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

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi hướng dẫn PGS TS Chu Mạnh Hoàng TS Vũ Thu Hiền Các số liệu kết luận án hoàn toàn trung thực chưa cơng bố cơng trình khoa học khác Thay mặt Tập thể hướng dẫn Tác giả PGS TS Chu Mạnh Hoàng Đặng Văn Hiếu LỜI CẢM ƠN Trước hết, tơi xin bày tỏ lịng kính trọng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Chu Mạnh Hoàng TS Vũ Thu Hiền, người thầy truyền động lực nghiên cứu cho tơi, tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho tơi suốt q trình học tập, nghiên cứu thực luận án Nhờ bảo tận tình thầy, tơi có kiến thức khoa học vật liệu, công nghệ chế tạo, kinh nghiệm phương pháp nghiên cứu, phương pháp viết đăng tạp chí ISI hết mở đường nghiên cứu khoa học thân Tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Viện ITIMS, trường ĐH Bách Khoa Hà Nội, trường ĐH Thành Đô trường Đại học FPT tạo điều kiện thời gian, vật chất tinh thần giúp tơi hồn thành luận án Tôi xin chân thành cảm ơn GS.TS Vũ Ngọc Hùng, anh, chị, em phịng 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… chia sẻ kinh nghiệm nghiên cứu khoa học, động viên có thảo luận góp ý giúp tơi hồn thành luận án Tơi xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Văn Toán tạo điều kiện hướng dẫn sử dụng thiết bị làm việc phịng Tơi xin gửi lời cảm ơn tới bạn bè đồng nghiệp ln bên, động viên khích lệ thời gian qua Cuối cùng, xin giành lời cảm ơn cho gia đình, gia đình hậu phương vững chắc, chỗ dựa tinh thần để yên tâm nghiên cứu 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 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHẮC ĐẦU DÒ QUÉT 1.1 Cơ sở kỹ thuật khắc đầu dò quét 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 luận án 24 1.6 Kết luận chương .25 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ MÔ PHỎNG 26 2.1 Cơ sở tính tốn lý thuyết .26 2.1.1 Tính tốn độ cứng lị xo .26 2.1.2 Tính toán tần số riêng 33 2.1.3 Tính tốn điện áp tới hạn (Vpull_in) cấu trúc dịch chuyển chiều theo phương z 36 2.1.4 Tính tốn độ dịch chuyển cấu trúc .37 2.1.5 Điện dung cấu trúc 38 2.1.6 Hệ số phẩm chất vi chấp hành 39 2.2 Cơ sở mô 42 2.2.1 Giới thiệu chung 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 .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 cải tiến 51 i 3.2 Bộ chấp hành sử dụng cấu trúc vi treo lò xo gấp khúc dạng truyền thống dạng cải tiến .56 3.3 Cấu trúc dầm kết cặp 60 3.4 Cấu trúc vi treo kết cặp sử dụng khung kết cặp 66 3.5 Kết luận chương .73 CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN THIẾT KẾ VÀ MƠ PHỎNG BỘ VI DỊCH CHUYỂN BA CHIỀU XYZ 74 4.1 Thiết kế vi dịch chuyển XYZ 74 4.2 Tính tốn mô cấu trúc .78 4.2.1 Chấp hành trục z 78 4.2.2 Chấp hành trục x y 84 4.3 Tác động lực cản khơng khí lên vi dịch chuyển ba chiều xyz 86 4.4 Kết thảo luận cấu trúc vi dịch chuyển ba chiều .88 4.4.1 Tần số theo trục z phụ thuộc vào độ rộng độ dày lò xo treo 88 4.4.2 Tần số hoạt động theo trục x, y phụ thuộc vào độ rộng độ dày dầm treo 91 4.4.3 Độ dịch chuyển điều khiển XYZ phụ thuộc vào điện áp điều khiển 94 4.4.4 Hệ số phẩm chất vi dịch chuyển ba chiều 95 4.5 Kết luận chương .96 CHƯƠNG 5: CHẾ TẠO MŨI DÒ BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĂN MỊN ƯỚT 97 5.1 Quy trình chế tạo thu nhỏ mũi dò 97 5.2 Quy trình chế tạo chấp hành trục z có gắn mũi dị .101 5.3 Kết chế tạo mũi dò thảo luận 102 5.4 Kết luận chương 106 KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN ÁN 107 ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO CỦA LUẬN ÁN 108 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 109 TÀI LIỆU THAM KHẢO 111 ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Si: Si-líc IC (Integrated Circuit): Mạch điện tích hợp SPM (Scanning Probe Microscopy): Kính hiển vi đầu dị qt PSL (Probe Scanning Lithography): Kỹ thuật khắc đầu dò quét AFM (Atomic Force Microscope): Kính hiển vi hiển vi lực nguyên tử MFM (Magnetic Force Microscopy): Kính hiển vi lực từ SEM (Scanning Electron Microscope): Kính hiển vi điện tử quét TEM ( Transmission Electron Microscopy): Kính hiển vi điện tử truyền qua 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 12 DPN (Dip-Pen nanolithography): Khắc Dip-Pen 