(LUẬN văn THẠC sĩ) nghiên cứu chế tạo và khảo sát đặc trưng của vi thấu kính trên cơ sở màng micro nano SU 8 ứng dụng trong hệ thống quang MEMS,NEMS

Thấu kính hội tu ̣ minh họa trong Hình 1-2 làm hội tụ các tia sáng tới song song với trục chính và hội tụ chúng tại tiêu diện, tạo nên ảnh thật.. Những thành phần thấu kính này làm hội

Cao Việt Anh

Nghiên cư ́ u chế ta ̣o và khảo sát đă ̣c trưng của vi thấu

ki ́nh trên cơ sở màng micro-nano SU-8 ứng du ̣ng trong

hê ̣ thống quang MEMS/NEMS

HÀ NỘI - 2017

Cao Viê ̣t Anh

Nghiên cư ́ u chế ta ̣o và khảo sát đă ̣c trưng của vi thấu

ki ́nh trên cơ sở màng micro-nano SU-8 ứng du ̣ng trong

hê ̣ thống quang MEMS/NEMS

Chuyên ngành: Vật liệu và linh kiện nano

Mã số: Chuyên ngành đào tạo thí điểm

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO

Người hướng dẫn khoa ho ̣c: TS Bùi Đình Tú

Người đồng hướng dẫn khoa ho ̣c: TS Nguyễn Thi ̣ Minh Hằng

HÀ NỘI - 2017

sự quan tâm giúp đỡ nhiệt tình của tập thể các thầy cô, hướng dẫn Nhân dịp này cho em được gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới:

TS Bù i Đình Tú và TS Nguyễn Thi ̣ Minh Hằng, thầy cô đã hướng dẫn ân cần, nhiệt tình, tạo mọi điều kiện tốt nhất, truyền đạt nhiều kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong thời gian em làm luâ ̣n văn

Em xin gửi lời cảm ơn đến Trung tâm Nano và Năng lượng, Đại học Khoa học Tự nhiên, Đa ̣i ho ̣c Quốc Gia Hà Nô ̣i đã tạo điều kiện cho em được làm việc trong một môi trường mới để hoàn thiện thêm kỹ năng, kinh nghiệm trong quá trình học tập và trong cuộc sống

Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới tập thể các cán bộ, thầy cô trong khoa Vật lý

Kỹ thuật và Công nghệ Nano, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà

Nội đã tạo điều kiện cho em trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm của Khoa và Th.S Nguyễn Hải Bình tại Phòng thí nghiệm trung tâm Nano và năng lượng trực thuộc trường Đại học Khoa học tự nhiên, những người

đã giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình thu thập tài liệu, thực nghiệm, xử lý và phân tích kết quả đo đạc

Luận văn được thực hiện dưới sự hỗ trợ kinh phí của Đề tài Nghị định thư Việt Nam – Đài Loan (mã số: 25/2014/HĐ-NĐT) và hỗ trợ mô ̣t phần bởi đề tài QG.16.26

Và cuối cùng, cho em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới bố mẹ và những người thân trong gia đình Những người luôn bên cạnh và động viên em vượt qua những khó khăn trong cuộc sống cũng như trong học tập

Trong quá trình làm luận văn khó tránh khỏi sai sót, rất mong nhận được các

ý kiến đóng góp của thầy, cô

Em xin chân thành cảm ơn!

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luâ ̣n văn này là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của TS Bùi Đình Tú và TS Nguyễn Thi ̣ Minh Hằng và sự hỗ trợ của nhó m nghiên cứu Các kết quả đưa ra trong luâ ̣n văn này là do tôi thực hiê ̣n Các thông tin, tài liê ̣u tham khảo từ các nguồ n sách, ta ̣p chí, bài báo sử du ̣ng tro ̣ng luâ ̣n văn đều đươ ̣c liê ̣t kê trong danh mu ̣c các tài liê ̣u tham khảo

Hà Nô ̣i, ngày tháng năm 2017

Cao Việt Anh

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

TỔNG QUAN 3

1.1.Khái niệm quang hình học cơ bản 3

1.1.1.Khái niệm cơ bản về thấu kính 3

1.1.2.Phân loại thấu kính 3

1.1.2.a.Thấu kính hô ̣i tu ̣ 3

1.1.2.b.Thấu kính phân kì 5

1.1.3.Thành phần cơ bản của thấu kính 6

1.1.4.Sự ta ̣o ảnh bởi thấu kính 7

1.1.5.Ứng du ̣ng của thấu kính 9

1.2.Vai trò ứng du ̣ng của vi thấu kính trong hê ̣ thống quang MEMS/NEMS 11

1.2.1.Quy trình chế ta ̣o các sản phẩm từ công nghê ̣ MEMS/NEMS 11

1.2.2.Ứng dụng của thấu kính trong hệ thống quang MEMS/NEMS 15

1.3.Kết luận 18

THỰC NGHIỆM 19

2.1.Phần mềm mô phỏng 19

2.2.Hóa chất và trang thiết bị chế tạo 21

2.2.1.Photoresist SU-8 21

2.2.2.Quay phủ, quang khắc, hotplate 22

2.2.2.a.Xử lý bề mă ̣t mẫu 22

2.2.2.b.Máy quay phủ (Spin Coating) WS-650MZ 23 23

2.2.2.c.Quang khắc 24

2.2.2.d.Bếp nung (hot plate) 26

2.3.Quy trình chế tạo 27

2.4.Thiết bị đo đạc 29

2.4.1.Hệ đo đô ̣ dày mảng mỏng (Alpha - step) 29

2.4.2.Hệ đo khảo sát tính chất của thấu kính 30

2.5.Kết luận 30

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 31

3.1.Kết quả mô phỏng 31

3.2 Kết quả thực nghiê ̣m chế ta ̣o 35

3.2.1.Khảo sát hình thái bề mă ̣t của vi thấu kính 35

3.2.1.a.Thấu kính có kích thước đáy khác nhau 36

3.2.1.b.Thấu kính cùng kích thước đáy 38

3.2.2.Khảo sát các đă ̣c trưng của vi thấu kính 40

KẾT LUẬN 44

TÀI LIÊ ̣U THAM KHẢO 45

DANH MU ̣C HÌNH ẢNH

Hình 1-1 Các loa ̣i thấu kính cơ bản 3

Hình 1-2 Các loa ̣i thấu kính hội tụ [5] 4

Hình 1-3 Các loa ̣i thấu kính phân kỳ [5] 6

Hình 1-4 Quang hình ho ̣c thấu kính mỏng đơn giản 6

Hình 1-5 Sóng xiên đi qua hê ̣ hai thấu kinh song song đơn giản 8

Hình 1-6 Các thành phần quang của kính hiển vi trong phòng thí nghiê ̣m 11

Hình 1-7 (a) vi thấu kính đươ ̣c đă ̣t trên mô ̣t sơ ̣i quang, (b) kích thước của vi thấu kính [11] 15

Hình 1-8 (a) Mô hình hoa ̣t đô ̣ng, (b) hình ảnh thực tế của thấu kính, (c) các thành phần củ a hê ̣ thố ng [8] 16

Hình 1-9 Sự tương phản giữa 2 bức ảnh không và có sử du ̣ng thấu kính [2] 16

Hình 1-10 Sơ đồ hê ̣ thống thiết kế [7] 17

Hình 1-11 Mô hình cảm biến tích hơ ̣p các linh kiê ̣n quang sử du ̣ng để phát hiê ̣n Asen 18

