Luận Án tiến sĩ 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

Thiết kŠ bộ chấp hành ba chiều có thể điều khiển độc lập, tích hợp trên cùng một lĩnh kiện, công nghệ chỗ tạo đơn giản, có thổ thực hiện được với dông nghệ hiện có ở trong nước, định

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐẢO TẠO

Dặng Văn Hiếu

NGHIÊN CỨỬU THIẾT KÉ VÀ MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG

CUA BO VI CHAP HÀNH MŨI ĐÒ QUÉT ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG

KHẮC CÁC CÂU TRÚC NANO

LUAN AN TIEN SI KHOA HOC VAT LIEU

BỘ GIÁO DỤC VẢ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG DẠI HỌC BÁCH KHOA IA NOL

Đặng Văn Hiếu

NGHIÊN CỨU THIET KE VA MO PHONG HOAT DONG

CUA BO VI CHAP HANH MUL DO QUET BINH HUGNG UNG DUNG

KHAC CAC CAU TRUC NANO

Ngành: Khua hục Vật liệu

Mã số: 9440122

LUẬN ÁN TIỀN SĨ KHOA HỌC VẶT LIEU

NGUOI HUONG DAN KHOA HOC:

1 PGS TS CHU MANH HOANG

2, 1% VŨ THU HIEN

11a Nal — 2021

LOI CAM DOAN

Tôi xin cam doan dây là cóng trình nghiên cửu của riêng tôi đưới sự hướng đến của PGS T8 Chu Mạnh Hoàng và T8 Vũ Thu Hiển, Các số liệu và kết quả trong luận án là hoàn Loan trung thực và chưa lừng được mí công bố trong bal ky

công trình khơa học não khác

liệu, về các công nghệ chế tạo, những kinh nghiệm và phương pháp nghiên cửu, phương pháp viết bài và đắng bài trên các tạp chi IST va trên hết là mở ra con đường nghiên cứu khoa học tiếp theo của bản thân

Tỏi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Viện ITIMB, trường ĐH Bách

khoa Hà Nội, trường ĐH Thành Đô và trường Đại học FPT đã tạo diểu kiện về thời gian, vật chất và tình thần giúp tôi hoàn thành luận ám,

Tôi xin chân thành căm em ŒS.TS Vũ Ngọc Hìng, cùng cúc ønh, chỉ, pin trong phòng thí nghiện MEMS, Viện TTIMS: TH 1ê Văn Tâm, TS Nguyễn Ngọc Minh, NCS Nguyễn Thanh Hương, TS Nguyễn Văn Minh, TS Nguyễn Thi Quynh Chi, TS Ngô Đức Quân, ThS Nguyén Ngọc Sơn đã chia sẻ những kinh nghiêm nghiên cứu khoa học, đã động viên và có những thảo luận góp ¥ giúp tôi hoàn thành luận án

Tỏi xin chân thành cám ơn TS Nguyễn Văn Toán đã tạo điều kiện và hướng dẫn tỏi sử dụng các thuết bị và làn việc trong phòng sạch

Tôi cũng xin được gửi lời câm cơ tới bạn bé và đồng nghiệp đã luôn ở bên,

động viên khích lệ tỏi trong thời gian qua

Cuỗi cửng, tôi xin giảnh lời cảm ơn cho gia đình, gia đình lả hậu phương vững chắc, là chỗ dưa tình thần để tôi có thế yên tâm nghiền cứu trong suốt thời

gian vừa qua

Hà Nội, ngày thắng nẵm 20

Tác giả

Đặng Văn Hiểu

MỤC TỤC

1.3 Hiệu suất khắc đầu đỏ quét co series TỔ

1.4 Công nghệ chế tạo -s S222 tre TỦ

1.5 Mục tiểu của luận án Hee eereroroeoou24

3.1.3 Tỉnh toàn điện dụ tới hạn (na sJ của câu trúc dịch chuyến một chiễu theo

3.3.1 Giới thiệu chủng vê phương pháp phần tữ hữa: hạn 42

2.2.2 Phần mềm phân tích phâu từ hữu hạn ŒEA) s co

3.2 Bộ chấp hành sử dụng cầu trúc vị treo lò xo gấp khúc dạng truyền thông va dang

4.3 Tác động của hte cin khéng khi lên bộ vi dịch chnyễn ba chiên XFZ 56 4.4 Kết quả và thảo luận của cấu trúc vi địch chuyễn ba chiễu 88

441 Tan sé thea trục = phus thude van dé réng va dé day của lò xo treo 58

4-43 TÂn dổ ham động theo trục x, y phụ thuốc vào độ rộng và độ dầy của đầm

4.4.3, Độ dịch chuyền của bộ diễu kuiẫn XYZ pi thuộc vào điện áo diễu kuiểu Để

4.4.4 Hệ số phẩm chất của bộ vị dịch chuyển ba chiễu oS

CHƯƠNG S5: CHẾ TẠO MU] DO BANG PRUONG PHAP AN MON UOT 97

DINH HƯỚNG NGHIÊN CỬU TIẾP THEO CỦA LUẬN ẢN 108

DANH MỤC CAC CONG TRINH DA CONG BO CUA LUẬN ẢN 109

`

ĐANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VA Cad VIET TAT

Sĩ: Si-He

1C (Integrated CircuiQ: Mạch điện tích hợp

SPM (§canrnng Probe Mieroscopy): Kính hiển vi đầu đỏ quét

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

AFM (Atomic Force Microscope): Kính hiển vị hiển vi lực nguyên tử

MEM (Magnctie Forec Mieroscopy): Kinh hiễn ví lực từ

SEM (Scamming Electrơn Mieruscopc): Kinh Hiển vị điện tử qui

TRM ( Thausnission Elocbon Mieroscopy): Kinh hiển vì điện tử truyền qua

SC (Standard Clearing): Quy tinh rita phién Sichuan

STM (Scanning Tunneling Microscope): Kinh hign vi quét xuyên ngâm

PMMA (Polymethylmethacrylate): Thủy tỉnh hữu eơ

DPN (Dip-Đen nanolithography): Khắc Dip-Đen

MEMS (Mieroelectromechanical system): Hệ thẳng vi cơ điện tử

KEM (finite Klement Method): Phương pháp phần tử hữu hạn

FEA (Finite Element Analysis): Phin tich phan tứ hữu hạn

PDEs (Partial Differential Equations): Phương trinh vi phân từng phần

HF: Axit Flohydrie

Tp: Mũi dò (mũi nhọn)

KOH: Kali hydro xít

SiOz: Si-lic d xit

FESEM: Kinh tiễn vĩ điện tử quát hiệu ứng trường

CM-ATM: Khắc AFM chế độ tiếp xúc

TM-AFM: Khắc ATM chế độ khỏng tiếp xúc

Liftoff: Qua trình lift-off

1 Mö-men quán tỉnh mật cắt ngang,

w, A, i: Lan knot là chiều rộng, chiểu cao (dộ đảy) chiều dài của các cầu trúc

Ee g: Lần lượt là khoảng các giữa các răng lược và khoảng các giữa tâm trung

tâm và bản cực điều khiến

Ð: Áp suất

Š Hệ số căn không Khi

COMSOL Multiphysics: Phan mém mé phông

äy Sự sai khác lần số giữa hai mode lân win

NaOH: Nati Hydroxit

TMAI!: Tetramethylaranonium Tydroxide (Calt-s3NO)

BITE: Dimg dich axit IF pha long (1TR18%:11,0 = 1:6)

Mode: Linh dang c4u trủc của một hệ thống cơ ở một tàn số công hưởng

DANH MỤC CÁC BẰNG

Bang 1.1: §o sánh STM với AFM hoạt động ở chế đồ tiếp xúc (CM-AFM) và AFM

hoạt động ở chế đô không tiếp xúc (M-AEM) cho khắc sử dụng kỹ thuật ôxi hóa vùng

Bang 3.1: Các thông số kich thước của các cầu trúc vị treo Isb, 2sb, 3sb-va dsb 52 Bảng 3.7: So sânh kết quả mô phỏng và tỉnh toàn cà 53

Bang 3.3: Cae thông số của cấu trúc vị treo lò xo gấp khúc đựng LÍb va 20b 37

Bảng 3.4: Các thông số kỹ thuật của cân trúc vi trao kết cặp cơ 1cs, 2cs và 3cs 62

Bảng 3.5: Bảng so sảnh kết quả giữa tỉnh toán và mô phỏng của câu trúc vỉ treo kết

