dò, (b) lắng đọng lớp oxit SiO2, (c) quang khắc tạo mặt nạ lò xo vi cơ cảm quang, (d) ăn mòn tạo mặt nạ SiO2, (e) ăn mòn Si tới lớp SiO2 ăn mòn dừng, (f) ăn mòn loại bỏ SiO2 mặt nạ và lớp ăn mòn dừng 104

Hình 4.3 Hình ảnh mặt nạ trong thiết kế: (a) mặt nạ chế tạo mũi dò quét, (b) mặt nạ cho lò xo vi cơ và đế gắn mũi dò quét 105

Hình 4.4 Phiến sau khi quang khắc 107

Hình 4.5 Ảnh quang học (a) Sau khi ăn mòn SiO2, (b) Sau khi t y lớp cảm quang 108

Hình 4.6 (a) Hình ảnh quang học của mẫu trước khi ăn mòn Silic, (b) Ăn mòn silic trong 20 phút, (c) Ăn mòn Silic 30 phút 109

Hình 4.7 Ảnh SEM mảng mũi dò chụp từ trên: (a) ảnh tổng thể của mảng mũi dò và (b) ảnh khuếch đại của một mũi dò, (c), (d) Ảnh SEM k ch thước mũi dò chụp nghiêng và chụp ngang 110

Hình 4.8 (a) mũi dò tạo từ mặt nạ SiO2, (b) mũi dò sau khi oxy hoá tạo lớp SiO2, (c) mũi dò thu được sau khi ăn mòn lớp SiO2 110

Hình 4.9 (a) mảng mũi dò trước khi oxy hoá, (b) mảng mũi dò sau khi oxy hoá 111 Hình 4.10 Ảnh SEM sau khi ăn mòn SiO2 bằng BHF 2 phút, (a) mảng mũi dò, (b) hình dạng và k ch thước mũi dò được ph ng đại Thang tỷ lệ là 10 μm, (b) g = 2 μm, (c) g = 3m 111 Hình 4.11 Ảnh SEM sau khi ăn mòn SiO2 bằng BHF 3 phút, (a) mảng mũi dò, (c) (d) hình dạng và k ch thước mũi dò được ph ng đại 112

Hình 4.12 Quy trình dập khuôn sử dụng mũi dò quét 113

Hình 4.13 Kết quả quá trình dập khuôn mảng các mũi dò 114

Hình 4.14 Ảnh sau khi phún xạ kim loại công suất 10 w trong 2 phút 114

Hình 4.15 Ảnh sau khi phún xạ kim loại công suất 30 w trong 10 phút 115

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Trong vài thập kỷ qua, công nghệ nano phát triển đã mở ra các hướng nghiêncứu và ứng dụng phục vụ cuộc sống Một trong những nghiên cứu được tậptrung nhiều nhất trong thời gian qua đ là lĩnh vực plasmonics Plasmonics làlĩnh vực nghiên cứu về tương tác của bức xạ điện từ và vật liệu nano kimloại, đã được nhiều nh m nghiên cứu trong nước và trên thế giới quan tâmnghiên cứu Cấu trúc plasmonics ở điều kiện cộng hưởng, năng lượng điện từđược tập trung trong một thể t ch không gian nhỏ c k ch thước nano mét baoquanh cấu trúc nano kim loại Và trong điều kiện nhất định, các cấu trúcnano kim loại bức xạ ra s ng điện từ Vì vậy, cấu trúc nano c thể hấp thụ vàphát bức xạ điện từ được gọi là cấu trúc plasmonics [1] Các hạt kim loại k

ch thước nano mét c hiệu ứng đáng chú ý tạo ra t nh chất quang khác vớivật liệu khối là hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt Hiệu ứng cộng hưởngplasmon bề mặt (SPR) hình thành bởi điện trường của s ng điện từ tác độnglên các electron tự do trên bề mặt hạt kim loại c k ch thước nano mét, điều đkhiến cho các điện tử tự do tạo ra sự phân cực Các electron hồi phục trở lại

vị tr ban đầu nhờ tác dụng của lực phục hồi Coulombic Vì vậy, khi điệntrường dao động làm cho các cực của hạt kim loại nano cũng dao động theo

và sự dao động này được gọi là plasmon Hiện tượng cộng hưởng plasmonxảy ra khi tần số dao động của đám mây electron cùng pha với tần số củabức xạ điện từ sẽ gây ra sự dao động tập hợp của các electron tự do [2] Nhưvậy c thể hiểu hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt là sự k ch th ch cácđiện tử electron tự do bên trong vùng bán dẫn của hạt kim loại nano, khi đủđiều kiện dẫn tới sự hình thành các dao động đồng pha Và điều kiện để xảy

c hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt khi k ch thước của một hạt nanokim loại nhỏ hơn bước s ng của bức xạ tới, khi tần số photon tới cộng hưởngvới tần số dao động của electron tự do ở bề mặt sẽ xuất hiện hiện tượngcộng hưởng plasmon bề mặt