Hình 2-1 Giao diê ̣n của phần mềm mô phỏng 19

Hình 2-2 Các bước lần lươ ̣t trong quá trình mô phỏng 19

Hình 2-3 Giao diê ̣n bước cho ̣n vâ ̣t liê ̣u đế 20

Hình 2-4 Sự phu ̣ thuô ̣c của chiết suất SU-8 vào bước sóng 20

Hình 2-5 Giao diê ̣n cho ̣n bước sóng nguồ n sáng 21

Hình 2-6 Cấu trúc của photoresist SU-8 22

Hình 2-7 Buồng xử lý mẫu 23

Hình 2-8 Máy quay phủ Suss MicroTech và bảng điều khiển 23

Hình 2-9 Sơ đồ hệ quay li tâm 24

Hình 2-10 Thiết bị quang khắc hai mặt (double-side aligner) 25

Hình 2-11 Nguyên lý hê quang khắc Phòng thí nghiệm thuộc Trung tâm Nano và Năng lượng (Đại học Khoa học tự nhiên, Đại học quốc gia Hà Nội) 25

Hình 2-12 Mă ̣t na ̣ (mask) dùng để quang khắc 26

Hình 2-13 Hotplate 26

Hình 2-14 Sơ đồ quy trình chế ta ̣o 27

Hình 2-15 Tố c đô ̣ quay và đô ̣ dày của màng photoresist SU-8 [1] 27

Hình 2-16 Năng lươ ̣ng chiếu sáng tương ứng với các đô ̣ dày màng khác nhau [1] 28

Hình 2-17 Các thấu kính hoàn chỉnh có đô ̣ cong và tiêu cự khác nhau sau khi đã đươ ̣c chế ta ̣o 29

Hình 2-18 Hê ̣ đo đô ̣ dày màng mỏng Alpha-step 29

Hình 2-19 Sơ đồ hê ̣ thống quang khảo sát tính chất quang của thấu kính 30

Hình 2-20 Hê ̣ đo khảo sát tính chất của hê ̣ thống quang 30

Hình 3-1 Mô phỏng thấu kính có bán kính đáy 1 mm với đô ̣ cong bán kính 4 mm 32

Hình 3-2 Mô phỏng thấu kính có bán kính đáy 1 mm với đô ̣ cong bán kính 5 mm 32

Hình 3-3 Mô phỏng thấu kính có bán kính đáy 1 mm với bán kính mă ̣t cong 6 mm 33

Hình 3-4 Hình ảnh biểu thi ̣ cường đô ̣ truyền qua thấu kính có bán kính đáy 1 mm và bán kính mă ̣t cong là 5 mm 33

Hình 3-5 Tính toán đô ̣ cao thực tế của vi thấu kính 34

Hình 3-6 Đô ̣ cao của giếng quang khắc SU-8 35

Hình 3-7 Hình ảnh các giếng SU-8 với bán kính lần lươ ̣t là 1,5 mm, 1 mm và 1,2 mm đươ ̣c quan sát bằng kính hiển vi quang ho ̣c (5x) 35

Hình 3-8 Hình ảnh thực tế các giếng SU-8 sau khi đươ ̣c quang khắc với lần lươ ̣t bán kính đáy là 1,5 mm, 1 mm và 1,2 mm 36

Hình 3-9 Thấu kính bán kính đáy 1 mm 36

Hình 3-10 Thấu kính bán kính đáy 1,2 mm 37

Hình 3-11 Thấu kính bán kính đáy 1,5 mm 37

Hình 3-12 Hình ảnh thực tế sự thay đổi đô ̣ cao của các vi thấu kính với các bán kính đáy lần lươ ̣t là 1,5 mm, 1 mm, 1,2 mm 37

Hình 3-13 Thấu kính đươ ̣c hình thành từ giếng đươ ̣c nhỏ 0,6 μl 38

Hình 3-14 Thấu kính đươ ̣c hình thành từ giếng đươ ̣c nhỏ 0,8 μl 39

Hình 3-15 Thấu kính đươ ̣c hình thành từ giếng đươ ̣c nhỏ 1 μl 39

Hình 3-16 Hình ảnh thực tế sự thay đổi đô ̣ cao của các vi thấu kính với bán kính đáy là 1 mm 40

Hình 3-17 Các điểm ảnh sau khi chiếu nguồn sáng qua các thấu kính chế ta ̣o chu ̣p qua kính hiển vi quang ho ̣c 42

DANH MU ̣C BẢNG BIỂU

Bảng 2-1 Các thông số mô phỏng thấu kính 21

Bảng 3-1 Thông số thấu kính cần mô phỏng 31

Bảng 3-2 Bảng số liê ̣u mô phỏng bán kính đáy 1mm 34

Bảng 3-3 So sánh các thấu kính có bán kính đáy khác nhau 38

Bảng 3-4 So sánh các thấu kính có khối lượng nhỏ SU-8 khác nhau 40

Bảng 3-5 Tổng hơ ̣p các kết quả thu được 41

MỞ ĐẦU

Trong rất nhiều hệ thống quang MEMS (Micro ElectroMechanical Systems),

vi thấu kính là mô ̣t thành phần quan tro ̣ng trong viê ̣c chuẩn trực và hô ̣i tu ̣ ánh sáng

vào điểm nhỏ để ghép ánh sáng giữa các thành phần có kích thước khác nhau trong truyền thông, đầu đọc quang, đếm phần tử ha ̣t trong hê ̣ vi lưu, ta ̣o ảnh và trong các hê ̣ vi cảm biến quang nhằm phát hiê ̣n khác biê ̣t trong môi trường kiểm tra, v.v

Các vi thấu kính được thực hiê ̣n trên mô ̣t số vâ ̣t liê ̣u bằng vi gia công, chủ yếu là ăn mòn khô thủy tinh, ta ̣o da ̣ng và đi ̣nh da ̣ng polymer bằng nhiều phương pháp khác nhau Với phương pháp ăn mòn khô thủy tinh, khó nhâ ̣n đươ ̣c bề mă ̣t nhẵn bóng do bắn phá của các ha ̣t ion năng lươ ̣ng cao Điều này ảnh hưởng rất nhiều đến đặc trưng quang của vi thấu kính Với phương pháp ta ̣o hình và đi ̣nh

dạng polymer, có thể dùng nhiê ̣t để đi ̣nh da ̣ng vi thấu kính cầu đối với các polymer chảy nhiê ̣t, hoă ̣c dùng điê ̣n thế cao và chiếu sáng UV để chế tạo thấu kính phi cầu đối với các polymer phân cực Tuy nhiên, có mô ̣t số ha ̣n chế trong các vi thấu

kính làm từ polymer chảy nhiê ̣t, do tính chi ̣u nhiê ̣t, bền hóa, bền cơ khí kém, ngoài

ra, chú ng còn có thể không tương thích với các thực nghiê ̣m vi sinh Nhóm polymer phân cực thì bền nhiê ̣t, hóa, cơ, song viê ̣c dùng điê ̣n thế cao để ta ̣o da ̣ng thấu kính là mô ̣t ha ̣n chế lớn Chính vì vâ ̣y, viê ̣c nghiên cứu đề xuất mô ̣t phương pháp thuâ ̣n tiê ̣n để chế ta ̣o vi thấu kính có cấu trúc mong muốn và bề mă ̣t nhẵn

bóng đối với vâ ̣t liê ̣u thủy tinh/polymer tương thích với các phần tử y sinh là mô ̣t trong các mu ̣c tiêu của đề tài Các vi thấu kính này có thể được ứng du ̣ng trong truyền thông, cũng như cảm biến môi trường, v.v

