Luận văn thạc sĩ Công nghệ chế tạo máy: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ MEMS trong thiết kế khuôn mẫu

Sản phẩm có kết cấu nhỏ hơn sẽ tiêu thụ nguyên vật liệu và năng lượng ít hơn, hiệu suất cao hơn và quan trọng nhất đó là mở ra nhiều cơ hội về mặt ứng dụng hơn, như trong lĩnh vực y học

TỔNG QUAN

Tính cấp thiết của luận văn

Ngày nay với sự phát triển của khoa học công nghệ nói chung và công nghệ micro – nano nói riêng, các sản phẩm được chế tạo ngày càng tinh vi và đa dạng, đặc biệt là kích thước Việc giảm kích thước các chi tiết hay kết cấu của một sản phẩm sẽ mang lại nhiều lợi ích Sản phẩm có kết cấu nhỏ hơn sẽ tiêu thụ nguyên vật liệu và năng lượng ít hơn, hiệu suất cao hơn và quan trọng nhất đó là mở ra nhiều cơ hội về mặt ứng dụng hơn, như trong lĩnh vực y học có ống trợ thính, kim tiêm không gây đau, các loại bơm, van, … ngoài ra còn có nhiều ứng dụng khác trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, ô tô, … Do đó các sản phẩm kích thước nhỏ cỡ vài trăm micro hoặc nhỏ hơn nữa đang được các nhà nghiên cứu thiết kế chế tạo quan tâm một cách đặc biệt Để chế tạo những sản phẩm kích thước nhỏ có thể áp dụng công nghệ MEMS (Micro – Electro – Mechanical – Systems) hoặc dùng công nghệ vi khuôn (Micro molding) Mỗi một phương pháp đều có những ưu nhược điểm riêng Nếu dùng công nghệ MEMS để chế tạo thì sản phẩm thu được có thể sử dụng ngay được, đạt độ phân giải cao, tuy nhiên việc đầu tư ban đầu, cũng như chi phí nguyên vật liệu cao Đối với vi khuôn, điển hình nhất là vi khuôn phun ép (Micro injection molding), trên cơ sở dùng công nghệ MEMS chế tạo các tấm khuôn (Micro mold insert) sau đó dùng kỹ thuật ép phun đặc trưng cho chi tiết nhỏ này Việc áp dụng chế tạo cho một loạt sản phẩm bằng kỹ thuật phun ép sẽ giúp giảm giá thành, đạt hiệu quả kinh tế cao

CBHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà Trang 1 HVTH: Nguyễn Hùng Vỹ - 09040393

Thực tế ở các nước phát triển đã nghiên cứu và ứng dụng công nghệ MEMS vào công nghiệp và đời sống một cách mạnh mẽ, còn ở nước ta lĩnh vực này đang trong giai đoạn khởi đầu với những nghiên cứu, thiết kế - chế tạo các sản phẩm ứng dụng công nghệ MEMS như:

Chip sinh học - Sản phẩm có tên gọi đầy đủ là linh kiện vi cân tinh thể thạch anh (QCM - Quatz Crystal Microbalance), do Sở Khoa học và Công nghệ TP HCM đầu tư và được ICDREC (Trung tâm Nghiên cứu và Đào tạo thiết kế vi mạch Đại học quốc gia TP HCM) kết hợp với Trung tâm Nghiên cứu Triển khai khu Công nghệ cao TP HCM triển khai thiết kế và sản xuất

Cảm biến vi cơ đo lực – Trung Tâm Quốc tế Đào tạo về Khoa học Vật liệu (ITIMS)

Cảm biến áp suất Ứng dụng cảm biến áp suất MEMS trong thiết bị điện tử y tế - Chử Đức Trình, Nguyễn Phú Thùy,Vũ Ngọc Hùng, Đinh Văn Dũng, Bùi Thanh Tùng , Trần Đức Tân,Vũ Việt Hùng, Khoa Công Nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội Nhà E3, 144 Xuân Thủy, Cầu Giấy, Hà Nội, Việt Nam,Trung tâm ITIMS, Toà nhà ITIMS, 01 Đại Cồ Việt, Hà Nội, Việt Nam

Thiết kế và chế tạo hệ thống Mini-robot với các Micro-container dựa trên công nghệ Vi Cơ Điện tử (MEMS) - Vũ Ngọc Hùng, Đặng Bảo Lâm, Phạm Hồng Phúc, Viện ITIMS, Viện Cơ Khí, Đại học Bách Khoa Hà Nội, Đại Cồ Việt, Hà Nội, Việt Nam

Chế tạo đầu viết mực in phun có thể phun trên bất kỳ dung môi hay loại giấy in nào Mực in phun dùng linh kiện áp điện được Epsonthương mại hoá, dùng nguyên tắc điện trở được thương mại hoá bởiHP, Canon, Lexmark.

Bên cạnh những sản phẩm được sản xuất theo công nghệ MEMS thì việc sản xuất các sản phẩm bằng công nghệ vi khuôn có nghĩa ý quan trọng trong lĩnh vực khuôn mẫu nói riêng và trong công nghệ MEMS nói chung Thành công trong công

CBHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà Trang 2 HVTH: Nguyễn Hùng Vỹ - 09040393 nghệ vi khuôn sẽ tạo ra bước đột phá mới trong lĩnh vực thiết kế và chế tạo công nghệ MEMS cho các lĩnh vực như hàng không vũ trụ, cảm biến, bộ dẫn động, y tế, với các thiết bị có kích thước micro

Từ những ứng dụng mang nhiều ý nghĩa của vi khuôn ứng dụng công nghệ MEMS trong nghiên cứu thiết kế, chế tạo Vì thế thực hiện đề tài là ý nghĩa và mang tính cấp thiết

Chính vì vậy việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ gia công MEMS trong thiết kế khuôn mẫu là nội dung luận văn của em.

Lịch sử phát triển và nhu cầu về nghiên cứu ứng dụng công nghệ MEMS trên thế giới và Việt Nam

1.2.1 Lịch sử hình thành và phát triển

Sự ra đời của công nghệ chế tạo vi mạch (IC) vào thập niên 1960 đã cho phép chế tạo các chip với mật độ cao, từ vài trăm đến vài triệu tranzitor trên bề mặt silic Sự cạnh tranh gay gắt và nhu cầu kinh tế trong ngành công nghiệp IC thúc đẩy quá trình cải tiến không ngừng Để đáp ứng yêu cầu chế tạo càng nhiều vi mạch trên một tấm wafer, các cấu trúc mạch phải được thu nhỏ lại, đảm bảo chức năng không thay đổi hoặc thậm chí được cải tiến Thành công trong việc thu nhỏ kích thước vi mạch mang lại lợi nhuận kinh tế lớn.

Song song với các quá trình thu nhỏ kích thước bo mạch thì việc thu nhỏ kích thước các linh kiện, chi tiết hay bộ phận không thể chế tạo trực tiếp trên vi mạch là điều kiện tiên quyết để giảm kích thước Các bộ phận nằm ngoài chip (off - chip) thường là các cơ cấu chấp hành và thường được chế tạo bằng kỹ thuật cơ khí

Yêu cầu đặt ra là những bộ phận này vẫn giữ được các tính chất nguyên gốc cơ học một cách trung thực, tuy nhiên với những bộ phận nhỏ thì không thể chế tạo được với các kỹ thuật cơ khí truyền thống Vì vậy cần phải có công nghệ chế tạo cho các bộ phận dạng này

Từ những kết quả đạt được của công nghiệp vi mạch là khả năng sản xuất hàng loạt các vi mạch kích thước rất nhỏ, điều này giúp các nhà nghiên cứu có cơ sở để áp dụng các công nghệ vi mạch để sản xuất các thiết bị cơ khí, quang học … với hy vọng có được những cải tiến về hiệu suất và chi phí tương tự như trong ngành công nghiệp bán dẫn Và đó là lý do dẫn đến sự ra đời của công nghệ MEMS Công nghệ MEMS cho phép thu nhỏ kích thước linh kiện nhưng vẫn giữ được các đặc tính cơ khí cần thiết

MEMS là thuật ngữ viết tắt của Micro – Electro – Mechanical – Systems (Hệ vi cơ điện tử) Thuật ngữ MEMS dùng để chỉ sự tích hợp giữa hệ thống điện tử và cơ khí để tạo thành một cấu trúc vi hệ thống (có kích thước micromet) có thể hoạt động, vận hành như các sản phẩm cơ điện truyền thống

Hình 1.1 Tương quan kích thước và chất lượng các loại máy Tổng quát hơn, MEMS đồng thời vừa là một công cụ, vừa là một sản phẩm vật lý và cũng là một giải pháp Xét từ gốc độ vật lý, MEMS tích hợp các thành phần cơ và điện trên một tấm nền được chế tạo bằng các kỹ thuật vi chế tạo Các thành phần điện được chế tạo bằng các kỹ thuật IC ví dụ như CMOS Còn thành phần cơ được chế tạo bởi vi chế tạo tương thích với công nghệ IC Hình sau mô tả nguyên lý cấu tạo của một chip MEMS

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý của một chip MEMS Từ khái niệm trên cho thấy một số đặc tính của MEMS như sau:

Là cấu trúc vi mô có kích thước từ 1μm đến 1mm

Mang các đặc tính điện (Electro), ví dụ cần phải cung cấp hiệu điện thế nguồn để hoạt động, có các tín hiệu điện/ điện tử vào ra …

Mang các đặc tính cơ (Mechanical): chuyển động cơ học, khớp nối theo 2 hoặc 3 chiều, các truyền động bánh răng, biến dạng các màng …

Mang đặc tính tích hợp giữa các hệ thống (Systems): gồm các nhóm linh kiện điện – cơ trong các cấu trúc khác nhau, chúng tích hợp với nhau trên một hệ thống thống nhất và có thể điều khiển được (Systems on chip) Một thiết bị được tạo ra đã có sẵn sự tích hợp các tính chất điện - cơ mà không cần các bước lắp ráp các phần chính của thiết bị (ví dụ như mạch điện, các cơ cấu cơ khí) trừ bước đóng gói sản phẩm

Công nghệ MEMS đã và đang tiến xa hơn nhiều so với nguồn gốc trước đây là công nghệ bán dẫn MEMS bao gồm những cấu trúc vi cơ, vi sensor, vi chấp hành và vi điện tử cùng được tích hợp trên cùng một chip (System on chip) Các linh kiện MEMS thường được cấu tạo từ Silic Một thiết bị MEMS thông thường là một hệ thống vi cơ tích hợp trên một chip và có thể kết hợp với những phần cơ chuyển động với những yếu tố sinh học, hoá học, quang hoặc điện …

Hình 1.3 Các lĩnh vực có thể ứng dụng trong MEMS Một hệ thống có thể bao gồm:

Cảm biến để thu nhận thông tin cho hệ thống

Mạch điện tử để xử lí các tín hiệu mà cảm biến đưa về

Cơ cấu chấp hành (Actutors): thực hiện các chuyển động đáp ứng theo các tín hiệu đã được mã hóa

Các cảm biến cơ cấu chấp hành thực hiện các chuyển động cơ, còn việc xử lý tín hiệu và kiểm soát hoạt động của cơ cấu có thể được xây dựng bằng cách sử dụng mạch điện tử Vì vậy, toàn bộ hệ thống có thể được tích hợp trên một chip duy nhất mà không cần thêm bất kỳ quá trình lắp ráp nào Cả một hệ thống tích hợp trên một đơn chip được thu nhỏ và xử lý song song dẫn đến việc chế tạo rẻ tiền trong trường hợp chế tạo với số lượng lớn và có khả năng làm cho các thiết bị có các chức năng đặc biệt mà không có ở công nghệ truyền thống

1.2.3 Quá trình phát triển công nghệ MEMS

Quá trình phát triển của MEMS được gắn liền với một số mốc sự kiện sau:

Từ giữa năm 1960 đến 1980: Phát triển các kỹ thuật làm nền móng cho phát triển trong lĩnh vực MEMS ngoài những kỹ thuật trong chế tạo vi mạch Ví dụ kỹ thuật ăn mòn dị hướng (K Bean năm 1978) để khắc các cấu trúc 3D trên nền Silic

Các nhà nghiên cứu đã ứng dụng quy trình chế tạo vi mạch để tạo nên các vi thiết bị cơ khí (MEMS) với các cấu trúc dầm, màng mỏng Song song đó, kỹ thuật vi gia công khối lượng và bề mặt ngày càng hoàn thiện vào thời điểm này Từ đó, lĩnh vực MEMS bắt đầu phát triển mạnh mẽ và tìm được nhiều ứng dụng trong các ngành công nghiệp khác nhau.

