Nghiên cứu chế tạo và khảo sát đặc trưng của vi thấu kính trên cơ sở màng micro nano su 8 ứng dụng trong hệ thống quang mem nems

§¹i häc quèc gia Hµ néi ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Cao Viêṭ Anh Nghiên cứ u chế tao và khảo sá t đăc trưng củ a vi thấ u kính trên cơ sở mảng micro nano SU 8 ứ ng dun[.] Nghiên cứu chế tạo và khảo sát đặc trưng của vi thấu kính trên cơ sở màng micro nano su 8 ứng dụng trong hệ thống quang mem nems Nghiên cứu chế tạo và khảo sát đặc trưng của vi thấu kính trên cơ sở màng micro nano su 8 ứng dụng trong hệ thống quang mem nems

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Cao Viêṭ Anh Nghiên cứ u chế tao và khảo sá t trưng đăc củ a vi thấ u kính sở mảng micronano SU-8 ứ ng dung ̣thống quang MEMS/NEMS Chuyên ngành: Vật liệu linh kiện Nano Mã số: Chuyên ngành đào tạo thí điểm TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO HÀ NỘI - 2017 Chương TỔNG QUAN 1.1 Khá i niêm thấ u kính 1.1.1 Khái niệm Thấu kính là tên goị chung chỉ thành phần thủy tinh chất liệu plastic suốt, thường có dạng trịn, có hai bề mặt mài nhẵn cách đặc biệt (giới hạn hai mặt cong mặt cong mặt phằng) nhằm tạo hội tụ phân kì ánh sáng truyền qua chất 1.1.2 Phân loaị thấu kính Thấu kính dương âm tùy thuộc vào chúng làm cho tia sáng truyền qua hội tụ vào tiêu điểm, phân kì xa trục vào khơng gian 1.1.2.a Thấu kính dương (hơi tu)̣ Các dạng hình học thấu kính thành phần thấu kính dương hai mặt lồi phẳng-lồi (có bề mặt phẳng) Ngồi ra, thấu kính lồi-khum có mặt lồi mặt lõm có độ cong tương đương, dày ngồi rìa Thấu kính hai mặt lồi thấu kính phóng đại đơn giản nhất, có tiêu điểm độ phóng đại phụ thuộc vào góc cong bề mặt Góc cong lớn tiêu cự ngắn, sóng ánh sáng bị khúc xạ góc lớn so với trục thấu kính Bản chất đối xứng thấu kính hai mặt lồi làm giảm tối thiểu quang sai cầu ứng dụng ảnh vật nằm đối xứng Khi quang hệ hai mặt lồi hoàn tồn đối xứng (trong thực tế, độ phóng đại 1:1), quang sai cầu có giá trị cực tiểu coma méo hình đạt cực tiểu triệt tiêu (a) (b) (c) Hiǹ h 1-2: Cá c loaị thấu kiń h dương 1.1.2.b Thấu kính âm (phân kì) Thành phần thấu kính âm gồm có hai mặt lõm, phẳnglõm (có bề mặt phẳng), lõm-khum, có bề mặt lõm lồi, mỏng rìa Đối với thấu kính khum dương khum âm, khoảng cách hai bề mặt tiêu diện chúng không nhau, tiêu cự chúng Đường thẳng nối tâm mặt cong thấu kính gọi trục thấu kính Thấu kính đơn giản có hình dạng đối xứng (hai mặt lồi hai mặt lõm) có mặt phẳng cách cách hai bề mặt Sự thiếu đối xứng thấu kính khác, ví dụ thấu kính khum thấu kính phẳng âm dương, làm cho vị trí mặt phẳng thay đổi theo hình học thấu kính Thấu kính phẳng-lồi phẳng-lõm có mặt phẳng cắt trục chính, rìa mặt cong, mặt phẳng nằm sâu bên thấu kính Các mặt phẳng thấu kính khum nằm bên ngồi bề mặt thấu kính (a) (b) (c) Hình 1-3: Cá c loai thấu kính âm 1.1.3 Thành phần bản của thấu kính Quang tâm O: điểm thấu kính, tia sáng qua quang tâm O thấu kính truyền thẳng Trục thấu kính: đường thẳng qua quang tâm O vng góc với mặt thấu kính Moi đươǹ g thẳng khác qua quang tâm O là truc phu.