Bảng 4.6: Các thông số kich thước của đảm treo gấp và rắng lược 84

Bằng 4.7: Bảng so sánh kết quả giữa tính loán và mô phống tần số hoại động của câu

trúc chấp hành trục z với các trường hợp phân tích khác nhan 88

Bảng 4.8: Kết quá tính toán vá mö phỏng tần số riêng của bộ vi dich chuyển ba chidu

v

Hình 1.4: Sơ đồ mình họa kỹ thuật khắc bằng phương pháp öxi hỏa vùng |5, 6| 9

Hình 1.5: Hinh ảnh minh họa kỹ thuật khắc Dip-Pen [9] - 10

Hình 1.6: Hinh ãnh mmỉnh họa phương pháp khắc eơ nhiệt [10] LŨ

Iình 1.7: [[inh ảnh minh họa phương pháp khắc cơ học [12] ll

Hình 1.8: Sơ đồ mình họa kỹ thuật khắc cơ học sử đựng dầu đỏ AFM []] "1

Link 1.9: ITình ảnh cửa rãnh PMMA được tạo bởi AFM với mũi đò Sỉ (a) và tín hiệu

Hình 1.13: Câu trúc của bộ địch chuyển ba chiều, (a) hình ảnh phỏng 1o của tâm trung

tâm; (b) hình ảnh ba chiêu của cầu trúc | 19| 56555 scseeeesreeesseerer TỔ

Tình 1-14: Bộ địch chuyển trục z (2); bộ dịch chuyển xy (); Hình ảnh ba chiều của bộ

Hình 1.15: Măng mũi dò điều khiễn bối chấp hành nhiệt [21| L6

Iình 1.16: Sơ đồ hệ thống đẫn đò chấp hành áp điện [22] cà 1

Hình 1.17: Câu trúc thanh đâm diễu khiến bởi cháp hành tĩnh điện [23] 17

Tình 1.18: Hinh ảnh thiết kế của cầu trúc địch chuyên 3 chiều [19] 18 Hình 1.19: Câu trúc vi dịch chuyễn hai chiều |24| s555:cccoscesee.c TẾ

vi

Hình 1.20: Hình ánh đơn dầu đò và măng đầu do [23| -ee.-ce TẾ

Hình 122: Hình ảnh SEM của uảng du dd chip hamh vihidt [2] 21

Hình 1.23: Hình ảnh SEM của cấu trủc máng mũi đỏ gồm 64 mi dò được tỉch hop

Hinb 1.24: Hinh anh SEM ctia miii dé va mang diu dé chp hinh tĩnh diện |8|, 22

Hình 1.35: Ảnh SEM của sản phẩm được khắc bởi kỹ thuật Ip-Pen [27] 23

Hình 1.76: Hình mưnh tọa sự lệch biên của (hành đần cỗ định một đầu 23

Hình 1.37: Cần trúc đảm thẳng cỗ định hai đầu hoạt động adi xing 24

Hình 2.1: Tải và biến dang vita dam luyến tính [32] 26

Hình 2.3: Lài và biến dạng của: (a) kre va (b) mö-men xoán [32] 77

Hình 2.3: (a) hình ảnh 3 chiều của một lò xo dạng =ig-zap, (b) sơ đỏ tương đương 29

Hình 2.4: Câu trúc hình học một khâu cơ bản của lò xo dang <ig-zag [32] 29

Hình 2.5: Cẩn trúc ci: mit li xo dang zig-zag nhiều khâu [32] 30

Hình 2.6: Cấu trúc của một lö xo đạng -ig-=ag có các khâu kich thước khác nhau và

giảm dân tuyển tính [32] co 262tr, 3Ú

Hình 2.7: Câu trúc cơ bản của lò xo dạng cảng cua [38] cà se 31

Hinh 2.8; Cau trúc 1ö xo gấp khúc dạng càng cua kép [32] - 33

Hình 2.9: (4) cầu trac vi treo bốn đầm thẳng, (b) sơ đồ tương đương 33 Hình 2.10: (3) hình ảnh 3 chiều của cẫu trúc vi treo bén 14 xo gap khúc đạng -ig-=ag,, () mê hinh vật lý tương đương, (e) câu trúc một lò xo gấp khúc dang =ig-=ap cơ bản,

Hình 3.11: (a) cấu trúc vi treo bổn dằm dạng cảng cua, (b) dạng mô hình hỏa, (c) một cấu trúc cảng cua cơ bản, (đ) ruật cắt ngang của thanh dầm Tố

Hình 2.12: Sơ đồ hai chiêu của tụ điện song song với trường rìa 39 Hình 2.13: Sơ đỗ câu trúc tụ điện kiểu răng lược no eeeeiree 41 Tĩình 2.14: Các dạng biên chung giữa các phần tử [15] a 42

vii

Hình 2.15: Các dang phan tử hữu hạn thường được sử đụng |45| 43

Hình 2.16: Sơ đồ khối của chương trình tính bang FEM [45] 44

Hình 2-17: Hirlt ảnh chia lưới với các kíơh thước phần lữ khác nhau: (@) chế độ chúa

lưới cực thô (Extrcmely Coarse), (b) chế độ chia lưới cơ bản (Normal) vả (c) chế độ

lười mịn hơn (Exa Fine) óc set eset isie cesta: 40

Hình 2.18: Ảnh chụp rưàm tỉnh mỗ phông chúa lưới các phần lử hiểu hạn 46

Hình 2.19: Ảnh chụp mam hinh mỗ phỏng tẫn số riêng của cầu trúc 47

linh 2.20: Anh chup man hinh mô phỏng điện ap tới hạn 48

Hình 2.21: Ảnh chụp màn hình dò thị thể hiện sự địch chuyển phụ thuộc vào điện ap

Tinh 3.1: Bộ chấp hành phương z sử dụng cầu trúc vì treo bin dam thang (a) cầu trúc

vi treo bốn dầm thẳng đừng Isb; (D) cầu trúc vì treo bốn đâm thẳng dạng 2sb, (c) câu

trúc vỉ treo bên dâm thẳng đạng 3sb, (đ} cầu trúc vì treo bên dầm gấp khủe đạng

Think 3.2: Tinh dang mode Uy nal va thi hai của bộ chấp hành phương = str dung

cầu trúc vị treo bốn đầm thẳng trayén thong (a, b) ciiu trac vi tree Isb; (c, d) eau trúc

vỉ treo 2sb; (c, Ð cầu trúc vi trco 3sb, (g, b) eta true vi treo dsb

Hinh 3.3; KAt qua m6 phéng tan sé riéng plm thuéc vao chiéu dai cia dam 55

Hình 3.4: Gt qua ma phéng si sai khae Lan số riêng của mode thử nhái và thử 2 phụ

Hình 3.5: Bộ chấp hành sử đụng câu tric vi treo lò xo gắp khúc: (a) câu trúc vi treo lò

xo gấp khúc 1í, (h) cầu trúc vi trao lò xo gập khúe 2fb, (c) cẩu trúc vỉ treo lò xo ấp khúc 3b, (đ) cầu trúc vì treo lò xo gầp khúc 4fb - 37

Hình 3.6: Hình dạng mode dao động thứ nhất và thử Hai: (a, b) cầu trúc loại 1fb; (e, d) cấu trúc loại 2fb; (c, Ð cầu trúc loại 3fb và (ø, l) câu trúc loại 4fb 38

Hình 3.7: Đồ thị thể hiện tân số hoạt đông của mode thứ nhất phụ fhuộc vào chiêu dài

Hình 3.8: (96 thị thể hiện sự sai khác tân số giữa mode thứ nhất và thứ hai của các câu

trúc phụ thuộc vào chiền đài hiện dưng cửa lò xo - 3g

viii

Hình 3.9: Mỏ hình thiết kế của cẫn trúc vi treo kết cập cơ với ba độ lệch khác nhau (AD) giữa các thanh dầm cúa hệ vi treo ] và hệ vi treo 2: (a) AD 0(cấu trúc vi heo kết cập cơ 1es), (b) AD— Lz4 (câu trúc vi treo kết cập cơ 2s), (c) AD — Lự2 (cầu trúc

chu trie durge pitt & 10 yan trong tt va các khảo sát a 3

Hình 3.12: Sự khác biệt của tần số riêng giữa mode thứ nhất và mode thứ hai phụ

Thuộc Vào ẲẤt cọ Họ HH HH HH HH HH Hà HH gu, 64

Tinh 3.13: Tân số riêng mode Thứ nhất và mode thứ Tai (3); sự sai khác của tân số

riêng giữa mode thứ nhật và thứ hai (bỳ đối với cầu trúc vì treo kết cặp cơ 3cs được

Hình 3.14: Hình ảnh ba chiều của cầu trúc vì treo kết cặp cơ ba hệ đầm treo str dung

Hình 3.15: Hai mode hoạt động thứ nhất và thứ hai của bộ vị chếp hành trục z sử dụng,

hai khung kết cặp cơ cho ba trưởng hợp chiéu dai thanh dim: (a, b), (c, d) và (e, #) lin

lượt là b= 50 m, 100 kưn, và 150 tưn, rong khi chiều dài của đầm thứ nhật và thứ ba