Năm 1970, Kurt Petersen của IBM và các trường đại học khác đã chế tạo thành công cảm biến áp suất dạng màng dựa trên hiệu ứng áp điện trở Họ cấy các điện trở trên tấm màng, chế tạo bằng công nghệ vi cơ khối (Bulk Micromaching).

Năm 1978, Hewlett-Packard đã phát hiện kỹ thuật chế tạo vòi phun mực in

Nhiều vòi phun phát ra các giọt mực in rất nhỏ dựa trên sự giãn nở nhiệt của chất lỏng Đến 2004 đầu phun mực in dựa nhiều nguyên tắc gồm nhiệt, áp điện, lực tĩnh điện Ví dụ như các dòng sản phẩm của EPSON dựa trên nguyên lý áp điện (từ đó không cần có các bộ phận gia nhiệt nữa)

Năm 1982, trên cơ sở một số kết quả đạt được trên vật liệu silic, Kurt Petersen nêu ra khái niệm “Silic là một vật liệu cơ” Ông đã trình bày sự phát triển của nhiều linh kiện theo vi cơ trên silic Đây có thể coi là một bước ngoặt về sự phát triển của công nghệ vi cơ điện và những khả năng khả quan mà công nghệ MEMS có thể mang lại được Đến năm 1984, các nhà khoa học chính thức xác nhận Silic là vật liệu vi cơ điện

Năm 1989, chế tạo thành công micromotor dựa trên nguyên lý lực tĩnh điện trên nền silic bỡi các nhà nghiên cứu của Đại Học California Một vài năm sau các nhà khoa học đã thống nhất tên gọi lĩnh vực này là “Micro – Electro – Mechanical Systems”

Ứng dụng công nghệ MEMS trong thiết kế khuôn mẫu

Tìm hiểu nhu cầu công nghệ MEMS trên thế giới và ở Việt Nam

Nghiên cứu bản chất công nghệ MEMS và các quy trình công nghệ chế tạo MEMS Ứng dụng công nghệ MEMS trong thiết kế khuôn mẫu

Mô phỏng dòng chảy của vật liệu trong khuôn mẫu

1.3.2 Những vấn đề khó khăn của luận văn

Nghiên cứu thiết kế chế tạo khuôn mẫu ứng dụng công nghệ MEMS là vô cùng cần thiết và có ý nghĩa khoa học cũng như ứng dụng đáng kể trong công nghiệp và đời sống Việc này tạo nền tảng cho sự phát triển tiên tiến hơn của công nghệ MEMS và công nghệ Nano Tuy nhiên, tại Việt Nam, việc nghiên cứu và phát triển công nghệ MEMS còn nhiều hạn chế và chưa được chú trọng đúng mức.

Việt Nam vẫn còn nhiều khó khăn và thử thách, đặc biệt là kinh phí phục vụ cho việc nghiên cứu và ứng dụng công nghệ này

Những vấn đề cần được giải quyết

Chọn vật liệu trong thiết kế - chế tạo khuôn mẫu ứng dụng công nghệ MEMS

Quy trình thiết kế - chế tạo khuôn mẫu ứng dụng công nghệ MEMS Đánh giá các thông số công nghệ của khuôn mẫu ứng dụng công nghệ MEMS trong thiết kế - chế tạo

Với những khó khăn nhất định về kinh phí để làm thực nghiệm nên đề tài chỉ dừng lại ở phần nghiên cứu lý thuyết và xây dựng quy trình thiết kế khuôn mẫu ứng dụng công nghệ MEMS

Quy trình thiết kế - chế tạo khuôn mẫu cho sản phẩm vi kim tiêm ứng dụng công nghệ MEMS được các chuyên gia về kỹ thuật tại Trung Tâm Nghiên Cứu &

Triển Khai – Khu Công nghệ cao TpHCM đánh giá cao về tính khả thi khi thực nghiệm

1.3.4 Dự kiến lĩnh vực ứng dụng của đề tài Ứng dụng công nghệ MEMS trong thiết kế vi khuôn cho sản phẩm “Vi kim tiêm“

Và để làm rõ hơn về công nghệ gia công chế tạo MEMS, chương tiếp theo sẽ trình bày những công nghệ gia công MEMS điển hình nhất

CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MEMS

Tổng quan về công nghệ gia công MEMS

MEMS phát triển và bắt nguồn từ công nghệ chế tạo vi mạch Chính vì thế công nghệ gia công chế tạo MEMS cũng kế thừa rất nhiều từ công nghệ vi mạch như: công nghệ tạo màng, quang khắc, ăn mòn …

Hình 2.2 Minh họa 3 quá trình tạo màng, quang khắc, ăn mòn trong công nghệ chế tạo vi mạch Tuy nhiên, đối với sản phẩm MEMS thì không chỉ đơn thuần là các chi tiết 2D mà có thể là những kết cấu 3D và thực hiện được các dịch chuyển, xoay … Do đó MEMS đã phát triển một số công nghệ chế tạo các cấu trúc dạng 3D như: vi cơ khối, vi cơ bề mặt, công nghệ LIGA …

Các công nghệ gia công chế tạo MEMS điển hình gồm có:

Công nghệ tạo màng: lắng đọng pha hơi khí hóa CVD(APCVD, LPCVD, PECVD), lắng đọng vật lý PVD (bốc bay, phún xạ)

Kỹ thuật khắc và ăn mòn được sử dụng trong sản xuất chất bán dẫn Có hai phương pháp khắc chính: quang khắc và khắc chùm electron Quang khắc sử dụng ánh sáng cực tím (UV) hoặc chùm tia electron, trong khi ăn mòn bao gồm ăn mòn hóa học ướt và khô (RIE/DRIE) Quá trình ăn mòn có thể là đẳng hướng hoặc dị hướng tùy thuộc vào tác nhân ăn mòn.

Công nghệ tạo màng

Hình 2.3 Các phương pháp gia công trong công nghệ tạo màng Có nhiều phương pháp tạo màng, có thể dựa vào yêu cầu về chất lượng vật lý và hóa học của chúng trong các ứng dụng để chọn phương pháp phù hợp Có hai phương pháp tạo màng chính là:

Loại trực tiếp: dùng silic làm vật liệu chính để hình thành lớp, silic có tác dụng làm vật liệu đối tác trong phản ứng hóa học (oxi hóa nhiệt, kết tủa khí hóa CVD)

Loại gián tiếp: chỉ dùng silic làm nền cho vật liệu khác kết tủa lên nó (kết tủa khí lý PVD)

Tuy nhiên các ứng dụng kỹ thuật tạo màng dùng trong MEMS đa phần dùng kỹ thuật kết tủa khí hóa và kết tủa khí lý Mỗi loại đều có ưu nhược điểm riêng, cần phải có một số phân tích đưa ra để có lựa chọn phù hợp với thiết kế cho từng nhu cầu

2.2.1 Lắng đọng hóa học (CVD - Chemical Vapor Deposition) a Khái niệm: Lắng đọng pha hơi hóa học là phương pháp tạo màng vật liệu dựa trên các phản ứng hóa học ở pha hơi trong một buồng lò có nhiệt độ áp suất nhất định Trong quá trình phản ứng, một số vật liệu cần chế tạo sẽ lắng đọng lên trên bề mặt của đế vật liệu hoặc lắng đọng vào các cấu hình định sẵn nhằm phục vụ cho việc chế tạo vật liệu linh kiện mạch tổ hợp Các điều kiện về thiết bị, nhiệt độ trong buồng lò và áp suất sẽ ảnh hưởng trực tiếp tới các thông số về cấu trúc màng,

CBHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà Trang 27 HVTH: Nguyễn Hùng Vỹ - 09040393 tính chất điện - nhiệt - quang, tính đồng đều của màng … Đây là phương pháp quan trọng nhất để tạo các lớp vật liệu nền, vật liệu vô định hình, đơn tinh thể và đa tinh thể như: SiO2, Si3N4, poly silic … b Phân loại: các loại CVD thông dụng như sau:

CVD nhiệt độ thông thường xảy ra trong vùng nhiệt độ từ 400 - 1100 o C

CVD ở áp suất thấp (LPCVD - Low Pressure CVD) tại 0.01 - 0.1 Torr (Torr là đơn vị đo áp suất không thuộc hệ đo lường quốc tế (SI) và bằng 1/760 atmôtphe)

CVD ở áp suất khí quyển (APCVD - Atmosphere Pressure CVD)

CVD trong môi trường plasma tăng cường ở nhiệt độ thấp (PECVD - Plasma enchanced CVD)

CVD cảm ứng bởi photon Trong đó photon được tạo ra bỡi đèn cực tím (UV - Ultra Vaiolet) hay laser

Tuy nhiên trong các ứng dụng tạo màng của MEMS chủ yếu dùng 3 phương pháp CVD chính đó là: LPCVD, APCVD, PECVD Mỗi phương pháp có ưu nhược điểm riêng, tùy theo yêu cầu chất lượng màng mà chọn phương pháp phù hợp Đối với APCVD thì khối lượng lắng đọng hạn chế phải chú trọng đến việc thiết kế lò phản ứng Còn phương pháp LPCVD tính đồng nhất, thành phần và ứng suất của lớp lắng đọng được xác định bởi các loại khí được dùng và nhiệt độ, áp suất hoạt động Đối với PECVD do có nguồn cao tần cung cấp năng lượng nên nhiệt độ lắng đọng màng rất thấp và chất lượng màng phụ thuộc vào áp suất lò, tần số và công suất nguồn cao tần, phương pháp này dùng cho các yêu cầu tạo lớp một vùng lớn c Phương pháp tạo màng trong nguồn plasma tăng cường PECVD Đặc điểm: Trong nhiều trường hợp cần thiết phải tạo màng ở nhiệt độ rất thấp, ví dụ tạo màng SiO2 lên nhôm chẳng hạn Để có thể tiến hành quá trình tạo màng ở nhiệt độ thấp như vậy, cần có nguồn năng lượng khác bổ sung vào cho các phân tử khí và các phân tử hấp thụ Nguồn năng lượng phi nhiệt được dùng chủ yếu hiện nay để điều khiển phản ứng CVD là plasma cao tần (RF) Các hệ CVD có sự

CBHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà Trang 28 HVTH: Nguyễn Hùng Vỹ - 09040393 trợ giúp của plasma (PECVD) có thêm ưu điểm là sử dụng ion bắn lên bề mặt để cung cấp năng lượng cho chất hấp thụ giúp chúng có thể khuếch tán trên bề mặt mà không cần nhiệt độ cao

Thiết bị PECVD: Có 3 loại hệ PECVD cơ bản là hệ bản cực song bản vách nguội, hệ bản cực song bản vách nóng và hệ cộng hưởng điện tử (ECR) Trong mỗi hệ người ta thường chọn tần số nguồn cao tần nhỏ hơn 1 MHz, tuy nhiên cũng có thể dùng tần số 13,56 MHz

Hệ CVD đầu tiên là hệ bản cực song bản vách nguội, ưu điểm của hệ này đó là nhiệt độ lắng động thấp Tuy nhiên, có kích thước phiến và số phiến có thể xử lý cùng một lúc còn hạn chế Đối với các nhu cầu để phủ lớp có đường kính lớn và nhiều phiến cùng một lúc thì hệ thích hợp là bản cực song bản vách nóng Trong những hệ thống này bộ RF – bao gồm plasma (plasma tạo ra bởi RF) chuyển năng lượng thành các chất khí tham gia phản ứng, cho phép lớp đỡ duy trì tại nhiệt độ thấp hơn so với APCVD và LPCVD Để chế tạo màng mỏng chất lượng cao ở nhiệt độ đế thấp, người ta sử dụng plasma mật độ cao Một trong cấu hình plasma mật độ cao là cộng hưởng cyclotron điện tử ECR ECR có tác dụng phân ly một số loại khí như Nitơ để tạo nitơ nguyên tử, N nguyên tử có thể dễ dàng phản ứng với silane (SiH4) để tạo màng Si3N4 mà hầu như không cần ion tác động lên đế Do hoạt tính cao của các nguyên tử không cần nhiệt độ cao cũng có thể nhận được lớp màng dày Kết quả đã tạo được màng SiO2 chất lượng tốt ở nhiệt độ rất thấp là 120 o C