̣ Moị tia tới quang tâm của thấu kính đều truyền thẳng Tiêu điểm ảnh thấu kính: điểm hội tụ chùm tia sáng qua thấu kính phần kéo dài chúng Tiêu cự: khoảng cách từ quang tâm đến tiêu điểm thấu kính Tiêu diện: mặt phẳng chứa tất tiêu điểm thấu kính 1.1.4 Sự tao ảnh thấu kin ́ h Hình 1-4: Quang hì nh hoc thấ u kinh́ mỏ ng đơn giả n Có ba quy luật tổng quát áp dụng để lần theo tia sáng qua thấu kính đơn giản khiến cho cơng việc tương đối dễ  Thứ nhất, tia sáng vẽ qua tâm thấu kính từ điểm vật đến điểm tương ứng ảnh (đường nối đầu mũi tên) Tia khơng bị thấu kính làm lệch hướng  Thứ hai, tia phát từ điểm vật vẽ song song với trục và, sau bị khúc xạ thấu kính, cắt qua tiêu điểm phía sau Trong thực tế, tất tia sáng truyền song song với trục sau bị khúc xạ thấu kính truyền qua tiêu điểm sau  Thứ ba, tia phát từ vật qua tiêu điểm phía trước bị thấu kính khúc xạ theo hướng song song với trục trùng với điểm giống hệt ảnh Sự giao hai số tia vừa mô tả, thường gọi tia tiêu biểu, xác định mặt phẳng ảnh thấu kính 1.1.5 Ứng dung của thấu kin ́ h Thấu kính đơn giản có khả tạo ảnh (giống thấu kính hai mặt lồi) có ích dụng cụ thiết kế dành cho ứng dụng phóng đại đơn giản, kính phóng to, kính đeo mắt, camera thấu kính, kính lúp, ống nhịm thấu kính tiếp xúc Bộ đơi thấu kính đơn giản có tên hệ tiêu sắc, gồm hai nguyên tố thấu kính hàn với nhằm hiệu chỉnh quang sai cầu trục quang sai màu Hệ tiêu sắc thường gồm thấu kính hai mặt lồi ghép với thấu kính khum dương âm, thấu kính phẳng-lồi Bộ ba thấu kính tiêu sắc dùng làm phóng đại cơng suất cao Được hiệu chỉnh quang sai tốt đơi, ba thấu kính đánh giá kĩ thuật thiết kế máy tính nhằm loại trừ hầu hết méo hình Những dụng cụ phức tạp thường sử dụng kết hợp nhiều thành phần thấu kính để nâng cao độ phóng đại khai thác tính chất quang khác ảnh Trong số dụng cụ sử dụng quang hệ ghép thuộc nhóm có kính hiển vi, kính thiên văn, kính viễn vọng, camera 1.2 Vai trò ứng dụng vi thấu kính 1.2.1 Quy trình chế tao cơng nghê ̣MEMS/NEMS Quy triǹ h chế mỗi sả n phẩ m vi điên tử , tao MEMS/NEMS đươc thư hiê phòng sac̣ h bao gồm c n hàng chuc, hàng tram thâm chí hàng ngàn bước công nghê ̣tùy thuô đô ̣ phứ c tap, tính và thiế t bi.̣ Quy trình công nghê c tổng quat́ đươc mô tả gồm cać bươć sau: Xử lý bề măṭ (wetbench – tủ hóa ướ t) Quá trình xử lý bề mặt nhằm làm bề mặt phiến SOI phiến Si dung dịch có tính oxi hóa ăn mịn cao (thường axit ba-sơ mạnh) đơi có gia nhiệt Quá trình cần thực tủ hoá ướt, thường làm inox Teflon, có khả chịu ăn mịn, bền mơi trường axit ba-zơ Oxi hóa (oxidation) Oxi hóa bước công nghệ để tạo lớp SiO2 từ phản ứng oxi hóa silic điều kiện nhiệt độ cao Lị oxi hóa dùng cơng nghệ vi điện tử, bán dẫn phục vụ chế tạo linh kiện MEMS/NEMS hoạt động nhiệt độ tới 1500℃ Nhiệt độ thường dùng để ơ-xi hóa silic T= 1500℃, môi trường N / H O (kỹ thuật oxy hóa ướt.), T = 1100℃ 2 mơi trường O2 (kỹ thuật oxy hóa khơ) Kh́ch tá n (diffusion) Khuếch tán bước công nghệ bắt buộc dùng để chế tạo chuyển tiếp diode, bóng bán dẫn pha tạp tạo điện trở cảm biến MEMS Ở số phịng thí nghiệm hãng sản xuất khuếch tán nhiệt thay kỹ thuật cấy ion với độ xác cao (điểm yếu lớn máy cấy ion đắt tiền chi phí hoạt động cao) Quang khắc (photo - lithography) Quang khắc (hay photolithography) kĩ thuật hay sử dụng công nghệ bán dẫn, vi điện tử, MEMS Kỹ thuật ứng dụng để đưa chi tiết thiết kế mặt nạ lên phiến silic với tỉ lệ 1:1 cách sử dụng xạ ánh sáng làm biến đổi chất cảm quang phủ bề mặt vật liệu Do ảnh hưởng nhiễu xạ ánh sáng nên phương pháp quang khắc không cho phép tạo chi tiết nhỏ micro mét, phương pháp cịn gọi quang khắc micro (micro photolithography) Ăn mon ̀ khô (Dry etching) Là kỹ thuật nghiên cứu sản xuất sản phẩm MEMS Trong kỹ thuật này, tác nhân ăn mịn, thay thể lỏng hỗn hợp HF:NH4F, HF, tồn thể khí Trong buồng chân khơng, tác nhân