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 kế bộ chấp hành ba chiều có thể điều khiển độc lập, tích hợp trên cùng một linh kiện, công nghệ chế tạo đơn giản, có thể thực hiện được với công nghệ hiện có ở trong nước, định hướ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

Hà Nội – 2020

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới

sự hướng dẫn của PGS TS Chu Mạnh Hoàng và TS Vũ Thu Hiền Các

số liệu và kết quả trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào khác.

LỜI CẢM ƠNTrước hết, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Chu Mạnh Hoàng và TS Vũ Thu Hiền, những người thầy đã truyền động lực nghiên cứu cho tôi, đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận án Nhờ

sự chỉ bảo tận tình của các thầy, tôi đã có được những kiến thức về khoa học vật liệu, về các công nghệ chế tạo, những kinh nghiệm và phương pháp nghiên cứu, phương pháp viết bài và đăng bài trên các tạp chí ISI và trên hết là mở ra con đường nghiên cứu khoa học tiếp theo của bản thân.

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Viện ITIMS, trường ĐH Bách Khoa Hà Nội, trường ĐH Thành Đô và trường Đại học FPT đã tạo điều kiện về thời gian, vật chất và tinh thần giúp tôi hoàn thành luận án.

Tôi xin chân thành cảm ơn GS.TS Vũ Ngọc Hùng, cùng các anh, chị, em trong phòng thí nghiệm MEMS, Viện ITIMS: ThS Lê Văn Tâm,

TS Nguyễn Ngọc Minh, NCS Nguyễn Thanh Hương, TS Nguyễn Văn Minh, TS Nguyễn Thị Quỳnh Chi, TS Ngô Đức Quân, ThS Nguyễn Ngọc Sơn… đã chia sẻ những kinh nghiệm nghiên cứu khoa học, đã động viên và có những thảo luận góp ý giúp tôi hoàn thành luận án.

Tôi xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Văn Toán đã tạo điều kiện

và hướng dẫn tôi sử dụng các thiết bị và làm việc trong phòng sạch.

Tôi cũng xin được gửi lời cảm ơn tới bạn bè và đồng nghiệp

đã luôn ở bên, động viên khích lệ tôi trong thời gian qua.

Cuối cùng, tôi xin giành lời cảm ơn cho gia đình, gia đình là hậu phương vững chắc, là chỗ dựa tinh thần để tôi có thể yên tâm nghiên cứu trong suốt thời gian vừa qua.

Hà Nội, ngày … tháng … năm 20….

Tác giả

Đặng Văn Hiếu

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT iii

DANH MỤC CÁC BẢNG v

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ vi

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHẮC ĐẦU DÒ QUÉT 6

1.1 Cơ sở về kỹ thuật khắc đầu dò quét 6

1.2 Các phương pháp chấp hành 16

1.2.1 Phương pháp chấp hành nhiệt 16

1.2.2 Phương pháp chấp hành áp điện 17

1.2.3 Phương pháp chấp hành tĩnh điện 17

1.3 Hiệu suất khắc đầu dò quét 19

1.4 Công nghệ chế tạo 20

1.5 Mục tiêu của luận án 24

1.6 Kết luận chương 1 25

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ MÔ PHỎNG 26

2.1 Cơ sở tính toán lý thuyết 26

2.1.1 Tính toán độ cứng của lò xo 26

2.1.2 Tính toán tần số riêng 33

2.1.3 Tính toán điện áp tới hạn (V pull_in ) của cấu trúc dịch chuyển một chiều theo phương z 36

2.1.4 Tính toán độ dịch chuyển của cấu trúc 37

2.1.5 Điện dung của cấu trúc 38

2.1.6 Hệ số phẩm chất của bộ vi chấp hành 39

2.2 Cơ sở mô phỏng 42

2.2.1 Giới thiệu chung về phương pháp phần tử hữu hạn 42

2.2.2 Phần mềm phân tích phần tử hữu hạn (FEA) 44

2.3 Kết luận chương 2 50

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BỘ CHẤP HÀNH TRỤC Z 51 3.1 Bộ chấp hành sử dụng cấu trúc vi treo dầm thẳng truyền thống và cải tiến

3.2 Bộ chấp hành sử dụng cấu trúc vi treo lò xo gấp khúc dạng truyền thống và dạng

cải tiến 56

3.3 Cấu trúc dầm kết cặp cơ 60

3.4 Cấu trúc vi treo kết cặp cơ sử dụng 2 khung kết cặp 66

3.5 Kết luận chương 3 73

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BỘ VI DỊCH CHUYỂN BA CHIỀU XYZ 74

4.1 Thiết kế bộ vi dịch chuyển XYZ 74

4.2 Tính toán và mô phỏng cấu trúc 78

4.2.1 Chấp hành trục z 78

4.2.2 Chấp hành trục x và y 84

4.3 Tác động của lực cản không khí lên bộ vi dịch chuyển ba chiều xyz .86

4.4 Kết quả và thảo luận của cấu trúc vi dịch chuyển ba chiều 88

4.4.1 Tần số theo trục z phụ thuộc vào độ rộng và độ dày của lò xo treo .88

4.4.2 Tần số hoạt động theo trục x, y phụ thuộc vào độ rộng và độ dày của dầm treo 91

4.4.3 Độ dịch chuyển của bộ điều khiển XYZ phụ thuộc vào điện áp điều khiển 94 4.4.4 Hệ số phẩm chất của bộ vi dịch chuyển ba chiều 95

4.5 Kết luận chương 4 96

CHƯƠNG 5: CHẾ TẠO MŨI DÒ BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĂN MÒN ƯỚT 97

5.1 Quy trình chế tạo và thu nhỏ mũi dò 97

5.2 Quy trình chế tạo bộ chấp hành trục z có gắn mũi dò 101

5.3 Kết quả chế tạo mũi dò và thảo luận 102

5.4 Kết luận chương 5 106

KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN ÁN 107

ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO CỦA LUẬN ÁN 108

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 109

TÀI LIỆU THAM KHẢO 111

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

2 IC (Integrated Circuit): Mạch điện tích hợp

3 SPM (Scanning Probe Microscopy): Kính hiển vi đầu dò quét

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

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

6 MFM (Magnetic Force Microscopy): Kính hiển vi lực từ

7 SEM (Scanning Electron Microscope): Kính hiển vi điện tử quét.

8 TEM ( Transmission Electron Microscopy): Kính hiển vi điện tử truyền qua

9 SC (Standard Cleaning): Quy trình rửa phiến Si chuẩn.

10 STM (Scanning Tunneling Microscope): Kính hiển vi quét xuyên ngầm

11 PMMA (Polymethylmethacrylate): Thủy tinh hữu cơ

12 DPN (Dip-Pen nanolithography): Khắc Dip-Pen

13 MEMS (Microelectromechanical system): Hệ thống vi cơ điện tử

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

15 FEA (Finite Element Analysis): Phân tích phần tử hữu hạn

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

18 Tip: Mũi dò (mũi nhọn)

19 KOH: Kali hydro xít

20 SiO2: Si-líc ô xít

21 FESEM: Kính hiển vi điện tử quét hiệu ứng trường

22 CM-AFM: Khắc AFM chế độ tiếp xúc

23 TM-AFM: Khắc AFM chế độ không tiếp xúc

24 Lift-off: Quá trình lift-off

33 I: Mô-men quán tính mặt cắt ngang

34 w, h, l: Lần lượt là chiều rộng, chiều cao (độ dày), chiều dài của các cấu trúc.

45 COMSOL Multiphysics: Phần mềm mô phỏng

46 δf: Sự sai khác tần số giữa hai mode lân cận

48 TMAH: Tetramethylammonium Hydroxide (C4H13NO)

49 BHF: Dung dịch axit HF pha loãng (HF48%:H2O = 1:6)

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

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: So sánh STM với AFM hoạt động ở chế độ tiếp xúc (CM-AFM) và AFM hoạt động ở chế độ không tiếp xúc (TM-AFM) cho khắc sử dụng kỹ thuật ôxi hóavùng [7] 9Bảng 3.1: Các thông số kích thước của các cấu trúc vi treo 1sb, 2sb, 3sb và 4sb .52Bảng 3.2: So sánh kết quả mô phỏng và tính toán 53