13 MEMS (Microelectromechanical system): Hệ thống vi 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 phần 17 HF: Axít Flohydric 18 Tip: Mũi dị (mũi nhọn) 19 KOH: Kali hydro xít 20 SiO2: Si-líc 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 khơng tiếp xúc 24 Lift-off: Q trình lift-off 25 DPL: Khắc động 26 CTE: Hằng số giãn nở nhiệt 27 Pd: Palladium 28 Si3N4: Silic nitrua 29 Ge: Germanium 30 MOEMS (Micro Optoelectronic Mechanical Systems): Hệ thống vi quang điện tử 31 Kx; Ky; Kz: Độ cứng dầm theo phương x, y z 32 E: Mô-đun Young iii 33 I: Mơ-men qn tính mặt cắt ngang 34 w, h, l: Lần lượt chiều rộng, chiều cao (độ dày), chiều dài cấu trúc 35 G: Mô-đun trượt 36 m: Khối lượng 37 ω: Tần số góc 38 Vpull_in: Điện áp tới hạn 39 Vdc: Điện áp chiều 40 Vac: Điện áp xoay chiều 41 Q: Hệ số phẩm chất 42 gc, gz: Lần lượt khoảng lược khoảng trung tâm cực điều khiển 43 P: Áp suất 44 ζ: Hệ số cản không khí 45 COMSOL Multiphysics: Phần mềm mơ 46 δf: Sự sai khác tần số hai mode lân cận 47 NaOH: Natri Hydroxit 48 TMAH: Tetramethylammonium Hydroxide (C4H13NO) 49 BHF: Dung dịch axit HF pha loãng (HF48%:H2O = 1:6) 50 Mode: Hình dạng cấu trúc hệ thống tần số cộng hưởng iv DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: So sánh STM với AFM hoạt động chế độ tiếp xúc (CM-AFM) AFM hoạt động chế độ không tiếp xúc (TM-AFM) cho khắc sử dụng kỹ thuật ơxi hóa vùng [7] Bảng 3.1: Các thơng số kích thước cấu trúc vi treo 1sb, 2sb, 3sb 4sb 52 Bảng 3.2: So sánh kết mơ tính tốn 53 Bảng 3.3: Các thông số cấu trúc vi treo lò xo gấp khúc dạng 1fb 2fb 57 Bảng 3.4: Các thông số kỹ thuật cấu trúc vi treo kết cặp 1cs, 2cs 3cs 61 Bảng 3.5: Bảng so sánh kết tính tốn mơ cấu trúc vi treo kết cặp 1cs, 2cs 3cs 64 Bảng 3.6: Các thông số kỹ thuật cấu trúc vi treo kết cặp sử dụng hai khung kết cặp 67 Bảng 4.1: Các tính chất vật lý khơng khí Si đơn tinh thể 78 Bảng 4.2: Các thông số kỹ thuật cấu trúc dịch chuyển phương z phân tích thành dầm gấp khúc dạng dầm thẳng 80 Bảng 4.3: Các thông số kỹ thuật cấu trúc dịch chuyển phương z phân tích thành lị xo gấp khúc dạng zig-zag 80 Bảng 4.4: Các thông số kỹ thuật cấu trúc dịch chuyển phương z phân tích thành khâu cua 81 Bảng 4.5: Các thông số kỹ thuật cấu trúc dịch chuyển phương z phân tích thành lị xo gấp khúc dạng cua kép 83 Bảng 4.6: Các thơng số kích thước dầm treo gấp lược 84 Bảng 4.7: Bảng so sánh kết tính tốn mơ tần số hoạt động cấu trúc chấp hành trục z với trường hợp phân tích khác 88 Bảng 4.8: Kết tính tốn mơ tần số riêng vi dịch chuyển ba chiều xyz 91 v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý hoạt động kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) [3] Hình 1.2: Hình ảnh minh họa kỹ thuật khắc đầu dò quét [1] Hình 1.3: Hình ảnh minh họa kỹ thuật khắc phương pháp chiếu chùm tia điện tử phát xạ [2] Hình 1.4: Sơ đồ minh họa kỹ thuật khắc phương pháp ơxi hóa vùng [5, 6] Hình 1.5: Hình ảnh minh họa kỹ thuật khắc Dip-Pen [9] 10 Hình 1.6: Hình ảnh minh họa phương pháp khắc nhiệt [10] 10 Hình 1.7: Hình ảnh minh họa phương pháp khắc học [12] 11 Hình 1.8: Sơ đồ minh họa kỹ thuật khắc học sử dụng đầu dò AFM [1] 12 Hình 1.9: Hình ảnh rãnh PMMA tạo AFM với mũi dị Si (a) tín hiệu rãnh (b) [2] 12 Hình 1.10: Ảnh SEM mặt cắt mũi dò (a) đỉnh mũi dị (b) [14] 13 Hình 1.11: Các bước quy trình chế tạo bóng bán dẫn dựa khắc học sử dụng AFM (a), hình ảnh rãnh khắc AFM polyimide (b) [15]13 Hình 1.12: Hình ảnh động mũi dị kỹ thuật khắc sử dụng AFM (a) tốc độ khắc cao (b), tốc độ khắc trung bình (c), tốc độ khắc thấp (d) [15] 14 Hình 1.13: Cấu trúc dịch chuyển ba chiều, (a) hình ảnh phóng to trung tâm; (b) hình ảnh ba chiều cấu trúc [19] 15 Hình 1.14: Bộ dịch chuyển trục Z (a); dịch chuyển XY (b); Hình ảnh ba chiều tích hợp chấp hành XYZ (c) [20] 15 Hình 1.15: Mảng mũi dị điều khiển 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 dầm điều khiển chấp hành tĩnh điện [23] 18 Hình 1.18: Hình ảnh thiết kế cấu trúc dịch chuyển chiều [19] 18 Hình 1.19: Cấu trúc vi dịch chuyển hai chiều [24] 19 Hình 1.20: Hình ảnh đơn đầu dị mảng đầu dò [23] 20 vi Hình 1.21: Hình ảnh hốc ăn mịn đẳng hướng [25] 20 Hình 1.22: Hình ảnh SEM mảng đầu dò chấp hành nhiệt [2] 21 Hình 1.23: Hình ảnh SEM cấu trúc mảng mũi