Vớ i các lí do trên tôi quyết đi ̣nh cho ̣n đề tài luâ ̣n văn:

“Nghiên cứu chế ta ̣o và khảo sát đă ̣c trưng của vi thấu kính trên cơ sở

Luận văn đặt mục tiêu nghiên cứu chế ta ̣o và khảo sát đă ̣c trưng của vi thấu

kính; thử nghiê ̣m và đánh giá khả năng ứng du ̣ng của vi thấu kính trong hê ̣ thống quang MEMS Kết quả của luâ ̣n văn là xây dựng mô ̣t phương pháp linh hoa ̣t, đơn giản và hiê ̣u quả trong viê ̣c chế ta ̣o vi thấu kính dùng trong các hê ̣ thống MEMS quang dù ng trong truyền thông và cảm biến

Nội dung nghiên cứu thực hiê ̣n trong luận văn:

Luận văn sẽ thực hiện các nội dung nghiên cứu cụ thể sau đây:

- Tổng quan về các khái niê ̣m quang hình ho ̣c cơ bản, các phương pháp chế

tạo vi thấu kính và ứng du ̣ng của vi thấu kính trong thực tiễn

- Nghiên cứu phương pháp chế ta ̣o vi thấu kính bằng công nghệ MEMS Tìm điều kiện công nghệ tối ưu để chế ta ̣o vi thấu kính có bề mă ̣t nhẵn bóng và hình

dạng cầu cần thiết

- Khảo sát hình thái học bề mặt, hình da ̣ng của các vi thấu kính được chế ta ̣o thông qua các phép đo như Alpha-step

- Đánh giá đă ̣c trưng quang cơ bản của vi thấu kính như điểm sáng, tiêu cự, quang sai

TỔNG QUAN 1.1 Khái niệm quang hình học cơ bản

1.1.1 Khái niệm cơ bản về thấu kính

Thấu kính là tên gọi chung chỉ thành phần thủy tinh, silic hoặc chất liệu plastic trong suốt, thường có dạng tròn, có hai bề mặt chính được mài nhẵn một cách đặc biệt (giới hạn bởi hai mặt cong hoặc bởi một mặt cong và một mặt phằng) nhằm tạo ra sự hội tụ hoặc phân kì của ánh sáng truyền qua chất đó (Hình 1-1)

Hình 1-1 Các loại thấu kính cơ bản

1.1.2 Phân loại thấu kính

Thấu kính có thể là hô ̣i tu ̣ hoặc phân kì tùy thuộc vào chúng làm cho các tia sáng truyền qua hội tụ vào một tiêu điểm, hoặc phân kì ra xa trục chính Thấu kính hội tu ̣ (minh họa trong Hình 1-2) làm hội tụ các tia sáng tới song song với trục chính và hội tụ chúng tại tiêu diện, tạo nên ảnh thật Như chỉ rõ trong Hình 1-2, thấu kính hội tu ̣ có một hoặc hai mặt lồi và ở giữa dày hơn ngoài rìa Đặc điểm chung của thấu kính hô ̣i tu ̣ là chúng phóng to vật khi chúng được đặt giữa vật và mắt người Ngược lại, thấu kính phân kì làm phân kì các tia sáng tới song song và tạo nên ảnh bằng cách kéo dài các vết tia sáng truyền qua thấu kính đến một tiêu điểm nằm trước thấu kính Thấu kính phân kì có ít nhất một mặt lõm và

ở giữa mỏng hơn ngoài rìa (xem Hình 1-3) Khi thấu kính phân kì được đặt giữa vật và mắt, nó không tạo nên ảnh thật, mà làm giảm (hoặc thu nhỏ) kích thước biểu kiến của vật bằng cách tạo nên ảnh ảo

1.1.2.a Thấu kính hội tụ

Các dạng hình học thấu kính cơ bản đối với thành phần thấu kính hô ̣i tu ̣ minh họa trong Hình 1-2 là hai mặt lồi (Hình 1-2a) và phẳng-lồi (Hình 1-2b, có một bề mặt phẳng) Ngoài ra, thấu kính lồi-khum (Hình 1-2c) có cả mặt lồi và mặt

lõm có độ cong tương đương, nhưng ở giữa dày hơn ngoài rìa Thấu kính hai mặt lồi là thấu kính phóng đại đơn giản nhất, và có tiêu điểm và độ phóng đại phụ thuộc vào góc cong của bề mặt Góc cong càng lớn thì tiêu cự càng ngắn, vì sóng ánh sáng bị khúc xạ ở góc lớn hơn so với trục chính của thấu kính Bản chất đối xứng của thấu kính hai mặt lồi làm giảm tối thiểu quang sai cầu trong những ứng dụng trong đó ảnh và vật nằm đối xứng nhau Khi một thấu kính hai mặt lồi hoàn toàn đối xứng (trong thực tế, độ phóng đại là 1:1), quang sai cầu có giá trị cực tiểu, quang sai coma và méo hình cũng đạt cực tiểu hoặc triệt tiêu Nói chung, thấu kính hai mặt lồi hoạt động với quang sai cực tiểu ở độ phóng đại từ 0,2x đến 5x Thấu kính lồi chủ yếu được dùng trong các ứng dụng hội tụ và phóng đại ảnh

Hình 1-2 Ca ́ c loại thấu kính hội tụ [6]

Thấu kính phẳng-lồi điển hình (Hình 1-2b) có một mặt lồi dương và một mặt phẳng ở phía bên kia thấu kính Những thành phần thấu kính này làm hội tụ các tia sáng song song vào một tiêu điểm dương và hình thành ảnh thực có thể chiếu hoặc điều chỉnh bằng các bộ lọc không gian Sự không đối xứng của thấu kính phẳng-lồi làm tối thiểu quang sai cầu trong các ứng dụng trong đó vật và ảnh nằm ở khoảng cách không bằng nhau tính từ thấu kính Trường hợp tốt nhất để làm giảm quang sai xảy ra khi vật nằm ở vô cùng (trong thực tế, các tia sáng song song đi vào thấu kính) và ảnh hội tụ tại tiêu điểm Tuy nhiên, thấu kính phẳng-lồi

sẽ tạo ra quang sai cực tiểu ở tỉ số liên hợp lên tới gần 5,1 Khi mặt cong của thấu kính phẳng-lồi hướng về phía vật, sẽ thu được sự hội tụ sắc nét nhất có thể có Thấu kính phẳng-lồi được dùng làm chuẩn trực các chùm tia phân kì và thiết đặt tiêu điểm cho quang hệ phức tạp hơn

Thấu kính khum dương (Hình 1-2c) có cấu trúc không đối xứng với một mặt dạng bán kính lồi, còn mặt kia thì hơi lõm Thấu kính khum thường được dùng chung với các thấu kính khác tạo nên quang hệ có tiêu cự dài hơn hoặc ngắn hơn các thấu kính ban đầu Ví dụ, thấu kính khum dương có thể đặt sau thấu kính phẳng-lồi làm ngắn đi tiêu cự mà không làm giảm hiệu suất của thấu kính phẳng-lồ i Thấu kính khum dương có bán kính cong ở mặt lõm của thấu kính lớn hơn ở mặt lồi cho khả năng hình thành nên ảnh thật