Hình 2.4 Hệ PECVD bản cực song bản vách nóng

CBHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà Trang 29 HVTH: Nguyễn Hùng Vỹ - 09040393 Ứng dụng phổ biến nhất là khả năng tạo màng của SiO2 sử dụng silane và tác nhân oxy hóa như (oxy, N2O, CO2), các màng kim loại làm điện cực, silic vô định hình và Si3N4 tạo màng cho các lớp hi sinh hay màng có tính chất cơ học cao như những phần tử cơ đáp ứng các yếu tố tác động từ bên ngoài của hệ MEMS

Cần chú ý tới việc cài đặt tham số cho PECVD vì các tham số này có ảnh hưởng đến những đặc tính, thuộc tính lớp màng như: mật độ, ứng suất dư, độ đồng đều, khả năng phủ Trong đó việc kiểm soát những ứng suất chịu được của lớp màng và ứng suất dư bên trong đặc biệt khó khăn Những tham số thiết lập cho lò plasma sẽ quyết định đến các ứng suất cũng như đặc tính của lớp màng Sau đây là một số yếu tố chính ảnh hưởng đến chất lượng màng:

Tổng áp suất lò phản ứng: vì mật độ khí thay đổi với áp suất, “The mean - free path” mật độ nhỏ tại áp suất thấp Hệ quả là các ion được gia tốc về hướng “Cathode” tại áp suất thấp có thể đạt được năng lượng lớn hơn trước vì ít có sự va chạm giữa chúng Vì thế hiệu quả của sự bắn phá ion rất dễ thấy tại áp suất thấp và đảm bảo chất lượng phim tốt hơn Áp suất quá cao làm gia tăng mật độ lỗi trên chất tạo màng

Tần số của sự kích thích RF: Tại tần số thấp hơn, tốc độ ăn mòn ướt thấp hơn và tạo ra màng có khả năng chịu ứng suất nén tốt hơn Lúc này năng lượng bắn phá ion cao hơn làm cho chất lượng màng tốt hơn về mọi mặt Plasma đa tần số đang được ứng dụng rộng rãi, khi đó cho phép việc sử dụng kiểm soát chính xác những đặc tính của màng (đặc biệt là ứng lực) và nâng cao khả năng phủ bật Ảnh hưởng của công suất nguồn cao tần RF, khi công suất tăng mật độ dòng ion cũng tăng làm cho tốc độ tạo màng gia tăng khi dòng ion cao hơn

Nhiệt độ: Tại nhiệt độ thấp tốc độ tạo màng cao sau đó giảm dần do phát tán qua bề mặt Do những phân tử trước khi được hấp thụ sẽ có sự tương tác bên trong với một phân tử va chạm trước khi nó có khả năng phát

CBHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà Trang 30 HVTH: Nguyễn Hùng Vỹ - 09040393 tán trên bề mặt và phim vô định hình được hình thành Tại nhiệt độ cao (và tốc độ tăng trưởng thấp), sự phát tán bề mặt nhanh Các hạt bị hấp thụ có thể phát tán tới sự tăng trưởng bậc (step growth) hình thành lên những chất đơn tinh thể d Tạo màng tại áp suất khí quyển APCVD

Công nghệ quang khắc

Hình 2.10 Các phương pháp gia công trong công nghệ quang khắc

2.3.1 Tổng quan về công nghệ Quang khắc

Kỹ thuật khắc (Lithography technique) là kỹ thuật dùng để chuyển bản sao của các dạng nguyên thể lên bề mặt vật liệu rắn như lên các tấm silicon wafer Cả công nghệ vi chế tạo và vi điện tử đều được bắt đầu từ quá trình lithography Kỹ thuật này đã có hàng nghìn năm

Quang khắc hay photolithography là kỹ thuật sử dụng trong công nghệ bán dẫn và công nghệ vật liệu nhằm tạo ra các chi tiết của vật liệu và linh kiện với hình dạng và kích thước xác định bằng cách sử dụng bức xạ ánh sáng làm biến đổi các chất cảm quang phủ trên bề mặt để tạo ra hình ảnh Phương pháp này được sử dụng phổ biến trong công nghiệp bán dẫn và vi điện tử, nhưng không cho phép tạo các chi tiết nhỏ do hạn chế của nhiễu xạ ánh sáng, nên được gọi là quang khắc micro (micro lithography)

Năm 1982, tại Pháp, Nicephore Niepce đã thành công trong việc chép lại một bản in khắc lên một tấm giấy dầu bằng cách đặt nó lên trên một tấm kính được phủ một lớp nhựa đường đã được hòa tan bằng dầu lavender Sau 2 đến 3 giờ đặt dưới ánh nắng, phần nhựa đường được chiếu sáng trở nên cứng so với những vùng không được chiếu sáng Phần không được chiếu sáng này tan được trong axit mạnh (được

CBHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà Trang 37 HVTH: Nguyễn Hùng Vỹ - 09040393 tìm ra bởi Niepce), nhà điêu khắc Lemantre đã tạo ra được bản sao của tác phẩm

“Engraving of Cardinal d’Amboise” vào năm 1872 Đây là một ví dụ tiêu biểu cho quá trình truyền ảnh bằng khắc và kỹ thuật tạo rãnh bằng phương pháp hóa học

Hình 2.11 Hình mẫu sớm nhất của kỹ thuật khắc sau đó được khắc bằng phương pháp ướt Quy trình của Niepce là tiền thân cho sự thành công của công nghệ quang khắc Sau đó mới có các mặt nạ quang học, tiếp theo là quá trình xử lý bằng hóa chất dẫn đến quá trình quang khắc hiện đang được sử dụng trong quá trình sản xuất mạch tích hợp (IC) và quá trình vi chế tạo Cho đến chiến tranh thế giới thứ 2, hơn 100 năm sau phát minh của Niepce, ứng dụng đầu tiên của board mạch in mới trở thành hiện thực Đến năm 1961, một số phương pháp đã được phát minh để từ đó quá trình quang khắc tạo ra một lượng lớn các transistor trên các lát silic mỏng Tại thời điểm này các ảnh có độ phân giải đến 0.5μm Hiện nay có thể đạt độ chính xác dưới 1μm trên các bản in thực hiện bởi khắc bằng tia X hoặc bằng chùm các phần tử mang điện (Charged particle beam lithography) Quá trình quang khắc phát triển mạnh và ngày càng có những ứng dụng quan trọng cho việc chế tạo các chi tiết có kích thước nhỏ

Quang khắc là quá trình truyền ảnh từ mặt nạ lên một lớp cảm quang (một loại polymer nhạy sáng) dưới dạng ảnh ẩn Công nghệ khắc sử dụng chùm ánh sáng tử ngoại (UV) với bước sóng 365nm phát ra từ đèn thủy ngân, nó được phát triển và hoàn thiện từ những năm 1960 Về cơ bản, kỹ thuật này giống như trong công nghệ làm ảnh Bằng kỹ thuật này do độ phân giải phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng, nên chỉ có thể khắc được các kích thước dạng ô, lỗ có đường kính khoảng 100 nm để phục vụ cho chế tạo linh kiện bán dẫn và vi mạch trên đó Đây là khâu công nghệ quan trọng và đóng góp lớn cho việc chế tạo thiết bị vi mạch và các sản phẩm MEMS

Tên gọi LIGA bắt nguồn từ Đức (Lithographie, galvanoformung và abformung) bỡi một bài báo đầu tiên đăng về kỹ thuật này vào năm 1982 Ban đầu chỉ để sản xuất các thiết bị có tỷ số hình dạng cao (HAR = hight aspect ration) Kể từ đó, kỹ thuật này đã được áp dụng thành công trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu

Ngoài ra việc đưa vào sản xuất công nghiệp cũng được áp dụng mặc dù vẫn còn nhiều mặt hạn chế về kích thước LiGA dùng các kỹ thuật quang khắc, mạ điện và tạo khuôn để sản xuất các cấu trúc kích thước micro Đặc điểm của kỹ thuật LIGA:

Tạo cấu trúc cao đến 3mm tùy thuộc vào thiết kế

Hình dạng biên tự do

Kích thước nhỏ nhất có thể đạt được là 200nm

Tỷ số hình dạng một cấu trúc chuẩn đạt được là 50 và 500 đối với các cấu trúc hỗ trợ Độ nhấp nhô bề mặt < 20nm

Hình 2.12 Một số sản phẩm có tỷ số hình dạng cao chế tạo bằng công nghệ Liga

CBHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà Trang 39 HVTH: Nguyễn Hùng Vỹ - 09040393 a Nguyên lý hệ quang khắc

Một hệ quang khắc bao gồm một nguồn phát tia tử ngoại, chùm tia tử ngoại này được khuếch đại, sau đó chiếu qua một mặt nạ (Photomask) Mặt nạ là một tấm chắn sáng được in trên đó các chi tiết cần tạo (che sáng) để che không cho ánh sáng chiếu vào vùng cảm quang, tạo ra hình ảnh của chi tiết cần tạo trên cảm quang biến đổi Sau khi chiếu qua mặt nạ, bóng của chùm sáng sẽ có hình dạng của chi tiết cần tạo, và được hội tụ trên bề mặt phiến đã phủ cảm quang nhờ một hệ thấu kính hội tụ

Mặt nạ: Là một tấm thủy tinh có hình ảnh Hình ảnh được tạo bằng cách ăn mòn có chọn lọc lớp crom mỏng (khoảng 70nm) phủ trên tấm thủy tinh tạo vùng tối và vùng sáng Khi chiếu ánh sáng qua những chỗ không có crom thì cho ánh sáng đi qua, chỗ nào có crom sẽ cản ánh sáng

Hình 2.13 Kết cấu mặt nạ trong công nghệ quang khắc Các giai đoạn cơ bản để tạo quang khắc:

Chuyển hình ảnh từ mặt nạ lên photoresist

Rửa, tạo hình ảnh lên photoresist Ăn mòn lớp oxit bên dưới photoresist và tách lớp photoresist

Hình 2.14 Quy trình chế tạo theo công nghệ quang khắc b Quy trình chế tạo theo công nghệ quang khắc

Quang khắc được sử dụng rộng rãi nhất trong ngành công nghiệp bán dẫn để chế tạo các vi mạch điện tử Ngoài ra, quang khắc được sử dụng trong ngành khoa học và công nghệ vật liệu để chế tạo các chi tiết vật liệu nhỏ, chế tạo các linh kiện vi cơ điện tử (MEMS) Hạn chế của quang khắc là do ánh sáng bị nhiễu xạ nên không thể hội tụ chùm sáng xuống kích cỡ quá nhỏ, vì thế không thể chế tạo các chi tiết có kích thước nano (độ phân giải của thiết bị quang khắc tốt nhất là 50nm), do đó khi chế tạo các chi tiết nhỏ cấp nanomet phải thay bằng công nghệ quang khắc chùm điện tử (Electron beam lithography)

* Bước 1: Chuẩn bị bề mặt ắ Tỏch tạp chất trờn bề mặt wafer

Thổi khí nitơ có áp suất cao

Vệ sinh bằng hóa chất

Dòng nước có áp suất cao

Dùng cọ rửa ắ Sấy tỏch ẩm Trên bề mặt các wafer thường có ẩm do đó cần phải loại bỏ bằng cách gia nhiệt ở khoảng 150~200 o C ắ Phủ lớp primer:

Mục đích: làm tăng khả năng kết dính giữa wafer và photoresist

Primer thường sử dụng là HMDS (Hexamethyldislazane)

* Bước 2: Phủ photoresist - Coating (Spin Casting) Ở giai đoạn này nền được quay trên spinner trong môi trường chân không

Các thông số kiểm soát trong giai đoạn này:

Thời gian quay: 15-30 giây Độ dày lớp phủ: 0.5-15μm

Công thức thực nghiệm để tính độ dày lớp phủ photoresist w t kp

= 2 với k: hằng số của thiết bị quay spinner (80-100) p: hàm lượng chất rắn trong resist (%) w: tốc độ quay của spinner (vòng/1000)

Bảng 2.2 Các lỗi thường gặp trong quá trình phủ lớp photoresist

Các lỗi thường gặp Nguyên nhân Hướng khắc phục Độ dày không đều

Bề mặt khô không đều các đường biên dày hơn (có thể dày hơn 20-30 lần)

Có thể đặt một vòng tròn ở đường biên

Dùng dung môi phun lên lớp biên để hòa tan

Xuất hiện các đường sọc Do trong resist có các hạt rắn có đường kính lớn hơn độ dày lớp phủ

Dày ở đường biên Đường sọc trên bề mặt

Hình 2.15 Lỗi của quá trình phủ lớp photoresist

* Bước 3: Sấy sơ bộ Pre-Baking (Soft-Baking)

Mục đích: làm bay hơi dung môi có trong photoresist Trong quá trình sấy độ dày lớp phủ sẽ giảm khoảng 25%

Dùng lò đối lưu nhiệt Điều kiện: nhiệt độ: 90-100 o C, thời gian: 20 phút

Dùng tấm gia nhiệt Điều kiện: nhiệt độ: 75-85 o C, thời gian: 45 giây

Dùng sóng viba và đèn hồng ngoại

Trong giai đoạn này, hệ sẽ được chiếu ánh sáng để chuyển hình ảnh lên nền, mặt nạ được đặt giữa hệ thấu kính và nền

Có 3 phương pháp chiếu dựa vào vị trí đặt mặt nạ:

Mặt nạ đặt cách photoresist khoảng cách nhỏ

Mặt nạ đặt cách xa photoresist, ánh sáng được chiếu qua hệ thấu kính Hình ảnh thu nhỏ 1:4 đến 1:10

Bảng 2.3 So sánh ưu nhược điểm của 3 phương pháp chiếu

Phương pháp Ưu điểm Khuyết điểm

Mặt nạ tiếp xúc Giá cả hợp lí Độ phân giải cao: 0.5 μm

Làm hư mặt nạ do lớp oxit trên mặt nạ bị xướt

Các vết bẩn trên mặt nạ sẽ in lên

CBHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà Trang 43 HVTH: Nguyễn Hùng Vỹ - 09040393 phototresit Mặt nạ đặt cách photoresist khoảng cách nhỏ

Giá cả hợp lí Độ phân giải thấp: 1-2 μm

Do ảnh hưởng của nhiễu xạ nên hạn chế độ chính xác của hình ảnh Độ lặp lại của hình ảnh kém Mặt nạ đặt cách xa photoresist Độ phân giải rất cao: < 0.07 μm)

Không gây hư hỏng mặt nạ

Giá thành cao Bị ảnh hưởng của nhiễu xạ

Dùng hóa chất tách các photoresist chưa đóng rắn Đối với photoresist âm:

Chất súc lại: n-butylacetate Đối với photoresist dương:

Chất rửa: (NaOH, KOH), nonionic soln (TMAH)

Tỷ lệ hòa tan của vùng chiếu và vùng không được chiếu là 4:1 Do đó photoresist dương nhạy hơn photoresist âm

Phương pháp nhúng: đưa trực tiếp dung dịch rửa

* Bước 6: Sấy khô Post-Baking (Hard-Baking)

Mục đích: làm cho photoresist cứng hoàn toàn, đồng thời tách toàn bộ dung môi ra khỏi resist Điều kiện sấy: nhiệt độ: 49-54 o C, thời gian: 30 phút

Có hai loại ăn mòn: Ăn mòn ướt: sử dụng đối với chi tiết có độ phân giải > 3μm Ăn mòn khô: sử dụng đối với chi tiết có độ phân giải < 3μm

CBHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà Trang 44 HVTH: Nguyễn Hùng Vỹ - 09040393 ắ Ăn mũn ướt

Là phương pháp đơn giản nhất và kinh tế nhất để hòa tan các resist chưa đóng rắn Phương pháp này được sử dụng nhiều nhất trong việc sản xuất màn hình TFT LCD và công suất tạo ra lớn hơn phương pháp ăn mòn khô

Một thùng chứa hóa chất để hòa tan resist chưa đóng rắn

Một mặt nạ Mặt nạ này có tác dụng giữ hình ảnh đúng theo yêu cầu Mặt không tan trong dung môi hoặc tan chậm hơn rất nhiều so với phần resist chưa đóng rắn

Kỹ thuật ăn mòn

Hình 2.39 Các phương pháp gia công trong công nghệ ăn mòn

Ăn mòn là quá trình loại bỏ phần vật liệu không mong muốn khỏi sản phẩm bằng phương pháp hóa học hoặc kết hợp phương pháp cơ - hóa - lý Trong quá trình này, vật liệu không cần thiết sẽ bị ăn mòn hoàn toàn hoặc một phần tùy theo mục đích và điều kiện đã xác định.

Phần lớn các bước đầu tiên trong chế tạo một sản phẩm MEMS đều sử dụng kỹ thuật ăn mòn ướt (khắc ướt), mặc dù trong kỹ thuật chế tạo vi mạch chủ yếu dùng khắc khô Cả hai quá trình ăn mòn ướt và khô đều được dùng cho ăn mòn đẳng hướng và ăn mòn có tính chọn lọc với các vật liệu làm mặt nạ và các vật liệu tiếp xúc với mặt nạ

Yêu cầu: phải có tính chọn lọc và tính bất đẳng hướng cao Trong việc chế tạo mạch tích hợp phải thực hiện các bước khắc ăn mòn nhưng có tính chọn lọc nghĩa là chỉ có tác dụng ăn mòn lên từng lớp xác định nằm trong chuỗi các lớp của linh kiện trong quá trình hình thành Cấu trúc càng tinh vi bao nhiêu, việc ăn mòn thẳng đứng chính xác càng quan trọng bấy nhiêu

2.4.2 Phân loại kỹ thuật ăn mòn

Có nhiều cách phân loại về ăn mòn, có thể phân loại theo thuộc tính của chất ăn mòn như:

CBHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà Trang 73 HVTH: Nguyễn Hùng Vỹ - 09040393 Ăn mòn trong dung dịch lỏng gọi là ăn mòn ướt

Phân loại theo nguyên lí ăn mòn như: Ăn mòn hóa học trên cơ sở tương tác hóa học bao gồm: ăn mòn ướt và ăn mòn khô Ăn mòn vật lý bao gồm: ăn mòn do bắn phá (sputtering eatching) và ăn mòn không bằng bào ion (ion milling) Ăn mòn hóa lí bao gồm ăn mòn bằng chùm tia ion kèm theo với các nguyên lí hóa học và ăn mòn ion phản ứng (reactive ion eaching – RIE)

Cũng có thể phân loại theo hướng ăn mòn:

Nếu tốc độ ăn mòn theo mọi hướng như nhau gọi là ăn mòn đẳng hướng, ở đây chất ăn mòn không những ăn mòn theo chiều sâu mà còn ăn mòn theo cả chiều ngang với tốc độ như nhau làm cho cấu trúc sinh các khuyết tật undercut

Nếu tốc độ ăn mòn theo các hướng không giống nhau gọi là ăn mòn dị hướng Ăn mòn dị hướng chỉ ăn chủ yếu theo một chiều tuy nhiên cũng ăn mòn một ít theo chiều khác gọi là ăn mòn dị hướng không hoàn hảo Còn ăn mòn dị hướng mà tác nhân ăn mòn chỉ ăn mòn theo một chiều xác định gọi là ăn mòn dị hướng hoàn hảo Quá trình ăn mòn dị hướng hoàn hảo có thể tạo các cấu trúc vách thẳng đứng

Để phân biệt rõ hai quá trình ăn mòn, có thể sử dụng hệ số tỷ lệ tốc độ ăn mòn theo phương ngang so với phương đứng Hệ số này giúp phân biệt quá trình ăn mòn dị hướng (tỷ lệ cao) và ăn mòn đẳng hướng (tỷ lệ thấp).

RL = 1 → ăn mòn đẳng hướng

0< RL 50:1

SiO2 HF hút Cảm quang >50:1

1 SiO2 ốc độ trong ăn mòn dị hướng được kiểm soát bỡi tốc độ phản ứng, do vậy cũng p ng dịch kiềm như KOH, NaOH ứng ăn mòn thông dọc theo nền silic, các cấu trúc dạng đỉnh (mesa) …

T hụ thuộc vào nhiệt độ Tốc độ khắc tăng khi nhiệt độ tăng, đồng thời độ phẳng của bề mặt cũng tăng, do vậy khắc ở tốc độ cao cho kết quả tốt nhất Trong thực tế ta tiến hành khắc ở nhiệt độ 80 – 85 o C để tránh sự bay hơi của dung môi và sự tạo thành gradient nhiệt độ trong dung dịch Ăn mòn ướt dị hướng dùng KOH để ăn mòn silic

+ Chất ăn mòn ướt dị hướng thường dùng nhất là dụ , hay LiOH Trong đó dung dịch KOH được sử dụng nhiều hơn vì:

Cần ít biện pháp bảo hộ lao động

Dễ chỉnh nồng độ dung dịch

Dễ hòa tan chất thải của phản

Dung dịch ăn mòn ổn định theo thời gian

Dễ dàng tạo các rãnh chữ V, hoặc các lỗ

Hình 2.42 Một số biên dạng sau khi ăn mòn bằng dung dịch KOH Đặc điểm khi dùng tác nhân ăn mòn là KOH

Mặc dù các mặt nạ chống ăn mòn được sử dụng, quá trình ăn mòn vẫn có thể xảy ra, tùy thuộc vào sự định hướng của tinh thể silic.

Mặt nạ: mặt nạ sử dụng tốt nhất là Nitride vì KOH không ăn Cũng có thể dùng SiO2 l chậm

Hình 2.43 Biểu đồ thể hiện ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ ăn mòn Si bằng dung dịch KOH 45%

Ngoài tác nhân KOH cho ăn mòn ướt dị hướng cũng có thể dùng EDP

Bảng 2.6 Các tác nhân ăn mòn dị hướng Silic Tỏc nhõn Mặt nạ Tốc độ ăn mũn (àm/h)

Sự khá chủ yếu ỗn hợp khắc là độ khắc giữa mặt nạ và vật liệu được trê nạ phù hợp cho c bằng KOH là Si3N4 và silic carbit, v hắc không Nếu dùng SiO2 để làm mặt nạ thì tỷ lệ khắc g i bỏ bề mặt hư hỏng khi chế tạo của quá trình khắc không đẳng hướng (tránh sự tạo thành sau khi khắc khô hoặc khắc c hoặc các bề mặt phẳng trên các lát đơn tinh thể mỏng ển tiếp điện tử và xác định lỗi (với các tác nhân khắc hỗn hợp các axi được s ản sự phân hủy của HNO3 tốt hơn, do đó bảo toàn được t c biệt giữa các h tốc kết tủa n nền Một mặt khắ ới mức k gần như là iữa mặt nạ và vật liệu là 1/200 Điều này có thể đạt yêu cầu trong một số trường hợp, tuy nhiên để loại bỏ một lượng lớn Si độ dày mặt nạ yêu cầu là không phù hợp Ăn mòn ướt đẳng hướng

+ Một số ứng dụng của quá trình ăn mòn ướt đẳng hướng:

Loạ Làm tròn các góc sắc cạnh tập trung ứng suất)

Loại bỏ sự gồ ghề của các bề mặt không đẳng hướng

Tạo thành các cấu trú

Truyền ảnh lên các lớp phim đơn, đa tinh thể hoặc vô định hình

Xác định dạng chuy đẳng hướng có lựa chon)

Trong quá trình khắc Si đẳng hướng, các tác nhân phổ biến nhất là HNO3 và HF Nước có thể được sử dụng làm dung môi phân tán, nhưng axit axetic được sử dụng rộng rãi hơn vì nó có khả năng ngăn ngừa quá trình oxy hóa mạnh của HNO3 trong một phạm vi nồng độ rộng Hệ thống khắc này được gọi là hệ HNA Trong hệ HNA, HNO3 đóng vai trò là chất oxy hóa tạo ra các lỗ trống trong Si.