dò gồm 64 mũi dò tích hợp đầu dị [26] 22 Hình 1.24: Hình ảnh SEM mũi dị mảng đầu dò chấp hành tĩnh điện [8] 22 Hình 1.25: Ảnh SEM sản phẩm khắc bới kỹ thuật Dip-Pen [27] 23 Hình 1.26: Hình minh họa lệch biên dần cố định đầu 23 Hình 1.27: Cấu trúc dầm thẳng cố định hai đầu hoạt động đối xứng 24 Hình 2.1: Tải biến dạng dầm tuyến tính [32] 26 Hình 2.2: Tải biến dạng của: (a) lực (b) mô-men xoắn [32] 27 Hình 2.3: (a) hình ảnh chiều lò xo dạng zig-zag, (b) sơ đồ tương đương 29 Hình 2.4: Cấu trúc hình học khâu lò xo dạng zig-zag [32] 29 Hình 2.5: Cấu trúc lị xo dạng zig-zag nhiều khâu [32] 30 Hình 2.6: Cấu trúc lị xo dạng zig-zag có khâu kích thước khác giảm dần tuyến tính [32] 30 Hình 2.7: Cấu trúc lò xo dạng cua [38] 31 Hình 2.8: Cấu trúc lị xo gấp khúc dạng 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 chiều cấu trúc vi treo bốn lò xo gấp khúc dạng zig-zag, (b) mơ hình vật lý tương đương, (c) cấu trúc lò xo gấp khúc dạng zig-zag bản, (d) mặt cắt ngang dầm 35 Hình 2.11: (a) cấu trúc vi treo bốn dầm dạng cua, (b) dạng mơ hình hóa, (c) cấu trúc cua bản, (d) mặt cắt ngang dầm 36 Hình 2.12: Sơ đồ hai chiều tụ điện song song với trường rìa 39 Hình 2.13: Sơ đồ cấu trúc tụ điện kiểu lược 41 Hình 2.14: Các dạng biên chung phần tử [45] 42 Hình 2.15: Các dạng phần tử hữu hạn thường sử dụng [45] 43 vii Hình 2.16: Sơ đồ khối chương trình tính FEM [45] 44 Hình 2.17: Hình ảnh chia lưới với kích thước phần tử khác nhau: (a) chế độ chia lưới cực thô (Extremely Coarse), (b) chế độ chia lưới (Normal) (c) chế độ lưới mịn (Extra Fine) 46 Hình 2.18: Ảnh chụp màm hình mơ chia lưới phần tử hữu hạn 46 Hình 2.19: Ảnh chụp màm hình mơ tần số riêng cấu trúc 47 Hình 2.20: Ảnh chụp hình mô điện áp tới hạn 48 Hình 2.21: Ảnh chụp hình đồ thị thể dịch chuyển phụ thuộc vào điện áp điều khiển 49 Hình 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 dạng 4sb 52 Hình 3.2: Hình dạng mode thứ thứ hai 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 mơ tần số riêng phụ thuộc vào chiều dài dầm 55 Hình 3.4: Kết mơ sai khác tần số riêng mode thứ thứ phụ thuộc vào chiều dài dầm 55 Hình 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 xo gấp khúc 3fb, (d) cấu trúc vi treo lò xo gấp khúc 4fb 57 Hình 3.6: Hình dạng mode dao động thứ thứ hai: (a, b) cấu trúc loại 1fb; (c, d) cấu trúc loại 2fb; (e, f) cấu trúc loại 3fb (g, h) cấu trúc loại 4fb ……………… 58 Hình 3.7: Đồ thị thể tần số hoạt động mode thứ phụ thuộc vào chiều dài hiệu dụng lò xo 59 Hình 3.8: Đồ thị thể sai khác tần số mode thứ thứ hai cấu trúc phụ thuộc vào chiều dài hiệu dụng lò xo 59 viii Hình 5.9: (a) ảnh quang học mảng mẫu mũi dò quét chất cảm quang sau truyền từ mặt nạ quang khắc vào phiến silic ôxi hóa, (b) ảnh quang học mảng mẫu mũi dò quét SiO2 sau thực ăn mòn dung dịch BHF Hình 5.9 (a) thể ảnh quang học mảng mẫu mũi dò quét chất cảm quang sau truyền từ mặt nạ quang khắc Bước tẩy bỏ lớp SiO2 BHF vòng phút với chiều dày lớp SiO2 200 nm tốc độ ăn mòn SiO2 dung dịch BHF khoảng 100 nm/phút Sau tẩy bỏ lớp mặt nạ cảm quang, kết mảng mẫu mũi dò quét SiO2 chụp ảnh quang học hình 5.9 (b) Như vậy, mảng mẫu mũi dị qt truyền thành cơng từ mặt nạ vào lớp SiO2 Bước tiếp theo, phiến silic với mẫu mặt nạ SiO2 nhúng vào dung dịch KOH 40% nhiệt độ 50oC có khuấy từ 250 vòng/phút để ăn mòn Si tạo mũi dò Trong bước này, thời gian ăn mòn điều khiển để khảo sát thu nhỏ kích thước đầu mùi dò quét Trước tiên cho ăn mòn 10 phút, kết thu hình 5.10 Kết thể mặt bậc cao bắt đầu bị ăn mịn mạnh hình thành đường bao tối màu xung quang mặt nạ SiO2 Hình 5.10: Ảnh chụp quang học mũi dò sau ăn mòn 10 phút 103 Tiếp tục cho ăn mòn thêm 10 phút nữa, kết cho thấy xuất hai đường bao đỉnh mũi dò bắt đầu thu nhỏ lại Qua ảnh chụp quang học (hình 5.11) suy đường bao lớn chân mũi dị qt, cịn đường bao nhỏ đỉnh mũi dị 100 µm 100 µm Hình 5.11: Ảnh chụp quang học mũi dò sau ăn mòn phiến Silic 20 phút dung dịch KOH 40% Do mũi dị thu có đỉnh cịn lớn nên chúng tơi tiếp tục cho ăn mịn thêm phút kết thu có ảnh chụp quang học hình 5.12 100 µm 100 µm Hình 5.12: Ảnh quang học mũi dò sau ăn mòn phiến Silic 25 phút dung dịch KOH 40% Kết sau ăn mòn 25 phút, ảnh quang học thể rõ đường bao đỉnh thu nhỏ, đường bao chân mũi dị vần tồn