1.1.2.b Thấu kính phân ki ̀

Thành phần thấu kính phân kì gồm có hai mặt lõm (Hình 1-3a), phẳng-lõm (Hình 1-3b, có một bề mặt phẳng), và lõm-khum (Hình 1-3c), cũng có các bề mặt lõm và lồi, nhưng ở giữa mỏng hơn ở rìa Đối với cả thấu kính khum dương và khum âm, khoảng cách giữa hai bề mặt và tiêu diện của chúng là không bằng nhau, nhưng tiêu cự của chúng thì bằng nhau Đường thẳng nối giữa tâm của các mặt cong thấu kính trong Hình 1-3 được gọi là trục chính của thấu kính Thấu kính đơn giản có hình dạng đối xứng (hai mặt lồi hoặc hai mặt lõm) có các mặt phẳng chính cách đều nhau và cách đều hai bề mặt Sự thiếu đối xứng ở những thấu kính khác, ví dụ như thấu kính khum và thấu kính phẳng âm và dương, làm cho vị trí của các mặt phẳng chính thay đổi theo hình học thấu kính Thấu kính phẳng-lồi và phẳng-lõm có một mặt phẳng chính cắt trục chính, tại rìa của mặt cong, và mặt phẳng kia thì nằm sâu bên trong thấu kính Các mặt phẳng chính đối với thấu kính khum nằm bên ngoài bề mặt thấu kính

Thấu kính hai mặt lõm (Hình 1-3a) chủ yếu dùng làm phân kì các chùm tia sáng và làm giảm kích thước ảnh, cũng như làm tăng tiêu cự quang hệ và làm chuẩn trực các chùm tia phân kì Thường được gọi là thấu kính lõm kép, nguyên

tố quang này khúc xạ các tia sáng vào song song sao cho chúng phân kì khỏi trục chính ở mặt ra của thấu kính, tạo nên tiêu cự âm ở phía trước thấu kính Mặc dù các tia sáng ra không thật sự đồng nhất để hình thành một tiêu điểm, chúng thực

sự có vẻ phân kì từ một ảnh ảo nằm ở phía vật của thấu kính Thấu kính hai mặt lõm có thể ghép chung với các thấu kính khác để làm giảm tiêu cự quang hệ

Thấu kính phẳng-lõm trong (Hình 1-3b) là thành phần phân kì có tiêu cự

âm và tạo nên ảnh ảo Khi một chùm tia sáng chuẩn trực tới trên mặt cong của thành phần thấu kính phẳng-lõm, phía ra sẽ hình thành nên một chùm tia phân kì Chùm này sẽ có vẻ ló ra từ một nguồn điểm ảo nhỏ hơn nếu như mặt thấu kính phẳng hứng chùm tia chuẩn trực Thấu kính phẳng-lõm, biểu hiện quang sai cầu cực tiểu khi mặt lõm nằm ở khoảng cách liên hợp lớn nhất, được dùng để mở rộng chùm tia sáng hoặc làm tăng tiêu cự ở quang hệ có sẵn

Cũng thường gọi là thấu kính lồi-lõm, thấu kính khum âm (phân kì) có thể được thiết kế nhằm làm giảm hoặc loại trừ sự quang sai cầu khác, hay coma, trong quang hệ mà thấu kính ghép vào Thấu kính khum (cả dương và âm) thường được dùng làm giảm tiêu cự của hệ kép (hai thấu kính hàn với nhau) hoặc thấu kính phẳng-lồi hoạt động ở tỉ số liên hợp vô hạn (được rọi bởi các tia song song) Tiêu

cự yêu cầu của hệ cuối cùng xác định chiều nhất định và đặc điểm của thấu kính khum phải được thêm vào Sự kết hợp thấu kính phẳng-lồi/khum cho độ phân giải lớn gấp bốn lần thấu kính phẳng-lồi hoạt động riêng lẻ

Thấu kính hoạt động bằng cách làm khúc xạ sóng ánh sáng tới tại những điểm nơi chúng đi vào và ra khỏi bề mặt thấu kính Góc khúc xạ, và do đó tiêu cự,

sẽ phụ thuộc vào dạng hình học của bề mặt thấu kính cũng như chất liệu dùng chế tạo thấu kính Chất có chiết suất cao hơn sẽ có tiêu cự ngắn hơn chất có chiết suất thấp hơn

Hình 1-3 Ca ́ c loại thấu kính phân kỳ [6]

1.1.3 Thành phần cơ bản của thấu kính

Quang tâm O: là điểm chính giữa thấu kính, mọi tia sáng đi qua quang tâm

O của thấu kính đều truyền thẳng

Trục chính của thấu kính: là đường thẳng đi qua quang tâm O và vuông

góc với mặt thấu kính Mo ̣i đường thẳng khác đi qua quang tâm O là tru ̣c phu ̣

Mọi tia tới quang tâm của thấu kính đều truyền thẳng

Tiêu điểm ảnh của thấu kính: là điểm hội tụ của chùm tia sáng đi qua thấu

kính hoặc phần kéo dài của chúng

Tiêu cự: là khoảng cách từ quang tâm đến tiêu điểm của thấu kính

Tiêu diện: là mặt phẳng chứa tất cả các tiêu điểm của thấu kính

Hình 1-4 Quang hi ̀nh học thấu kính mỏng đơn giản [1]

1.1.4 Sư ̣ tạo ảnh bởi thấu kính

Có ba quy luật tổng quát áp dụng để lần theo các tia sáng đi qua một thấu kính đơn giản (Hình 1-4) khiến cho công việc xác định tia ló của các tia sáng tương đối dễ

 Thứ nhất, một tia sáng đi qua tâm thấu kính từ một điểm trên vật đến điểm tương ứng trên ảnh (đường nối các đầu mũi tên Hình 1-4) Tia này không bị thấu kính làm lệch hướng

 Thứ hai, một tia phát ra từ điểm trên cùng của vật vẽ song song với trục chính và, sau khi bị khúc xạ bởi thấu kính, sẽ cắt trục chính và đi qua tiêu điểm phía sau Trong thực tế, tất cả các tia sáng truyền song song với trục chính sau khi

bị khúc xạ bởi thấu kính sẽ truyền qua tiêu điểm sau

 Thứ ba, một tia phát ra từ vật đi qua tiêu điểm phía trước sẽ bị thấu kính khúc xạ theo hướng song song với trục chính và trùng với một điểm giống hệt trên ảnh Sự giao nhau của hai trong số bất kì các tia vừa mô tả, thường được gọi là tia tiêu biểu, sẽ xác định mặt phẳng ảnh của thấu kính

Việc mở rộng khái niệm đường đi từng tia sáng sang cho một chùm tia sáng

là yêu cầu cần thiết để mô tả các sự kiện quang xảy ra trong kính hiển vi Khi một chùm tia sáng song song truyền qua một thấu kính đơn giản, các tia bị khúc xạ và tập trung vào một đốm sáng hội tụ tại tiêu điểm (điểm F trong Hình 1-4) của thấu kính Khi ánh sáng phát ra từ một nguồn điểm đặt tại tiêu điểm của thấu kính đi vào thấu kính, nó sẽ ló ra dưới dạng một chùm tia sáng song song, gần trục Ánh sáng từ nguồn rọi sáng kính hiển vi có thể xem là một tập sóng ánh sáng dao động cùng pha với nhau Đầu sóng đi cùng với đoàn sóng này nằm trong một mặt phẳng vuông góc với hướng truyền (thường song song với trục quang của kính hiển vi)

và bị chuyển thành sóng cầu khi truyền qua một thấu kính hai mặt lồi đơn giản Bán kính của sóng cầu đó có tâm tại tiêu điểm của thấu kính và sóng ánh sáng đều đến đồng pha và trải qua sự giao thoa tăng cường (cộng gộp) lẫn nhau tại tiêu điểm Như trường hợp nguồn sáng điểm, đầu sóng cầu tỏa ra từ tiêu điểm của một thấu kính đơn giản bị chuyển thành đầu sóng phẳng bởi sự khúc xạ xảy ra khi truyền qua thấu kính [6], [4]