(1: và lạ), được giữ lần lượt là 50 păn và 20 mí Chiêu rộng và độ dây của tất cả các

Hình 3.16: Sự phụ thuộc của tần số hoạt động f và sự sai kháo tần số + gitta hai mode

hoạt động đầu tiên cúa bộ vi chấp hành trục - sử đưng hai khung kết cặp cơ trong ba

trường hợp đê dây của dâm, h = 10 tưn, 20 um, và 30 pm, trén chidu dai cia dam, 11,

1; và l;: (4, b), (c, đ} và (e, Ð lần lượt là f và ä; cho h= 10 um, 2U tam và 30 tm 70 Hình 3.17: Điện áp tới hạn phụ thuộc vào độ đài của đầm, 1ụ, l› và Ì; trong ba trường, hợp dộ đây h: (3) cho h— 19 pm, (b) cho h— 20 pm và (2) cho h— 30 am Khi chiều

dai của một đàm thay đối, chiều đài của hải dầm còn lại được giữ ớ 20gmn 7 Hình 3.18: Sự địch chuyển của tắm trung lâm phụ thuộc vào điện áp điều khiển trơng

bà trường hợp độ đài của đầm thứ hả, l;= 30 nm, 100pan và 150 an trong khỉ chiêu

ix

dải của dâm thứ nhắt và thứ ba được giữ ở 50 wm va 20 um Chigu rong va dé day cua

tắt cả các dầm được giữ ở 10 nm Độ rộng của các khung được giữ ở 30 pm 72 Hình 4.1: Sơ đồ tổng thể thiết kế của bộ vi địch chuyển ba chiêu YYZ (a); bộ truyền động trục = (); hình ảnh phóng đại của cân trúc răng lược kiển tụ (E); đâm gắp khúc

@, mat cầu nối cơ họo nhàng cách điện (6) và Tổ Hiếp xúc để hên kết điện giữa các

Hình 4.3: Sơ đồ kết nối điện đã điển khiển bộ truyền déng XYZ mét cach déc lap 77

Hình 4.3: Câu trúc dầm gáp khúc dạng cảng cua co co TỔ

Hình 4.4: Câu trúc lò xo gấp khúc đang càng cua được phân tích thành các dầm thing

Hình 4.11: Tần số của modc thử nhất và mode thứ hai và sự sai khác của tần số giữa

các modc thứ nhật và thứ hai của bộ chấp hành phương = được khảo sát như là một

hảm của độ rộng của lò xo gấp khủc dạng cảng cua cho ba độ đày của löxo,h 10,

Hình 4.12: Điện áp tới hạn của bộ chấp hành phương = là hàm của độ rộng cửa lò xo gắp khúc dang cing cua, vớig 2 pm, cho ba đồ dày khác nhauh 10 pm, 20 wm-va

Tinh 4.13: Ba hinh dang mode va lan sé riéng của bộ vĩ địch chuyển ba chiêu XYZ

Các tham số kích thước được thẻ hiện lrơng Bảng 4.6 Hình nhỏ ở góc trên, bên phải

Tà lính ảnh phỏng to của bộ chấp hành theo trục = được tích hợp trong bộ vì địch chuyển

điều khiển cho bu khoảng cách khác nhau giữa hai điện cực răng lược liền kể, ge =

pre, 1,5 pm va 2 pm vi b= 10 pm (a) và độ địch chuyển z của tắm trung tâm được Khảo theo điện áp điều khiển cho ba khe hở giữa hai bản cực song song điều khiển trục

Hình 5.2; Quả trình thu nhỏ mũi dỏ: mũi dỏ sau khi ăn môn và tẩy bỏ mặt nạ (a), tiếp tục cho ôxi hứa (b), tay bớ lớp OKIE (6) sessesteniettmsniannenanineeineneatn nee 9D

Tink 5.3: D6 day lop SiO; ddi vai Si dinh huémg (100), (110) va (111) bang ôxi hóa

Hình 5.8: Hình ảnh minh họa mở lỗ trên bể mặt câu trúc dễ tang tốc độ ãn mòn ngang lớp SiO2 ớ giữa hai lớp linh kiển ni reeeirrrree "_—-

Hình 5.9: (a) anh quang học của mảng các mẫn mũi đò quét bằng chất cảm quang sau khi đã truyền lừ mặt nạ bằng quang khắc vào phiến siic đã được ôxi hớa, () ảnh quang

học của mảng các mẫu nnữi đò quét bằng SiO; sau kỈi thực hiện ăn miờn trơng dụng,

Hình 5.13: Ảnh quang học của mũi đò sau khi än muôn phiến Silic 39 phút trọng dưng

MG DAU

1 Lý đo chọn để tải

Gần đây, khoa học và công nghề nano đã nhân được sự quan tầm của các nhà khoa học

trưng nước và tiên thê giới Đối tượng nghiên cửu của khoa học và công nghệ tumo là

đựa trên vật liệu nano Các câu trúc nano có tiểm năng ứng đụng làm thành phân chủ đhốt trong những dựng cụ thông tin kỹ thuật có những chức răng ruà trước đây chưa có nhờ các hiệu ứng vật lý nỗi bật xuất hiện ở lí lệ thang name Chúng có thế được lắp ráp

trơng những vật Tiệu trung lâm cho điện tử và quang làm tăng tốc độ xử lý dự

khả năng chứa thông tin Các vi cân trúc này là một trạng thải của vật chất có những hửa hẹn đặc biệt cho nhimg sản phẩm mới và rât hữu dựng Việc nghiên cứu thiết kế và chế tạo các câu trủc nano hữm Ích trong khoa học và công nghệ đang phát triển nhanh

chóng Công nghệ chế tạo cáo cấu trúc nano luôn là thách thức đổi với các nhà nghiền cứu làm chủ công nghệ chế tạo Irong công nghệ vi điên tử, kỹ thuật quang khác đã là xnội bước cơ bán trong quy trinh sản xuất linh kiện và mạch tích hợp Với nhu cầu ngày cảng tăng mật đồ tích hợp linh kiên bán dẫn, cảng nghệ quang khác với độ phân giải

cao đang lá yêu cầu cáp thiết được đặt ra đối với các nhà sản xuất công nghiệp bán dẫn

Đỏ phân giải của kỹ thuật quang khắc bị giới hạn bởi hiệu ứng nhiễu xạ quang học Đề

lang dò phản giải của kỹ thuật quang khắc gần dây các nghiên cửu sử đụng bước sóng

ngằu đăng được quan tâm Hiện lại khi sử dụng kỹ thuật này, các câu trúc với độ chính

xác khoảng vài chụo nano có thê đại được Tuy nhiên đây vẫn là công nghệ thức lạp,

đất tiền và chưa phố tiên trên thế giới Một công nghệ khác được tụy dụng cho chế tạo câu trúc nano là khäc chùm điện tử Đây là một công nghề được đủng phỗ biến trong các phòng thí nghiệm ở các nước tiền tiến Tuy vậy đây lại là một công nghệ cần chỉ

phí lớn, nhưng quy mmô sản xuất chỉ ở phòng thí nghiệm Hơn nữa, các kỹ thuật kế trên không phù hợp để điều khiển các hệ thẳng hữu cơ và sinh hoc lớn, có ich trơng 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 kỳ thuật này đã được bát đầu từ năm 1990 và nó đã

được phát triển để hình thành các phuơng pháp khắc nano khác nhau Một trong những phương pháp quan trọng nhất là công nghệ khác mẫu đựa trên mũi đò quét Dé tạo ra

các cáu trúc nano là khắc bực hếp bê xuật mẫu muội cách cơ học với một đâu đò Mô

tình điều khiển các đặu tính ở phạm vỉ nano với nội đầu để quất kánh hiển vi lực nguyên

là một công cụ để chế tạo cáu trúc nano với kích thước tối thiểu mặt bên với kích thước

m tứ độc lập và xắp xi 100 rưn trên bŠ mãi Si hay các ĐỂ muội khác Tuy

nhiên, độ phản giải của tấu inte mane phy thuộp vào kích thước của mrữi dò và độ sâu của mẫu khắc Kỹ thuật này được sử dụng cho việc chế tạo tach tich hợp bán dẫn hay

hệ thông cơ điện với độ phân giải ở thang nano Phương pháp nảy không hạn chế vật

liệu dẫn điện Ưu điểm của kỹ thuật này là đô phân giải cao, điều khiến chính xác mà

các kỳ thuật khác truyền thống không đạt được Kỹ thuật khác truyền thắng sử đụng

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 đò quét có thế được thực hiện với nhiều cơ

chế khác nhau Lớp polyme mởng có thể được chiếu bớt các điện tử phát xạ từ một đầu