Vi cơ khối

Gia công vi cơ khối là phương pháp sử dụng phương pháp hóa lý để tạo ra các chi tiết vi cơ trên vật liệu nền Quá trình này bao gồm ăn mòn vật liệu để tạo ra các lỗ, rãnh hoặc chỗ lõm bằng cách sử dụng hỗn hợp axit (ăn mòn ướt) hoặc kỹ thuật khắc ion phản ứng (RIE) (ăn mòn khô).

Hình 2.50 Nhiều cấu trúc vi cơ khối khác nhau được chế tạo trên nền Silic đơn tinh thể (dầm, rãnh chữ V, màng … ) Sản phẩm điển hình dùng công nghệ này để chế tạo là vi cảm biến áp suất dạng màng, cảm biến gia tốc áp điện trở

Hình 2.51 Cảm biến áp suất dạng màng chế tạo bằng vi cơ khối

2.5.2 Công nghệ dùng trong vi cơ khối

Công nghệ vi cơ khối xuất hiện từ những năm 1970 và là công nghệ điển hình nhất để tạo các cảm biến vi cơ Nếu chế tạo các cảm biến này bằng công nghệ gia công cơ khí chính xác thì cần phải có công cụ chính xác và phức tạp, trong khi công nghệ vi cơ khối giải quyết vấn đề này một cách dễ dàng Những khâu chính tiêu biểu cho kỹ thuật vi cơ khối là:

CBHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà Trang 87 HVTH: Nguyễn Hùng Vỹ - 09040393 Ăn mòn:

Dị hướng: với phương pháp ăn mòn ướt dùng phổ biến là KOH, EDP Với phương pháp ăn mòn khô dùng RIE/DRIE Đẳng hướng dùng phổ biến là hệ HNA

Các kỹ thuật dừng ăn mòn (etch stop)

Kỹ thuật ghép đĩa (wafer bonding) thường được áp dụng cho các chi tiết vi cơ phức tạp không thể chế tạo liền khối đòi hỏi chế tạo riêng lẻ các chi tiết đơn lẻ sau đó ghép lại với nhau để hoàn thiện cấu trúc.

Silic đơn tinh thể là vật liệu tiêu biểu của công nghệ vi cơ khối Si trở nên được ưa chuộng nhất để sản xuất vì chúng có sẵn độ tinh khiết cao từ công nghệ vi điện tử và rẻ tiền

Kỹ thuật quang khắc, ăn mòn đã được trình bày ở phần trước nên phần này trình bày các kỹ thuật kiểm soát kích thước ăn mòn dị hướng và kỹ thuật ghép đĩa

2.5.3 Kỹ thuật kiểm soát kích thước ăn mòn

Kiểm soát qua thời gian ăn mòn: để chừa lại lớp màng mong muốn Tuy nhiên phương pháp này đôi khi cũng gặp một số sai sót về chiều dày màng Ví dụ cú thể kiểm soỏt được lớp màng dày khoảng 50àm Mặt nạ ăn mũn Silic nền

Hỡnh 2.52 Kiểm soỏt bằng thời gian ăn mũn với cỏc màng > 50àm Kiểm soát qua pha tạp: Đối với các màng mỏng, có thể kiểm soát kích thước bằng cách cấy Boron vào tấm silic nền, tạo lớp bằng cách khuếch tán Boron một khoảng bằng bề dày tấm màng để dừng ăn mòn Bằng cách này chiều dày tấm màng được kiểm soát một cách chính xác và đơn giản hơn việc tính thời gian khắc như trên

Đối với hỗn hợp khắc, tốc độ khắc giảm khi tăng nồng độ pha tạp pH Tận dụng đặc tính này, các kỹ sư có thể sử dụng pha tạp Bo làm mặt phẳng dừng khắc, giúp chế tạo các cấu trúc khác nhau Nồng độ tối ưu của pha tạp Bo này là khoảng 5x10^19 cm-3 Một ứng dụng điển hình của kỹ thuật dừng khắc có thể thấy trong hình minh họa.

Hình 2.53 Kiểm soát ăn mòn bằng cách cấy lớp B vào nền silic Phương pháp này sử dụng ion được gia tốc trong trường tĩnh điện để cấy vào phiến, bằng cách này có thể khống chế lượng tạp chất đưa vào Ion nguyên tử tạp chất được gia tốc trong điện thế U và được bắn vào tinh thể bán dẫn với năng lượng cuối cùng đạt đến:

Với: q là điện tích cơ bản, Z là số điện tích

Hình 2.54 Sơ đồ hệ thống pha tạp B bằng cấy ion Sự phụ thuộc tốc độ khắc vào mật độ boron khuếch tán vào được thể hiện như biểu đồ sau:

Hình 2.55 Biểu đồ ảnh hưởng mật độ B đến tốc độ ăn mòn

2.5.4 Kỹ thuật liên kết tấm (Wafer Bonding)

Với kỹ thuật wafer bonding có thể tạo liên kết chắc chắn giữa 2 loại vật liệu giống hoặc khác nhau mà không cần đến keo để tạo liên kết trung gian Phương pháp này dùng liên kết: Si-Si (trực tiếp), Si-Thủy tinh, Si-Au Với kỹ thuật liên kết trực tiếp thì không cần lớp trung gian, còn kỹ thuật liên kết gián tiếp cần lớp trung gian hoặc lớp kết dính Một số phương pháp liên kết như: gia nhiệt, sự hỗ trợ của điện, hóa

Wafer được đánh bóng/ làm sạch rồi gia nhiệt tại phòng nhiệt Các tấm được liên kết bằng cách gia nhiệt và tạo lực ép để liên kết hoặc gia nhiệt lớn để liên kết

Hình 2.56 Cấu trúc liên kết tấm bằng kỹ thuật gia nhiệt

Tạo liên kết với sự hỗ trợ của điện

Hình 2.57 Sơ đồ liên kết tấm bằng hỗ trợ của dòng điện Với kỹ thuật này không cần ngoại lực tác động, cho điện thế cao giữa 2 tấm cần liên kết sẽ tạo ra lực tĩnh điện lớn Liên kết SiO2 với Si hoặc kim loại dùng thủy tinh chịu nhiệt tốt để phù hợp với hệ số giãn nở nhiệt Một trong những ưu điểm của phương pháp này là nhiệt độ kết dính tương đối thấp thường nhỏ hơn 500 o C.

Vi cơ bề mặt

Với phương pháp vi cơ khối bị giới hạn bởi phương pháp ăn mòn dị hướng và quang khắc 2 mặt Một nhược điểm nữa của ăn mòn dị hướng là kích thước chi tiết không thu nhỏ được bất kỳ Ngoài ra, công nghệ vi cơ khối không đồng nhất với công nghệ vi điện tử Ngược lại với vi cơ khối, vi cơ bề mặt dùng một lớp kết tủa

CBHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà Trang 91 HVTH: Nguyễn Hùng Vỹ - 09040393 trên nền silic không bị hạn chế về kích thước bề dày khi thiết kế và đặc biệt đồng nhất với công nghệ CMOS Nếu các chi tiết vi cơ khối có kích thước vài mm thì chi tiết vi cơ bề mặt chỉ lớn vài micro Điều này dẫn đến khả năng giảm giá thành và tạo điều kiện đưa công nghệ này vào các ứng dụng thực tế Các chi tiết có một đầu tự do hay chi tiết truyền động tự do được chế tạo bằng vi cơ bề mặt dùng lớp hy sinh

Lớp hy sinh có tác dụng giữ khoảng cách và làm chỗ bám tạm thời cho lớp vật liệu kết tủa của cấu trúc cần định hình SM không loại vật liệu như BM mà xây dựng cấu trúc bằng cách thêm (adding) các lớp trên bề mặt của tấm nền Tạo các lớp vật liệu hy sinh trên vật liệu nền trước, sau đó định hình cấu trúc của lớp hy sinh trên mặt vật liệu nền bằng các phương pháp quang khắc Tiếp theo lắng đọng lớp vật liệu cho cấu trúc cơ trên lớp hy sinh đã được định hình, rồi loại bỏ (remove) lớp hi sinh để tạo ra cấu trúc theo yêu cầu Có thể tóm tắt quá trình như hình sau:

Để chế tạo dầm đa tinh thể silic (P-Si) một đầu cố định, một đầu tự do trên phiến silic, người ta thực hiện các bước ăn mòn lớp hy sinh như sau:

Tạo ra lớp oxyt silic trên phiến silic

Dùng mặt nạ 1 khoét (theo cách khắc hình) diện tích để gắn vào đó đầu cố định của dầm

Phủ lên toàn bộ một lớp đa tinh thể silic rồi dùng mặt nạ 2 để khắc hình, khoét đi lớp silic đa tinh thể, chỉ chừa lại một dầm

Nhúng toàn bộ vào một loại axit để hoà tan hết SiO2 (nhưng không hoà tan silic) ta có được dầm đa tinh thể một đầu bám vào phiến silic, một đầu tự do

Hình 2.59 Quy trình chế tạo dầm Poly-Si bằng phương pháp ăn mòn lớp hy sinh Cũng có thể tạo lớp cấu trúc với diện tích rộng trên mặt vật liệu nền bằng SM một cách dễ dàng, cũng dùng lớp SiO2 làm lớp hi sinh

Hình 2.60 Cấu trúc P-Si có diện tích rộng được chế tạo trên nền Si

Trong các ví dụ trên có những lớp chế tạo ra như lớp SiO2 chỉ có vai trò trong một giai đoạn gia công, sau đó lại hoà tan để loại bỏ, đó là lớp hy sinh

Hình 2.61 Các sản phẩm của vi cơ bề mặt: bộ truyền bánh răng, micro motor Bên cạnh những công nghệ gia công chế tạo các sản phẩm MEMS thì các phương pháp gia công trong công nghệ vi khuôn cũng có vai trò đặc biệt quan trọng góp phần thành công trong việc chế tạo các sản phẩm có kích thước nhỏ Trong chương tiếp theo sẽ trình bày về các phương pháp gia công trong công nghệ vi khuôn

CÔNG NGHỆ VI KHUÔN

Khái niệm về vi khuôn – Micromolding

Công nghệ MEMS ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ điện đến quang, từ cơ khí đến sinh học và y sinh Tuy nhiên, MEMS thường được chế tạo bằng các kỹ thuật tương tự như công nghệ vi mạch Nhược điểm chính của công nghệ này là chi phí vật liệu rất cao, do đó các nhà sản xuất đã nghĩ đến công nghệ vi khuôn (micromolding) để sản xuất hàng loạt nhằm giảm chi phí Nghĩa là công nghệ MEMS đóng vai trò như bước tạo mẫu và tạo khuôn (mold insert) ngoài ra cũng có thể dùng công nghệ cắt dây EDM để gia công khuôn

Ngày nay, trên thế giới công nghệ khuôn mẫu trong ngành nhựa đang theo xu hướng cho các sản phẩm có kích thước ngày càng nhỏ và độ chính xác cao Nhu cầu ngày càng tăng trong việc sản xuất các chi tiết micro có độ chính xác cao từ vật liệu nhựa Vì thế công nghệ vi khuôn đang xem như là chìa khóa cho nhiều ứng dụng trong các ngành và lĩnh vực khác nhau

Tuy nhiên công nghệ vi khuôn vẫn còn trong giai đoạn đầu và là một lĩnh vực còn rất mới nên còn nhiều thách thức cho thiết kế và chế tạo Vấn đề không chỉ giảm kích thước mà có thể xem đây là một chuyên ngành kỹ thuật đúng nghĩa với nhiều vấn đề tồn tại Từ máy ép, vật liệu, quy trình đến thiết bị cần được giải quyết

Vi khuôn (micromolding) bao gồm nhiều loại như: Vi khuôn dùng cho ép phun (Micro injection molding), chạm nổi nhiệt (Hot Embossing), phương pháp in

CBHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà Trang 95 HVTH: Nguyễn Hùng Vỹ - 09040393 tiếp xúc (Micro contact printing) … Trong đó vi khuôn dùng cho phun ép là một lĩnh vực rất mới và còn rất nhiều vấn đề cần nghiên cứu