Một đầu sóng phẳng truyền qua không gian thường không vuông góc với trục chính của thấu kính, mà đến với một số góc tới nghiêng với trục chính Tâm của sóng cầu do sự truyền sóng phẳng ngoài trục qua thấu kính nằm ở một số điểm ngoài trục chính của thấu kính Trong mọi mục đích thực tế, một sóng phẳng có thể xem là sóng cầu có bán kính vô hạn, có thể hội tụ bằng một thấu kính thành một sóng cầu khác có bán kính nhỏ hơn nhiều - bằng với tiêu cự của thấu kính Như vậy, có thể kết luận rằng một thấu kính hai mặt lồi đơn giản hoạt động bằng cách biến một sóng cầu thành một sóng cầu khác, thường có bán kính (hoặc tiêu điểm) khác Ngoài ra, tâm cong của sóng cầu thứ hai nằm trong tiêu diện của thấu kính

Hình 1-5 So ́ ng xiên đi qua hê ̣ hai thấu kinh song song đơn giản [1]

Nếu nguồn sáng điểm phát ra sóng cầu không nằm trong tiêu diện của thấu kính (trong thực tế, sóng ánh sáng xiên góc với trục chính), khi đó thấu kính có thể được mô tả là gồm hai thấu kính riêng biệt, như minh họa trong Hình 1-5 đối với nguồn điểm đơn sắc (một màu) đỏ Mỗi thấu kính có tiêu cự khác nhau (f(a) cho thấu kính gần nguồn điểm nhất trong Hình 1-5, và f(b) cho thấu kính thứ hai),

và sóng cầu ló ra từ thấu kính thứ hai (thấu kính b) có tâm tại tiêu điểm cũng nằm ngoài trục chính của hệ thấu kính Kết quả là sóng cầu có tâm tại điểm S1 trong Hình 1-5 bị thấu kính thứ nhất biến thành sóng phẳng xiên so với trục thấu kính cùng một góc như nguồn điểm Thấu kính thứ hai biến sóng phẳng ló ra từ thấu kính thứ nhất thành thành sóng cầu có tâm bán kính cong nằm tại S2, cũng xiên cùng một góc như nguồn điểm Tóm lại, thấu kính đơn giản (là tổng hợp hai thấu kính thành phần giả định như mô tả trong Hình 1-5) hội tụ nguồn điểm S1 lên điểm

S2, và ngược lại Trong thuật ngữ quang học, các điểm S1 và S2 gọi là các điểm liên hợp, và có tầm quan trọng cơ sở cho việc tìm hiểu các sự kiện xảy ra trong

bộ truyền động quang của kính hiển vi

Mở rộng thêm ý tưởng về các điểm liên hợp, nếu điểm S1 được xem là thuộc

về một tập hợp điểm nằm trong một mặt phẳng vuông góc với trục chính của thấu kính, thì thấu kính sẽ hội tụ mỗi điểm vào một điểm liên hợp tương tự trong mặt phẳng chứa tập hợp điểm S2 Do đó, bằng sự đảo ngược, thấu kính cũng sẽ hội tụ mỗi điểm trong mặt phẳng S2 lên một điểm tương ứng trên tập hợp S1 từ mặt phẳng ban đầu Những mặt phẳng tiêu liên hệ gần gũi này được gọi là mặt phẳng liên hợp, và hội tụ đồng thời Nói chung, một kính hiển vi có hai bộ mặt phẳng liên hợp: một bộ chứa lỗ điều chỉnh lượng ánh sáng truyền qua quang hệ, và bộ kia thì tạo ảnh

Vì một sóng ánh sáng đang lan truyền có thể xem là một đoàn sóng, nên một bó tia có thể biểu diễn bằng một vệt tia định hướng vuông góc với đầu sóng Mang điều này vào thảo luận thì hệ thấu kính song sinh nói tới trong Hình 1-5 có thể giản lược sơ đồ hình vẽ đường đi tia sáng, như biểu diễn trong Hình 1-4, để

áp dụng các quy luật hình học xác định kích thước và vị trí ảnh tạo bởi thấu kính Như đã nói ở phần trên, hai tia sáng tiêu biểu, một gần (song song) trục chính, và một truyền qua tâm của thấu kính là cần thiết để xác định những thông số này

Khoảng cách a và b trong Hình 1-4 (f(a) và f(b) trong Hình 1-5) và tiêu cự sau (f) của thấu kính liên hệ với nhau bằng phương trình đơn giản sau đây áp dụng cho mọi thấu kính mỏng:

1/a + 1/b = 1/f

Từ phương trình này, rõ ràng là nếu như tiêu cự sau và khoảng cách giữa thấu kính và vật đã được biết, thì khoảng cách giữa thấu kính và tiêu diện có thể tính được Hơn nữa, chiều cao của ảnh tạo bởi thấu kính chia cho chiều cao của vật xác định độ phóng đại (M) của thấu kính:

Độ phóng đại = Chiều cao ảnh/ Chiều cao vật = b/a

Tất nhiên, các phương trình vừa mô tả là dựa trên giả thuyết rằng hệ thấu kính bị bao quanh bởi không khí ở cả hai phía, nhưng đây thường không phải là trường hợp trong kính hiển vi quang học sử dụng vật kính ngâm dầu, nước, hoặc glycerin Tuy nhiên, đa số kính hiển vi thông dụng có vật kính công suất trung bình không sử dụng môi trường tạo ảnh nào khác ngoài không khí Một trong những kết luận có thể rút ra từ những công thức toán học thấu kính đơn giản vừa nhắc tới ở trên là độ phóng đại (hoặc thu nhỏ kích thước) của một ảnh bằng với tiêu cự của hệ thấu kính chia cho khoảng cách giữa mặt phẳng vật và tiêu diện phía trước (phía vật) của thấu kính Ngoài ra, độ phóng đại (hoặc thu nhỏ) của ảnh bằng với khoảng cách giữa mặt phẳng ảnh và tiêu diện ở phía bên phải của thấu kính chia cho tiêu cự của thấu kính Những phương trình này thường được sử dụng để tính độ phóng đại hoặc thu nhỏ kích thước ảnh bởi hệ thấu kính có tiêu

cự cố định Chúng cũng được dùng cho việc xác định khoảng cách ảnh tính từ mặt phẳng chính ở phía bên phải (phía không gian ảnh) của thấu kính khi mẫu vật được đặt ở một khoảng cách cố định trong không gian vật

Một yếu tố quan trọng khác trong kính hiển vi là độ phóng đại dọc, hay độ phóng đại trục, được định nghĩa là tỉ số của khoảng cách giữa hai điểm ảnh dọc theo trục thấu kính với các điểm liên hợp tương ứng của chúng trên mẫu vật Nói chung, độ lớn của độ phóng đại dọc được xác định bằng bình phương của độ phóng đại bên đối với những khoảng cách nhỏ trong mặt phẳng ảnh