đò Bề mặt của mẫu có thẻ bị biến đối dưởi tác dụng của điện trưởng rất lớn, như sự oxi

hóa vùng, sự phân hủy gây bởi điện trường hoặc nóng chảy gây bởi nhiệt độ cao Các

vật Hậu có thể được truyền tử đâu dò đến bể mặt mẫu tạo ra các cầu trúc, hoặc các mẫu dược hình thành đơn giãn bằng khắc bễ mặt mẫu với đầu dò một cách cơ họp Các

phương phép lạo mẫn mới với đều đồ qui đang được tiếp Lục phát triển Một vài kỹ

thuật lạo mẫu đựa trên đầu đồ quất đã được kimi ác thương mại, hở thành công cụ

dành riêng cho kỹ thuật khác nano Tuy nhiên, hầu hết các kỹ thuật này vẫn còn trong

pham vi phòng thí nghiệm

Đây là một nghiên cứu thuộc lĩnh vực kỹ thuật cỏ tỉnh khá thí cao vá tiềm nẵng ứng dung trong nghiên cửu, phát tiên công nghệ nano Tuy vậy, nghiên cứu vả ứng dụng lĩnh vực nảy trong nước vẫn chưa được quan tâm Do vậy, trong luận án này, nghiên: cửu sinh lựa dhơn hướng nghiên cứm phái triển đầu đò quét định hướng ứng dụng trong

chế tạo cầu trúc nano

2 Mục đích nghiên cứu

Thiết kế và mô phống các bộ vị chấp hành một chiều (trục =) có địch chuyên thắng đứng

để khắc phục đỏ lệch biên, có địch chuyển lớn và chống nhiều kết cặp modc Thiết kŠ

bộ chấp hành ba chiều có thể điều khiển độc lập, tích hợp trên cùng một lĩnh kiện, công

nghệ chỗ tạo đơn giản, có thổ thực hiện được với dông nghệ hiện có ở trong nước, định

Hướng ứng địng các bỏ vì dịch chuyển có tích hợp nưữi dò tong khắc các cầu trúc nan

dang mang hai chiều Chế tạo mũi đẻ với độ phân giải kích thước nano, sử dụng kỹ

thuật quang khắc truyền thông với kieh thước mặt nạ kích thước micro mế:

3 Đối trựng và phạm vi nghiền củu

+ Di tương nghiên cứu đầu tiền của luận ản là bộ chấp hành trục z có nhiều chẻo thập,

có độ địch chnyễn lớn và tần số hoạt đông trong phạm vi rông

+ Đối tượng nghiên cứu thứ hai là bộ chấp hành dich chuyển mữi dỗ ba chiền, có Thể

điều khiển chuyến động độc lắp và có nhiễu chéo thấp

1 Công nghệ vì cơ điện tử đơn giản cho chế tạo hiệu suất cao các mi đò cfíng như hệ thống vi dich chuyển 1, 7 và 3 chiển có tích hợp miii đè quét

4 Phương pháp nghiên cứu

Trong hiận an này, phương pháp nghiền cứu kết hợp lý thuyết và thực nghiệm

+ Thiết kế và kháo sát đặc trưng hoạt đông của các bộ chấp hành mũi đò khắc nano dựa

trên cơ sở các phương trinh giái tích được rút ra từ lý thuyết cơ học vật rin va lý thuyết

trường tĩnh điện Ngoài ra, các kết quả tính toán guải tích được so sánh với kết quả đạt

được tử mỏ phỏng số sử dụng phuong phap phan tứ hữu hạn

+ Nghiên cửu chế Iạo mái đò được thực hiện dựa trên công nghệ vì co dign tit, đặ biệt

sử dụng công nghệ vĩ cơ khôi ướt và kỹ thuật quang khắc truyền thông Mũi dò được

nghiên cứu chế tạo tại Phòng thí nghiệm Công nghệ Vì hệ thông và cảm biến thuộc Viên Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu (ITIMS), trường đại học Bách khoa 1à Nội Cân trúc mũi đò được chế tạo được đánh giá đựa trên ảnh hiển vi điện tử quét hiệu ứng

trường (ESEM) tại Viện AIS1, Trường DHBKHN

5, Ý nghĩa khoa học và thực tiễn cửa dễ tài

a Ứ nghĩa khaa học của để tài:

Luận án đã phát triển các bộ chấp hành trục z có nhiễu chéo thấp và phạm ví tần số hoạt

động rộng không bị giới hạn bới tỷ lệ cạnh trong chế tạo Đề đạt được kết quả này, các

dim zig-zag va vị trí dặt dầm được tối wu cung voi dim dạng kết cặp đã dược đề xuất trơng luận an Khả năng chóng nhiễu trong phạm vi tân số hoạt động rộng đã được

Luận án này cũng đã đề xuất và khảo sát đặc trưng hoạt động của bộ vị địch chuyển 3

chiều Bộ vì địch chuyển có thể dược điều khiển một cách độc lập dựa tiên kỹ tu

một chíp và có quy trình chễ tạo đơn giản, không sử đụng các quá trình tập hợp phức

tạp như các đê xuất trước đây Một mô hình lý thuyết hoàn chỉnh đã được thiết lập cho thiết kế bộ vị chấp hanh dựa trên lý thuyết cơ học vật rắn và lý thuyết trường fĩnh điện

Các mũi dò với kích thước ở thang nano đã dược nghiên cửu chế tạo thành công sử

đụng kỹ thuật quang khắc truyền thông và ãn môn đị hướng ướt KẾT qnả mày sẽ làm cơ

sở chơ phát triển Š thông chấp hành với các rmffi đò được tích hợp nhằm định hướng

trong khắc các cầu tric nano dang 1 chiều hoặc 2 chiêu

Các kết quả nghiên cứu của đề tài không những có ứng dựng trong chấp hành mĩi dò

quét trong khắc các cầu trúc nano, mà còn có thế ứng dựng trong cáo linh kiện vi cơ điện tứ khác như các cảm biển và các bộ vi địch chuyển có đô chỉnh xác cao Các kết quả nghiên cứu cúa luận ân đã được chấp nhận đăng trần các tạp chi trong nước, cae ky

yếu hội nghị chuyên ngành, đăng trong cào tạp chủ quốc tẻ trong hệ thống ISI và đăng

ky sang ché/giai pháp hữu ích

b Ý nghĩa thực tiễn cita dé tai:

Mục tiêu của dé tai la phát triển các công cụ cho chế tạo các cầu trúc nano mà hiện nay

ở trong nước chưa có khả nẵng đâu tư mua các thiết bị đất hiên Hơn nữa, xu hưởng phát

triển các công cụ mới cho chề tạo các câu trúc nano có hiệu suất cao, không bị giới hạn bởi hiệu ứng nhiều xạ quang học vả có giá thành thấp cững đang được đặt ra đổi với lĩnh vực sán xuất các cầu trúc và linh kiện ở thang nano nhằm thay thế các thiết bị dất

tiên Do đó, để tài đã phát triển các bộ chấp hành địch chuyển mũi đỏ thco 1 2 và 3

ần s2, chéo TỀn và số

chiều, có nhiễu chéo thấp và có íÌ đắp hành theo các phương độc lập Bộ chấp hành:

có gẫn muữi dỗ có thể được chỗ tạo đựa trên tông nghệ quang khắu và in môn ướt, hoàn toàn được thực hiện ở trong nước Đây sẽ Tầm cơ sở cho việc ứng dụng trong phái tiễn

các hệ thông khắc cho chẻ tạo các cầu trúc nano 1 chiều hoặc dang mang 2 chiéu

6 Tỉnh mới cửa dễ tải:

Tỉnh mới của để tải nghiên cứu được thể hiện tại 3 điểm sau đây:

~ Nghiên cứu để xuất và thiết kế mô phông bô chấp hành dịch chuyển một chiều phương

=: trong hướng nghiền cửu này, cáo cầu trúc đẫm đạng z4g-zug mở rộng và dang dam

kết cập đấp ứng ru tiên với địch chuyển theo phương z trong khi chẳng lại cae mode

đáo động khác đã được để xuất và khảo sát bằng cả phương pháp giải tích và phương pháp số

- Nghiễn cửu để xuất và thiết kế mỏ phỏng bộ chấp hành dịch chuyển 3 chiêu XTZ:

trong hưởng nghiễn cửu này, bộ vỉ địch chuyển 3 chiều với khá năng điều khiến độc lập

dựa trên việc dễ xuất phương pháp cách ly điện trong kh đảm bảo kết cặp cơ (kết cặp

cơ - sự liền kết cơ học giữa các thành phần cẫu trúc} đã dược thiết kế và mô phỏng Mô

tình lý thuyết cho khảo sát hoạt động của bộ chấp hành đã được xây đựng làm cơ sở

cho việc thiết kế vác bộ vì chấp hành có đặc Inmg hơại động theo yêu cầu

- Nghiên cứu chế tạo mi đò quét có kích thước ở thang nano: trong luận án nảy, mũi