Bảng 3.3: Các thông số của cấu trúc vi treo lò xo gấp khúc dạng 1fb và 2fb57 Bảng 3.4: Các thông số kỹ thuật của cấu trúc vi treo kết cặp cơ 1cs, 2cs và 3cs 61 Bảng 3.5: Bảng so sánh kết quả giữa tính toán và mô phỏng của cấu trúc vi treo kếtcặp cơ 1cs, 2cs và 3cs 64Bảng 3.6: Các thông số kỹ thuật của cấu trúc vi treo kết cặp cơ sử dụng hai khung kếtcặp 67 Bảng 4.1: Các tính chất vật lý của không khí và Si đơn tinh thể 78Bảng 4.2: Các thông số kỹ thuật của cấu trúc dịch chuyển phương z phân tích thànhcác dầm gấp khúc dạng dầm thẳng 80Bảng 4.3: Các thông số kỹ thuật của cấu trúc dịch chuyển phương z phân tích thànhcác lò xo gấp khúc dạng zig-zag 80Bảng 4.4: Các thông số kỹ thuật của cấu trúc dịch chuyển phương z phân tích thànhcác khâu càng cua 81Bảng 4.5: Các thông số kỹ thuật của cấu trúc dịch chuyển phương z phân tích thànhcác lò xo gấp khúc dạng càng cua kép 83 Bảng 4.6: Các thông số kích thước của dầm treo gấp và răng lược 84Bảng 4.7: Bảng so sánh kết quả giữa tính toán và mô phỏng tần số hoạt động của cấutrúc chấp hành trục z với các trường hợp phân tích khác nhau 88Bảng 4.8: Kết quả tính toán và mô phỏng tần số riêng của bộ vi dịch chuyển ba chiềuxyz 91

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) [3] 7Hình 1.2: Hình ảnh minh họa kỹ thuật khắc đầu dò quét [1] 8Hình 1.3: Hình ảnh minh họa kỹ thuật khắc bằng phương pháp chiếu chùm tia điện

tử phát xạ [2] 8Hình 1.4: Sơ đồ minh họa kỹ thuật khắc bằng phương pháp ôxi hóa vùng [5, 6] 9Hình 1.5: Hình ảnh minh họa kỹ thuật khắc Dip-Pen [9] 10 Hình 1.6: Hình ảnh minh họa phương pháp khắc cơ nhiệt [10] 10 Hình 1.7: Hình ảnh minh họa phương pháp khắc cơ học [12] 11 Hình 1.8: Sơ đồ minh họa kỹ thuật khắc cơ học sử dụng đầu dò AFM [1] 12 Hình 1.9: Hình ảnh của rãnh PMMA được tạo bởi AFM với mũi dò Si (a) và tín hiệucủa rãnh (b) [2] 12 Hình 1.10: Ảnh SEM mặt cắt của mũi dò (a) và của đỉnh mũi dò (b) [14] 13Hình 1.11: Các bước chính của quy trình chế tạo bóng bán dẫn dựa trên khắc cơ học sử dụng AFM (a), hình ảnh của rãnh được khắc bằng AFM trong polyimide (b) [15] 13

Hình 1.12: Hình ảnh động của mũi dò trong kỹ thuật khắc sử dụng AFM (a) tốc độkhắc cao (b), tốc độ khắc trung bình (c), và tốc độ khắc thấp (d) [15] 14Hình 1.13: Cấu trúc của bộ dịch chuyển ba chiều, (a) hình ảnh phóng to của tấmtrung tâm; (b) hình ảnh ba chiều của cấu trúc [19] 15Hình 1.14: Bộ dịch chuyển trục Z (a); bộ dịch chuyển XY (b); Hình ảnh ba chiều của

bộ tích hợp bộ chấp hành XYZ (c) [20] 15 Hình 1.15: Mảng mũi dò điều khiển bởi chấp hành nhiệt [21] 16 Hình 1.16: Sơ đồ hệ thống đầu dò chấp hành áp điện [22] 17 Hình 1.17: Cấu trúc thanh dầm điều khiển bởi chấp hành tĩnh điện [23] 18 Hình 1.18: Hình ảnh thiết kế của cấu trúc dịch chuyển 3 chiều [19] 18 Hình 1.19: Cấu trúc vi dịch chuyển hai chiều [24] 19 Hình 1.20: Hình ảnh đơn đầu dò và mảng đầu dò [23] 20

Hình 1.21: Hình ảnh hốc ăn mòn đẳng hướng [25] 20

Hình 1.22: Hình ảnh SEM của mảng đầu dò chấp hành nhiệt [2] 21

Hình 1.23: Hình ảnh SEM của cấu trúc mảng mũi dò gồm 64 mũi dò được tích hợp trên cùng một đầu dò [26] 22

Hình 1.24: Hình ảnh SEM của mũi dò và mảng đầu dò chấp hành tĩnh điện [8] 22

Hình 1.25: Ảnh SEM của sản phẩm được khắc bới kỹ thuật Dip-Pen [27]23 Hình 1.26: Hình minh họa sự lệch biên của thanh dần cố định một đầu 23

Hình 1.27: Cấu trúc dầm thẳng cố định hai đầu hoạt động đối xứng 24

Hình 2.1: Tải và biến dạng của dầm tuyến tính [32] 26

Hình 2.2: Tải và biến dạng của: (a) lực và (b) mô-men xoắn [32] 27

Hình 2.3: (a) hình ảnh 3 chiều của một lò xo dạng zig-zag, (b) sơ đồ tương đương 29

Hình 2.4: Cấu trúc hình học một khâu cơ bản của lò xo dạng zig-zag [32] 29

Hình 2.5: Cấu trúc của một lò xo dạng zig-zag nhiều khâu [32] 30

Hình 2.6: Cấu trúc của một lò xo dạng zig-zag có các khâu kích thước khác nhau và giảm dần tuyến tính [32] 30

Hình 2.7: Cấu trúc cơ bản của lò xo dạng càng cua [38] 31

Hình 2.8: Cấu trúc lò xo gấp khúc dạng càng cua kép [32] 33

Hình 2.9: (a) cấu trúc vi treo bốn dầm thẳng, (b) sơ đồ tương đương 33

Hình 2.10: (a) hình ảnh 3 chiều của cấu trúc vi treo bốn lò xo gấp khúc dạng zig-zag, (b) mô hình vật lý tương đương, (c) cấu trúc một lò xo gấp khúc dạng zig-zag cơ bản, (d) mặt cắt ngang của thanh dầm 35

Hình 2.11: (a) cấu trúc vi treo bốn dầm dạng càng cua, (b) dạng mô hình hóa, (c) một cấu trúc càng cua cơ bản, (d) mặt cắt ngang của thanh dầm 36

Hình 2.12: Sơ đồ hai chiều của tụ điện song song với trường rìa 39

Hình 2.13: Sơ đồ cấu trúc tụ điện kiểu răng lược 41

Hình 2.14: Các dạng biên chung giữa các phần tử [45] 42

Hình 2.15: Các dạng phần tử hữu hạn thường được sử dụng [45] 43

Hình 2.16: Sơ đồ khối của chương trình tính bằng FEM [45] 44Hình 2.17: Hình ảnh chia lưới với các kích thước phần tử khác nhau: (a) chế độ chia lưới cực thô (Extremely Coarse), (b) chế độ chia lưới cơ bản (Normal) và (c) chế độlưới mịn hơn (Extra Fine) 46 Hình 2.18: Ảnh chụp màm hình mô phỏng chia lưới các phần tử hữu hạn 46Hình 2.19: Ảnh chụp màm hình mô phỏng tần số riêng của cấu trúc 47 Hình 2.20: Ảnh chụp màn hình mô phỏng điện áp tới hạn 48Hình 2.21: Ảnh chụp màn hình đồ thị thể hiện sự dịch chuyển phụ thuộc vào điện ápđiều khiển 49Hình 3.1: Bộ chấp hành phương z sử dụng cấu trúc vi treo bốn dầm thẳng (a) cấu trúc vi treo bốn dầm thẳng dạng 1sb; (b) cấu trúc vi treo bốn dầm thẳng dạng 2sb; (c) cấu trúc vi treo bốn dầm thẳng dạng 3sb; (d) cấu trúc vi treo bốn dầm gấp khúc dạng4sb 52Hình 3.2: Hình dạng mode thứ nhất và thứ hai của bộ chấp hành phương z sử dụng cấu trúc vi treo bốn dầm thẳng truyền thống (a, b) cấu trúc vi treo 1sb; (c, d) cấu trúc

vi treo 2sb; (e, f) cấu trúc vi treo 3sb; (g, h) cấu trúc vi treo 4sb 54

Hình 3.3: Kết quả mô phỏng tần số riêng phụ thuộc vào chiều dài của dầm.55 Hình 3.4: Kết quả mô phỏng sự sai khác tần số riêng của mode thứ nhất và thứ 2 phụthuộc vào chiều dài của dầm 55Hình 3.5: Bộ chấp hành sử dụng cấu trúc vi treo lò xo gấp khúc: (a) cấu trúc vi treo

lò xo gấp khúc 1fb, (b) cấu trúc vi treo lò xo gấp khúc 2fb, (c) cấu trúc vi treo lò xogấp khúc 3fb, (d) cấu trúc vi treo lò xo gấp khúc 4fb 57Hình 3.6: Hình dạng mode dao động thứ nhất và thứ hai: (a, b) cấu trúc loại 1fb; (c, d) cấu trúc loại 2fb; (e, f) cấu trúc loại 3fb và (g, h) cấu trúc loại 4fb ……… 58 Hình 3.7: Đồ thị thể hiện tần số hoạt động của mode thứ nhất phụ thuộc vào chiềudài hiệu dụng của lò xo 59Hình 3.8: Đồ thị thể hiện sự sai khác tần số giữa mode thứ nhất và thứ hai của cáccấu trúc phụ thuộc vào chiều dài hiệu dụng của lò xo 59