ăn mòn phản ứng với vật liệu Si, SiO2 …trên (Si) sản xuất linh kiện Sản phẩm phản ứng bơm nhờ bơm rút tốc độ cao Phú n xa/̣ Bốc bay nhiêṭ (sputtering/Evaporation) Đây hai kỹ thuật lắng đọng vật lý pha Các trung tâm nghiên cứu mạnh giới sở hữu từ hai đến nhiều thiết bị phún xạ bốc bay với mục đích chuyên biệt, tránh nhiễm chéo (cross contamination) trình chế tạo Cả hai kỹ thuật thực thi buồn chân khơng, màng chế tạo có chất lượng cao Kỹ thuật phún xạ cao tần trình tạo màng mỏng (dẫn điện không dẫn điện) lên Dưới tác dụng sóng cao tần, ngun tử khí trơ Ar bị ion hoá tạo thành ion Ar+, ion gia tốc tác dụng điện trường bay đến đập vào bia (catốt- chất cần phún xạ) làm bật nguyên tử Các nguyên tử bia bị bắn phá trở nên dễ bay lắng đọng thành màng mỏng đế Với vật liệu dẫn điện, dùng nguồn phún xạ chiều Các máy phún xạ đời thường có nhiều nguồn phún xạ buồng chân không Kỹ thuật bốc bay nhiệt dùng để tạo lớp kim loại tiếp xúc linh kiện Vật liệu nguồn, tác dụng dòng điện chân không chuyển thành thể lắng đọng Cắ t phiến (Dicing) Được thiết kế chế tạo hàng loạt, sau quy trình cơng nghệ người ta cần cắt rời chip, cảm biến từ kỹ thuật cắt phiến (dicing) Bước công nghệ thực nhờ việc quay lưỡi dao (thường tẩm vật liệu cứng lưỡi dao) tốc độ cao (có thể điều chỉnh được) theo định dạng thiết kế (chiều ngang, chiều dọc) Đăc tính (characterization) Mỗi hồn thiện bước quy trình cơng nghệ, người ta cần phải đảm bảo chip hoạt động theo mơ hình lý thuyết Với thiết kế nay, kích thước linh kiện thường nhỏ, nhiều vài trăm µm chiều Do đó, để cấp nguồn lấy tín hiệu từ linh kiện người ta phải dùng tổ hợp đặc biệt gọi trạm kiểm tra linh kiện (probe station) Trạm gồm gá chắn, kết nối với cánh tay đo với đầu đo có kích thước cỡ micro mét, định vị nhờ kính hiển vi camera số Trạm kiểm tra linh kiện kết nối với hệ đo đa cho phép đo cách xác thơng số linh kiện 1.2.2 Ứng dung thấu kin ́ h MEMS/NEMS • Gheṕ ánh sáng giữa các thành phần có kích thước khác trùn thơng • Đếm phần tử haṭ ̣vi lưu • Đầu đoc quang • Tao ảnh Ở văn này các thấu kính sẽ đươc ứ ng dung luân ̣thống cảm biến phát hiên Asen nước Các thấu kính là cá c phầ n tử để hôi tu ̣ quang hoc Nó có vai trò rấ t quang troṇ g vì đảm bảo cho các tia sáng truyền qua ít bi ̣tổn hao nhất Hì nh 1-11 Mô hì nh cả m biế n tí ch hơp ca c linh ́ dung để phá t hiêṇ kiên Asen quang sư Hà Nôị C ông Nghê,̣ hoc Hin ̀ h 2-18: Hê ̣đo độ dà y mà ng mỏng Alpha-step 17 Chúng khảo sát các tiń h chất quang bằng ̣đo tinh chất quang hoc bản đươc đă ta phò ng thí t i nghiêm điểm Micro-Nano, trường đai ho Công Nghê, đa ho quốc c i c gia Hà Nôị Hê ̣ đo sẽ đá nh giá các trưng quang đươc đăc bản của vi thấu kính điểm sáng, tiêu cự … Hê ̣đo sẽ bao gồm nguồn sáng có bước sóng 650nm, Objectives, CCD môt và các máy phân tích cường đô ̣và phần bố quang Chương KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Kết quả mô phỏng Mu tiêu mô phỏng c Do đích chế tao thấu kính của chúng để ứ ng muc dung và o ̣ thố ng quang MEMS/NEMS nên yêu cầ u đăt cho thấu kiń h là nhỏ, gon, dễ dàng lắp đăṭ Vì vâỵ , chúng mô phỏng các thấu kính với các thông số sau để có thể phù hơp với yêu cầu đăṭ Bán kính đáy của thấu kính Tiêu cựcủa thấu kính Cường đô ̣truyền qua mm < 10 mm >80% 1,2 mm < 10 mm >80% 1,5 mm < 10 mm >80% Kết quả mô phỏng 18 Mô phỏ ng cá c thấ u kính có đô ̣ cong khá c ta se cho đươ thấu kính có bán kính đáy 1mm, đô ̣cong thấu kính n c mm phù với tiêu mô phỏng hơp muc 19