1.1.5 Ứng du ̣ng của thấu kính

Thấu kính đơn giản có khả năng tạo ảnh (giống như thấu kính hai mặt lồi)

có ích trong những dụng cụ thiết kế dành cho các ứng dụng phóng đại đơn giản, như kính phóng to, kính đeo mắt, camera một thấu kính, kính lúp, ống nhòm và thấu kính tiếp xúc Bộ đôi thấu kính đơn giản nhất có tên là hệ tiêu sắc, gồm hai nguyên tố thấu kính hàn với nhau nhằm hiệu chỉnh quang sai cầu trên trục và quang sai màu Hệ tiêu sắc thường gồm một thấu kính hai mặt lồi ghép với một thấu kính khum dương hoặc âm, hoặc một thấu kính phẳng-lồi Bộ ba thấu kính tiêu sắc được dùng làm bộ phóng đại công suất cao Được hiệu chỉnh quang sai tốt hơn bộ đôi, bộ ba thấu kính được đánh giá bằng kĩ thuật thiết kế máy tính nhằm loại trừ hầu hết sự méo hình Những dụng cụ phức tạp hơn thường sử dụng kết hợp nhiều thành phần thấu kính để nâng cao độ phóng đại và khai thác những tính

chất quang khác của ảnh Trong số các dụng cụ sử dụng quang hệ ghép thuộc nhóm này có kính hiển vi, kính thiên văn, kính viễn vọng, camera

Hình 1-6 Các loại thấu kính không phổ biến [1]

Ngoài những dạng hình học phổ biến đã mô tả ở trên, thấu kính cũng được sản xuất thuộc nhiều hình dạng và định hướng khác đa dạng (xem Hình 1-6) Thấu kính hình cầu biểu hiện tính chất như nhau từ mọi góc tới, và có tiêu cự phụ thuộc vào đường kính và chiết suất Bằng cách điều chỉnh hai thông số này, một phổ rộng rãi tiêu cự có thể thu được với thấu kính hình cầu nhưng ứng dụng chủ yếu của chúng là cải thiện sự ghép tín hiệu giữa sợi quang, máy phát và máy thu dùng trong công nghiệp viễn thông Thấu kính hình bán cầu, có dạng nửa hình cầu, được sử dụng trong ngành quang học viễn thông sợi quang, phép nội soi, kính hiển vi, và các hệ đo lường laser Thấu kính hình trống tạo ra từ thấu kính hình quả cầu bằng kĩ thuật mài trục, làm giảm một phần đáng kể bán kính thấu kính Những thấu kính biến cải này dễ lắp ráp và ghép thẳng hàng trong quang hệ hơn nhiều so với người anh em hình cầu của chúng

Thấu kính hình trụ, được sản xuất nhiều hình dạng và định hướng, gồm một phần của hình trụ dẹt ở một mặt làm hội tụ ánh sáng vào một mặt phẳng Vì những thấu kính này có khả năng phóng đại theo một hướng, nên có thể sử dụng chúng làm kéo căng hình Ngoài ra, thấu kính trụ có thể biến một nguồn sáng điểm thành ảnh thẳng, khiến chúng có ích làm máy phát laser vạch, hoặc làm hội tụ ánh sáng vào một khe Những hình dạng thấu kính khác gồm hình nón, hình que và hình không cầu Thấu kính hình nón được dùng cho chiếu sáng 360 độ và các ứng dụng

xử lí ảnh Với hiệu suất quang tương đương với thấu kính trụ, thấu kính hình que

sẽ hội tụ ánh sáng chuẩn trực truyền qua đường kính thành một vạch Thấu kính hình không cầu, có thể sản xuất có nhiều khẩu độ số đa dạng, loại trừ quang sai cầu và nâng cao độ chính xác hội tụ và chuẩn trực Những thấu kính này thường dùng trong các hệ chiếu sáng hiệu suất cao như thành phần tụ sáng

Các thành phần quang trong kính hiển vi là thấu kính rọi sáng (tụ sáng), thấu kính hội tụ (vật kính) và thị kính Mặc dù không thường không được mô tả

là thành phần tạo ảnh, nhưng tính chất tạo ảnh của từng nguyên tố thấu kính và nhóm thấu kính này có tầm quan trọng cơ sở trong việc xác định chất lượng cuối cùng của ảnh tạo bởi kính hiển vi

Hình 1-7 Ca ́ c thành phần quang của kính hiển vi trong phòng thí nghiê ̣m

1.2.1 Quy tri ̀nh chế tạo các sản phẩm từ công nghê ̣ MEMS/NEMS

Khái niệm MEMS (Micro Electronic Mechanical System – MEMS), chữ viết tắt của hệ thống vi cơ điện tử, được sử dụng khi mô tả sự tích hợp giữa các phần

tử điện tử và cơ khí trên một chip được chế tạo thông qua công nghệ vi điện tử MEMS hứa hẹn cách mạng hoá gần như tất cả các loại sản phẩm bằng việc kết hợp công nghệ vi điện tử trên nền tảng silicon và công nghệ vi cơ, tạo khả năng hiện thực hoá cái gọi là “hệ thống trên một chíp” hay “phòng thí nghiệm trên một chíp” MEMS là công nghệ khả thi cho phép phát triển các sản phẩm thông minh, làm tăng khả năng tính toán điện tử với sự tham gia điều khiển của các cảm biến

và bộ thi hành đồng thời mở rộng khả năng thiết kế và ứng dụng

Phần lớn các thiết bị MEMS được sản xuất hàng loạt, cho phép hàng ngàn thậm chí hàng triệu sản phẩm được chế tạo cùng lúc giúp hạ giá thành sản phẩm MEMS cũng rất phù hợp với các ứng dụng ở diện rộng và mang tính khả thi với các hệ thống tinh vi được chế tạo hàng loạt mà trước đó không thể triển khai với các công nghệ chế tạo khác Rất nhiều các sản phẩm MEMS tương tác cùng nhau

mở ra các khả năng và cơ hội mới trong các ngành công nghiệp cũng như trong các lĩnh vực ứng dụng khác nhau Kích thước nhỏ bé của thiết bị MEMS cho phép chúng tương thích với các hệ thống mà những sản phẩm có kích thước lớn hơn không thể thực hiện được Và nhờ sự hoạt động ở kích thước nhỏ như vậy, cảm biến MEMS có thể phát hiện những tín hiệu cực nhỏ và bộ chấp nhận MEMS có thể thực thi những nhiệm vụ với độ chính xác rất cao, tạo ra các ứng dụng hoàn toàn mới Kích thước nhỏ của linh kiện MEMS đồng nghĩa với việc tiêu thụ ít năng lượng, có ý nghĩa mấu chốt đối với các linh kiện điện tử Các chuyển mạch tĩnh điện MEMS chỉ tiêu thụ vài nano oát Rất nhiều thiết bị MEMS cho độ tin cậy hơn hẳn so với thiết bị truyền thống Thiết bị MEMS thường được chế tạo với cấu trúc nguyên khối, không có mối nối, không dùng bi, bạc hoặc các gioăng có nguy cơ bị ăn mòn Thay thế các thiết bị cồng kềnh bằng thiết bị MEMS làm giảm khối lượng một cách đáng kể Tính đồng vận kết hợp của điện tử tiên tiến với MEMS trên cùng một chíp thể hiện khả năng đáng kinh ngạc Hiệu năng của MEMS có thể nâng cao rất nhiều bằng việc sử dụng phản hồi và điều khiển điện

tử, và các thiết bị điện tử có thể có được những chức năng mới khi hoạt động cùng với MEMS Khả năng ứng dụng trong phạm vị rộng lớn là hoàn toàn có thể đối với các hệ thống thông minh trên một chíp bao gồm cả các hệ thống truyền thông không dây, phòng phân tích hoá học, hệ thống xác định sinh trắc học trên một chip