Hình 3.9: Mô hình thiết kế của cấu trúc vi treo kết cặp cơ với ba độ lệch khác nhau( D) giữa các thanh dầm của hệ vi treo 1 và hệ vi treo 2: (a) D = 0(cấu trúc

vi treo

vi treo kết cặp cơ 3cs) 61Hình 3.10: Mô hình phân tích tương đương của các cấu trúc vi treo dầm kết cặp cơ 62

Hình 3.11: Hình dạng và tần số của mode thứ nhất và thứ hai cho các dầm kết cặp cơ 1cs, 2cs và 3cs, được thể hiện lần lượt ở (a, b), (c, d) và (e, f) cho W p = L p = 150 µm,

L f = 390 µm, W f = 30 µm, l b1 = l b2 = 120 µm và w b1 = w b2 = 10 µm Độ dày của lớpcấu trúc được giữ ở 10 µm trong tất cả các khảo sát 63Hình 3.12: Sự khác biệt của tần số riêng giữa mode thứ nhất và mode thứ hai phụthuộc vào Wf 64Hình 3.13: Tần số riêng mode thứ nhất và mode thứ hai (a); sự sai khác của tần số riêng giữa mode thứ nhất và thứ hai (b) đối với cấu trúc vi treo kết cặp cơ 3cs đượcnghiên cứu như là một hàm của lb1 và lb2 65Hình 3.14: Hình ảnh ba chiều của cấu trúc vi treo kết cặp cơ ba hệ dầm treo sử dụnghai khung kết cặp 66Hình 3.15: Hai mode hoạt động thứ nhất và thứ hai của bộ vi chấp hành trục z sử dụng hai khung kết cặp cơ cho ba trường hợp chiều dài thanh dầm: (a, b), (c, d) và (e, f) lần lượt là l 2 = 50 µm, 100 µm, và 150 µm, trong khi chiều dài của dầm thứ nhất và thứ ba ( l 1 và l 3 ), được giữ lần lượt là 50 µm và 20 µm Chiều rộng và độ dày của tất

cả các dầm được giữ ở 10 µm 69Hình 3.16: Sự phụ thuộc của tần số hoạt động f và sự sai khác tần số f giữa hai mode hoạt động đầu tiên của bộ vi chấp hành trục z sử dung hai khung kết cặp cơ trong ba trường hợp độ dày của dầm, h = 10 µm, 20 µm, và 30 µm, trên chiều dài của dầm, l 1 , l 2 và l 3 : (a, b), (c, d) và (e, f) lần lượt là f và f cho h = 10 µm, 20 µm và 30µm 70Hình 3.17: Điện áp tới hạn phụ thuộc vào độ dài của dầm, l 1 , l 2 và l 3 trong ba trườnghợp độ dày h: (a) cho h = 10 m, (b) cho h = 20 m và (c) cho

ix

Hình 3.18: Sự dịch chuyển của tấm trung tâm phụ thuộc vào điện áp điều khiển trong ba trường hợp độ dài của dầm thứ hai, l 2 = 50 µm, 100µm và 150 µm trong khi chiều dài của dầm thứ nhất và thứ ba được giữ ở 50 µm và 20 µm Chiều rộng và độ dày của tất cả các dầm được giữ ở 10 µm Độ rộng của các khung được giữ ở 30 µm72

Hình 4.1: Sơ đồ tổng thể thiết kế của bộ vi dịch chuyển ba chiều XYZ (a); bộ truyền động trục z (b); hình ảnh phóng đại của cấu trúc răng lược kiểu tụ (c); dầm gấp khúc (d); một cầu nối cơ học nhưng cách điện (e) và lỗ tiếp xúc để liên kết điện giữa cácđường dẫn điện ở lớp trên và điện cực dưới (f) 76Hình 4.2: Sơ đồ kết nối điện để điều khiển bộ truyền động xyz một cách độc lập .77Hình 4.3: Cấu trúc dầm gấp khúc dạng càng cua 79Hình 4.4: Cấu trúc lò xo gấp khúc dạng càng cua được phân tích thành các dầmthẳng 79Hình 4.5: Cấu trúc lò xo gấp khúc dạng càng cua được phân tích thành các lò xo gấpkhúc dạng zig-zag 81Hình 4.6: Cấu trúc lò xo gấp khúc dạng càng cua được phân tích thành các khâucàng cua 82Hình 4.7: Cấu trúc lò xo gấp khúc dạng càng cua được phân tích thành các lò xo gấpkhúc dạng càng cua kép 83Hình 4.8: Cấu trúc lò xo treo dạng gấp khúc cho điều khiển hoạt động theo phươngxy 85Hình 4.9: Đồ thị độ võng của cấu trúc phụ thuộc vào chiều dài của các lò xo treo 86 Hình 4.10: Ba hình dạng mode đầu tiên và tần số riêng của bộ chấp hành trục z Các thông số kích thước của lò xo dạng càng cua là l a = 230 µm, l b = 95 µm, l c1 = 160µm,

l c2 = 215 µm, l c3 = 160µm, l c4 = 145 µm, l c5 = 120µm, l c6 = 145 µm, w s = 20 µm và h

= 10 µm 89Hình 4.11: Tần số của mode thứ nhất và mode thứ hai và sự sai khác của tần số giữa các mode thứ nhất và thứ hai của bộ chấp hành phương z được khảo sát như là một hàm của độ rộng của lò xo gấp khúc dạng càng cua cho ba độ dày của lò xo, h = 10,

20 và 30 µm 90

Hình 4.12: Điện áp tới hạn của bộ chấp hành phương z là hàm của độ rộng của lò xo gấp khúc dạng càng cua, với g = 2 µm, cho ba độ dày khác nhau h = 10 µm, 20 µm

và 30 µm 90Hình 4.13: Ba hình dạng mode và tần số riêng của bộ vi dịch chuyển ba chiều xyz Các tham số kích thước được thể hiện trong bảng 4.6 Hình nhỏ ở góc trên, bên phải

là hình ảnh phóng to của bộ chấp hành theo trục z được tích hợp trong bộ vi dịchchuyển ba chiều xyz 92

Hình 4.14: Tần số của mode ngoài mặt phẳng phụ thuộc vào tỷ lệ cạnh h/w.

92 Hình 4.15: Sự phụ thuộc của tần số f x và f y và độ cứng k x và k y của bộ vi chuyển động ba chiều xyz vào chiều rộng w và chiều dài L của dầm: (a-b) cho h = 10 µm, 20

µm và 30 µm và (c-d) cho w = 5 µm, 7 µm và 10 µm 93Hình 4.16: Các chuyển vị x và y của tấm trung tâm được khảo sát là hàm của điện áp điều khiển cho ba khoảng cách khác nhau giữa hai điện cực răng lược liền kề, g c = 1

µm, 1,5 µm và 2 µm với h = 10 µm (a) và độ dịch chuyển z của tấm trung tâm được khảo theo điện áp điều khiển cho ba khe hở giữa hai bản cực song song điều khiểntrục z, gz = 2 µm, 3 µm và 4 µm (b) 94Hình 4.17: Hệ số phẩm chất của bộ vi dịch chuyển ba chiều xyz, Q x,y,z , được khảo sát như là một hàm của hệ số cản không khí cho ba hướng dao động dọc trục x và y (lực

cản của màng không khí trượt) và trục z (lực cản của màng không khí nén).