Các yếu tố quan trọng trong công nghệ vi khuôn mẫu cần được nghiên cứu, khảo sát như: Vật liệu, quy trình thiết kế chế tạo, thời gian phun ép, nhiệt độ khuôn, nhiệt độ ép, áp suất ép, tốc độ dòng chảy, phân loại dòng chảy, … và mô phỏng dòng chảy cũng như các thông số công nghệ trong vi khuôn phun ép

Hình 3.1 Khuôn được gia công bằng công nghệ phay với các phần tử micro

(Phần tử nhỏ nhất: 0,05mm, độ nhỏm bề mặt Ra < 0,15àm)

Hình 3.2 Máy phun ép BOY 22A dùng trong công nghệ vi khuôn[9]

Bảng 3.1 Thông số của máy phun ép BOY 22A

Khoảng dịch chuyển của trục vít 16 inches (400 mm) Đường kính trục vít 32 mm

Thể tích phun ép 36.5 cm 3

Dung tích hạt 5 - 2.01 oz (14 - 57 g) Áp suất phun ép lớn nhất 20000 psi

Các yếu tố quan trọng của công nghệ vi khuôn [9]

Hệ số dòng chảy của vật liệu nhựa

Nhiệt độ khuôn phun ép Áp suất và tốc độ phun ép

Thời gian và áp suất giữ khuôn

Kiểu dòng chảy, mô phỏng thực nghiệm

Công nghệ gia công chế tạo vi khuôn

Vi khuôn có nghĩa ý quan trọng trong lĩnh vực khuôn mẫu nói riêng và trong công nghệ MEMS nói chung Thành công trong công nghệ vi khuôn phun ép sẽ tạo ra bước đột phá mới trong lĩnh vực thiết kế và chế tạo công nghệ MEMS cho các lĩnh vực như hàng không vũ trụ, cảm biến, bộ dẫn động, y tế, với các thiết bị có kích thước micro

3.1.2 Quá trình ép phun cho sản phẩm kích thước nhỏ

Kỹ thuật ép phun là một trong những phương pháp phổ biến để sản suất các sản phẩm bằng nhựa Kỹ thuật này dựa trên lực ép của dòng polymer nóng chảy bên trong khoan chứa của khuôn Ngoài ra còn dùng cho các vật liệu gốm (ceramic), nhựa đã được gia nhiệt …

Quá trình ép phun có thể chia làm 3 giai đoạn chính như sau:

Hình 3.3 Quá trình ép phun cho các sản phẩm có kích thước nhỏ

Khuôn được đóng và polymer được làm nóng chảy (in plastification) chuẩn bị cho quá trình ép phun (hình a)

Polymer được phun vào lòng khuôn (hình b)

Khi polymer được đưa vào khuôn, quá trình làm nguội bắt đầu diễn ra Sau khi hoàn tất quá trình lấp đầy và polymer đông cứng, chúng ta có thể tách khuôn để thu được sản phẩm (hình c).

Một vài thông số cơ bản cho công nghệ μIM (micro injection molding): Áp xuất phun từ 500-2000 bar

Nhiệt độ khuôn trên nhiệt độ thủy tinh hóa Tg và dưới nhiệt độ nóng chảy của vật liệu nhựa

Chiều dày thành nhỏ nhất khoảng 20μm

Tỷ số hình dạng (HAR) > 20

Chi tiết cấu trúc có thể đáp ứng đến 1μm

Một số sản phẩm ép phun như: các bánh răng (micro gear) được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp chế tạo đồng hồ hoặc dùng trong các loại bơm (micro pumps), các loại kim tiêm thuốc không gây đau …

Hình 3.4 Sản phẩm của công nghệ ép phun

Hình 3.5 Hệ thống kênh dẫn cho ép phun cấu trúc micro, nhóm kim tiêm chế tạo bằng ép phun Một trong những khuyết điểm của quá trình ép phun truyền thống là quá trình điền đầy kết hợp với quá trình làm nguội Khi dòng polymer nóng chảy qua khoang lạnh của khuôn sẽ bị đông đặc trước do tiếp xúc với lòng khuôn hay lõi có nhiệt độ thấp Quá trình đông đặc này cứ tiếp tục từng lớp một trong khi dòng polymer nóng chảy vẫn đang được ép vào khuôn Chính các lớp đông đặc này đã làm cản trở dòng: độ nhớt tăng theo cấp số nhân do nhiệt độ giảm và lưu lượng cũng cũng giảm khi chiều dày của các lớp đông đặc càng tăng Đây là một vấn đề cần được quan tâm cho việc chế tạo các chi tiết có kích thước micro/nano, vì dòng polymer sớm đông đặc trong khuôn nhỏ khi quá trình điền đầy chưa hoàn tất Vì thế cần phải có một chu trình kiểm soát nhiệt độ khuôn, việc kiểm soát nhiệt độ khuôn gọi là variotherm

Trước khi ép phun, khuôn được gia nhiệt đến nhiệt độ nóng chảy của polymer Sau đó dòng nóng chảy này được phun và khuôn được hạ nhiệt dưới nhiệt độ phun Hạn chế của phương pháp này là thời gian cho chu trình dài, khoảng một phút Vì khối lượng lớn nên có nhiều lợi ích khi chọn hệ thống gia nhiệt, các hệ thống này chỉ cần thiết ở các khu vực khuôn rút ngắn thời gian làm nguội Để nhận ra một quy trình variotherm bên trong (dầu, nước) và hệ thống gia nhiệt bên ngoài (lửa, bức xạ, cảm ứng) có thể được dùng như hình sau:

Hình 3.6 Quá trình gia nhiệt từng phần bằng các thiết bị bên ngoài Kích thước khuôn giảm cũng cần thiết chú ý đến việc thoát khí cho khuôn

Từ khi cấu trúc ép phun polymer và yêu cầu áp suất thấp cho quá trình này ra đời, lỗ khí trong khuôn có thể gây ra tình trạng không điền đầy hoàn toàn hoặc tạo ra túi khí Ngoài ra, trong quá trình tách khuôn, những chi tiết nhỏ, phần mỏng có thể bị hỏng hoặc biến dạng.

Hình 3.7 Các vấn đề khi tách khuôn: A - mẫu trước khi tách, B - tách khuôn, C - mẫu bị hỏng (gãy, nứt), D - mẫu bị biến dạng

Ứng dụng phần mềm Moldflow trong quá trình phân tích và mô phỏng các thông số công nghệ

3.2.1 Tổng quan về phần mềm Moldflow Để phân tích và đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến khuôn trong quá trình tạo sản phẩm, có thể ứng dụng phần mềm Moldflow trong phân tích và mô phỏng các thông số công nghệ trong khuôn mẫu, từ đó hiệu chỉnh và tối ưu hóa quá trình thiết kế và chế tạo

Các sản phẩm của Moldflow dùng trong phân tích khuôn mẫu bao gồm: a Moldflow Plastics Adviser

Moldflow Plastics Adviser gồm 2 modul chính là Moldflow Part Adviser (MPA) và Moldflow Mold Adviser (MMA) Tính năng của MPA và MMA được thể hiện trong bảng 3.2

Bảng 3.2 So sánh tính năng của MPA và MMA

Advanced Geometry Adviser Gate location

Molding window Plastic filling Cooling quality Sink mark Runner adviser Runner balance Cooling circuit adviser (fill + pack) Performance adviser (warpage) b Moldflow Plastics Insight (MPI) Đây là phần mềm đầy đủ tính năng nhất của Moldflow Ngoài những tính năng của Moldflow Mold Adviser còn có những tính năng khác như:

Phân phối dưới dạng modul để khách hàng lựa chọn gói sản phẩm phù hợp

Phân tích được nhiều dạng khuôn: Gas – assist, Co – injection, Microcellar, Flip chip …

Quản lí dữ liệu phân tích theo project

Cung cấp công cụ tạo và xử lí lưới hiệu quả

Có thể kết hợp nhiều quá trình phân tích cùng một lúc và quản lí bằng Job manager

Hình 3.8 minh họa kết quả trong quá trình phân tích các thông số của khuôn với Moldflow Plastics Insight (MPI) Kết quả phân tích được ghi nhận liên tục nên dễ dàng đánh giá, nhận xét

Hình 3.8 Kết quả phân tích thời gian phun trong MPI c Moldflow Cad Doctor (MCD) Moldflow CAD Doctor là công cụ của Moldflow cho phép chuyển đổi dữ liệu giữa các hệ thống CAD 3D Trong quá trình chuyển đổi phần mềm sẽ thông báo các lỗi và tự động chỉnh sửa chúng Nếu việc chỉnh sửa tự động không thành công, ta tiếp tục chỉnh sửa bằng các công cụ do MCD cung cấp

Moldflow CAD Doctor hổ trợ các định dạng sau:

CATIA V4 files(*.model, *.catdata, *.catexp, *.*)

Parasolid files(*.xmt_txt, *.x_t, *.xmt_bin, *.x_b)

Tập tin CAD – 3D đã được tối ưu hóa DEK (Data Exchange Kernel)

- Tự động tìm lỗi - Tự động sửa lỗi

Công cụ tìm và sửa lỗi - Mở rộng phạm vi kiểm tra lỗi - Tự động kiểm tra và thông báo lỗi - Tự động sửa lỗi - Sửa lỗi thủ công

Hình 3.9 Quy trình sửa lỗi CAD trong Moldflow Cad Doctor d Moldflow Magic STL Expert

Moldflow Magic STL là công cụ mạnh mẽ cho phép xem, đo lường và chỉnh sửa mô hình solid hoặc surface được lưu ở định dạng STL (Stereo Lithography) Nó thường được sử dụng để tối ưu hóa mô hình CAD STL trước khi thực hiện phân tích bằng phần mềm phân tích dòng chảy nhựa (MPA) hoặc phân tích đúc nhựa (MPI).

Quá trình làm việc với Moldflow Magic STL khá đơn giản vì phần lớn được chương trình xử lí tự động theo các trình Wizard Bên cạnh đó phần mềm cũng cung cấp các công cụ xử lí để ta có thể tự chỉnh sửa trong trường hợp cần thiết e Moldflow Design Link Đây là một Add-in được dùng để nhập các file CAD từ nhiều định dạng khác vào Moldflow Các định dạng được Moldflow Design Link hỗ trợ cho trong bảng 3.3

Bảng 3.3 Các định dạng được Moldflow Design Link hỗ trợ Định dạng Phần mở rộng MPI MDL

Parasolid x_p , x_t , xmp , xmt Pro/ENGINEER prt

I-DEAS Universal unv NASTRAN Bulk Data bdf PATRAN Neutral pat , out Stereo-lithography stl ANSYS Prep 7 ans

3.2.2 Trình tự phân tích, tối ưu hóa thiết kế bằng Moldflow Plastics Insight

Mô phỏng quá trình điền đầy

Cân bằng dòng chảy Định kích thước kênh dẫn nhựa

Tối ưu hóa thời gian làm nguội

Tối ưu hóa thời gian định hình

Dự đoán các khuyết tật trên sản phẩm Hình 3.10 Quy trình phân tích tổng quát trong Moldflow Plastic Insight a Phân tích quá trình điền đầy nhựa vào khuôn

Phân quá trình đền đầy là bước đầu tiên, làm cơ sở cho các bước phân tích tiếp theo ắ Chuẩn bị đối tượng phõn tớch Mô hình tạo ra từ các phần mềm CAD được đưa vào Moldflow sau đó được chuyển sang dạng lưới để chuẩn bị phân tích Ngoài định dạng chuẩn stl, Moldflow hỗ trợ rất nhiều định dạng khác bằng cách cung cấp thêm Add-in Moldflow Design Link để xử lí những định dạng này ắ Lựa chọn vật liệu Cung cấp đầy đủ thông số về loại vật liệu được sử dụng rất quan trọng vì vật liệu quyết định độ chính xác của kết quả phân tích Các thông số này có thể nhận được từ phía nhà cung cấp hoặc trong thư viện vật liệu của Moldflow ắ Định vị trớ miệng phun Đây là một ưu điểm của Moldflow so với việc tìm vị trí miệng phun bằng cách phán đoán theo kinh nghiệm Moldflow có thể giúp tìm được vị trí miệng phun nhưng cũng cần chú ý những yếu tố khác như tính thẩm mĩ của sản phẩm, vị trí đường hàn, kết cấu khuôn mẫu ắ Chọn mỏy ộp nhựa Máy ép nhựa có rất nhiều thông số nhưng tối thiểu ta phải cung cấp cho Moldflow 2 thông số cơ bản là áp lực phun và lực kẹp khuôn để xử lí kết quả Các thông số về máy có thể có được từ các công ty hoặc lấy trong thư viện của Moldflow ắ Định cỏc thụng số cụng nghệ của quỏ trỡnh ộp phun Các thông số này bao gồm nhiệt độ chảy của vật liệu, nhiệt độ khuôn, thời gian ép phun Đây là những thông số cơ bản cần thiết cho việc phân tính quá trình điền đầy nhựa vào khuôn và việc quá trình tối ưu hóa chúng được thể hiện trong hình 3.11

CBHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà Trang 106 HVTH: Nguyễn Hùng Vỹ - 09040393 Đạt Cài đặt các thông số công nghệ

Xem xét kết quả Đạt yêu cầu ?