Hiệu ứng plasmon trong các cấu trúc nano kim loại giúp khai thác các hiệntượng liên quan đến sự giam giữ ánh sáng ở k ch thước nano mét Hiệu ứng nàycũng ảnh hưởng mạnh mẽ đến t nh chất quang học của cấu trúc nano kim loại và

được quan tâm rất nhiều trong thiết bị quang tử Ngày nay c nhiều ứng dụngdành cho cảm biến quang học với độ chọn lọc cao được sử dụng trong y sinh,dược học, quang xúc tác, linh kiện quang điện tử, các linh kiện hấp thụ bức xạlàm tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời…[3] Đặc biệt nhờ đặc t nhquang nên các sản ph m thương mại liên quan đến các cấu trúc nano kim loạingày càng phát triển Từ đ , đặt ra bài toán về sản xuất hàng loạt để tạo ra cácsản ph m thương mại có giá thành cạnh tranh và hiệu suất chế tạo cao Hiện nay

c nhiều phương pháp chế tạo cấu trúc nano, tuy nhiên việc tối ưu hoá quy trìnhchế tạo các cấu trúc nano luôn được các nhà nghiên cứu quan tâm Phương phápphổ biến và dễ thực hiện c thể kể tới là kỹ thuật quang khắc, n đã được ứngdụng rộng rãi trong quy trình sản xuất linh kiện và mạch t ch hợp Kỹ thuậtquang khắc thường sử dụng chùm tia UV (100

– 400 nm) dẫn tới độ phân giải bị giới hạn với ánh sáng sử dụng Ngoài raphương pháp này vẫn tồn tại nhược điểm bởi hiệu ứng nhiễu xạ quang học giữacác cấu trúc lân cận khi khoảng cách giữa chúng không đủ lớn Trong khi đ yêucầu về cấu trúc ngày càng thu nhỏ k ch thước nhưng lại tăng mật độ t ch hợpdẫn tới công nghệ quang khắc với độ phân giải cao hơn được đặt ra đối với cácnhà nghiên cứu để đáp ứng được nhu cầu sản xuất công nghiệp bán dẫn Để đápứng nhu cầu này, một số phương pháp chế tạo cho k ch thước và độ phân giảicấu trúc nhỏ hơn Kỹ thuật khắc bằng chùm điện tử sử dụng tia điện tử là c t nhhạt mạnh và t nh s ng yếu hơn photon chùm tia UV Chùm điện tử c bước s ngnằm trong vùng bước s ng tia X tương ứng khoảng 1,17 nm Với bước s ng nhỏnhư vậy việc chế tạo cấu trúc với k ch thước nano mét trở nên dễ dàng hơn.Ngoài ra kỹ thuật này là kỹ thuật khắc không dùng mặt nạ, chùm điện tử sẽ vẽtrực tiếp lên lớp nhạy điện tử trên bề mặt phiến sẽ loại trừ hiện tượng nhiễu xạnhư kỹ thuật khắc quang học truyền thống Như vậy c thể thấy rằng kỹ thuậtnày chế tạo được cấu trúc nano k ch thước nhỏ, tuy nhiên còn hạn chế ở việccần sử dụng các thiết bị tiên tiến, khả năng chế tạo đơn lẻ nên phù hợp sử dụngtrong các phòng th nghiệm chưa được ứng dụng hàng loạt sản xuất côngnghiệp Để đáp ứng về mặt k ch thước cấu trúc, cũng như hiệu suất chế tạo caothì kỹ thuật khắc sử dụng mũi dò quét đã và đang thể hiện cho thấy điều đ Để

tạo ra các cấu trúc nano mũi dò quét c thể khắc trực tiếp không sử dụng mặt nạlên mẫu chế tạo một cách tiếp xúc hoặc không tiếp xúc bề mặt mẫu, hoặc khắc

trực tiếp bề mặt mẫu một cách cơ học với một đầu dò đã được định hình cấutrúc Kỹ thuật này c thể được thực hiện với nhiều cơ chế khác nhau, được sửdụng cho việc chế tạo mạch t ch hợp bán dẫn hay hệ thống cơ điện với độ phângiải ở thang nano mét Ưu điểm của kỹ thuật này là độ phân giải cao, điều khiển