95Hình 5.1: Quy trình chế tạo mũi dò 98Hình 5.2: Quá trình thu nhỏ mũi dò: mũi dò sau khi ăn mòn và tẩy bỏ mặt nạ (a), tiếptục cho ôxi hóa (b), tẩy bỏ lớp ôxít (c) 99Hình 5.3: Độ dày lớp SiO 2 đối với Si định hướng (100), (110) và (111) bằng ooxxihóa ướt[84] 99 Hình 5.4: Hình ảnh quang của toàn bộ mặt nạ 100Hình 5.5: Hình ảnh thiết kế (a) và ảnh quang học mặt nạ của các mẫu mũi dò (b) 100

Hình 5.6: Hình ảnh thiết kế và ảnh chụp mặt nạ của mẫu hình vuông có bù góc 100

xi

Hình 5.8: Hình ảnh minh họa mở lỗ trên bề mặt cấu trúc để tang tốc độ ăn mònngang lớp SiO2 ở giữa hai lớp linh kiện 102Hình 5.9: (a) ảnh quang học của mảng các mẫu mũi dò quét bằng chất cảm quang sau khi đã truyền từ mặt nạ bằng quang khắc vào phiến silic đã được ôxi hóa, (b) ảnh quang học của mảng các mẫu mũi dò quét bằng SiO 2 sau khi thực hiện ăn mòn trongdung dịch BHF 103 Hình 5.10: Ảnh chụp quang học của mũi dò sau khi ăn mòn 10 phút 103Hình 5.11: Ảnh chụp quang học của mũi dò sau khi ăn mòn phiến Silic 20 phút trongdung dịch KOH 40% 104Hình 5.12: Ảnh quang học của mũi dò sau khi ăn mòn phiến Silic 25 phút trong dungdịch KOH 40% 104Hình 5.13: Ảnh quang học của mũi dò sau khi ăn mòn phiến Silic 30 phút trong dungdịch KOH 40% 105Hình 5.14: Ảnh quang học của mũi dò sau khi ăn mòn phiến Silic 33 phút trong dungdịch KOH 40% 105Hình 5.15: (a) Hình ảnh FESEM tổng thể của mảng các mũi dò;(b) Hình ảnh phóng

to của một mũi dò 106

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Gần đây, khoa học và công nghệ nano đã nhận được sự quan tâm của các nhà khoa học trong nước và trên thế giới Đối tượng nghiên cứu của khoa học và công nghệ nano là dựa trên vật liệu nano Các cấu trúc nano có tiềm năng ứng dụng làm thành phần chủ chốt trong những dụng cụ thông tin kỹ thuật có những chức năng mà trước đây chưa có nhờ các hiệu ứng vật lý nổi bật xuất hiện ở tỉ lệ thang nano Chúng có thể được lắp ráp trong những vật liệu trung tâm cho điện tử và quang làm tăng tốc độ xử lý dữ liệu và khả năng chứa thông tin Các vi cấu trúc này là một trạng thái của vật chất có những hứa hẹn đặc biệt cho những sản phẩm mới và rất hữu dụng Việc nghiên cứu thiết kế và chế tạo các cấu trúc nano hữu ích trong khoa học và công nghệ đang gia tăng nhanh chóng Công nghệ chế tạo các cấu trúc nano luôn là thách thức đối với các nhà nghiên cứu làm chủ công nghệ chế tạo Trong công nghệ vi điện tử, kỹ thuật quang khắc đã là một bước

cơ bản trong quy trình sản xuất linh kiện và mạch tích hợp Với nhu cầu ngày càng tăng mật độ tích hợp linh kiện bán dẫn, công nghệ quang khắc với độ phân giải cao đang là yêu cầu cấp thiết được đặt ra đối với các nhà sản xuất công nghiệp bán dẫn Độ phân giải của kỹ thuật quang khắc bị giới hạn bởi hiệu ứng nhiễu xạ quang học Để tăng độ phân giải của kỹ thuật quang khắc gần đây các nghiên cứu sử dụng bước sóng ngắn đang được quan tâm Hiện tại khi sử dụng kỹ thuật này, các cấu trúc với độ chính xác khoảng vài chục nano có thể đạt được Tuy nhiên đây vẫn là công nghệ phức tạp, đắt tiền và chưa phổ biến trên thế giới Một công nghệ khác được ứng dụng cho chế tạo cấu trúc nano là khắc chùm điện tử Đây là một công nghệ được dùng phổ biến trong các phòng thí nghiệm ở các nước tiên tiến Tuy vậy đây lại là một công nghệ cần chi phí lớn, nhưng quy mô sản xuất chỉ ở phòng thí nghiệm Hơn nữa, các kỹ thuật kể trên không phù hợp để điều khiển các hệ thống hữu cơ và sinh học lớn, có ích trong công nghệ nano Do vậy, các loại điều khiển lực đã được xem xét cho sự phát triển công nghệ chế tạo nano Việc ứng dụng những kỹ thuật này đã được bắt đầu từ năm 1990 và nó đã được phát triển để hình thành các phương pháp khắc nano khác nhau Một trong những phương pháp quan trọng nhất là công nghệ khắc mẫu dựa trên mũi dò quét Để tạo ra các cấu trúc nano là khắc trực tiếp bề mặt mẫu một cách cơ học với một đầu dò Mô hình điều khiển các đặc tính ở phạm vi nano với một đầu dò quét kính hiển vi lực nguyên tử được biết đến như là kỹ thuật khắc đầu dò quét Nhiều nghiên cứu đã giới thiệu về các phương pháp khắc với

kỹ thuật này Mũi dò quét trong kính hiển vi lực nguyên tử là một công cụ để chế tạo cấu trúc nano với kích thước tối thiểu mặt bên với kích thước của một nguyên tử độc lập và xấp xỉ 100 nm trên bề mặt Si hay các bề mặt khác Tuy nhiên, độ phân giải của cấu trúc nano phụ thuộc vào kích thước của mũi dò và độ sâu của mẫu khắc Kỹ thuật này được sử dụng cho việc chế tạo mạch tích hợp bán dẫn hay hệ thống cơ điện với độ phân giải ở thang nano Phương pháp này không hạn chế vật liệu dẫn điện Ưu điểm của kỹ thuật này là độ phân giải cao, điều khiển chính xác mà các kỹ thuật khắc truyền thống không đạt được Kỹ thuật khắc truyền thống sử dụng photon hoặc chùm tia điện tử luôn phải dựa vào một vật liệu polyme (lớp phủ) như một lớp tạo hình Tuy nhiên, kỹ thuật khắc đầu dò quét có thể được thực hiện với nhiều cơ chế khác nhau Lớp polyme mỏng có thể được chiếu bởi các điện tử phát

xạ từ một đầu dò Bề mặt của mẫu có thể bị biến đổi dưới tác dụng của điện trường vùng rất lớn, như sự ôxi hóa vùng, sự phân hủy gây bởi điện trường hoặc nóng chảy gây bởi nhiệt độ cao Các vật liệu có thể được truyền từ đầu dò đến bề mặt mẫu tạo ra các cấu trúc, hoặc các mẫu được hình thành đơn giản bằng khắc bề mặt mẫu với đầu dò một cách cơ học Các phương pháp tạo mẫu mới với đầu dò quét đang được tiếp tục phát triển Một vài kỹ thuật tạo mẫu dựa trên đầu dò quét đã được khai thác thương mại, trở thành công cụ dành riêng cho kỹ thuật khắc nano Tuy nhiên, hầu hết các kỹ thuật này vẫn còn trong phạm vi phòng thí nghiệm.

Đây là một nghiên cứu thuộc lĩnh vực kỹ thuật có tính khả thi cao và hứa hẹn cho cả nghiên cứu cơ bản và ứng dụng công nghệ nano Tuy vậy, nghiên cứu và ứng dụng lĩnh vực này trong nước vẫn chưa được quan tâm Do vậy, trong luận án này, nghiên cứu sinh lựa chọn hướng nghiên cứu phát triển đầu dò quét định hướng ứng dụng trong chế tạo cấu trúc nano.

2 Mục đích nghiên cứu

Phát triển các bộ vi chấp hành một chiều (trục z) có dịch chuyển thắng đứng

để khắc phục độ lệch biên, có dịch chuyển lớn và chống nhiếu kết cặp mode Thiết kế bộ chấp hành ba chiều có thể điều khiển độc lập, tích hợp trên cùng một linh kiện, công nghệ chế tạo đơn giản, có thể thực hiện được với công nghệ hiện có ở trong nước, định hướng ứng dụng các bộ vi dịch chuyển có tích hợp mũi dò trong khắc các cấu trúc nano dạng mảng hai chiều.

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

+ Đối tượng nghiên cứu đầu tiên của luận án là bộ chấp hành trục z có nhiễu chéo thấp, có độ dịch chuyển lớn và tần số hoạt động trong phạm vi rộng.

+ Đối tượng nghiên cứu thứ hai là bộ chấp hành dịch chuyển mũi dò ba chiều, có thể điều khiển chuyển động độc lập và có nhiễu chéo thấp.

+ Công nghệ vi cơ điện tử đơn giản cho chế tạo hiệu suất cao các mũi dò cũng như hệ thống vi dịch chuyển 1, 2 và 3 chiều có tích hợp mũi dò quét.

4 Phương pháp nghiên cứu

Trong luận án này, phương pháp nghiên cứu kết hợp lý thuyết và thực nghiệm + Thiết kế và khảo sát đặc trưng hoạt động của các bộ chấp hành mũi dò khắc nano dựa trên cơ sở các phương trình giải tích được rút ra từ lý thuyết cơ học vật rắn và lý thuyết trường tĩnh điện Ngoài ra, các kết quả tính toán giải tích được so sánh với kết quả đạt được

từ mô phỏng số sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn.