MEMS và công nghệ nano góp phần vào các phát kiến mới trong khoa học

và kỹ thuật như vi hệ thống phản ứng nhân chuỗi polymer (PCR-microsystem) ứng dụng trong việc phân chuỗi và xác định DNA, kính hiển vi đầu dò quét, cảm biến sinh học để phát hiện và chọn lọc thuốc chữa [4], [10], [11]

Quy trình chế ta ̣o mỗi sản phẩm vi điê ̣n tử, MEMS/NEMS đươ ̣c thực hiê ̣n trong phò ng sa ̣ch bao gồm rất nhiều bước công nghê ̣ tùy thuô ̣c đô ̣ phức ta ̣p, tính năng và thiết bi ̣ Quy trình công nghê ̣ tổng quát được mô tả gồm các bước sau:

Quá trình xử lý bề mặt nhằm làm sạch bề mặt phiến Si bằng dung dịch có tính oxi hóa và ăn mòn cao (thường là axit hoặc ba-zơ mạnh) đôi khi có gia nhiệt Quá trình này cần được thực hiện tại các tủ hoá ướt, có khả năng chịu ăn mòn, bền trong môi trường axit và ba-zơ

Tủ hoá ướt bao gồm các ngăn chứa hoá chất, đường nước vào ra và có phin lọc gió Ở những tủ hóa ướt hiện đại, có tích hợp thêm cả máy làm khô tấm Silic bằng quay ly tâm ở tốc độ cao (spin dryer)

Oxi hóa là bước công nghệ để tạo ra lớp 𝑆𝑖𝑂2từ phản ứng oxi hóa silic ở điều kiện nhiệt độ cao Lò oxi hóa dùng trong công nghệ vi điện tử, bán dẫn phục

vụ chế tạo các linh kiện MEMS/NEMS có thể hoạt động ở nhiệt độ tới 1050℃ Nhiệt độ thường dùng để ô-xi hóa silic là T = 1050℃, môi trường

𝑁2/𝐻2𝑂 (kỹ thuật oxy hóa ướt.), và T = 1100℃ môi trường O2 (kỹ thuật oxy hóa khô)

Lò oxi hóa thường có 3 vùng nhiệt độ rõ rệt, điều khiển được và có khả năng tương thích với các tấm Silic với kích thước khác nhau (2, 3, 4 và 6 inch) Các lớp SiO có thể đóng vai trò như một lớp bảo vệ cả tấm Silic trong quá trình 2

chế tạo, hoặc có vai trò như là một lớp cách điện trong linh kiện

Khuếch tán là một trong những bước công nghệ bắt buộc dùng để chế tạo các chuyển tiếp trong diode, bóng bán dẫn hoặc pha tạp tạo ra điện trở trong cảm biến MEMS Ở một số phòng thí nghiệm hoặc hãng sản xuất khuếch tán nhiệt được thay bằng kỹ thuật cấy ion với độ chính xác cao (điểm yếu lớn nhất của máy cấy ion là đắt tiền và chi phí hoạt động cao)

Chất pha tạp (dopant), trong kỹ thuật khuếch tán, có thể là nguồn rắn hoặc nguồn khí, được đưa vào sâu bên trong phiến silic nhờ nhiệt độ cao (khoảng 1100℃) Về lý thuyết, lò khuếch tán có thể dùng chung không gian với lò oxi hóa

Quang khắc (photo - lithography)

Quang khắc (hay photolithography) là kĩ thuật hay được sử dụng nhất trong công nghệ bán dẫn, vi điện tử, MEMS Kỹ thuật này được ứng dụng để đưa các chi tiết đã được thiết kế trên mặt nạ lên trên phiến silic với tỉ lệ 1:1 bằng cách sử dụng bức xạ ánh sáng làm biến đổi các chất cảm quang phủ trên bề mặt vật liệu

Do ảnh hưởng của nhiễu xạ ánh sáng nên phương pháp quang khắc không cho phép tạo các chi tiết nhỏ hơn micro mét, vì vậy phương pháp này còn được gọi là quang khắc micro (micro photolithography)

Quang khắc sử dụng các phản ứng quang hóa để tạo hình Bề mặt của đế sau khi xử lý được phủ một hợp chất hữu cơ gọi là chất cảm quang (photoresist) Chất cảm quang có tính chất nhạy quang, bền trong các môi trường kiềm hay axit Cảm quang có vai trò bảo vệ các chi tiết của vật liệu khỏi bị ăn mòn dưới các tác dụng của ăn mòn hoặc tạo ra các khe rãnh có hình dạng của các chi tiết cần chế tạo Cảm quang thường được phủ lên bề mặt tấm bằng kỹ thuật quay phủ (spin-coating)

Ăn mòn khô (Dry etching)

Là một kỹ thuật mới trong nghiên cứu và sản xuất các sản phẩm MEMS Trong kỹ thuật này, tác nhân ăn mòn, thay vì ở thể lỏng như hỗn hợp HF/NH4F,

HF, tồn tại ở thể khí Trong một buồng chân không, các tác nhân ăn mòn sẽ phản ứng với vật liệu như Si, SiO2…trên tấm nền (Si) sản xuất linh kiện Sản phẩm

phản ứng sẽ được bơm ra ngoài nhờ những bơm rút tốc độ cao

So với ăn mòn ướt, kỹ thuật ăn mòn khô có nhiều ưu điểm vượt trội như không dùng dung môi hay axit nguy hiểm; sử dụng một lượng hóa chất ít hơn nhiều; có khả năng tạo ra hình mẫu ăn mòn dị hướng; ăn mòn định hướng mà không cần sử dụng Si tinh thể; truyền tải trung thực chi tiết từ thiết kế (mặt nạ) lên phiến Si, tránh được được hiện tượng ăn mòn ngang với độ phân giải và tỉ lệ phương diện cao Thêm vào đó, kỹ thuật này cũng có mức độ tự động hóa cao Các loại khí hay được dùng làm nguồn ăn mòn khô bao gồm CF4, CHF3, C2F6…

Đây là hai kỹ thuật lắng đọng vật lý ở pha hơi Các trung tâm nghiên cứu mạnh trên thế giới có thể sở hữu từ hai đến nhiều thiết bị phún xạ và bốc bay với mục đích chuyên biệt, tránh nhiễm chéo (cross contamination) trong quá trình chế tạo Cả hai kỹ thuật đều được thực thi trong buồn chân không, do đó màng chế tạo được có chất lượng cao

Kỹ thuật phún xạ cao tần là một quá trình tạo ra một màng mỏng (dẫn điện hoặc không dẫn điện) lên tấm nền Dưới tác dụng của sóng cao tần, các nguyên tử khí trơ Ar bị ion hoá tạo thành các ion Ar+, các ion này được gia tốc dưới tác dụng của điện trường sẽ bay đến đập vào bia (catốt- chất cần phún xạ) làm bật ra các nguyên tử trên đó Các nguyên tử của bia bị bắn phá sẽ trở nên dễ bay hơi và lắng đọng thành một màng mỏng trên đế Với vật liệu dẫn điện, có thể dùng nguồn phún xạ một chiều Các máy phún xạ đời mới thường có nhiều hơn 3 nguồn phún

xạ trong buồng chân không

Kỹ thuật bốc bay nhiệt dùng để tạo lớp kim loại tiếp xúc trong linh kiện Vật liệu nguồn, dưới tác dụng của dòng điện trong chân không được chuyển thành thể hơi và lắng đọng trên tấm nền