ch nh xác, t nh lặp lại cũng như hiệu suất chế tạo cao mà các kỹ thuật khắctruyền thống không đạt được Tuy nhiên, độ phân giải của cấu trúc nano phụthuộc vào k ch thước của mũi dò và độ sâu của mẫu khắc Để tối ưu cho kỹthuật khắc sử dụng mũi dò quét cần quan tâm tới k ch thước, hình dạng mũi dòquét và hệ vi cơ điều khiển lực khắc của mũi dò lên mẫu Nghiên cứu trên thếgiới về kỹ thuật khắc sử dụng mũi dò quét đã được công bố Một số công bố về

hệ vi cơ cho độ cứng nhỏ hơn, độ dịch chuyển lớn hơn hệ vi cơ dầm thẳng, đạttới hàng trăm [4] Tuy nhiên các hệ vi cơ vẫn tồn tại độ lệch biên do dao động

của các phương khác tới phương dịch chuyển z Các công nghệ khác nhau đã

được giới thiệu cho chế tạo mũi dò quét Kỹ thuật tiên tiến c thể kể tới đ là sửdụng chùm tia laser hoặc chùm tia điện tử để chế tạo mũi dò quét, k ch thướcmũi dò đạt từ 3 ÷ 100 nm [5]–[7] Các kỹ thuật này đòi hỏi chi ph cao, trangthiết bị đắt tiền không được trang bị phổ biến trong các phòng nghiên cứu trênthế giới cũng như ở Việt Nam Do đ kỹ thuật quang khắc được sử dụng phổbiến nhờ ưu điểm chi ph thấp và trang thiết bị được trang bị phổ biến, tuy nhiên

kỹ thuật này còn nhiều nhược điểm trong quá trình chế tạo nên các kết quảnghiên cứu chế tạo đã công bố với k ch thước mũi dò đạt từ 100 ÷ 500 nm [8][9] và cần cải tiến quy trình chế tạo để đạt được k ch thước chế tạo nhỏ hơn vớichi ph thấp khi sử dụng kỹ thuật quang khắc này Vì vậy nghiên cứu sinh lựa

chọn đề tài “Nghiên cứu thiết kế hệ thống lò xo vi treo kiểu dầm cong kết cặp

cơ và chế tạo mũi dò quét định hướng ứng dụng khắc các cấu trúc nano plasmonic”.

2 Mục đ ch nghiên cứu

Phát triển lò xo vi cơ ưu tiên dao động theo phương vuông g c với mặt

phẳng đế chế tạo (trục z) Hệ c khả năng hạn chế độ lệch biên, c độ dịch

chuyển lớn và chống nhiễu kết cặp mode

Thiết lập quy trình chế tạo mũi dò khắc c k ch thước nano mét sử dụng kỹthuật quang khắc và vi cơ khối ướt truyền thống.

Thiết lập quy trình chế tạo đế c cấu trúc nano plasmonic bằng kỹ thuật dập khuôn 3D.

3 Đối tư ng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu đầu tiên của luận án là bộ chấp hành trục z c nhiễu

chéo thấp, c độ dịch chuyển lớn và tần số hoạt động trong phạm vi rộng

Công nghệ vi cơ khối ướt đơn giản chế tạo hiệu suất cao mũi dò quét và bộ chấp hành

Công nghệ in dập khuôn 3D chế tạo cấu trúc nano plasmonic

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

k ch thước nano mét dựa trên cơ sở các phương trình giải t ch được rút ra từ lýthuyết cơ học vật rắn và lý thuyết trường tĩnh điện Ngoài ra, các kết quả t nh toángiải t ch được so sánh với kết quả đạt được từ mô phỏng số sử dụng phương phápphần tử hữu hạn

Chế tạo mũi dò được thực hiện dựa trên công nghệ vi cơ điện tử với quy trìnhđược đề xuất Mũi dò và các cấu trúc nano plasmonnic được nghiên cứu chế tạo tạiPhòng th nghiệm Nghiên cứu và phát triển vi hệ thống, Viện Đào tạo Quốc tế vềKhoa học Vật liệu (ITIMS), Đại học Bách khoa Hà Nội Cấu trúc mũi dò và các cấutrúc nano plasmonic được chế tạo, đánh giá dựa trên ảnh hiển vi điện tử quét

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

a ngh a khoa h c c a đ tài

Luận án đã đề xuất hệ vi cơ hoạt động theo phương thẳng đứng vuông g c

với mặt phẳng (trục z) và giảm sự ảnh hưởng của các dao động nhiễu từ các

phương khác Các cấu trúc hệ lò xo vi cơ kết cặp cơ ưu tiên chuyển động dọc

trục z đ ng g p trong phát triển các bộ chấp hành khắc c độ ch nh xác và hiệu

suất cao, đồng thời hệ lò xo vi cơ kết cặp cơ c thể ứng dụng trong các cảm biếnvật lý