đò quét có kich thước ở thang nano được nghiên cứu và chế tạo đựa trên cổng nghệ quang khắc truyền thông và vi cơ khôi ới

7 Nội dung mận án

Luin an bao gém nam chương:

Chương 1: Tổng quan về khắc đầu đò quét

Chương 2: Cơ sở lý thuyết và mô phông

Chương 3: Thiết kế và mô nhỏng bộ chấp hành trục ~

Chương 4: Tỉnh toàn thiết kế và mỏ phóng bộ vị dịch chuyển ba chiều XFZ

Chương 5 Chế lạo mũi đò bằng phương pháp ăn môn ưới

KET LUAN CHUNG

CHƯƠNG 1: TONG QUAN VE KITAC DAL BO QUET

Chương này sẽ trình bày tống quan các kỹ thuật khắc đầu dò quét citing uhy cac

ưu và nhược điểm cúa chứng để lám cơ sở cho lựa chọn kỳ thuật khác được nghiên cứu

trong luận án này Phân tích ưu điểm vả nhược điểm của các cơ chế chấp hành mũi dò

quét để từ đó lựa chọn phương pháp chấp hành đập ứng các tiêu chỉ nu công xuất tiêu thy tháp, đép ứng nắnmh, cỏ công nghị wo đơu giản và để dàng tích lợp với các

ch điều khiển Nghiên cứa và phân tích các dạng lô xo vì cơ và bộ vi dịch chuyển

miii đò quét đã được công bỗ trên thê giới và ở Việt Nam, để từ đó để xuất các cầu trúc

lò xo và bộ vi địch chuyển mũi đỏ quét định hướng ứng đụng trong khắc các câu trúc

nano,

1.1 Cử sỡ về kỹ thuật khắc đầu đồ quốt

German Alois Senefelder di phát mình ra kỹ thuật in mới gọi li lithography vao

niu 1798, Sau dé Nicéphore Ni¢pee di tạo 1a hình ảnh dầu tiên bằng phương pháp của

ông được gọi là “hetiography”, lừ đó kỹ thuật chụp ảnh được phát minh Một khoảng thời gian đài sau đó, kỹ thuật quang khắc được phái mình sử đụng phương pháp quang

hỏa và

hóa học Vào những năm 1950, Jack Kilby phát mảnh ra rạch tích hợp (1C)

và phương pháp quang khắc được sử đụng chủ yếu trong sản xuất các mạch IC, bởi vì

nỏ có thể chễ tạo ra các mẫn rắt nhỏ và có hiệu suất cao để giảm chỉ phi sản xuất

'Tuy nhiên, quang khắc cfing có nhược điểm là độ phân giải bị hạn chế bởi hiện

tượng nhiễu xa và đời hỏi thiết bị đắt tiền, chỉ thích hợp cho ngành công nghiép Do 46, các nhà nghiên cửu đã phát triển một số phương pháp để thay thẻ quang khắc Dặc biệt sau khi phát múnh kinh hiển vị đầu dò quét đầu tiền (tổng Anh: §cơnning prebe

microscapy, thường viết tất là $PM) vào năm 1981, có nhiều phương pháp sử dụng

SPM dễ tạo mẫu có kích thước cỡ 100 run như: kỹ thuật in ling dong dip-pen, ky thuat ôxi hóa vùng, kỹ thuật sử đụng lực cơ học và được gọi chung 1a khắc đầu dò quát (SPI.s)

Khắc dựa trên kính hiến vĩ đầu dò quét SPMs

Kính hiển vi dẫu đỏ quét được biết đến là loại kinh hiền vĩ sử đụng một dầu dò

vật lý để tạo ra hình ảnh bể trên mmật mẫu với độ phân giải ở cập nguyên tả Một trong

những kính hiển vì được sử đụng phố biến đó là kinh Hiển vì lực nguyên lử (AFM) Kinh hiển vi lực nguyên từ lần đầu liền được phát tiển vào năm 1985 để khắc phục nhược điểm của STM chỉ có thể thực hiện được trên mẫn dẫn điện, bởi Œ Rimnig, C

Quate va Ch Gerber [1, 2], két qua cia swt hop tac gitta LBM và Đại học Stanford Đến nam 1987, I ATbreeht lần đầu tiên đã phát triển AM đạt độ phân giải cập độ nguyên

tử, cũng trong năm đó kính hiển vi đầu đò lực từ MEM được phát triển từ AFM Năm

1988, AFM chính thức được thương mại hóa bởi Park Scientific (Stanford, My)

AFM có hai chế độ hoạt đông, chế đô tiếp xúc và chế đô không tiếp xúc (chế đô nhân

đạng đao động) Ở chẻ độ tiếp xúc, lực tác dụng lần đầu dò hoặc khoảng cách giữa đầu mũi nhọn vả bề mặt mẫu không đồi, hệ thông điều khiển bằng phản hỏi Trong chế đô hoạt động không tiếp xúc, đầu đỏ AFM được điều khiển để dao động lên và xuông ở tân số cao, Sơ đồ minh họa nguyên lý hoạt động như Hình 1.1

BỆ một mẫu 3 Mũi đỏ và đầu dò

Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lŸ hoạt động của kinh hién ví lực nguyên tử (AEM [3]

Kỹ thuật khắc đầu đò quét SPL: Sau khi phát minh ra kính hiển vi đầu đỏ quét ngoài

việc tạo ảnh bề mặt, các nhà khoa học còn khám phá ra ứng dụng khác đó là sử dụng

đầu đò quét để chễ tạo các câu trúc nano Một loạt các phương pháp chế tạo mới dựa

trên SPM được khám phá, chúng thường được gọi là khác đầu đò quét Đây là phương

pháp rât đơn giản và chỉ phí thấp Các mẫu chế tạo ở kích thước dưới 100 nm bằng quang khắc hoặc khắc chủm tia điện tử đòi hỏi thiết bị đắt tiền và các quy trinh phức tạp Trong quá trinh khắc đầu đò quét, các mẫu ở kích thước dưới 100 nm có thể được ché tao dé dang chi bang SPM

Không giống như quang khắc hoặc khắc bằng chủm tia điện tử chỉ sử dụng cơ chế không tiếp xúc, SPL có thẻ được thực hiện với các cơ chế khác nhau dựa trên dịch chuyển của mũi dò quét lên bề mặt của mẫu [1, 2, 4], tiếp xúc hoặc không tiếp xúc, sơ

đồ minh họa như Hình 1.2.

Hình 1.2: Hình ảnh mình họa kỹ thuật khắc đẳu đò quẻt [1]

- Phương pháp khắc bằng chùm tỉa điện tử phát xạ: Sử dụng một đề dẫn điện

được phủ một lớp polymer nhạy điện tử Đầu đỏ quét được đưa đến gân bề mặt Khi

điện áp phân cực đủ mạnh giữa mũi đò và bề mặt dẫn điện có một đòng điên tử phát xạ

giữa mũi dò và bề mặt mẫu Tương tự như quang khắc truyền thông, dủng ánh sảng

chiếu qua mặt nạ để thay đổi các đặc tính hóa học của lớp polymer minh họa như Hình

1.3 Ngược lại, khắc bằng phương pháp chiều chủm tía điện tử phát xạ không cần sử

dụng mặt na Nhưng nhược điểm của phương pháp này là sử dụng đế dẫn điện va polymer nhạy điện tử, không cỏ khả năng ứng dụng với các mẫu y sinh

Hình 1.3: Hình ảnh mảnh họa kỹ thuật khắc bằng phương pháp chiểu chùm tia điện tử phát

xa[2]

~ Ôxi hóa vùng: Các nhà nghiên cứu đã tình cờ phát hiện ra quá trình ôxi hóa bề

mặt mẫu khi tốc độ quét mũi đỏ châm được gọi là phương pháp ôxi hóa vùng bằng cách

quét đầu đò SPL Khi mũi đò được đưa gần tới phía trên bề mặt mẫu môt vải nano mét, điện thê một vải vôn được đặt giữa mũi dò và bề mặt có thể sinh ra một điện trường có

cường đô lỏn lên đắn 103 V/em Ở điện trưởng lớn như vậy các phân tử có thể bị phá

§

vỡ tao thành các ion Ôxi hóa vùng của bề mặt mẫu xảy ra khi có mỏi vải phân tử nude,

từ độ ẩm của không khí, xung quanth ĐỀ quật của mmữi đò Với Sỉ, đơn Tốp hydro sau khử

thụ động hóa có thể phân tách ra từ bề mặt Sỉ Bê mặt Sĩ cuối cùng bị ðxi hóa ở vùng,