Hiệu chỉnh các thông số đầu vào

- Số lượng miệng phun - Vị trí miệng phun - Vật liệu

- Tính chất hình học, độ dày sản phẩm

Hình 3.11 Xác định chế độ công nghệ cho quá trình ép phun ắ Mụ phỏng & phõn tớch Cuối cùng tiến hành mô phỏng quá trình điền đầy, quan sát kết quả và tiến hành xử lý lỗi Bước này lặp lại nhiều lần cho đến khi ta đạt được kết quả ưng ý nhất Đối tượng phân tích

Chọn vật liệu (2) Định vị trí miệng phun (3)

Chọn máy ép Định thông số công nghệ (4)

Mô phỏng Đạt yêu cầu ?

Vấn đề gặp phải Giải pháp

Không điền đầy khuôn 1, 2, 3, 4 Xuất hiện đường hàn 1, 2, 3, 4 Xuất hiện bọt khí 1, 2, 3, 4 Ứng suất cao 1, 2, 3, 4 Áp lực phun quá lớn 1, 2, 3, 4 Lực kẹp quá lớn 1, 2, 3, 4 Đạt

Hình 3.12 Phân tích quá trình điền đầy nhựa vào khuôn b Cân bằng dòng chảy, định kích thước kênh dẫn nhựa

Sau khi quá trình điền đầy được phân tích, bước tiếp theo là cân bằng dòng chảy và định kích thước kênh nhựa Kết quả của quá trình này là bảo đảm sản phẩm được điền đầy đồng thời và kênh nhựa có kích thước nhỏ nhất để tiết kiệm vật liệu, giảm thời gian làm nguội Các bước thực hiện như sau:

Trong quá trình phân tích chi tiết, kênh nhựa được thêm vào mô hình phân tích Các thông số công nghệ được tối ưu hóa Khi thêm kênh nhựa, cần tính toán lại thông số công nghệ do sự gia tăng thể tích và ảnh hưởng nhiệt đến dòng chảy qua kênh nhựa.

CBHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà Trang 108 HVTH: Nguyễn Hùng Vỹ - 09040393 Định kích thước kênh nhựa Đưa kênh nhựa vào khuôn

Phân tích để tối ưu hóa các thông số công nghệ Định áp suất cân bằng

Phân tích, cân bằng kênh nhựa

Hình 3.13 Cân bằng dòng chảy, định kích thước kênh nhựa

Kết quả cân bằng kênh nhựa Đạt yêu cầu ?

Tăng hoặc giảm áp suất

Lấy kích thước theo tiêu chuẩn

Phân tích kích thước tiêu chuẩn

Cân bằng tốt Định lại kích thước Không Đạt Kết thúc phân tích Đây là chuẩn mực của quá trình cân bằng dòng chảy vì kích thước của kênh nhựa sẽ thay đổi sao cho áp suất trong kênh dẫn chỉ dao động trong một phạm vi nhất định quanh giá trị áp suất cân bằng định trước ắ Xem xột kết quả cõn bằng kờnh nhựa Kết quả của việc phân tích cân bằng dòng chảy phải được xem xét cẩn thận

Kết quả này được quyết định bởi hai yếu tố là quá trình điền đầy và áp suất Nếu 2 yếu tố này không được thỏa mãn, cần lặp lại quá trình phân tích với một giá trị áp suất cân bằng khác ắXem xột kớch thước kờnh nhựa Sau khi quá trình phân tích hoàn tất cần kiểm tra lại kích thước kênh nhựa vì mặc dù việc cân bằng dòng chảy đã đạt được nhưng kích thước kênh nhựa lại quá lớn hay quá nhỏ ắTiờu chuẩn húa kớch thước kờnh nhựa Kích thước kênh nhựa cần phải được làm tròn đến giá trị tiêu chuẩn gần nhất để thuận lợi cho việc gia công nhưng không làm thay đổi nhiều đến kết quả phân tích ắPhõn tớch lại với kờnh nhựa kớch thước tiờu chuẩn Vì kích thước kênh nhựa đã bị thay đổi nên cần phải thực hiện việc phân tích cân bằng dòng chảy một lần nữa để đảm bảo rằng kênh nhựa mới này cho ra một kết quả mới có thể chấp nhận được c Tối ưu hóa thời gian làm nguội ắ Mục đớch phõn tớch Mục đích chính của việc tối ưu hóa quá trình làm nguội là làm cho nhiệt độ bề mặt khuôn được phân bố đồng đều và thời gian làm nguội là ngắn nhất vì liên quan đến chất lượng sản phẩm và thời gian chu kì của quá trình ép phun ắMụ hỡnh húa cỏc phõn tử làm nguội

Các kênh chứa chất lỏng làm nguội cần được chuẩn bị trước khi phân tích

Cũng như kênh nhựa, các kênh chất lỏng này có thể được nhập vào cùng với file CAD nhưng hầu hết chúng được thiết kế ngay trong Moldflow ắXem xột kết quả Nhiệt độ bề mặt lòng khuôn là thông số quan trọng nhất cần được xem xét

Sự phân bố nhiệt càng đồng đều càng tốt ắThay đổi thụng số ban đầu khi cần thiết Khi kết quả phân tích không đạt yêu cầu, các thông số đầu vào cần được thay đổi để thựa hiện lại quá trình phân tích Các thông số này bao gồm cấu trúc, kích thước kênh chất lỏng, nhiệt độ ban đầu của chất lỏng

Rồi Tối ưu hóa việc làm mát Định nhiệt độ lòng khuôn

Thiết kế hệ thống làm mát

Giải pháp - Thiết kế lại hệ thống làm mát - Thay đổi nhiệt độ chất làm mát - Tăng thời gian chu kì

- Dùng vật liệu dẫn nhiệt tốt hơn Chưa

Hình 3.14 Quy trình tối ưu hóa thời gian làm nguội d Tối ưu hóa thời gian định hình

Quá trình tạo hình sẽ tối ưu nhất khi công đoạn làm nguội được tối ưu hóa trước đó vì quá trình tạo hình chịu sự chi phối của truyền nhiệt Kết quả chính cần quan tâm của quá trình phân tích này là sự co rút về thể tích Mức độ và cách thức phân bố của sự co rút này quyết định độ cong vênh của sản phẩm Vì vậy, việc tối ưu hóa quá trình tạo hình thường được hướng tới mục tiêu giảm thiểu sự co rút thể tích Áp suất tạo hình sơ bộ và thời gian giữ áp suất chính là hai yếu tố đóng vai trò chủ chốt Trong đó, áp suất tạo hình liên quan đến lực kẹp của máy và được xác định theo công thức: Áp suất tạo hình = Lực kẹp / Diện tích tiếp xúc khuôn.

Pmax = Áp suất định hình tối đa

Fc(max) : Lực kẹp tối đa của máy

A: Tổng hình chiếu diện tích lòng khuôn và kênh nhựa

K: Hệ số chuyển đổi đơn vị

Công nghệ vi gia công cơ

Công nghệ vi gia công cơ đang được ứng dụng phổ biến trong công nghệ khuôn mẫu, dựa trên nguyên lý của các máy gia công truyền thống với sự cải tiến về kích thước, cấu tạo và tốc độ của dụng cụ cắt đã mạng lại hiệu quả rất lớn cho quá trình gia công cắt gọt những sản phẩm có kích thước nhỏ Sau đây là các công nghệ vi gia công cơ được ứng dụng phổ biến

3.3.1 Công nghệ hàn Để tạo ra các chi tiết vi cơ phức tạp, sâu, kín như ống dẫn, bể ngầm có thể thực hiện việc gia công ở hai phiến rồi hàn úp hai mặt gia công lại với nhau Tạo một cái hố trên bề mặt một phiến bằng cách ăn mòn thông thường rồi hàn lên trên phiến đó một phiến khác để đậy hố lại Gọi là hàn nhưng thực ra là ép nhiệt trực tiếp hai phiến lại hoặc dùng thêm một lớp lót để tăng cường sự kết dính

3.3.2 Gia công bằng tia laser

Có thể dùng tia laser để tạo ra những chi tiết vi cơ theo kiểu khoét lần lượt, điều khiển trực tiếp Tuy nhiên cách gia công này rất chậm, không gia công đồng loạt được Vì vậy ở công nghệ MEMS cách gia công bằng laser thường chỉ dùng để làm khuôn Laser dùng là laser eximơ mới đủ mạnh và vật liệu để gia công thường là chất dẻo, polymer

Micro-EDM (Micro Electro Dis-charge Machining) có khả năng sản xuất những cấu trúc vi mô có dạng rỗng bằng những vật liệu và silicon được quét sơn Độ chính xác của hình dáng chi tiết được xác định thông qua hình dạng của điện cực dụng cụ, quỹ tích di chuyển của nó, khoảng cách phóng điện giữa điện cực và chi tiết gia công Về bản chất, EDM là một quá trình gia công cơ-nhiệt-điện, ở đó cho phép sử dụng khả năng xói mòn bằng sự phóng điện, tạo lập giữa điện cực dụng cụ và điện cực chi tiết, để bóc đi vật liệu chi tiết gia công Micro-EDM có thể sản xuất được các đối tượng có hình dáng hình học 2 hoặc 3D Đặc biệt, nó có thể đạt được lỗ cú đường kớnh 15 - 300àm với dung sai nhỏ hơn ±1àm và cỏc dạng bề mặt

CBHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà Trang 123 HVTH: Nguyễn Hùng Vỹ - 09040393 nhỏ phức tạp nhờ hệ thống CAD/CAM Tốc độ cắt (tốc độ bóc vật liệu) đạt khoảng 25 triệu àm 3 /s

Trong công nghệ Micro-EDM, quan điểm là hạn chế năng lượng trong lúc phóng điện để chế tạo ra những đối tượng vi mô có bề mặt đạt độ chính xác cao

Năng lượng trong mỗi lần phóng điện nên được cực tiểu trong khi tần số phóng điện được tăng lên Năng lượng trong mỗi lần phóng điện khoảng 10 -6 J đến 10 -7 J Dưới những điều kiện này, có thể đạt được những bề mặt có độ bóng Rmax= 0,1mm, bằng những năng lượng điện cực tiểu Quá trình Micro-EDM sản xuất rất nhiều chi tiết kim loại nhỏ, nhiều chi tiết nhỏ hơn so với quy trình khoan và phay

Gia công chính xác cao có thể đạt được mà không cần gia công vật liệu theo phương pháp ép lực, cho phép xử lý bề mặt cong, bề mặt nghiêng và các tấm cực mỏng Micro-EDM có khả năng tạo lỗ gia công với độ sâu gấp 15 đến 20 lần đường kính lỗ.