Cắt phiến (Dicing)

Được thiết kế và chế tạo hàng loạt, sau các quy trình công nghệ người ta cần cắt rời chip, cảm biến từ tấm nền bằng kỹ thuật cắt phiến (dicing) Bước công nghệ này được thực hiện nhờ việc quay lưỡi dao (thường là tẩm vật liệu cứng ở

lưỡi dao) ở tốc độ cao (có thể điều chỉnh được) theo định dạng được thiết kế (chiều ngang, chiều dọc)

Đă ̣c tính (characterization)

Mỗi khi hoàn thiện các bước quy trình công nghệ, người ta cần phải đảm bảo các chip hoạt động đúng theo những mô hình lý thuyết Với thiết kế hiện nay, kích thước mỗi linh kiện thường rất nhỏ, nhiều khi chỉ vài trăm µm mỗi chiều Do

đó, để có thể cấp nguồn và lấy tín hiệu từ linh kiện người ta phải dùng một tổ hợp đặc biệt gọi là bộ kiểm tra linh kiện (probe station) Thiết bị này gồm một bộ gá chắc chắn, kết nối với những cánh tay đo với đầu đo có kích thước cỡ micro mét, được định vị nhờ kính hiển vi hoặc camera số Thiết bị kiểm tra linh kiện cũng được kết nối với hệ đo đa năng cho phép đo một cách chính xác các thông số của

linh kiện

1.2.2 Ứng dụng của thấu kính trong hệ thống quang MEMS/NEMS

• Ghép ánh sáng giữa các thành phần có kích thước khác nhau trong truyền thông

Hình 1-8 (a) vi thấu ki ́nh được đặt trên một sợi quang, (b) kích thước của vi

thấu ki ́nh [12]

Các vi thấu kính được chế ta ̣o và gắn vào các đầu sợi quang có công du ̣ng thu nhỏ la ̣i kích thước các chùm quang mà vẫn không làm hao tổn quang, phù hợp

vớ i các chế đô ̣ cơ bản của ống dẫn sóng [12]

• Đếm phần tử ha ̣t trong hê ̣ vi lưu

Hình 1-9 (a) Mô hi ̀nh hoạt động, (b) hình ảnh thực tế của thấu kính, (c) các

tha ̀ nh phần của hê ̣ thống [9]

Khả năng tâ ̣p trung của mô ̣t thấu kính sẽ có thể cho ta ứng du ̣ng vào viê ̣c đếm các tế bào dòng chảy Tích hợp hê ̣ thống quang ho ̣c đơn giản, nhỏ go ̣n và chi phí thấp, có thể thay thế cho hê ̣ thố ng thấu kính ngoài, và đây cũng là mô ̣t tiền năng để tăng hiê ̣u quả phát hiê ̣n và hoa ̣t đô ̣ng công suất thấp [9]

• Đầu đo ̣c quang [5]

• Ta ̣o ảnh

Hình 1-10 Sư ̣ tương phản giữa 2 bức ảnh không và có sử dụng thấu kính [3]

Với công nghệ vi cơ điện tử (MEMS), thấu kính có thể được chế tạo từ nhiều vật liệu khác nhau, ví dụ như thủy tinh, silic, cảm quang âm SU-8 của MicroChem, cản quang dương AZ9260 của MicroChemicals, polydimenthysiloxane (PDMS) và vài chất khác [4], [13], [16], [17] Trong số đó phổ biến nhất là thủy tinh, SU-8 và PDMS với các ưu điểm như dải bước sóng, tính linh hoạt khi chế tạo, độ bền cơ học và hóa học cao Đối với vật liệu SU-8, đây là một vật liệu rất tốt để chế tạo vi thấu kính bởi vì đây là vật liệu trong suốt trong một bước sóng dải rộng vượt qua 400nm, bền với cơ khí, hóa học và tác động nhiệt độ.Các thấu kính vâ ̣t được làm bằng SU-8 đã được chế ta ̣o bằng cách biến dạng bằng điê ̣n thế cao và nung ở nhiê ̣t đô ̣ 80℃ [8]

Hình 1-11 Sơ đồ hê ̣ thống thiết kế chế tạo vi thấu kính bằng cách sử dụng

hiệu điện thế cao [8]

Tuy nhiên, phương pháp này tương đối khó thực hiê ̣n vì phải sử du ̣ng điê ̣n thế cao và các trang thiết bi ̣ ở Viê ̣t Nam chưa đáp ứng đươ ̣c nên ở luâ ̣n văn này chú ng tôi sẽ trình bày thêm mô ̣t phương pháp chế ta ̣o thấu kính đơn giản hơn mà vẫn đáp ứng đươ ̣c yêu cầu để lắp ghép vào hê ̣ thống quang MEMS/NEMS Chế tạo vi thấu kính SU-8 tương đối đơn giản và linh hoạt, chủ yếu là sử dụng quang

khắc để tạo giếng, nhỏ giọt và sử dụng nhiệt độ để điều chỉnh hình dạng Cuối cùng sử dụng tia cực tím (UV) để hóa rắn vi thấu kính Với độ nhớt khác nhau, SU-8 có thể được sử dụng làm thấu kính với hình dạng khác nhau và bề mặt nhẵn Trong luận văn này các thấu kính sẽ được ứng du ̣ng trong hê ̣ thống cảm biến phát hiện Asen trong nước Các thấu kính là các phần tử để hô ̣i tu ̣ quang ho ̣c Nó có vai trò rất quan tro ̣ng vì đảm bảo cho các tia sáng truyền qua ít bi ̣ tổn hao.[10]

Hình 1-12 Mô hi ̀nh cảm biến tích hợp các linh kiê ̣n quang sử dụng để phát

hiê ̣n Asen [8]

Ở Hình 1-12 thì các thấu kính được chế tạo bằng vật liệu SU-8 được lắp ghép vào hệ thống quang Trong hệ thống quang với các thấu kính, vị trí tương đối của các phần tử quang học quan trọng, đảm bảo tia sáng truyền ít bị tổn hao nhất Các thiết bị kính hiển vi và bàn vi trượt cho phép căn chỉnh vị trí của các phần tử chính xác nhất có thể, cho phép giảm thiểu sai lệch căn chỉnh

Trong chương này, tôi đã trình bày mô ̣t cách tổng quát về thấu kính, phân loại và cách dựng ảnh của thấu kính Giới thiê ̣u chung về khả năng ứng du ̣ng thực tiễn củ a thấu kính trong đời sống nói chung và trong hê ̣ thống quang MEMS/NEMS nói riêng Đố i với trong hê ̣ thống quang MEMS/NEMS, thành phần thấu kính là mô ̣t thành phần quan tro ̣ng trong viê ̣c chuẩn trực và hô ̣i tu ̣ ánh

sáng vào điểm nhỏ để ghép ánh sáng giữa các thành phần có kích thước khác nhau

Do đó chúng tôi lựa cho ̣n viê ̣c nghiên cứu và chế ta ̣o thấu kính cho luâ ̣n văn này