Để nâng cao hiệu suất cũng như sự đồng đều trong việc chế tạo cấu trúcnano Đề tài đã đề xuất quy trình và chế tạo thành công mũi dò khắc c k chthước nano mét dựa trên kỹ thuật quang khắc truyền thống và vi cơ khối ướt Luận án đã thiết lập được quy trình chế tạo các cấu trúc nano plasmonic dựatrên công nghệ in dập khuôn 3D sử dụng mảng mũi dò được chế tạo.

Kết quả nghiên cứu của đề tài không những c ứng dụng trong chấp hànhmũi dò quét trong khắc các cấu trúc nano, mà còn c thể ứng dụng trong các linhkiện vi cơ điện tử khác như các cảm biến và các bộ vi dịch chuyển c độ ch nhxác cao Các kết quả nghiên cứu của luận án đã được chấp nhận đăng trong các

kỷ yếu hội nghị chuyên ngành, đăng trong các tạp ch quốc tế ISI, được cấp mộtbằng sáng chế và 01 đơn đăng ký sáng chế được chấp nhận

ngh a th c ti n c a đ tài

Đề tài được thực hiện nhằm xây dựng, phát triển các công cụ chế tạo cấutrúc nano c độ ch nh xác và hiệu suất cao dựa trên khắc cơ học Quy trình chếtạo mũi dò có k ch thước nano mét sử dụng kỹ thuật khắc quang học truyềnthống và công nghệ vi cơ khối ướt với chi ph thấp, hoàn toàn được thực hiện ởtrong nước Đây sẽ làm cơ sở cho việc ứng dụng trong phát triển các hệ thốngkhắc cho chế tạo các cấu trúc nano với hiệu suất khắc cao

6 T nh mới của đề tài:

T nh mới của đề tài nghiên cứu được thể hiện tại 3 điểm sau đây:

- Nghiên cứu đề xuất và thiết kế mô phỏng bộ chấp hành ưu tiên dịch chuyển

một chiều theo phương z Cấu trúc hệ lò xo vi cơ kết cặp cơ khắc phục độ lệch

biên của lò xo vi cơ dầm thẳng phổ biến, hạn chế dao động nhiễu lân cận và c

độ dịch chuyển lớn đã được đề xuất Các mô hình lý thuyết cho t nh toán phạm

vi tần số hoạt động của hệ lò xo vi cơ đã được thiết lập

- Đề tài đã nghiên cứu và chế tạo thành công mũi dò quét c k ch thước ởthang nano mét dựa trên công nghệ quang khắc truyền thống và vi cơ khối ướt

- Đề tài cũng đã thiết lập được quy trình chế tạo mảng các cấu trúc nanoplasmonic dựa trên kỹ in dập khuôn 3D cho hiệu suất khắc cao và tính lặp lại tốt

7 Nội dung uận án

Nội dung luận án bao gồm:

Chương 1: Công nghệ khắc cơ học sử dụng mũi dò quét

Chương 2: Cơ sở lý thuyết và thực nghiệm

Chương 3: Thiết kế bộ vi dịch chuyển mũi dò quét

Chương 4: Chế tạo mũi dò quét dựa trên kỹ thuật khắc quang học và vi cơ khối ướt

Kết luận chung

Chương 1 CÔNG NGHỆ KHẮC CƠ HỌC SỬ DỤNG MŨI DÒ QUÉT

Công nghệ khắc cơ học sử dụng mũi dò quét đã thể hiện được những ưu điểm khichế tạo các cấu trúc nano về mặt k ch thước, hiệu suất cũng như t nh lặp lại.Chương này sẽ trình bày về sự phát triển của công nghệ khắc cơ học, các vấn đề cơbản trong công nghệ khắc cơ học sử dụng mũi dò quét và các thành tựu nghiên cứutrên thế giới và trong nước về hướng này Từ đây, định hướng nghiên cứu của luận

án được đề xuất

1.1 Tổng quan công nghệ khắc sử dụng mũi dò quét

1.1.1 Lịch sử của công nghệ khắc mũi dò quét

Vào đầu những năm 1980, k nh hiển vi đầu dò quét SPM (Scanning ProbeMicroscope) đã được phát minh cho ứng dụng trong khảo sát bề mặt mẫu c k chthước nhỏ SPM đã được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, phân t ch độnhám bề mặt và hình ảnh ba chiều các nguyên tử silic [10]–[12]

Hình 1.1 Sơ đồ kính hiển vi đầu dò quét đơn giản [13].