Sau đó, q trình ăn mòn thực thêm phút phút Kết thu hình 5.13 hình 5.14 104 100 µm 100 µm Hình 5.13: Ảnh quang học mũi dò sau ăn mòn phiến Silic 30 phút dung dịch KOH 40% 100 µm 100 µm Hình 5.14: Ảnh quang học mũi dò sau ăn mòn phiến Silic 33 phút dung dịch KOH 40% Sau 33 phút ăn mòn KOH, lớp mặt nạ SiO2 tảy bỏ Ảnh hiển vi điện tử phát xạ trường (FESEM) mảng mũi dị qt thể hình 5.15 (a) ảnh khuếch đại mũi dò quét thể hình 5.15 (b) Ảnh FESEM thực máy JEOL JSM-7600F Mỹ viện AIST, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Ở đây, đặc tính ăn mòn dị hướng ướt Si tinh thể dung dịch KOH sử dụng để chế tạo đầu mũi quét Si sắc nét [94, 95] Các mũi dị qt thiết kế ban đầu có dạng hình vng tiến hành thu nhỏ làm nhọn mũi dò quét Việc chế tạo mũi dò quét Si có kích thước thang nano bắt đầu cửa sổ mặt nạ hình vng Chiều dài cạnh mặt nạ hình vng 20 µm tới 60 µm Đây độ phân giải mặt nạ với điều kiện nước đạt Trong đó, độ phân giải mặt nạ crom giới tạo dựa khắc laze thơng thường µm 105 Hình 5.15: (a) Hình ảnh phóng toa đỉnh mũi dị; (b) Hình ảnh FESEM tổng thể mảng mũi dị;(b) Hình ảnh phóng to mũi dị Để thu nhỏ mũi dò quét, kỹ thuật xử lý ơxi hóa tẩy lớp oxit thực để đạt kích thước mũi dị kích thước nano mong muốn Kết ảnh FESEM chưa đầy đủ nên chưa thể đánh giá chiều cao mũi dò Tuy nhiên sau bước ăn mịn, mũi dị thu có kích thước đỉnh khoảng 100 nm Đây kết thành công bước đầu chế tạo mũi dị qt kích thước nano với công nghệ viện ITIMS điều kiện có nước 5.4 Kết luận chương Như vậy, quy trình chế tạo mũi dị chấp hành có tích hợp mũi dị đề xuất định hướng ứng dụng chế tạo cấu trúc nano Quy trình chế tạo dựa kỹ thuật quang khắc truyền thống kết hợp cơng nghệ vi khối ướt Kích thước mũi dị quét Si khoảng 100 nm đạt từ mặt nạ ban đầu có kích thước vài chục micromet 106 KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN ÁN Như vậy, luận án nghiên cứu phát triển cấu trúc chấp hành có nhiễu chéo thấp nhờ thiết kế dầm đáp ứng với chuyển động hướng, chống lại mode hoạt động không mong muốn khác Các đặc trưng hoạt động vi chấp hành theo phương z chấp hành dịch chuyển theo ba trục xyz độc lập khảo sát cơng thức giải tích mơ phương pháp phần tử hữu hạn Dựa kết nghiên cứu đề xuất khảo sát lý thuyết vi chấp hành, luận án tiến hành chế tạo thử nghiệm mũi dò quét nhằm định hướng tích hợp vi chấp hành cho khắc cấu trúc nano Một số kết luận chung luận án tóm tắt sau: - Luận án đề xuất thiết kế mô đặc trưng hoạt động chấp hành trục z với độ dịch chuyển lớn nhiễu kết cặp mode thấp, sai khác tần số từ 65% - 180% phạm vi tần số hoạt động từ 120 kHz – 800 kHz - Luận án phát triển vi dịch chuyển mũi dò ba chiều Điều khiển độc lập cách bố trí cấu trúc lò xo trực giao với nhau, hệ thống lò xo ưu tiên chuyển động theo phương mong muốn x, y, z hạn chế mốt hoạt động không mong muốn khác Độ dịch chuyển theo phương x, y, z 57 µm µm, điện áp hoạt động tương ứng 60 V 48.7 V - Các mơ hình lý thuyết thiết lập để khảo sát đặc trưng hoạt động vi chấp hành dựa lý thuyết học vật rắn lý thuyết trường tĩnh điện Kết tính tốn từ mơ hình lý thuyết phù hợp với kết mô với sai số nhỏ 15% - Dựa sở thiết kế lý thuyết, luận án tiến hành nghiên cứu chế tạo thử nghiệm bước đầu đơn mũi dị có kích thước khoảng 100 nm, dựa kỹ thuật quang khắc truyền thống công nghệ vi khối ướt 107 ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO CỦA LUẬN ÁN - Nghiên cứu tối ưu mũi dò quét mở rộng chế tạo mảng mũi dò - Nghiên cứu chế tạo tích hợp mũi dị vào hệ thống vi dịch chuyển - Thiết lập hệ thống khắc mẫu nano dựa chấp hành gắn mũi quét dạng đơn mũi dò đa mũi dò chế tạo số cấu trúc nano dạng mảng chiều 108 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN A Bài báo quốc tế ISI: Dang Van Hieu, Le Van Tam, Nguyen Van Duong, Nguyen Duy Vy, Chu Manh Hoang, (2020) “Design and simulation analysis of a z axis microactuator with low mode cross-talk”, Journal of Mechanics, DOI: 10.1017/jmech.2020.48 Dang Van Hieu, Le Van Tam, Kazuhiro Hane, and Chu Manh Hoang, (2020) “Models for analyzing squeeze film air damping depending on oscillation mode of micro/nano beam resonators”, Achieve of Mechanics, DOI: 10.1007/s00419-02001775-3 Dang Van Hieu, Le Van Tam, Kazuhiro Hane, Chu Manh