Công nghệ phay micro là một dạng công nghệ thu nhỏ của công nghệ phay thông thường với việc sử dụng dụng cụ cắt gọt nhỏ hơn, cứng hơn hoạt động ở tốc độ cao được dùng trên máy có nhiều trục Phay micro có thể gia công với tốc độ quay của trục chính rất cao Chẳng hạn như máy phay vi mô Kern có thể sử dụng những lưỡi cắt cú đường kớnh nhỏ 100àm, tốc độ 100.000 vũng/phỳt Độ chớnh xỏc gia cụng cú thể đạt được dung sai 2 - 4àm Khi tỷ lệ giữa diện tớch bề mặt với thể tích lớn hơn kích thước micro, nhiệt phân tán rất nhanh trên vật liệu, dụng cụ và trên phoi

Phay micro vẫn được phát triển như là một quy trình chế tạo micro Lĩnh vực này có tiềm năng đối với việc chế tạo những chi tiết hoàng loạt với đặc trưng kích thước micro, chi phí thấp với việc quay vòng vốn nhanh so với những quy trình vi gia công khác

Công nghệ vi khoan không chỉ yêu cầu mũi khoan nhỏ mà còn là phương pháp chuyển động quay tròn chính xác của mũi khoan micro và có chu kỳ khoan rất đặc biệt, được gọi là chu kỳ khoét (peck cycle), điều này giúp cho quá trình sản xuất những thành lỗ bằng phẳng

Hình 3.22 Mũi khoan micro có đường kính 0.25mm và ảnh lưỡi cắt phóng to

Những mũi khoan micro nhỏ nhất (nhỏ hơn 50àm) là một loại dao lạng, không có đường rãnh xoắn ốc, khiến cho phôi thoát ra từ lỗ rất khó khăn Mũi khoan với đường kớnh 50àm hoặc nhỏ hơn cú thể chế được chế tạo như một mũi khoan xoắn Có nhiều đặc tính hình dạng hình học quan trong của mũi khoan micro dạng dao lạng Phần cuối cùng của lưỡi cắt của mũi khoan được gọi là lưỡi đục thay thế cho một điểm mũi Điều này tạo thành 2 mặt phẳng giao nhau, vị trí này được định nghĩa là 2 lưỡi cắt chính của mũi khoan Lưỡi đục lấy vật liệu chủ yếu bằng quá trình cắt và đẩy ra ứng với góc nghiêng âm cao Năng lượng cắt đặc biệt dọc theo lưỡi đục rất lớn so với lưỡi cắt chính của mũi khoan Do thiếu điểm mũi, mũi khoan có thể trượt trên bề mặt ở vị trí bắt đầu quá trình khoan, kết quả là mũi khoan dễ gãy hoặc tạo thành một lỗ nghiêng so với bề mặt chi tiết gia công Nhược điểm thứ 2 của lưỡi đục là quá dài so với đường kính mũi khoan, kết quả là lực đẩy dọc theo trục mũi khoan lớn

Máy khoan mũi nhỏ thường được chế tạo từ thép cô ban hoặc cacbua vonfram Máy khoan thép có chi phí thấp hơn và dễ mài lại, nhưng không cứng và bền bằng loại cacbua vonfram Góc ở mũi khoan (đỉnh) phụ thuộc vào vật liệu chế tạo Thông thường, góc ở đỉnh là 118 độ, đối với vật liệu cứng, góc ở đỉnh là 135 độ Máy khoan mũi nhỏ nên được sử dụng trong chu trình phay, khi vật liệu cần gia công đã được khoan lỗ trước.

CBHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà Trang 125 HVTH: Nguyễn Hùng Vỹ - 09040393 đó mũi khoan được chuyển động ra vô nhiều lần trong lỗ đang được khoan Điều này giúp cho việc làm sạch phoi ở bên trong lỗ Dung dịch làm mát cũng góp phần vào làm sạch phoi Lưu chất nên được phun vào ở dạng sương mù tốt hơn là ở dạng ứ đọng

Hầu hết khi khoan kim loại, tốc độ trục chính trong khoảng từ 2000 - 4000 vũng/phỳt trong khi lượng chạy dao là 1àm cho mỗi vũng quay Cỏc mỏy khoan micro CNC hiện nay có số vòng quay trục chính rất cao, ví dụ như máy của hãng Datron (Mỹ) là 65.000 vòng/phút khoan các lỗ nhỏ đến 0,1mm

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ MEMS TRONG THIẾT KẾ KHUÔN MẪU CHO SẢN PHẨM “VI KIM TIÊM“

Mục đích và ý nghĩa của sản phẩm vi kim tiêm

Công nghệ vi gia công và vi khuôn mẫu mở ra cơ hội tuyệt vời cho thiết bị y sinh Một trong những ứng dụng phổ biến và điển hình của dụng cụ y sinh là kim tiêm Thông thường, kim tiêm dưới da được sử dụng để cung cấp – truyền thuốc và hút dịch của cơ thể qua da của con người Các kim tiêm nhỏ nhất được chế tạo bằng các phương pháp thông thường có đường kính tối thiểu khoảng 300μm Những kim tiêm tương đối lớn thường gây đau và ít chính xác trong việc truyền tải đến các mục tiêu có kích thước cỡ micro Hơn nữa, những tiến bộ trong công nghệ sinh học đòi hỏi việc truyền tải của các phần tử có kích thước nanô mét với độ chính xác micro

Và trong trường hợp này thì kim tiêm dưới da thông thường không đáp ứng được yêu cầu này

Công nghệ vi gia công có thể chế tạo các kim tiếm nhỏ hơn giới hạn trước đó là 300μm Sản phẩm có kích thước nhỏ sẽ mở ra các lĩnh vực ứng dụng mới cho các thiết bị đơn gian Một trong những ứng dụng đó chính là vi kim tiêm – microneedle

Những ứng dụng chính của vi kim tiêm là: [33]

Tiêm thuốc – truyền tải thuốc không đau qua da

Thao tác với các tế bào

Thu thập mẫu và truyền tải hóa chất, phân tích hóa sinh

Kết nối giữa hệ thống dòng chảy vi mô và vĩ mô

Giảm đau khi tiêm thuốc

Kiểm soát được lượng thuốc khi tiêm khoảng 3.3μl/s

Giảm nguy cơ nhiễm trùng Định vị chính xác khi tiêm, kể cả các tế bào

Thâm nhập được vào các khối u cứng, rắn

Nhiều kim tiêm trên một mẫu kim có thể tiêm nhiều loại thuốc cùng một lúc

Tích hợp được với các hệ thống thông minh khác

Hình 4.1 Cấu trúc da và vùng bị đau khi tiêm Với những tính năng quan trọng như trên thì các đặc điểm kỹ thuật khi thiết kế vi kim tiêm phải thỏa mãn các tiêu chí sau [33] Đường kính lỗ kim nhỏ hơn 100μm

Chịu áp lực khi tiêm khoảng 10N

Tốc độ tiêm khoảng 3.3μl/s và 12ml/h

Có tính tương thích về mặt sinh học

Nhiệt độ của thuốc nhỏ hơn 50 o C trong quá trình tiêm

Và cấu tạo của đầu kim gồm có: khối hình kim tử tháp ở đỉnh, khối vuông và nền Lỗ kim là lỗ suốt từ mặt đáy của nền tới mặt trên của khối kim tử tháp Như hình 4.2

Hình 4.2 Cấu trúc của đầu kim Hình 4.2 (a) Mô tả cấu trúc đầu kim mông muốn trên một tấm nền (b) hình các ngang cấu trúc đầu kim, như hình ống dẫn thuốc được mở 2 đầu nối từ tấn nền tới mặt trên của khối hình kim tử tháp

Hỡnh 4.2c Kớch thước đầu kim (đơn vị àm)

Theo kết quả nghiên cứu của Harikrishnan.J, trong bài báo Microfluidic System Using Microneedles for Targeted, Pain-free Drug Delivery Ông đã tìm ra tính chất của dòng chảy: kiểu dòng chảy, xây dựng được công thức tính lưu lượng, vẽ được đồ thị mối quan hệ giữa lưu lượng – áp lực tiêm với đường kính lỗ trong kênh có kích thước micromet

Dòng chảy trong khuôn vi kim tiêm:

Trong đó: Pskin có thể bỏ qua, không đáng kể

Hình 4.3 Đồ thị quan hệ giữa áp lực và đường kính vi kim tiêm

Hình 4.4 Đồ thị quan hệ giữa lưu lượng và đường kính vi kim tiêm

Với những đặc điểm trên thì độ bền và cấu trúc của vi kim tiêm phải thỏa mãn những yêu cầu chủ yếu sau: Đủ độ bền để không bị gãy thân kim, độ uốn cong, độ mất ổn định trong quá trình tiêm

Tránh gãy mũi kim trong da có thể gây nhiễm trùng nghiêm trọng

Có hình dáng hình học phù hợp để giảm lực khi tiêm

Có thể sử dụng lặp đi lặp lại Độ nhọn – sắc nét cho việc xuyên qua các mô

Khả năng tương thích về sinh học của vật liệu chế tạo kim Đảm bảo điều kiện về tốc độ dòng chảy

Sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ vi gia công tương thích với vi điện tử cho phép tích hợp nhiều chức năng hơn vào kim, tạo tiền đề cho việc tích hợp hệ thống cảm biến, đo lường phản ứng mô và tế bào Bên cạnh đó, chức năng kích thích hóa học của thuốc và các tín hiệu phản hồi từ cảm biến giúp kiểm soát kích thích tế bào một cách khép kín và chính xác Năng lực này mở ra khả năng tương tác với từng tế bào đơn lẻ, mang lại tiềm năng to lớn trong lĩnh vực y sinh.

Một ứng dụng khác của vi kim là lấy mẫu chất lỏng chính xác cho quá trình phân tích hóa sinh

Bên cạnh đó thông số quan trọng trong quá trình thiết kế vi kim là: lực tiêm, lực uốn cong, lực làm gãy kim đều phải được quan tâm và phân tích kỹ Việc thiết kế đảm bảo không xảy ra hiện tượng gãy kim khi tiêm

Về phân loại có thể vi kim dựa vào mối quan hệ tương đối giữa các bề mặt lớp nền: trong bề mặt và ngoài bề mặt, phân loại theo chức năng: kim đặc và kim có lỗ, phân loại theo vật liệu: silic, kim loại, nhựa, thủy tinh, [22]

4.2 Quy trình chế tạo sản phẩm vi kim tiêm theo công nghệ gia công MEMS

Các loại kim tiêm truyền thống bằng kim loại dùng trong y tế đầu kim rất dài do đó khi lấy máu hay tiêm thuốc thường gây đau và tạo cảm giác lo lắng cho bệnh nhân Đó là một trong những nhược điểm chính của loại kim tiêm này Với sự phát triển của công nghệ MEMS, các nhà nghiên cứu đã đưa ra nhiều quy trình chế tạo

CBHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà Trang 132 HVTH: Nguyễn Hùng Vỹ - 09040393 các nhóm kim tiêm với chiều dài nhỏ không gây đau mà vẫn đảm bảo truyền thuốc đủ liều lượng Các đầu kim nhỏ kích thước cỡ vài trăm micromet đang nhận được sự quan tâm đặc biệt của các nhà nghiên cứu

Hình 4.5 Cấu trúc của hệ thống kim tiêm Hình 4.5.(a) Hình mô tả một hệ thống kim tiêm, bao gồm nhóm các đầu kim và buồn chứa thuốc (b) Sơ đồ tiêm thuốc, đặt một lực tác động lên hệ thống làm cho các đầu kim xuyên vào lớp da và thuốc được truyền vào da

4.2.1 Vật liệu chế tạo Để chế tạo sản phẩm vi kim tiêm đáp ứng được các yêu cầu trên cũng như tính năng khi sử dụng, có thể chọn các loại vật liệu sau trong quá trình thiết kế chế tạo a Polymer Su – 8

SU-8 là một loại chất cảm quang âm truyền suốt có gốc epoxy Bằng quá trình quang khắc cổ điển, các hình ảnh có vách thẳng đứng, có tỷ số hình dạng cao (>10:1) cú thể thu được trờn lớp chất cảm quang dày (>200àm) Hiện tại vẫn chưa có khảo sát chi tiết nào về độ nhám cũng như điểm kết thúc của vách khắc của chất cảm quang âm này, nhưng sự đổ khuôn phẳng cho các ứng dụng vi chế tạo cũng như mặt nạ khắc ion hoạt tính (RIE) cho quá trình khắc Si sâu có triển vọng rất lớn