+ Nghiên cứu chế tạo mũi dò được thực hiện dựa trên công nghệ vi cơ điện tử, đặc biệt sử dụng công nghệ vi cơ khối ướt và kỹ thuật quang khắc truyền thống Mũi dò được nghiên cứu chế tạo tại Phòng thí nghiệm Công nghệ Vi hệ thống và cảm biến thuộc Viện Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu (ITIMS), trường đại học Bách khoa Hà Nội Cấu trúc mũi dò được chế tạo được đánh giá dựa trên ảnh hiển vi điện tử quét hiệu ứng trường (FESEM) tại viện AIST, trường ĐHBKHN.

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

a Ý nghĩa khoa học của đề tài:

Luận án đã phát triển các bộ chấp hành trục z có nhiễu chéo thấp và phạm vi tần số hoạt động rộng không bị giới hạn bởi tỷ lệ cạnh trong chế tạo Để đạt được kết quả này, các dầm zig-zag và vị trí đặt dầm được tối ưu cùng với dầm dạng kết cặp đã được đề xuất trong luận án Khả năng chống nhiễu trong phạm vi tần số hoạt động rộng đã được chứng minh bằng các phương trình giải tích và mô phỏng số Các cấu trúc dầm ưu tiên chuyển động trong trục z này có thể có đóng góp quan trọng không những trong phát triển các

bộ chấp hành mà còn trong các cảm biến vật lý có độ chính xác cao.

Luận án này cũng đã đề xuất và khảo sát đặc trưng hoạt động của bộ vi dịch chuyển 3 chiều Bộ vi dịch chuyển có thể được điều khiển một cách độc lập dựa trên kỹ thuật dùng rãnh cách ly điện trong khi các kết cấu được kết cặp cơ với nhau Bộ vi dịch chuyển 3 chiều được tạo thành do 3 bộ vi dịch chuyển độc lập được tích hợp trên cùng một chíp và có quy trình chế tạo đơn giản, không sử dụng các quá trình tập hợp phức tạp như các đề xuất trước đây Một mô hình lý thuyết hoàn chỉnh đã được thiết lập cho thiết kế bộ vi chấp hành dựa trên lý thuyết cơ học vật rắn và lý thuyết trường tĩnh điện.

Các mũi dò với kích thước ở thang nano đã được nghiên cứu chế tạo thành công

sử dụng kỹ thuật quang khắc truyền thống và ăn mòn dị hướng ướt Kết quả này sẽ làm cơ sở cho phát triển các hệ thống chấp hành với các mũi dò được tích hợp nhằm định hướng trong khắc các cấu trúc nano dạng 1 chiều hoặc 2 chiều.

Các kết quả nghiên cứu của đề tài không những có ứng dụng trong chấp hành mũi dò quét trong khắc các cấu trúc nano, mà còn có thể ứng dụng trong các linh kiện vi cơ điện tử khác như các cảm biến và các bộ vi dịch chuyển có độ chính xác cao Các kết quả nghiên cứu của luận án đã được chấp nhận đăng trên các tạp chí trong nước, các kỷ yếu hội nghị chuyên ngành, đăng trong các tạp chí quốc tế trong hệ thống ISI và đăng ký sáng chế/giải pháp hữu ích.

b Ý nghĩa thực tiễn của đề tài:

Mục tiêu của đề tài là phát triển các công cụ cho chế tạo các cấu trúc nano mà hiện nay ở trong nước chưa có khả năng đầu tư mua các thiết bị đắt tiền Hơn nữa, xu hướng phát triển các công cụ mới cho chế tạo các cấu trúc nano có hiệu suất cao, không bị giới hạn bởi hiệu ứng nhiễu xạ quang học và có giá thành thấp cũng đang được đặt ra đối với lĩnh vực sản xuất các cấu trúc và linh kiện ở thang nano nhằm thay thế các thiết bị đắt tiền Do đó, đề tài đã phát triển các bộ chấp hành dịch chuyển mũi dò theo 1, 2 và 3 chiều, có nhiễu chéo thấp và có thể chấp hành theo các phương độc lập Bộ chấp hành có gắn mũi dò có thể được chế tạo dựa trên công nghệ quang khắc và ăn mòn ướt, hoàn toàn được thực hiện ở trong nước Đây

sẽ làm cơ sở cho việc ứng dụng trong phát triển các hệ thống khắc cho chế tạo các cấu trúc nano 1 chiều hoặc dạng mảng 2 chiều.

6 Tính mới của đề tài:

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

- Nghiên cứu đề xuất và thiết kế mô phỏng bộ chấp hành dịch chuyển một chiều phương z: trong hướng nghiên cứu này, các cấu trúc dầm dạng zig-zag mở rộng và dạng dầm kết cặp đáp ứng ưu tiên với dịch chuyển theo phương z trong khi chống lại các mode dao động khác đã được đề xuất và khảo sát bằng cả phương pháp giải tích và phương pháp số.

- Nghiên cứu đề xuất và thiết kế mô phỏng bộ chấp hành dịch chuyển 3 chiều xyz: trong hướng nghiên cứu này, bộ vi dịch chuyển 3 chiều với khả năng điều khiển độc lập dựa trên việc

đề xuất phương pháp cách ly điện trong khi đảm bảo kết cặp cơ (kết cặp cơ - sự liên kết cơ học giữa các thành phần cấu trúc) đã được thiết kế và mô phỏng Mô hình lý thuyết cho khảo sát hoạt động của bộ chấp hành đã được xây dựng làm cơ sở cho việc thiết kế các bộ vi chấp hành có đặc trưng hoạt động theo yêu cầu.

- Nghiên cứu chế tạo mũi dò quét có kích thước ở thang nano: trong luận

án này, mũi dò quét có kích thước ở thang nano được nghiên cứu và chế tạo dựa trên công nghệ quang khắc truyền thống và vi cơ khối ướt.

7 Nội dung luận án

Luận án bao gồm năm chương:

Chương 1: Tổng quan về khắc đầu dò quét.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết và mô phỏng.

Chương 3: Thiết kế và mô phỏng bộ chấp hành trục z.

Chương 4: Tính toán thiết kế và mô phỏng bộ vi dịch chuyển ba chiều xyz Chương 5: Chế tạo mũi dò bằng phương pháp ăn mòn ướt.

KẾT LUẬN CHUNG.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHẮC ĐẦU DÒ QUÉT

Chương này sẽ trình bày tổng quan các kỹ thuật khắc đầu dò quét cũng như các ưu và nhược điểm của chúng để làm cơ sở cho lựa chọn kỹ thuật khắc được nghiên cứu trong luận án này Phân tích ưu điểm và nhược điểm của các

cơ chế chấp hành mũi dò quét để từ đó lựa chọn phương pháp chấp hành đáp ứng các tiêu chí như công suất tiêu thụ thấp, đáp ứng nhanh, có công nghệ chế tạo đơn giản và dễ dàng tích hợp với các mạch điều khiển Nghiên cứu và phân tích các dạng lò xo vi cơ và bộ vi dịch chuyển mũi dò quét đã được công bố trên thế giới và ở Việt Nam, để từ đó đề xuất các cấu trúc lò xo và bộ vi dịch chuyển mũi dò quét định hướng ứng dụng trong khắc các cấu trúc nano.

1.1 Cơ sở về kỹ thuật khắc đầu dò quét

German Alois Senefelder đã phát minh ra kỹ thuật in mới gọi là lithography vào năm 1798 Sau đó Nicéphore Niépce đã tạo ra hình ảnh đầu tiên bằng phương pháp của ông được gọi là “heliography”, từ đó kỹ thuật chụp ảnh được phát minh Một khoảng thời gian dài sau đó, kỹ thuật quang khắc được phát minh sử dụng phương pháp quang hóa và xử lý hóa học Vào những năm

1950, Jack Kilby phát minh ra mạch tích hợp (IC) và phương pháp quang khắc được sử dụng chủ yếu trong sản xuất các mạch IC, bởi vì nó có thể chế tạo ra các mẫu rất nhỏ và có hiệu suất cao để giảm chi phí sản xuất.

Tuy nhiên, quang khắc cũng có nhược điểm là độ phân giải bị hạn chế bởi hiện tượng nhiễu xạ và đòi hỏi thiết bị đắt tiền, chỉ thích hợp cho ngành công nghiệp Do đó, các nhà nghiên cứu đã phát triển một số phương pháp

để thay thế quang khắc Đặc biệt sau khi phát minh kính hiển vi đầu dò quét đầu tiên (tiếng Anh: Scanning probe microscopy, thường viết tắt là SPM) vào năm 1981, có nhiều phương pháp sử dụng SPM để tạo mẫu có kích thước cỡ

100 nm như: kỹ thuật in lắng đọng dip-pen, kỹ thuật ôxi hóa vùng, kỹ thuật

sử dụng lực cơ học… và được gọi chung là khắc đầu dò quét (SPLs).