Trong một số trường hợp, k nh hiển vi đầu dò quét c thể đo các t nh chất vật

lý như độ dẫn điện bề mặt, điện t ch tĩnh phân bố, ma sát cục bộ, từ trường và

mô đun đàn hồi Ch nh điều này dẫn đến SPM được ứng dụng rất đa dạng K nh

2hiển vi đầu dò quét SPM là dụng cụ được sử dụng để nghiên cứu t nh chất bềmặt của vật liệu

từ cấp độ nguyên tử đến cấp độ micro SPM chứa các thành phần được minh họatrong Hình 1.1 [14]–[16].

Kính hiển vi đường hầm quét STM, k nh hiển vi lực nguyên tử AFM lànhững ứng dụng đầu tiên của công nghệ hiển vi đầu dò quét K nh hiển viđường hầm quét STM là tiền đề của tất cả các k nh hiển vi đầu dò quét hiện nay.Được phát minh vào năm 1981 bởi Gerd Binnig và Heinrich Rohrer tại IBMZürich STM là công cụ đầu tiên tạo ra hình ảnh không gian thực của bề mặt với

độ phân giải nguyên tử STM sử dụng một mũi dò nhọn, dẫn điện với điện ápphân cực được đặt giữa mũi đầu dò quét và mẫu Khi đầu mũi dò quét được đưavào trong khoảng 10Å so với mẫu, các electron từ mẫu bắt đầu xuyên hầm quakhe 10Å vào đầu mũi dò quét hoặc ngược lại, tuỳ thuộc vào tín hiệu của điện ápphân cực dẫn đến dòng điện trong đường hầm thay đổi theo khoảng cách từ đầumũi dò quét đến mẫu T n hiệu được sử dụng để tạo một hình ảnh STM Để hiệntượng xuyên hầm xảy ra, mẫu và mũi dò phải là chất dẫn điện hoặc chất bándẫn, do đ hạn chế của STM không thể chụp ảnh vật liệu cách điện

Vào năm 1985, k nh hiển vi lực nguyên tử AFM được phát triển bởi G Binnig,

C F Quate và Ch Gerber để khắc phục nhược điểm của STM [17][18] Đếnnăm 1987, T Albrecht lần đầu tiên đã phát triển AFM đạt độ phân giải cấp độnguyên tử Năm 1988, AFM ch nh thức được thương mại h a bởi Park Scientific(Stanford, Mỹ) K nh hiển vi lực nguyên tử (AFM) khảo sát bề mặt của mẫubằng một mũi dò quét, dài vài micron và thường c đường k nh nhỏ hơn 100 Å.Đầu mũi dò quét nằm ở đầu tự do của một vi dầm lò xo vi cơ dầm thẳng dàikhoảng 100 – 200 µm Lực giữa đầu mũi dò quét và bề mặt mẫu làm cho vi dầm

lò xo bị uốn cong hoặc lệch hướng, máy đo độ lệch của đầu mũi dò quét khimũi dò được quét qua mẫu hoặc mẫu được quét dưới đầu mũi dò Độ lệch của

vi dầm lò xo thẳng đo được cho phép máy t nh tạo hình ảnh bề mặt mẫu AFM cthể được sử dụng để nghiên cứu các chất cách điện, chất bán dẫn cũng như chấtdẫn điện

Hình 1.2 Sơ đồ thành phần, hoạt động c a kinh hiển vi l c nguyên tử AFM [19].

AFM c hai chế độ hoạt động, chế độ tiếp xúc và chế độ không tiếp xúc AFMkhông tiếp xúc (NC-AFM) là một kỹ thuật sử dụng lò xo vi cơ dầm thẳng rung,trong đ lò xo vi cơ dầm thẳng AFM được rung gần bề mặt của mẫu Khoảngcách giữa mũi dò quét và mẫu đối với NC-AFM nằm trong khoảng từ hàngchục đến hàng trăm Å NC-AFM là một thiết bị để đo bề mặt mẫu mà t hoặckhông c tiếp xúc giữa mũi dò quét và mẫu AFM không tiếp xúc c thể được sửdụng để đo hình học bề mặt của chất cách điện và chất bán dẫn cũng như chấtdẫn điện Một ưu điểm nữa là các mẫu như phiến silic không bị nhiễm b n khitiếp xúc với mũi dò quét, không c nguy cơ hỏng bề mặt mẫu do mũi dò quétkhông tiếp xúc trực tiếp Lực tác động giữa mũi dò quét và mẫu trong chế độkhông tiếp xúc là rất thấp, lực thấp thuận lợi cho việc nghiên cứu các mẫu mềmhoặc đàn hồi