điện trường cao giữa mẫu và mữi đỏ, như được mình họa trong Hình 1-4 Kỹ thuật ôxi

hỏa vùng được phát hiện lẳn đầu sử đựng đầu đò STM, nhưng đây không phải 14 công

cu tat nhất cho kỹ thuật này

TĐiện áp phân cực

Hình 1.4: Sơ đồ minh họa kỹ thuật khẮc bằng phương pháp ôi hỏa vàngƒ 5, 6]

Khi sử dụng kỹ thuật khắc ôxi lióa vùng thì đầu đò AFM có thể tránh được sự

pha hay bỀ mặt và cải thiện được chải lượng hình ảnh sơ với sử dụng STM, đặc biệt là AEM sử dựng ở chế độ không tiếp xúc được thể hiện trong bảng sau:

Bang 1.1: So sảnh STM với APM hout dng 0 ché dé tity xtc (CM-APM) va AFM hoat déng

ở chế đệ không tiếp xúc (TM-A4EMI cho khắc sử dụng kỹ thuật ôxi hảa vàng ƒ7}-

'Trong kỹ thuật ôxi hóa vùng, các mẫu được tạo Ta có kích thước phụ thuộc vào

độ ẩm rất nhiều, với độ ẩm 60 9% thủ các đường ôxi hóa là 90 rn, nhưng ở độ Âm 14%

thì nó giảm xuống còn 22 nm, điều này là do độ ấm có ảnh hướng đắn lượng nước cung

cấp cho quá trình ôxi hóa mà khi độ ẩm cao sẽ đẫn đến táng hiệu ứng trường rìa của

điện trưởng và lám cho vùng òxi hỏa rộng hơn

- Khắc Dip-Pen: Bẵng việc sử dụng một chất lóng đặc biệt phú trên dầu mũi dò

AFM, các phân tử chất lỡng có thế được tập hợp trên bê mặt để Khi chứng tiếp xúc với

9

bể mặt để Kỹ thuật này lần đầu tiên được phát hiện vào năm 1999, sự vận chuyển của các phân tử chỉ đi theo một hướng, tử đâu dò tới đề Theo cách này các mẫu có thể được Hinh thành bằng cách quét mũi đỏ AFM Có một mặt khum của chất lông hình thành

giữa mũi đò và đề, nó cung cap một tuyên kênh đẫn cho các phân tử chất lỏng hướng

ve bé mat dé [8]

Công nghề DPN đã được thương mại và đã trở thành một công cụ tạo mẫu nano thành công, với những ứng dụng tiém ning trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghề nano [9], nguyên lý được minh họa như Hình 1.5

Hình 1.$: Hình ảnh minh họa kỹ thuật khắc Dip-Pen [ 9}

Tuy nhiên vẫn đề tôn tại lớn nhất của công nghệ nảy là việc kết hợp giữa mực in

va dé, đòi hỏi sự liên kết đặc biệt, vi dụ như thiol-vảng

-_ Khắc cơ nhiệt: Khi mũi do AFM được nung nóng, nó có thể tạo các vét lõm

trên các vật liệu polymer có điểm nóng chảy thấp Bằng cách nảy, các mẫu kích thước

ở thang nano có thể được tạo trén bé mat polymer Mau in co nhiét dau tién bang AFM

được bảo cáo vào đầu những năm 1990, trong đó mũi đỏ AFM được nung nóng bởi một

tia laser xung và tiếp xúc với một để PMMA Mũi đỏ AEM được nung nóng lên trên điểm mềm của PMMA (120°C) Kích thước và chiều sâu vét khắc phụ thuộc vào nhiệt

đô của mũi dỏ và lực ân của mũi đò vào polymer minh họa Hình 16

Hình L6: Hình ảnh minh họa phương pháp khắc co nhiệt [10]

Kỹ thuật khắc cơ nhiệt đòi hỏi công suất lớn để có thê gia nhiệt cho mũi dò, thời gian trễ nhiệt cao nên hiệu suât khắc sẽ giảm, bị hạn chế trên các mẫu là vật liêu cứng

~ Khắc cơ học: Bằng việc tác dụng một lực lên mũi dò AFM hoặc bằng điều khiển

thanh đầm lệch đi trong quá trình quét, mẫu khắc cơ học trên bè mặt cứng hoặc mềm sẽ được tạo với chiêu rộng khoảng vải chục nano mét và chiều sâu khoảng vải nano mét

[11], được mình họa như Hình 1.7

Dau do

Hình 1.7: Hình ảnh mình hoa phương pháp khắc co hoc [12]

Các vật liệu mềm giếng như polymer là rất đễ khắc rãnh cơ hoc Dau dd AFM

đã được sử dụng cho khắc trực tiếp trên lớp phủ PMMA, và đây nano kim loại có thể

được tạo bằng quả trình lif-off (quả trình lắng đọng và tấy bỏ lớp trung gian dé thu

được các câu trúc vật liệu mả nó khó tao mẫu băng các phương pháp khắc) [13]

Trong các phương pháp trên thì phương pháp khắc bằng lực cơ học là đơn giản

va dé thực hiện, cho kết quả tột với độ phân giải 25 nm Phương pháp khắc này phù hợp

với điều kiện công nghệ tại Việt Nam và được lựa chọn để nghiên cứu trong luận án

này và sẽ được trình bày kỹ trong phần dưới đây

Khắc cơ học là một phương pháp tạo mẫu trên để Hình 1.8 minh hoa so 46 cho việc khác cơ học bằng AFM Một mũi đò được tác dụng một lực làm cho nó tiếp xúc

giữa mũi đỏ và bề mặt mẫu, bằng cách đi chuyển mẫu, các câu trúc có thể được hình

thành trên bề mặt mẫu[14, 15]

'Bộ nhận biết quang

-Hình 1.8: Sơ đỗ mình họa kỹ thuật khắc cơ học sử dụng đầu dò 4EM [1]

iL

Đầu dò tiếp xúc trực tiếp với bề mặt mẫu nên kích thước của mẫu phụ thuộc chủ yêu vào kích thước của đầu dò, do đỏ đô phân giải của của kỹ thuật khắc cơ học cao

hơn các phương pháp SPL khác Tuy nhiên nhược điểm của phương pháp nảy là mũi

đỏ rất đễ bị phả hủy với các va chạm cơ học vả độ sâu của mẫu hạn chê Mẫu được tráng, một lớp polymer mong, dau do sé tao cau trúc cho lớp polymer sau đỏ nó được chuyên

vào mẫu bằng cảch sử dụng ăn mòn ướt hoặc lắng đọng

Các vật liệu mềm thường được sử dụng để khác, chẳng hạn như polyme, vật liệu

sinh học Trong trường hợp này, mũi AEM được làm bằng Si hoặc Si:N: có thể khắc

trên vật liệu mềm|[16] Các rãnh được hình thành trên lớp phủ PMMA, cả hai mép rãnh của câu trúc cao hơn bề mặt mẫu (hai đường sảng trong Hình 1.9 (a)) vi vật liêu được

ép từ rãnh đẩy lên Vẫn đẻ này có thể được giải quyết bằng cách sử dụng một mảng

am Đỉnh của mũi đò là một hình chop tam giác có góc nhọn 10°

Hình 1.10: Ảnh SEM mặt cắt của mãi dò (a) và của đỉnh mi đò (b) [17]

12

Khi hoạt đông tao rãnh, đầu đò AFM có thể hoạt động ở cả chẻ độ tiếp xúc (contact

mode) va ché d6 không tiếp xúc (tapping mode) Trong chế độ tiếp xúc, lực liên tục

được đặt lên trên đầu dò bằng cách điều khiển đô lệch của đầm Một quả trình chế tạo

các bóng bản dẫn cơ điện tử đưa trên cơ sở khắc với AFM ở chề độ tiếp xúc được thể

hiện trong Hình 1.11 (a) [18] Trong quả trình này, đầu đò AEM (L = 125 pm, K=5

N/m) khắc được mẫu với kích thước ở thang nano trên lớp polyimide và nó được chuyển

vào lớp genmanium bằng cách khắc khô Sau đó, lớp gernanium được sử dụng như một mặt nạ cho lớp kim loại lắng đọng

_ Mask dirge

Hình 1.11: Các bước chinh của quy trình chễ tạo bỏng bản dẫn dựa trên khắc cơ học sử

dung AFM (a), hình énh ctia réinh duge khae bang AFM trang polyimide (b) [18]

Khi hoạt động ở chế độ tiếp xúc, đầu đò có thể bị xoắn bởi lực ma sát giữa đầu

đỏ và bê mặt mẫu có thẻ tạo ra các bắt thưởng ở cạnh và mai mòn mũi đỏ, thể hiện trong

Hình 1.11 (b) Đề loại bỏ hiện tượng này, việc khắc bể mặt mau bing AFM ở chế đỏ

không tiếp xúc được sử dụng, nó được gọi là khắc đông (DPL) Trong chẻ không tiếp

xúc, thanh dầm của đầu đỏ quét với tần số không đổi, gần tần số công hưởng của thanh