Hoang, (2020) “Design and simulation analysis of an integrated XYZ micro-stage for controlling displacement of scanning probe”, Journal of Theoretical and Applied Mechanics DOI: 10.15632/jtam-pl/130549 B Bài báo nước: Le Van Tam, Dang Van Hieu, Nguyen Duy Vy, Vu Ngoc Hung, Chu Manh Hoang, (2017) “design and simulation analysis of an electrostatic actuator for improving the performance of scanning probe nanolithography” Vietnam Journal of Science and Technology 55 (4) (2017) 484-493, DOI: 10.15625/2525-2518/55/4/8803 Dang Van Hieu, Le Van Tam, Nguyen Van Duong, Chu Manh Hoang, (2019) “Design and Simulation of Scanning Probe Micro-Cantilever for the Scanning probe lithography”, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 137 (2019) 084-088, ISSN: 2354-1083 C Bài báo hội nghị nước (04), quốc tế (02) Le Van Tam, Dang Van Hieu, Vu Ngoc Hung and Chu Manh Hoang, (2016) “A micro-suspension electrostatic actuator for improving the performance of scanning probe nanolithography”, The 3rd International Conference on Advanced Materials and Nanotechnology, ISBN: 978-604-95-0010-7 109 Le Van Tam, Dang Van Hieu, Vu Ngoc Hung and Chu Manh Hoang, (2016) “Design and simulation of scanning probe micro-cantilever”, Advances in applied and engineering physics IV, Proceeding, ISBN: 978-604-913-232-2 Le Van Tam, Dang Van Hieu, Nguyen Duy Vy, Vu Ngoc Hung and Chu Manh Hoang, (2017) “Dependence of air damping in microcantilever resonators”, Hội nghị Vật lý Chất rắn Khoa học Vật liệu Toàn quốc – SPMS 2017, ISBN: 978604-95-0325-2 Dang Van Hieu, Le Van Tam, Nguyen Van Cuong, Chu Manh Hoang, (2017) “Design and simulation of serpentine springs for scanning probe”, Hội nghị Vật liệu Công nghệ Nano Tiên tiến-WANN 2017, ISBN: 978-604-95-0298-9 10 Dang Van Hieu, Le Van Tam, Nguyen Quoc Chien, Chu Manh Hoang, (2019) “Design and simulation of two-dimensional microstage for scanning probes”, Hội nghị Vật lý Chất rắn Khoa học Vật liệu Toàn quốc–SPMS 2019, ISBN: 978604-98-7506-9 11 Dang Van Hieu, Le Van Tam, Nguyen Van Duong, Nguyen Quoc Chien, Vu Ngoc Hung, Chu Manh Hoang, (2019) “Fabrication of Scanning Nano-Probe Based on Photolithography and Wet Chemical Etching” The 4th International Conference on Advanced Materials and Nanotechnology ISBN: 978-604-95-0978-0 110 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bhushan, B., Nanotribology and Nanomechanics I: Measurement Techniques and Nanomechanics Vol 2011: Springer Science & Business Media [2] Cui, Z., Nanofabrication Course notes, ECE, 2008 730 [3] Tseng, A.A., et al., Recent developments in tip-based nanofabrication and its roadmap J Nanosci Nanotechnol, 2008 8(5): p 2167-86 [4] Cui, Z., Nanofabrication: principles, capabilities and limits 2009 Springer [5] Garcia, R., Martinez, R.V and Martinez, J., Nano-chemistry and scanning probe nanolithographies Chemical Society Reviews, 2006 35(1): p 29-38 [6] Day, H and Allee, D., Selective area oxidation of silicon with a scanning force microscope Applied physics letters, 1993 62(21): p 2691-2693 [7] Fontaine, P., Dubois, E and Stievenard, D., Characterization of scanning tunneling microscopy and atomic force microscopy-based techniques for nanolithography on hydrogen-passivated silicon Journal of applied physics, 1998 84(4): p 1776-1781 [8] Piner, R.D., et al., " Dip-pen" nanolithography science, 1999 283(5402): p 661-663 [9] Hampton, J.R., Dameron, A.A and Weiss, P.S., Double-ink dip-pen nanolithography studies elucidate molecular transport Journal of the American Chemical Society, 2006 128(5): p 1648-1653 [10] Mamin, H and Rugar, D., Thermomechanical writing with an atomic force microscope tip Applied Physics Letters, 1992 61(8): p 1003-1005 [11] Magno, R and Bennett, B., Nanostructure patterns written in III–V semiconductors by an atomic force microscope Applied Physics Letters, 1997 70(14): p 1855-1857 [12] Fonseca Filho, H., et al., Metal layer mask patterning by force microscopy lithography Materials Science and Engineering: B, 2004 112(2-3): p 194-199 [13] Chen, Y.-J., Hsu, J.-H and Lin, H.