Trong trường hợp mẫu cứng, hình ảnh tiếp xúc và không tiếp xúc c thể trônggiống nhau Tuy nhiên, nếu một vài trường hợp c lớp nước ngưng tụ nằm trên

bề mặt của mẫu cứng, thì hình ảnh c thể hoàn toàn khác AFM hoạt động ở chế

độ tiếp xúc sẽ xuyên qua lớp chất lỏng để chụp ảnh bề mặt bên dưới, trong khi ởchế độ không tiếp xúc, AFM sẽ chụp ảnh bề mặt của lớp chất lỏng Hình 1.3

(a) ((b)

Hình 1.3 Kính hiển vi l c nguyên tử không tiếp xúc (a) và tiếp xúc((b) [12].

Tuy nhiên, AFM hoạt động với cơ chế tiếp xúc trong quá trình làm việc cơcấu chấp hành tạo ra lực đ y đầu tự do của lò xo vi cơ dầm thẳng gắn mũi dòquét tiếp xúc vào bề mặt mẫu Giữa mũi dò quét và bề mặt mẫu trong quá trình

đ sẽ tiếp xúc và chuyển động tương đối với nhau dẫn đến nguy cơ làm biếndạng bề mặt mẫu Đặc biệt là với mẫu c độ cứng thấp hơn mũi dò quét, mềm và

dễ biến dạng Và ch nh nhược điểm này cũng là tiền đề cho một ứng dụng kháccủa mũi dò quét Sử dụng AFM hoặc STM để sửa đổi bề mặt mẫu một cách cchủ đ ch, bằng cách tác dụng lực vào AFM Kỹ thuật này được gọi là khắc nano(nanolithography) N không phải là ứng dụng chức năng đo lường hình ảnh bềmặt mẫu, mà là ứng dụng trong việc thay đổi, chế tạo cấu trúc trên bề mặt mẫu

1.1.2 Cấu trúc cơ bản của hệ thống khắc sử dụng mũi dò quét

Cấu trúc cơ bản của hệ thống khắc sử dụng mũi dò quét chế tạo cấu trúc nanobao gồm 3 thành phần ch nh được trình bày trên Hình 1.4: Lò xo vi cơ, mũi dò quét

và bộ chấp hành mũi dò

Hình 1.4 Cấu trúc cơ ản c a hệ thống khắc sử dụng mũi dò quét [20]

Lò xo vi cơ là thành phần c t nh đàn hồi, thông thường sẽ c một đầu cố định

và một đầu tự do Trong quá trình hoạt động đầu tự do dao động với biên độ vàtần số phù hợp với ứng dụng Lo xo vi cơ thường được sử dụng trong đầu dòquét là lò xo vi cơ dầm thẳng Lò xo vi cơ dầm thẳng khá đơn giản khi chế tạonhưng cũng tồn tại một số nhược điểm trong quá trình làm việc Đặc biệt với kỹthuật khắc cơ học sử dụng mũi dò quét, mũi dò làm việc ở chế độ tiếp xúc nên ckhả năng bị lệch dọc dầm lò xo vi cơ cũng như tồn tại sự xoắn ngang

Thành phần thứ hai là mũi dò quét Mũi dò quét thường c dạng hình ch phoặc tứ diện và thường được làm từ Si hoặc Si3N4 Mũi dò quét được gắn trênđầu tự do của lò xo vi cơ Tuỳ theo kỹ thuật khắc nano sử dụng mũi dò quét màmũi dò cần hay không cần c t nh dẫn điện Hình dạng của mũi dò ảnh hưởnglớn đến độ phân giải khi chế tạo cấu trúc nano hay khảo sát bề mặt mẫu, vì diện

t ch tương tác giữa mũi dò và mẫu phụ thuộc vào bán k nh của mũi dò Bán k nh

đ nh của mũi dò ứng dụng khắc cơ học khoảng 5 – 15 nm, nhưng k ch thướcnày bị thay đổi, tăng nhanh khi bị mài mòn, khi tiếp xúc khắc với vật liệu c độcứng cao

Thành phần thứ ba là bộ phận chấp hành, đây là thành phần sinh ra lực tácdụng lên lò xo vi cơ Điều khiển biên độ dịch chuyển của đầu tự do c gắn mũi

dò của lò xo vi cơ, điều khiển tần số dao động, lực tác động giữ mũi dò và bềmặt phiến để c thể thay đổi cấu trúc bề mặt phiến tạo ra cấu trúc nano mongmuốn