Khắc dựa trên kính hiển vi đầu dò quét SPMs

Kính hiển vi đầu dò quét được biết đến là loại kính hiển vi sử dụng một đầu dò vật lý để tạo ra hình ảnh bề trên mặt mẫu với độ phân giải ở cấp nguyên tử Một trong những kính hiển vi được sử dụng phổ biến đó là kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) Kính hiển vi lực nguyên tử lần đầu tiên được phát triển vào năm 1985 để khắc phục nhược điểm của STM chỉ có thể thực hiện được trên mẫu dẫn điện, bởi G Binnig, C F Quate và

Ch Gerber [1, 2], kết quả của sự hợp tác giữa IBM và Đại học Stanford.

Đến năm 1987, T Albrecht lần đầu tiên đã phát triển AFM đạt độ phân giải cấp độ nguyên tử, cũng trong năm đó kính hiển vi đầu dò lực từ MFM được phát triển từ AFM Năm 1988, AFM chính thức được thương mại hóa bởi Park Scientific (Stanford, Mỹ).

AFM có hai chế độ hoạt động, chế độ tiếp xúc và chế độ không tiếp xúc (chế độ nhấn dạng dao động) Ở chế độ tiếp xúc, lực tác dụng lên đầu dò hoặc khoảng cách giữa đầu mũi nhọn và bề mặt mẫu không đổi, hệ thống điều khiển bằng phản hồi Trong chế độ hoạt động không tiếp xúc, đầu dò AFM được điều khiển để dao động lên và xuống ở tần số cao, Sơ đồ minh họa nguyên lý hoạt động như hình 1.1.

Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của kính hiển vi lực nguyên tử (AFM [3]

Kỹ thuật khắc đầu dò quét SPL: Sau khi phát minh ra kính hiển vi đầu dò quét ngoài việc tạo ảnh bề mặt, các nhà khoa học còn khám phá ra ứng dụng khác đó

là sử dụng đầu dò quét để chế tạo các cấu trúc nano Một loạt các phương pháp chế tạo mới dựa trên SPM được khám phá, chúng thường được gọi là khắc đầu

dò quét Đây là phương pháp rất đơn giản và chi phí thấp Các mẫu chế tạo ở kích thước dưới 100 nm bằng quang khắc hoặc khắc chùm tia điện tử đòi hỏi thiết bị đắt tiền và các quy trình phức tạp Trong quá trình khắc đầu dò quét, các mẫu ở kích thước dưới 100 nm có thể được chế tạo dễ dàng chỉ bằng SPM.

Không giống như quang khắc hoặc khắc bằng chùm tia điện tử chỉ

sử dụng cơ chế không tiếp xúc, SPL có thể 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 minh họa kỹ thuật khắc đầu dò quét [1]

- Phương pháp khắc bằng chùm tia điện tử phát xạ: Sử dụng một đế dẫn điện được phủ một lớp polymer nhạy điện tử Đầu dò quét được đưa đến gần bề mặt Khi điện áp phân cực đủ mạnh giữa mũi dò và bề mặt dẫn điện, có một dòng điện tử phát xạ giữa mũi dò và bề mặt mẫu Tương tự như quang khắc truyền thống, dùng ánh sáng 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 chiếu chùm tía điện tử phát xạ không cần sử dụng mặt nạ Nhưng nhược điểm của phương pháp này là sử dụng đế dẫn điện và polymer nhạy điện tử, không có khả năng ứng dụng với các mẫu y sinh.

Hình 1.3: Hình ảnh minh họa kỹ thuật khắc bằng phương pháp chiếu chùm

tia điện tử phát xạ [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 dò chậm được gọi là phương pháp ôxi hóa vùng bằng cách quét đầu dò SPL Khi mũi dò được đưa gần tới phía trên bề mặt mẫu một vài nano mét, điện thế một vài vôn

được đặt giữa mũi dò và bề mặt có thể sinh ra một điện trường có cường độ lớn lên đến 10 8

có thể bị phá vỡ tạo thành các ion Ôxi hóa vùng của bề mặt mẫu xảy ra khi có một vài phân tử nước, từ độ ẩm của không khí, xung quanh bề mặt của mũi dò Với Si, đơn lớp hydro sau khi thụ động hóa có thể phân tách ra từ bề mặt Si Bề mặt Si cuối cùng bị ôxi hóa ở vùng điện trường cao giữa mẫu và mũi dò, như được minh họa trong hình 1.4 Kỹ thuật ôxi hóa vùng được phát hiện lần đầu sử dụng đầu dò STM, nhưng đây không phải là công cụ tốt nhất cho kỹ thuật này.

Hình 1.4: Sơ đồ minh họa kỹ thuật khắc bằng phương pháp ôxi hóa vùng[5, 6] Khi sử dụng kỹ thuật khắc ôxi hóa vùng thì đầu dò AFM có thể tránh được

sự phá hủy bề mặt và cải thiện được chất lượng hình ảnh so với sử dụng STM, đặc biệt là AFM sử dụng ở chế độ không tiếp xúc được thể hiện trong bảng sau: Bảng 1.1: So sánh STM với AFM hoạt động ở chế độ tiếp xúc (CM-AFM) và AFM hoạt động ở chế độ không tiếp xúc (TM-AFM) cho khắc sử dụng kỹ thuật ôxi hóa vùng [7].

Trong kỹ thuật ôxi hóa vùng, các mẫu được tạo ra có kích thước phụ thuộc vào độ ẩm rất nhiều, với độ ẩm 60 % thì các đường ôxi hóa là 90 nm, nhưng ở độ ẩm 14% thì nó giảm xuống còn 22 nm, điều này là do độ ẩm có ảnh hưởng đến lượng nước cung cấp cho quá trình ôxi hóa mà khi độ ẩm cao sẽ dẫn đến tăng hiệu ứng trường rìa của điện trường và làm cho vùng ôxi hóa rộng hơn.

- Khắc Dip-Pen: Bằng việc sử dụng một chất lỏng đặc biệt phủ trên đầu mũi dò

với bề mặt đế Kỹ thuật này lần đầu tiên được phát hiện vào năm 1999, sự vận chuyển của các phân tử chỉ đi theo một hướng, từ đầu dò tới đế Theo cách này các mẫu có thể được hình thành bằng cách quét mũi dò AFM Có một mặt khum của chất lỏng hình thành giữa mũi dò và đế, nó cung cấp một tuyến kênh dẫn cho các phân tử chất lỏng hướng về bề mặt đế [8].

Công nghệ DPN đã được thương mại và đã trở thành một công cụ tạo mẫu nano thành công, với những ứng dụng tiềm năng trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ nano [9], nguyên lý được minh họa như hình 1.5.

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

Tuy nhiên vấn đề tồn tại lớn nhất của công nghệ này là việc kết hợp giữa mực in và đế, đòi hỏi sự liên kết đặc biệt, ví dụ như thiol-vàng.

- Khắc cơ nhiệt: Khi mũi dò AFM được nung nóng, nó có thể tạo các vết lõm trên các vật liệu polymer có điểm nóng chảy thấp Bằng cách này, các mẫu kích thước ở thang nano có thể được tạo trên bề mặt polymer Mẫu in cơ nhiệt đầu tiên bằng AFM được báo cáo vào đầu những năm 1990, trong đó mũi dò AFM được nung nóng bởi một tia laser xung và tiếp xúc với một đế PMMA Mũi dò AFM được nung

nóng lên trên điểm mềm của PMMA (120 0 C) Kích thước và chiều sâu vết khắc phụ thuộc vào nhiệt độ của mũi dò và lực ấn của mũi dò vào polymer minh họa hình 1.6.

Hình 1.6: Hình ảnh minh họa phương pháp khắc cơ nhiệt [10]

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

- Khắc cơ học: Bằng việc tác dụng một lực lên mũi dò AFM hoặc bằng điều khiển thanh dầm lệch đi trong quá trình quét, mẫu khắc cơ học trên bề mặt cứng hoặc mềm sẽ được tạo với chiều rộng khoảng vài chục nano mét và chiều sâu khoảng vài nano mét [11], được minh họa như hình 1.7.

Hình 1.7: Hình ảnh minh họa phương pháp khắc cơ học [12]

Các vật liệu mềm giống như polymer là rất dễ khắc rãnh cơ học Đầu dò AFM

đã được sử dụng cho khắc trực tiếp trên lớp phủ PMMA, và dây nano kim loại có thể được tạo bằng quá trình lift-off (quá trình lắng đọng và tấy bỏ lớp trung gian để thu được các cấu trúc vật liệu mà nó khó tạo mẫu băng các phương pháp khắc) [13].