-N., Fabrication of metal nanowires by atomic force microscopy nanoscratching and lift-off process Nanotechnology, 2005 16(8): p 1112 [14] Tseng, A.A., et al., Scratching properties of nickel-iron thin film and silicon using atomic force microscopy Journal of Applied Physics, 2009 106(4): p 044314 [15] Bouchiat, V and Esteve, D., Lift‐off lithography using an atomic force microscope Applied physics letters, 1996 69(20): p 3098-3100 111 [16] Klehn, B and Kunze, U., Nanolithography with an atomic force microscope by means of vector-scan controlled dynamic plowing Journal of Applied Physics, 1999 85(7): p 3897-3903 [17] Yan, Y., et al., Effects of scratching parameters on fabrication of polymer nanostructures in atomic force microscope tapping mode Procedia CIRP, 2015 28: p 100-105 [18] He, Y., et al., Fabrication of nanoscale pits with high throughput on polymer thin film using afm tip-based dynamic plowing lithography Nanoscale research letters, 2017 12(1): p 1-11 [19] Liu, X., Kim, K and Sun, Y., A MEMS stage for 3-axis nanopositioning Journal of Micromechanics and Microengineering, 2007 17(9): p 1796-1802 [20] Xue, G., Toda, M and Ono, T., Comb-Drive XYZ-microstage With Large Displacements Based on Chip-Level Microassembly Journal of Microelectromechanical Systems, 2016 25(6): p 989-998 [21] Wang, X., et al., Thermally actuated probe array for parallel dip-pen nanolithography Journal of Vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures, 2004 22(6) [22] Itoh, T., Ohashi, T and Suga, T., Piezoelectric cantilever array for multiprobe scanning force microscopy in Proceedings of ninth international workshop on micro electromechanical systems 1996 IEEE [23] Bullen, D and Liu, C., Electrostatically actuated dip pen nanolithography probe arrays Sensors and Actuators A: Physical, 2006 125(2): p 504-511 [24] Laszczyk, K., et al., A two directional electrostatic comb-drive X–Y microstage for MOEMS applications Sensors and Actuators A: Physical, 2010 163(1): p 255-265 [25] Dong, J., Mukhopadhyay, D and Ferreira, P.M., Design, fabrication and testing of a silicon-on-insulator (SOI) MEMS parallel kinematics XY stage Journal of micromechanics and microengineering, 2007 17(6): p 1154 [26] Mehdizadeh, E and Pourkamali, S., Deep submicron parallel scanning probe lithography using two-degree-of-freedom microelectromechanical systems actuators with integrated nanotips Micro & Nano Letters, 2014 9(10): p 673-675 [27] Haaheim, J., et al., Self-leveling two-dimensional probe arrays for Dip Pen Nanolithography Scanning, 2010 32(1): p 49-59 [28] Thomas, P.J., Kulkarni, G.U and Rao, C.N.R., Dip-pen lithography using aqueous metal nanocrystal dispersions Journal of Materials Chemistry, 2004 14(4) 112 [29] Senesi, A.J., et al., Agarose-assisted dip-pen nanolithography oligonucleotides and proteins Acs Nano, 2009 3(8): p 2394-2402 of [30] Spinney, P.S., Collins, S.D and Smith, R.L., Solid-phase direct write (SPDW) of carbon via scanning force microscopy Nano letters, 2007 7(6): p 15121515 [31] Nelson, B.A., et al., Direct deposition of continuous metal nanostructures by thermal dip-pen nanolithography Applied Physics Letters, 2006 88(3): p 033104 [32] Lobontiu, N and Garcia, E., Mechanics of microelectromechanical systems 2004: Springer Science & Business Media [33] Allix, O and Hild, F., Continuum damage mechanics of materials and structures 2002: Elsevier [34] Juneau, T.N., Micromachined dual input axis rate gyroscope 1999 [35] Urey, H., Kan, C and Davis, W.O., Vibration mode frequency formulae for micromechanical scanners Journal of Micromechanics and Microengineering, 2005 15(9): p 1713 [36] Blevins, R.D., Formulas for natural frequency and mode shape 1979 [37] Tang, W., Electrostatic comb drive for resonant sensor and actuator applications Ph D 1990, dissertation, University of California, Berkley, CA [38] Liu, Y Stiffness Calculation of the Microstructure with Crab-Leg Flexural Suspension in Advanced Materials Research 2011 Trans Tech Publ [39] Hongwen, L., Mechanics of materials Higher education press, 2004 201010(5): p 87-119 [40] Lobontiu, N., Dynamics of microelectromechanical systems Vol 17 2014: Springer Science & Business Media [41] Bao, M., Analysis and design principles of MEMS devices 2005: Elsevier [42] Chu, H.M., Air damping models for micro-and nano-mechanical