đầm Biên đô của đầu đò được giữ cô định bằng bộ điều khiển phản hồi làm thay đổi

khoảng cách giữa mũi đỏ và bề mặt mẫu

1.12 với các tốc độ khắc khác nhau thì các mẫu được tạo ra sẽ khác nhau

Trình bày ở trên là các phương khắc đầu dò quét có thể thực hiện đựa trên thiết

bị kinh hiển vi đầu dò quát Tuy vậy, chức năng chỉnh của thiết bị xây dựng cho kinh hiển vi đầu dò quét đó là hiện thị hình ảnh mẫu có đô phân giải cao, thường là ảnh bề

mặt của mẫu, do vậy, việc chẻ tạo các câu trúc nano khi sử dụng chính các thiết bị này

bị han chế về đô địch chuyên và khả năng tạo các câu trúc nano ba chiều Vì vây, đã có rat nhiều nghiên cứu chế tao vả ứng dụng mũi dò quét trong khắc nano, Các nghiên cứu ban đầu đều đựa trên câu trúc thanh đầm gắn một đầu như đầu đò quét của các kính hiển

vi Dé ứng dụng trong khắc các câu trúc nano, ngoài điều khiển địch chuyển thanh dam

gắn mũi dò chuyển động theo các quỹ đạo để khác các cầu trúc nano, hệ thông thanh đầm này cũng được gắn trực tiếp trên các bộ vi dịch chuyển hai chiều hoặc ba chiều dé

thực hiên khắc Ngoài cơ chê điều khiển khắc bằng mũi đỏ, quá trình khắc cũng cỏ thể

kết hợp cả dịch chuyển mũi dò và đề mẫu Môt sô nghiên cứu gân đây đã giới thiệu các

bộ vi dịch chuyển ba chiêu có thể địch chuyển mũi dò quét Gàn đây, một số công bỗ

vẻ bộ địch chuyên ba chiêu XTZ đã được nghiên cứu, nhằm thu nhỏ kích thược của hệ thống khắc và cỏ khả năng tich hợp lên củng một linh kiên

Năm 2010 nhỏm tac gia Zhu, Yong đã có công bô về một hệ vi dịch chuyên ba chiều XTZ Sử dụng vi treo bôn đầm thẳng như Hình 1.13 [22]

Dé sitie “Hệ năng lược chuyễn động

Din ce didu khién Tĩnh dữ dời

‘Diém neo cỗ định

Hình 1.13: Câu trúc của bộ dịch chuyên ba chiều, (a) hình ảnh phỏng to của tắm trung tâm;

(bì hình ảnh ba chiều của cẩu trúc [22]

Với câu trúc này, các phương hoạt động x, được điều khiển bởi các bộ chấp

hành tĩnh điện kiểu tụ cỏ câu trúc răng lược, phương = được điều khiển bởi cầu trúc kiểu

tu đang điện cực song song Tuy nhiên, việc điều khiên theo phương x, y bị phụ thuộc lẫn nhau, có nghĩa là điều khiển phương x hoạt động thì phương y phải ngất hoạt đông

và ngược lại

'Vào năm 2016, nhóm tác giả Gaopeng Xue, Masaya Toda, and Takahito Ono

đã đề xuất bô vi dịch chuyên ba chiều XYZ [23] bằng việc tích hợp địch chuyển x, y với

bộ chấp hành kiểu tụ có câu trúc răng lược dé điều khiển theo phương z như Hình 1.14

‘in ea kit

hake des NẠI, Dim treo Divs

Ƒ 5ý chấp hàm Hera di ding FI bên rong

1.2 Các phương pháp chấp hành

Để điều khiển các đầu đỏ hoạt đông có ba phương pháp chập hành thường được sit dung do 1a: chap hanh nbiét, chap hành áp điện vả chấp hành tĩnh điện với mỗi một phương pháp chấp hành đền cỏ tu và nhược điểm riêng

1.2.1 Phương pháp chấp hành nhiệt

Chấp hành nhiệt sử dụng sự giãn nở nhiệt của vật liệu để tạo ra các địch chuyên

cơ học Sự giãn nở nhiệt của vật liệu rắn được đặc trưng bởi hệ số giãn nở nhiệt (CTE),

#z trong công thức:

Biểu thức (1.1) chỉ ra rằng biển dạng cơ học, £ tỷ lệ thuân với thay đổi nhiệt độ AT

trong đó # lả hằng sỏ giãn nở nhiệt (CTE),

Để điều khiển dịch chuyển mũi đỏ, thanh dầm được phủ một lớp kim loại mỏng

lên trên mặt sau, khi gia nhiệt thi lớp kim loại giãn nở nhanh, làm cho thanh dâm bị uỗn

và nó trở về vị trí ban đâu khi nó được làm nguôi như Hình 1.15 [24]

Hình 1.15: Máng mũi dò điều khiền bởi chấp hành nhiệt [24)'

Phương pháp chấp hành nhiệt có trụ điểm là ứng xuất lớn nhưng bên cạnh đó nó

có nhược điểm là đòi hỏi công suất phải lớn, đáp ứng châm đo trễ nhiệt lớn, khi điều

khiến mảng đầu dỏ thì xảy ra nhiễu nhiệt giữa các đầu dò lân cân, do nhiệt truyền qua

không khí Để và bức xa làm giảm sự chính xác và tốc độ khắc mẫu

1.2.2 Phương pháp chấp hành áp điện

Phương pháp châp hành dựa trên hiệu ứng áp điện ngược để điều khiển sự địch

chuyển cơ học cúa mũi đỏ Khi có sự chênh lậch điện áp ở hai bề mặt đối điện thi sẽ tạo

ra biển dạng Sự biển dạng này tý lệ với điền áp trên hai bê mặt vật liều [25], sơ đỏ mình

họa như Hình 1.16.

Tình 1.16: Sơ đồ hệ thống dẫu dò chấp hành áp điên [25]

Phương pháp này cỏ độ điều khiển chính xác cao, đòi hỏi điên áp thập, độ phân giải lớn, tuy nhiên nó chỉ được sử đụng để điều khiển các chuyển động nhỏ và việc lựa

chọn vật liêu chế tạo và công nghệ chế tạo yêu cầu độ phức tạp cao

1.3.3 Phương pháp chấp hành tĩnh điện

Phương pháp sử dụng lực hút tĩnh điện của hai điện cực trái đâu đề điều khiển

thanh đầm Phương pháp này có tốc độ đáp ứng của các bộ truyền động tĩnh điện rât cao và chỉ giới hạn bởi tần số riêng của hệ thông dầm treo và hằng số thời gian của đao

động điện đặt vào hệ thông

ĐỀ sử đụng phương pháp chấp hành tĩnh điện ta thiết kể một bản cực song song với thanh đầm và mặt sau của thanh dầm làm một điện cực, khi phân cực ngược cho hai

điện cực thì thanh đầm sẽ bị hút và uốn cong như Hình 1.17 [26]

Đây là phương pháp chấp hành phủ hợp đề điều khiển đầu đỏ quét bởi vì nó không

bị nhiễu lân cân như phương pháp châp hành nhiệt, để lựa chọn vật liệu Chế tạo đơn

giãn hơn phương pháp chấp hành áp điện, hoạt động với công suất tháp và có thể đo độ

dịch chuyên bằng cách sử dụng cảm biên điện dung Cảm biển điện dung, tích hợp đơn

giản và đễ đàng so với các hệ thông cảm biên quang học Ngoài ra, nó phù hợp để quét

mang dau do va van hành trong chân không

Bộ địch chuyển kiểu tụ cầu trúc răng lược được khá nhiều các nhà nghién etru ting

dụng và phát triển để điều khiển câu trúc theo các hướng x, y, và > Nam 2007 tác giả

Xinyu Liu và công sự đã công bỏ một hệ thông dịch chuyên 3 chiều sử dụng chấp hành tĩnh điện kiểu tụ cầu trúc răng lược và tụ phẳng đạng hai tâm song song như Hình 1.18

122]

Hình 1.18: Hình ảnh thiết kế của câu trie dich chuyén 3 chiéu [22]

Năm 2010 tác giả Karolina Laszczyk và công sư đã sử dụng bộ chấp hành câu trúc

răng lược cho dịch chuyển x, y như Hình 1.19 [27]

Ngoài ra, có rât nhiêu câu trúc được sử dụng phương pháp châp hành tĩnh điện kiểu tụ

câu trúc răng lược, bởi khả năng điều khiển điên dung và điều khiển điện áp một cách linh hoạt

18

Khung ngoài Điện cực

Hình 1.19: Cầu trite vi dich chuyén hai chiéu [27]