Trong các phương pháp trên thì phương pháp khắc bằng lực cơ học là đơn giản và dễ thực hiện, cho kết quả tốt 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 đế Hình 1.8 minh họa sơ đồ cho việc khắc cơ học bằng AFM Một mũi dò được tác dụng một lực làm cho nó tiếp xúc giữa mũi dò và bề mặt mẫu, bằng cách di chuyển mẫu, các cấu trúc có thể được hình thành trên bề mặt mẫu.

Hình 1.8: Sơ đồ minh họa kỹ thuật khắc cơ học sử dụng đầu dò AFM [1] Đầu dò tiếp xúc trực tiếp với bề mặt mẫu nên kích thước của mẫu phụ thuộc chủ yếu vào kích thước của đầu dò, do đó độ phân giải của của kỹ thuật khắc cơ học cao hơn các phương pháp SPL khác Tuy nhiên nhược điểm của phương pháp này là mũi dò rất dễ bị phá hủy với các va chạm cơ học và độ sâu của mẫu hạn chế Mẫu được tráng một lớp polymer mỏng, đầu dò sẽ tạo cấu trúc cho lớp polymer sau

đó nó được chuyển vào mẫu bằng cách sử dụng ăn mòn ướt hoặc lắng đọng.

Các vật liệu mềm thường được sử dụng để khắc, chẳng hạn như polyme, vật liệu sinh học Trong trường hợp này, mũi AFM được làm bằng Si hoặc Si3N4 có thể khắc trên vật liệu mềm Các rãnh được hình thành trên lớp phủ PMMA, cả hai mép rãnh của cấu trúc cao hơn bề mặt mẫu (hai đường sáng trong hình 1.9 (a)) vì vật liệu được ép từ rãnh đẩy lên Vấn đề này có thể được giải quyết bằng cách sử dụng một màng polymer.

hình 1.10, độ dày của lớp phủ kim cương là khoảng 100 nm và bán kính cong là khoảng 120 nm Đỉnh của mũi dò là một hình chóp tam giác có góc nhọn 10 o

Hình 1.10: Ảnh SEM mặt cắt của mũi dò (a) và của đỉnh mũi dò (b) [14].

Khi hoạt động tạo rãnh, đầu dò AFM có thể hoạt động ở cả chế độ tiếp xúc (contact mode) và chế độ không tiếp xúc (tapping mode) Trong chế độ tiếp xúc, lực liên tục được đặt lên trên đầu dò bằng cách điều khiển độ lệch của dầm Một quá trình chế tạo các bóng bán dẫn cơ điện tử dựa trên cơ sở khắc với AFM ở chế độ tiếp xúc được thể hiện trong hình 1.11 (a) [15] Trong quá trình này, đầu dò AFM (L = 125 µm,

K = 5 N/m) khắc được mẫu với kích thước ở thang nano trên lớp polyimide và nó được chuyển vào lớp germanium bằng cách khắc khô Sau đó, lớp germanium được

sử dụng như một mặt nạ cho lớp kim loại lắng đọng.

(b)

(a)

Hình 1.11: Các bước chính của quy trình chế tạo bóng bán dẫn dựa trên khắc cơ học sử dụng AFM (a), hình ảnh của rãnh được khắc bằng AFM trong polyimide (b) [15]

Khi hoạt động ở chế độ tiếp xúc, đầu dò có thể bị xoắn bởi lực ma sát giữa đầu dò và bề mặt mẫu có thể tạo ra các bất thường ở cạnh và mài mòn mũi dò, thể hiện trong hình 1.11 (b) Để loại bỏ hiện tượng này, việc khắc bề mặt mẫu bằng AFM

ở chế độ không tiếp xúc được sử dụng, nó được gọi là khắc động (DPL) Trong chế không tiếp xúc, thanh dầm của đầu dò quét với tần số không đổi, gần tần số cộng hưởng của thanh dầm Biên độ của đầu dò được giữ cố định bằng bộ điều khiển phản hồi làm thay đổi khoảng cách giữa mũi dò và bề mặt mẫu.

Hình 1.12: Hình ảnh của mũi dò trong kỹ thuật khắc động sử dụng AFM (a) tốc độ khắc cao (b), tốc độ khắc trung bình (c), và tốc độ khắc thấp (d) [15].

Trong khắc động, để khắc phục lực tương tác giữa mũi dò và bề mặt mẫu, biên độ dao động của đầu dò lớn hơn khoảng 5 - 50 lần so với chế độ tạo ảnh [16-18] Trong hình 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 dựa trên thiết

bị kính hiển vi đầu dò quét Tuy vậy, chức năng chính của thiết bị xậy dựng cho kính hiển vi đầu dò quét đó là hiện thị hình ảnh mẫu có độ phân giải cao, thường là ảnh bề mặt của mẫu, do vậy, việc chế tạo các cấu trúc nano khi sử dụng chính các thiết bị này

bị hạn chế về độ dịch chuyển và khả năng tạo các cấu trúc nano ba chiều Vì vậy, đã có rất nhiều nghiên cứu chế tạo và ứng dụng mũi dò quét trong khắc nano Các nghiên cứu ban đầu đều dựa trên cấu trúc thanh dầm gắn một đầu như đầu dò quét của các kính hiển vi Để ứng dụng trong khắc các cấu trúc nano, ngoài điều khiển dịch chuyển thanh dầm gắn mũi dò chuyển động theo các quỹ đạo để khắc các cấu trúc nano, hệ thống thanh dầm này cũng được gắn trực tiếp trên các bộ vi dịch chuyển hai chiều hoặc ba chiểu để thực hiện khắc Ngoài cơ chế điều khiển khắc bằng mũi dò, quá trình khắc cũng

có thể kết hợp cả dịch chuyển mũi dò và đế mẫu Một số nghiên cứu gần đây đã giới thiệu các bộ vi dịch chuyển ba chiều có thể dịch chuyển mũi dò quét Gần

đây, một số công bố về bộ dịch chuyền ba chiều xyz đã được nghiên cứu, nhằm thu nhỏ kích thược của hệ thống khắc và có khả năng tích hợp lên cùng một linh kiện.Năm 2010 nhóm tác giả Zhu, Yong đã có công bố về một hệ vi dịch chuyển ba chiều xyz Sử dụng vi treo bốn dầm thẳng như hình 1.13 [19].

Hình 1.13: Cấu trúc của bộ dịch chuyển ba chiều, (a) hình ảnh phóng to của

tấm trung tâm; (b) hình ảnh ba chiều của cấu trúc [19].

Với cấu trúc này, các phương hoạt động x, y được điều khiển bởi các bộ chấp hành tĩnh điện kiểu tụ có cấu trúc răng lược, phương z được điều khiển bởi cấu trúc kiểu tụ dạng điện cực song song Tuy nhiên, việc điều khiển theo phương x, y bị phụ thuộc lẫn nhau, có nghĩa là điều khiến phương x hoạt động thì phương y phải ngắt hoạt động và ngược lại Vào năm 2016, nhóm tác giả Gaopeng Xue, Masaya Toda, and Takahito Ono đã đề xuất bộ vi dịch chuyển ba chiều xyz [20] bằng việc tích hợp dịch chuyển x, y với bộ chấp hành kiểu tụ có cấu trúc răng lược

để điều khiển theo phương z như hình 1.14.

Hình 1.14: Bộ dịch chuyển trục Z (a); bộ dịch chuyển XY (b); Hình ảnh ba

chiều của bộ tích hợp bộ chấp hành XYZ (c) [20]

Cấu trúc này được tạo ra bằng kỹ thuật vi tập hợp và ghép cơ học giữa các bộ chấp hành theo các phương x, y và z với nhau Với thiết kế này,

hệ thống dịch chuyển ba chiều khá phức tạp và rất khó chế tạo cũng như khó tích hợp vào các hệ thống khắc nano.

1.2 Các phương pháp chấp hành

Để điều khiển các đầu dò hoạt động có ba phương pháp chấp hành thường được sử dụng đó là: chấp hành nhiệt, chấp hành áp điện và chấp hành tĩnh điện với mỗi một phương pháp chấp hành đều có ưu 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 dịch chuyển cơ học Sự giãn nở nhiệt của vật liệu rắn được đặc trưng bởi

hệ số giãn nở nhiệt (CTE), αT trong công thức:

= ∆ Biểu thức (1.1) chỉ ra rằng biến dạng cơ học, tỷ lệ thuận với thay đổi nhiệt

độ ∆ trong đó là hằng số giãn nở nhiệt (CTE).

Để điều khiển dịch chuyển mũi dò, thanh dầm được phủ một lớp kim loại mỏng lên trên mặt sau, khi gia nhiệt thì lớp kim loại giãn nở nhanh, làm cho thanh dầm

bị uốn và nó trở về vị trí ban đầu khi nó được làm nguội như hình 1.15 [21]

Hình 1.15: Mảng mũi dò điều khiển bởi chấp hành nhiệt [21].