beam resonators in molecular-flow regime Vacuum, 2016 126: p 45-50 [43] Seeger, J.I and Boser, B.E., Parallel-plate driven oscillations and resonant pull-in in Proc Solid-State Sens., Actuator Microsyst Workshop 1774 Citeseer [44] Vummidi, K., et al Resonant pull-in for a variable gap lateral contact RF MEMS switch in 2010 IEEE 23rd International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) 2010 IEEE 113 [45] Khater, M., et al., Dynamic actuation methods for capacitive MEMS shunt switches Journal of Micromechanics and Microengineering, 2011 21(3): p 035009 [46] Fargas-Marques, A., Casals-Terre, J and Shkel, A.M., Resonant pull-in condition in parallel-plate electrostatic actuators Journal of Microelectromechanical Systems, 2007 16(5): p 1044-1053 [47] Nathanson, H.C., et al., The resonant gate transistor IEEE Transactions on Electron Devices, 1967 14(3): p 117-133 [48] Daeichin, M., Miles, R and Towfighian, S., Lateral pull-in instability of electrostatic MEMS transducers employing repulsive force Nonlinear Dynamics, 2020 100(3): p 1927-1940 [49] Acar, C and Shkel, A., MEMS vibratory gyroscopes: structural approaches to improve robustness 2008: Springer Science & Business Media [50] Zhang, W.-M., et al., Electrostatic pull-in instability in MEMS/NEMS: A review Sensors and Actuators A: Physical, 2014 214: p 187-218 [51] Bao, M and Yang, H., Squeeze film air damping in MEMS Sensors and Actuators A: Physical, 2007 136(1): p 3-27 [52] Khoa, N.N., Phương pháp phần tử hữu hạn 2011 [53] Matsumoto, Y., et al., Three-axis SOI capacitive accelerometer with PLL C–V converter Sensors and Actuators A: Physical, 1999 75(1): p 77-85 [54] Nguyen, C.T.-C., MEMS technology for timing and frequency control IEEE transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and frequency control, 2007 54(2): p 251-270 [55] Sharaf, A and Sedky, S., Design and simulation of a high-performance Z-axis SOI-MEMS accelerometer Microsystem technologies, 2013 19(8): p 11531163 [56] Chiu, Y., Hong, H.-C and Chang, C.-M., Three-axis CMOS MEMS inductive accelerometer with novel Z-axis sensing scheme in 2017 19th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems (TRANSDUCERS) 2017 IEEE [57] Prasanth, C., Harsha, C.S and Pratiher, B., Electrostatic pull-in analysis of a nonuniform micro-resonator undergoing large elastic deflection Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, 2018 232(18): p 3337-3350 [58] Weinberg, M.S and Kourepenis, A., Error sources in in-plane silicon tuningfork MEMS gyroscopes Journal of Microelectromechanical systems, 2006 15(3): p 479-491 114 [59] Yoon, S.W., Lee, S and Najafi, K., Vibration-induced errors in MEMS tuning fork gyroscopes Sensors and Actuators A: Physical, 2012 180: p 32-44 [60] Nguyen, M.N., et al., Z-axis micromachined tuning fork gyroscope with low air damping Micromachines, 2017 8(2): p 42 [61] Legtenberg, R., Groeneveld, A and Elwenspoek, M., Comb-drive actuators for large displacements Journal of Micromechanics and microengineering, 1996 6(3): p 320 [62] Xi, X., et al., A MEMS XY-stage integrating compliant mechanism for nanopositioning at sub-nanometer resolution Journal of Micromechanics and Microengineering, 2016 26(2): p 025014 [63] Li, C., et al., Active vibration isolator based on micromachined electrostatic actuators Micro & Nano Letters, 2016 11(11): p 715-718 [64] Trinh, T.Q., et al., Design and analysis of a z-axis tuning fork gyroscope with guided-mechanical coupling Microsystem technologies, 2014 20(2): p 281289 [65] Fang, X., et al., Vibration-Induced Errors in MEMS Tuning Fork Gyroscopes with Imbalance Sensors, 2018 18(6): p 1755 [66] Acar, C and Shkel, A.M., An approach for increasing drive-mode bandwidth of MEMS vibratory gyroscopes Journal of microelectromechanical systems, 2005 14(3): p 520-528 [67] Acar, C and Shkel, A.M., Inherently robust micromachined gyroscopes with 2DOF sense-mode oscillator Journal of Microelectromechanical Systems, 2006 15(2): p 380-387 [68] Rebeiz, G.M., RF MEMS: theory, design, and technology 2004: John Wiley & Sons [69] Huang, Y.-J., Chang, T.-L and Chou, H.