1.3 Hiệu suất khắc đầu đò quét

Một vẫn đề chung cho tắt cä SPL là hiệu suât khắc thấp, nglữa là diện tích mẫu

được khắc trên một đơn vị thời gian rất nhỏ Đây sẽ không phải là một vấn đề đổi với phòng thí nghiệm nhưng khi sản xuất thương mại thỉ chỉ phí sản xuất lại là vấn đẻ cản

được chú ý Trong sản xuât công nghiệp, vẫn đè hiệu suât phải được giải quyết Môt giải pháp là sử dụng mô hình mảng Có hai loại mảng đầu đò: mảng đầu dỏ tích cực và mảng đầu đỏ thụ động Trong mảng đầu dò thụ động, các đầu đỏ không thẻ điều khiển

riêng Các mảng đầu dò tích cực tiên tiến hơn đầu dò có thê điều khiển riêng bằng bộ

cảm biển và bộ châp hành được tích hợp vào mỗi đầu dò, nó cỏ thể tạo ra được các mẫu

khác nhau bởi cùng một mảng đầu dò Trong một mảng đầu dỏ truyền thông thường sử dụng câu trúc dầm thẳng cô định một đầu, đầu còn lại gần mũi do Hình 1.20

Việc sử dụng mảng đầu đò có khả năng tăng hiệu suất khắc một cách đảng kể

Ngoài ra để khắc các mẫu gi: ng nhau người ta đã chế tao mảng mũi đò giỏng nhau và được tích hợp trên cùng một đầu đỏ, cho phép chề tạo các mẫu hàng loạt cũng cải thiện

đáng kế hiệu suất khắc tuy nhiên câu trúc này kém linh hoạt và không thể chế tạo các

mẫu khác nhau đồng thời

19

Hình 1.20: Hình ảnh đơn đâu dò và mảng đâu dò [26]

1.4 Công nghệ chế tạo

Trong công nghệ chế tạo vi cơ điện tử nói chung có rất nhiều khâu kỹ thuật đòi

hỏi phải tuân thủ các quy trình công nghệ nghiêm ngặt như: Xử lý bễ mặt bằng phương

pháp hóa học, kỹ thuật ôxi hóa, kỹ thuật quang khắc, kỹ thuật ân mòn ướt, kỹ thuật ân

mon khô

~ Ăn mòn ướt hay còn gọi là vi cơ khỏi ướt là một công nghệ rất phổ biển, thường được sit dung dé ché tao các thiết bị vi cơ dién tir (Microelectromechanical system- MEMS)

Trong quá trình này, vi câu trúc được sản xuất bên trong một bề mặt bằng cách ãn mỏn

chọn lọc vật liệu Ngoài các ưu điểm như đơn giản, chỉ phí thập, hiệu suất cao, kỹ thuật này cũng có một đặc tính quan trọng đó là các câu trúc được tạo ra bằng cách ăn mòn dựa trên định hưởng tỉnh thể, cỏ hai loại ãn môn trớt lả ãn môn đẳng hướng va an mon

Hinh 1.21: Hình ảnh hỗc ăn mòn đẳng huéng [28]

Vách của hỗc ăn mỏn bị ăn mỏn nhiều hơn so với đáy (nêu không khuây déu) dan dén

hộc ăn mòn có dạng phẳng ở đáy, góc bị vát tròn có bản kinh: #8 = z./ (là thời gian ăn mon)

- An mon dị hướng cỏ các đặc điểm sau

+) Str dung các dung địch kiêm (KOH, NaOH, TMAH, )

20

+) Tốc đô ăn mòn () ứru tiên một số phương (tinh thể) nhật định

+) Tốc độ ăn mòn nhỏ ở phương có mật độ nguyên tử lớn

+) Tot hon an mỏn đẳng hưởng do có thể tạo vách hộc ân mòn thẳng đứng

Một số câu trúc đầu đỏ đã được nghiên cứu và được công bỗ như cầu trúc mảng đầu đò chấp hành nhiệt của nhóm tác giả Chang 7, và các công sự công bộ năm 2004 Hình 1.22 hay mảng mũi dò tích hợp trên củng một đầu đỏ của nhóm tác giả Euad

Mehdizadeh cong bo năm 2014 Hình 1.23 với 64 mũi dò được tích hợp lên cùng một

đầu đò, khoảng cách giữa các đầu đỏ là 40 jim, đô sắc nhọn của mũi dò là 30 nm [5,

29]

Hình 1.22: Hình ảnh SEM của máng đầu dò song song chấp hành nhiệt [2}

ces

Hinh 1.23: Hình ảnh SEM của cẩu trúc mảng mi đò gồm 64 mi đò được tích hợp trên cùng

một đâu đò [29]

Công bố vẻ mảng đầu đỏ điều khiển bằng chấp hành tĩnh điện của nhóm tác giả

N Blanc, J Brugger, and N F de Rooij nam 2007, với câu trúc dạng thanh dầm truyền thẳng

=—

Hình 1.24: Hình ảnh SEM của miu dò và mảng đầu dò chấp hành tĩnh điện {S]:

Ngoài ra các nhóm tác giả còn đi sâu vào các vấn đề ứng đụng đầu dò vào các

phương pháp khắc khác nhau như công bỗ của nhóm tác giả Chang 7 về phương pháp

Dip-Pen nam 2006 [26] hay nhóm tác giả J4SON ?1444/7E7M đã thương mại hóa sản

phẩm khắc Dip-Pen nãm 2010

2

(c)

Hình 1.25: Ảnh SEM của sản phẩm được khắc bởi kỹ thuật Dip-Pen [30}

Hình 1.25 (a) là hình ảnh AEM của mẫu hạt nano Pd được tạo ra bởi kỹ thuật lắng đọng thông thưởng [31]: Hình 1.25 (b) là hình ảnh phát quang của các mẫu thu

được từ quả trình lắng đọng ma trân sử dụng agarose làm chất nên [32], Hình 1.25 (c)

là hình ảnh AFM của mẫu carbon được tạo bởi quả trình khắc các vật liệu cỏ hỗ trợ điện

ap [33]: Hình 1.25 (đ) là hình ảnh AEM của mẫu índium thu được thông qua lắng đọng

được hỗ trợ nhiệt [34]

Hầu hết các câu trúc đã công bỏ trên thể giới đều được chế tạo dạng dầm thẳng

truyền thông cỗ định một dau va dau con lai gan mũi đỏ Với cầu trúc nảy hoạt đồng bắt đối xứng nên khi thanh đầm uốn cong sẽ tạo ra sự lệch biên, mũi đỏ sẽ lệch so với

vị trí cân bằng một khoảng là *a” như Hình 1.26 Độ lệch biên này tỷ lệ tuyển tỉnh với

độ dịch chuyển của dầm

Hình 1.26: Hình mình họa sự lệch biên của thanh dần cô định một đầu

Để khắc phục vần đề này nghiên cửu sinh củng nhóm nghiên cứu tại ITIMS đã đề xuất

một sô câu trúc đầu đỏ địch chuyển thẳng đứng, nhằm loại bỏ sự lệch biên và tăng độ

chính xác cho đầu đò như cầu trúc dầm thẳng cô định hai đầu (Hình 1.27)

“Khoảng cách chấp hành

Hình 1.27: Câu trúc dâm thằng cô định hai đầu hoại động đối xing

Với câu trúc thanh đầm cô định hai đầu cỏ độ cứng lớn, tần số làm việc cao, độ dịch chuyển thập và khi tăng chiều đải của đầm thi sự sai khác tần sô giữa hai mode lân cận sẽ thâp gây ra hiệu ứng kết cặp giữa các mode đao động, Để khắc phục các nhược

điểm của câu trúc thanh dầm cô định hai đâu, chủng tôi đề xuất các cầu trúc vi treo bốn dam thing, cau trac vi treo bên dâm gấp khúc hay câu trúc vi treo dầm kết cặp cơ học

được trinh bày trong các Chương 3 và Chương 4

1.5 Mục tiêu của luận án

Trong luận án này nghiên cửu sinh tiến hành nghiên cứu tổng quan về các kỹ thuật

khắc sử dụng đầu đò quét, các câu trúc và phương pháp chấp hành điều khiển đầu đò

quét Từ đó đưa ra các mục tiêu nghiên cứu cụ thể trong luận án như sau:

~_ Nghiên cứu đề xuât và thiết kế mô phỏng hoạt đông các câu trúc chấp hành đầu đò

quét địch chuyển thẳng đứng, nhằm khắc phục sự bắt đôi xứng của các đầu đỏ dạng

dầm thẳng cô định một đầu truyền thống để cải thiện đô lệch biên của mũi đỏ từ đó

nâng cao độ chính xác của các câu trúc nano được khắc Ngoài ra, các câu trúc đầu

dò được phát triển cỏ khả năng chồng nhiễu gây bởi kết cặp của các mode lân cận,

tăng hiệu suất khác và tăng độ dịch chuyền.