1.1.3 Kỹ thuật khắc sử dụng mũi dò quét chế tạo cấu trúc nano

Sự phát triển của các thiết bị điện tử nano đòi hỏi các kỹ thuật không cần mặt

nạ để tạo nhanh cấu trúc hoặc chế tạo các cấu trúc với hiệu suất cao cho sảnxuất hàng loạt dựa trên cấu trúc nano mẫu K nh hiển vi lực nguyên tử (AFM)làm thay đổi bề mặt mẫu một cách nhanh ch ng trở thành kỹ thuật chế tạo cấutrúc nano với phiến cỡ lớn [21] K nh hiển vi lực nguyên tử (AFM) không ch làmột kỹ thuật chụp ảnh được sử dụng rộng rãi mà n còn c thể hoạt động như mộtcông cụ để thay đổi cấu trúc trên bề mặt Sự ra đời của kỹ thuật này làm thayđổi bề mặt mẫu c sự h trợ của đầu dò quét, được gọi là kỹ thuật khắc đầu dò

quét (SPL) Công nghệ SPL đang thành công trong công nghệ bán dẫn, sử dụngcác phương pháp công nghệ ngày càng tiên tiến và rất cần thiết cho sự phát triểnkhông ngừng của ngành công nghiệp

bán dẫn Các giải pháp khắc SPL mới c tiềm năng trong các giải pháp côngnghệ mới Kỹ thuật khắc đầu dò quét (SPL) đã chứng minh hiệu quả của ntrong việc tạo ra các cấu trúc c độ phân giải cao (<5 nm) quan trọng cho nghiêncứu về điện tử nano, quang tử, plasmonic và từ t nh [22] Một số loại SPL đãđược nghiên cứu và hứa hẹn nhất cho kỹ thuật in dưới 10 nm [23][24].

Kỹ thuật khắc nano AFM được h trợ bằng lực c thể tạo ra cấu trúc lõm và cấutrúc nổi [25][26] Một số kỹ thuật in khắc nano AFM cần yếu tố điện h trợ như

kỹ thuật oxy hóa mũi dò, lắng đọng và biến đổi điện h a, biến dạng tĩnh điện, …

Có khá nhiều các kỹ thuật chế tạo sử dụng mũi dò quét, dưới đây là một số kỹthuật khắc sử dụng mũi dò quét phổ biến và quy trình đơn giản của m i phươngpháp sẽ được trình bày

Hình 1.5(a) Khắc sử dụng mũi dò nhúng [27], (b) Quang khắc trường gần [28],

(c) Ôxi hóa vùng sử dụng mũi dò [29].

1.1.3.1 Khắc sử dụng mũi dò nhúng

Hình 1.5(a) mô tả kỹ thuật khắc nano sử dụng mũi dò nhúng (DPN), là mộtquá trình lắng đọng trực tiếp các mẫu h a học trên các bề mặt mẫu với k chthước và độ ch nh xác ở k ch thước nano mét Để thực hiện DPN, mũi dò quétđược phủ một h a chất và được truyền từ từ trên bề mặt ở chế độ tiếp xúc Các h

a chất khuếch tán từ mũi dò đến bề mặt phiến để tạo ra các cấu trúc nano mongmuốn nổi trên bề mặt phiến [19][27]

Đặc điểm khắc sử dụng mũi dò nhúng c thể sử dụng được nhiều loại h achất hữu cơ, vô cơ và sinh học trên bề mặt kim loại, chất bán dẫn và oxit

Không c hiệu ứng nhiễu xạ lân cận như kỹ thuật khắc quang học truyềnthống Tuy nhiên tốc độ

khắc của phương pháp này chậm do quá trình lắng đọng lên mũi dò và truyền dẫnxuống phiến Nên phương pháp này không đáp ứng được nhu cầu sản xuất côngnghiệp [27].

Đầu dò quét c thể viết mực (hoá chất) trực tiếp trên một bề mặt phiến với độphân giải cao, được bắt đầu từ mũi dò quét của k nh hiển vi lực nguyên tử(AFM) và sau đ được phát triển thành mảng mũi dò polydimethylsiloxane(PDMS) để cho phép chế tạo các cấu trúc nano hiệu suất cao Trong hai thập kỷqua, DPN đã cho phép một loạt các ứng dụng từ việc in các mảng phân tử nhỏ,chế tạo các cấu trúc lai phức tạp và thậm ch cả các hệ thống t ch hợp [30][31]