-P., Novel concept design for complementary metal oxide semiconductor capacitive Z-direction accelerometer Japanese Journal of Applied Physics, 2009 48(7R): p 076508 [70] Lin, M., Lee, S and Chen, C., Nonlocal Effect on the Pull-in Instability Analysis of Graphene Sheet Nanobeam Actuator Journal of Mechanics, 2019 35(5): p 767-778 [71] Peroulis, D., et al., Electromechanical considerations in developing lowvoltage RF MEMS switches IEEE Transactions on microwave theory and techniques, 2003 51(1): p 259-270 [72] Hosaka, H., Itao, K., & Kuroda, S., Damping characteristics of beam-shaped micro-oscillators Sensors and Actuators A: Physical, 1995 49(1-2), p 87-95 115 [73] Vy, N., Cuong, N and Hoang, C., A Mechanical Beam Resonator Engineered at Nanoscale for Ultralow Thermoelastic Damping Journal of Mechanics, 2019 35(3): p 351-358 [74] Urey, H., Kan, C and Davis, W., Vibration mode frequency formulae for micromechanical scanners J Micromech Microeng, 2005 15: p 1713-1721 [75] Gere, J.M and Timoshenko, S.P., Mechanics of Materials 1997, PWS Publishing Company [76] Schiavone, G., Desmulliez, M.P and Walton, A.J., Integrated magnetic MEMS relays: Status of the technology Micromachines, 2014 5(3): p 622-653 [77] Hoang, C.M., et al., Optimal coating thickness for enhancement of optical effects in optical multilayer-based metrologies Optics Communications, 2017 403: p 150-154 [78] Hane, K and Suzuki, K., Self-excited vibration of a self-supporting thin film caused by laser irradiation Sensors and Actuators A: Physical, 1995 51(2-3): p 179-182 [79] Gu, L., et al., Single-wafer-processed nano-positioning XY-stages with trenchsidewall micromachining technology Journal of Micromechanics and Microengineering, 2006 16(7): p 1349 [80] Sasaki, M., Bono, F and Hane, K., Large-Displacement Micro-XY-Stage with Paired Moving Plates Japanese Journal of Applied Physics, 2008 47(4): p 3226-3231 [81] Zhou, X., et al., High‐Resolution, Large‐Area, Serial Fabrication of 3D Polymer Brush Structures by Parallel Dip‐Pen Nanodisplacement Lithography Small, 2012 8(23): p 3568-3572 [82] Huo, F., et al., Beam pen lithography Nature nanotechnology, 2010 5(9): p 637 [83] Hu, H., Kim, H.J and Somnath, S., Tip-based nanofabrication for scalable manufacturing Micromachines, 2017 8(3): p 90 [84] Wang, J., Yang, Z and Yan, G., Silicon-on-insulator out-of-plane electrostatic actuator with in situ capacitive position sensing Journal of Micro/Nanolithography, MEMS, and MOEMS, 2012 11(3): p 033006 [85] Takahashi, K., et al., A two-dimensional ƒ-θ micro optical lens scanner with electrostatic comb-drive XY-stage IEICE Electronics Express, 2005 2(21): p 542-547 [86] Koo, B., Correa, J.E and Ferreira, P.M., Parallel-kinematics XYZ MEMS part 2: Fabrication and experimental characterization Precision Engineering, 2016 46: p 147-157 116 [87] Takahashi, K., et al Topological layer switch technique for monolithically integrated electrostatic XYZ-stage in 2007 IEEE 20th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) 2007 IEEE [88] Xu, H., et al., Fabrication and characterizations of a monolithic PZT microstage Microsystem technologies, 2006 12(9): p 883-890 [89] Chu, H.M., Vu, H.N and Hane, K., Electric feed-through for vacuum package using double-side anodic bonding of silicon-on-insulator wafer Journal of Electrostatics, 2013 71(2): p 130-133 [90] Yang, B., et al., Design of a Micromachined Z-axis Tunneling Magnetoresistive Accelerometer with Electrostatic Force Feedback Micromachines, 2019 10(2): p 158 [91] Hosaka, H., Itao, K and Kuroda, S., Damping characteristics of beam-shaped micro-oscillators Sensors and Actuators A: Physical, 1995 49(1-2): p 87-95 [92] Han, J., et al., AFM probes fabricated with masked–maskless combined anisotropic etching and p+surface doping Journal of Micromechanics and Microengineering, 2006 16(2): p 198-204 [93] Hollauer, C., Modeling of thermal oxidation and stress effects 2007 [94] Han, J., et al., AFM probes fabricated with masked–maskless combined anisotropic etching and p+ surface doping Journal of Micromechanics and Microengineering, 2005 16(2): p 198 [95] Manh Chu, H., et al., Fabrication of single-crystal silicon nanowires based on surface wet adhesion Materials Letters, 2015 152: p 94-97 117