Phương pháp chấp hành nhiệt có ưu điểm là ứng xuất lớn nhưng bên cạnh đó nó có nhược điểm là đòi hỏi công suất phải lớn, đáp ứng chậm do trễ nhiệt lớn, khi điều khiển mảng đầu dò thì xảy ra nhiễu nhiệt giữa các đầu dò lân cận, do nhiệt truyền qua không khí Đế và bức xạ làm giảm sự chính xác và tốc độ khắc mẫu.

1.2.2 Phương pháp chấp hành áp điện

Phương pháp chấp hành dựa trên hiệu ứng áp điện ngược để điều khiển

sự dịch chuyển cơ học của mũi dò Khi có sự chênh lệch điện áp ở hai bề mặt đối diện thì sẽ tạo ra biến dạng Sự biến dạng này tỷ lệ với điện áp trên hai bề mặt vật liệu [22], sơ đồ minh họa như hình 1.16.

Hình 1.16: Sơ đồ hệ thống đầu dò chấp hành áp điện [22]

Phương pháp này có độ điều khiển chính xác cao, đòi hỏi điện áp thấp, độ phân giải lớn, tuy nhiên nó chỉ được sử dụng để điều khiển các chuyển động nhỏ và việc lựa chọn vật liệu chế tạo và công nghệ chế tạo yêu cầu độ phức tạp cao.1.2.3 Phương pháp chấp hành tĩnh điện

Phương pháp sử dụng lực hút tĩnh điện của hai điện cực trái dấu để điều khiển thanh dầm Phương pháp này có tốc độ đáp ứng của các bộ truyền động tĩnh điện rất cao và chỉ giới hạn bởi tần số riêng của hệ thống dầm treo và hằng số thời gian của dao động điện đặt vào hệ thống.

Để sử dụng phương pháp chấp hành tĩnh điện ta thiết kế một bản cực song song với thanh dầm và mặt sau của thanh dầm làm một điện cực, khi phân cực ngược cho hai điện cực thì thanh dầm sẽ bị hút và uốn cong như hình 1.17 [23].

Hình 1.17: Cấu trúc thanh dầm điều khiển bởi chấp hành tĩnh điện [23]

Đây là phương pháp chấp hành phù hợp để điều khiển đầu dò quét bởi vì nó không bị nhiễu lân cận như phương pháp chấp hành nhiệt, dễ lựa chọn vật liệu Chế tạo đơn giản hơn phương pháp chấp hành áp điện, hoạt động với công suất thấp và

có thể đo độ dịch chuyển bằng cách sử dụng cảm biến điện dung Cảm biến điện dung, tích hợp đơn giản và dễ dàng so với các hệ thống cảm biến quang học Ngoài

ra, nó phù hợp để quét mảng đầu dò và vận hành trong chân không.

Bộ dịch chuyển kiểu tụ cấu trúc răng lược được khá nhiều các nhà nghiên cứu ứng dụng và phát triển để điều khiển cấu trúc theo các hướng X, Y, và Z Năm 2007 tác giả Xinyu Liu và cộng sự đã công bố một

hệ thống dịch chuyển 3 chiều sử dụng chấp hành tĩnh điện kiểu tụ cấu trúc răng lược và tụ phẳng dạng hai tấm song song như hình 1.18 [19].

Hình 1.18: Hình ảnh thiết kế của cấu trúc dịch chuyển 3 chiều [19]

Năm 2010 tác giả Karolina Laszczyk và cộng sự đã sử dụng bộ chấp hành cấu trúc răng lược cho dịch chuyển X,Y như hình 1.19 [24].

Ngoài ra, có rất nhiều cấu trúc được sử dụng phương pháp chấp hành tĩnh điện kiểu tụ cấu trúc răng lược, bởi khả năng điều khiển điện dung

và điều khiển điện áp một cách linh hoạt.

Hình 1.19: Cấu trúc vi dịch chuyển hai chiều [24].

1.3 Hiệu suất khắc đầu dò quét

Một vấn đề chung cho tất cả SPL là hiệu suất khắc thấp, nghĩa là diện tích mẫu được khắc trên một đơn vị thời gian rất nhỏ Đây sẽ không phải là một vấn

đề đối với phòng thí nghiệm nhưng khi sản xuất thương mại thì chi phí sản xuất lại là vấn đề cần được chú ý Trong sản xuất công nghiệp, vấn đề hiệu suất phải được giải quyết Một giải pháp là sử dụng mô hình mảng Có hai loại mảng đầu dò: mảng đầu dò tích cực và mảng đầu dò thụ động Trong mảng đầu dò thụ động, các đầu dò không thể điều khiển riêng Các mảng đầu dò tích cực tiên tiến hơn, đầu dò có thể điều khiển riêng bằng bộ cảm biến và bộ chấp hành được tích hợp vào mỗi đầu dò, nó có thể tạo ra được các mẫu khác nhau bởi cùng một mảng đầu dò Trong một mảng đầu dò truyền thống thường sử dụng cấu trúc dầm thẳng cố định một đầu, đầu còn lại gằn mũi dò hình 1.20.

Việc sử dụng mảng đầu dò có khả năng tăng hiệu suất khắc một cách đáng kể Ngoài ra để khắc các mẫu giống nhau người ta đã chế tạo mảng mũi dò giống nhau và được tích hợp trên cùng một đầu dò, cho phép chế tạo các mẫu hàng loạt cũng cải

thiện đáng kể hiệu suất khắc tuy nhiên cấu trúc này kém linh hoạt và không thể chế tạo các mẫu khác nhau đồng thời.

Hình 1.20: Hình ảnh đơn đầu dò và mảng đầu dò [23]

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 bề mặt bằng phương pháp hóa học, kỹ thuật ôxi hóa, kỹ thuật quang khắc, kỹ thuật ăn mòn ướt, kỹ thuật ăn mòn khô…

- Ăn mòn ướt hay còn gọi là vi cơ khối ướt là một công nghệ rất phổ biến, thường được sử dụng để chế tạo các thiết bị vi cơ điện tử (Microelectromechanical system-MEMS) Trong quá trình này, vi cấu trúc được sản xuất bên trong một bề mặt bằng cách ăn mòn chọn lọc vật liệu Ngoài các ưu điểm như đơn giản, chi phí thấp, hiệu suất cao, kỹ thuật này cũng

có một đặc tính quan trọng đó là các cấu trúc được tạo ra bằng cách ăn mòn dựa trên định hướng tinh thể, có hai loại ăn mòn ướt là ăn mòn đẳng hướng và ăn mòn dị hướng.

- Ăn mòn đẳng hướng là quá trình ăn mòn mà có tốc độ ăn mòn (r) ở mọi hướng đều bằng nhau.

Hình 1.21: Hình ảnh hốc ăn mòn đẳng hướng [25]

Vách của hốc ăn mòn bị ăn mòn nhiều hơn so với đáy (nếu không khuấy đều) dẫn đến hốc ăn mòn có dạng phẳng ở đáy, góc bị vát tròn có bán kính: R = r.t (t là thời gian ăn mòn).

- Ăn mòn dị hướng có các đặc điểm sau:

+) Sử dụng các dung dịch kiềm (KOH, NaOH, TMAH, )

+) Tốc độ ăn mòn (r) ưu tiên một số phương (tinh thể) nhất định

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

+) Tốt hơn ăn mòn đẳng hướng do có thể tạo vách hốc ăn mòn thẳng đứng.

Một số cấu trúc đầu dò đã được nghiên cứu và được công bố như cấu trúc mảng đầu dò chấp hành nhiệt của nhóm tác giả Chang Liu và các cộng sự công bố năm 2004 hình 1.22 hay mảng mũi dò tích hợp trên cùng một đầu dò của nhóm tác giả Emad Mehdizadeh công bố năm 2014 hình 1.23 với 64 mũi dò được tích hợp lên cùng một đầu dò, khoảng cách giữa các đầu dò là 40 µm, độ sắc nhọn của mũi dò là 30 nm [5, 26].

Hình 1.22: Hình ảnh SEM của mảng đầu dò song song chấp hành nhiệt [2]

Hình 1.23: Hình ảnh SEM của cấu trúc mảng mũi dò gồm 64 mũi dò được tích

hợp trên cùng một đầu dò [26].

Cống bố về mảng đầu dò điều khiển bằng chấp hành tĩnh điện của nhóm tác giả N Blanc, J Brugger, and N F de Rooij năm 2007, với cấu trúc dạng thanh dầm truyền thống.

Hình 1.24: Hình ảnh SEM của mũi dò và mảng đầu dò chấp hành tĩnh điện [8].

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

dò vào các phương pháp khắc khác nhau như công bố của nhóm tác giả Chang Liu về phương pháp Dip-Pen năm 2006 [23] hay nhóm tác giả JASON HAAHEIM đã thương mại hóa sản phẩm khắc Dip-Pen năm 2010.