1.1.3.2 Quang khắc trường gần

Kỹ thuật quang khắc trường gần Hình 1.5(b) c quy trình phần giống với kỹthuật quang khắc truyền thống, tuy nhiên đối với kỹ thuật quang khắc trườnggần quá trình quang khắc không cần sử dụng mặt nạ cấu trúc mà chiếu trực tiếplên lớp cảm quang thông qua mũi dò Mũi dò khắc trực tiếp hình dạng cấu trúclên lớp cảm quang Sau khi hiện hình lớp cảm quang, cấu trúc mẫu thu được dodịch chuyển giữa mũi dò và phiến tạo ra Phương pháp này khắc phục hạn chế

về giới hạn nhiễu xạ trong phương pháp quang khắc thông thường [28], nhưnglại c hiệu suất khắc thấp hơn nhiều do cơ chế khắc trực tiếp nên ch phù hợptrong chế tạo đơn lẻ, phòng nghiên cứu

1.1.3.3 Oxi hóa vùng (Local Oxidation)

Kỹ thuật khắc oxy h a vùng Hình 1.5(c) bằng mũi dò k nh hiển vi lực nguyên tửđang nổi lên như một phương pháp hiệu quả để tạo mẫu bề mặt ở k ch thước nanomét [32] Kỹ thuật này phụ thuộc vào khoảng cách giữa mũi dò và bề mặt phiến,điện áp ôxy h a và thời gian xung điện của mũi dò tới vật liệu phiến [33]

Đây là kỹ thuật khắc mũi dò quét chế tạo cấu trúc nano không tiếp xúc, dao động

với biên độ không đổi Khi đặt xung điện áp phân cực V a điện áp tới hạn, một mặt

giọt chất lỏng giữa mũi dò và bề mặt phiến được cảm ứng bởi điện trường Giọtlỏng này hoạt động giống như một tế bào điện h a k ch thước nano mét [34] Khi

đặt xung điện áp oxy h a V oxy tại nơi diễn ra phản ứng oxy h a Khi xung điện áp

tắt, lò xo vi cơ đàn hồi AFM nhấc mũi dò ra khỏi bề mặt phiến làm căng mặt giọt

lỏng Sau khi mặt giọt bị đứt, mũi dò khôi phục lại biên độ dao động ban đầu và tiếptục quét, lúc này trên bề mặt phiến đã xuất hiện cấu trúc silic oxit [35] Kỹ thuật nàybằng cách đặt điện áp cao giữa phiến và mũi dò đủ để xảy ra hiện tượng ph ng tialửa điện, thực chất là ph ng điện tử từ mũi dò lên bề mặt phiến, khiến cho vùng silicnày bị ôxy hóa thành SiO2 Kỹ thuật này cho phép chế tạo cấu trúc nano silic kíchthước nhỏ như kỹ thuật quét chùm điện tử nhưng phải dùng các máy m c thiết bị vàphiến SOI với lớp linh kiện mỏng cỡ 10 nm rất đắt tiền.

1.1.3.4 Khắc cơ học (Mechanical Scratching)

C thể thấy các kỹ thuật khắc n i trên cho phép khắc cấu trúc chủ yếu là haichiều (2D) ở k ch thước nano mét, việc chế tạo các cấu trúc ba chiều (3D) chođến nay vẫn còn nhiều thách thức Kỹ thuật khắc cơ học sử dụng đầu dò quétgiải quyết phần nào trong việc chế tạo cấu trúc 3D [36][37] Kỹ thuật khắc cơhọc dựa trên đầu dò quét sử dụng mũi dò quét và một lực cơ học làm thay đổi

bề mặt mẫu một cách chủ đ ch tạo ra cấu trúc cần thiết [25][27][38] Độ phângiải của kỹ thuật khắc cơ học phụ thuộc vào chế độ dao động mà đầu dò quéthoạt động C khá nhiều công trình nghiên cứu, ứng dụng kỹ thuật này chế tạocấu trúc nano đã cho thấy kết quả rất tốt về độ phân giải ở thang nano mét, hiệusuất khắc cao cũng như t nh lặp lại tốt [39] Kỹ thuật khắc cơ học c thể chế tạocấu trúc theo cơ chế in đúc tạo mẫu với chế độ dịch chuyển của lò xo vi cơ dầmthẳng theo phương vuông g c với bề mặt mẫu, hoặc cho mũi dò và bề mặt mẫuchuyển động tương đối với nhau để lợi dụng ngoại lực là lực ma sát giữa chúng

để làm thay đổi bề mặt mẫu tạo ra cấu trúc dạng dây nano Hình 1.6

Hình 1.6 Kết quả khắc mũi dò quét tạo cấu trúc dây nano [40].