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 (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Đặng Văn Hiếu 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 Ngành: Khoa học vật liệu Mã số : 9440122 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU Hà Nội – 2021 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Chu Mạnh Hoàng TS Vũ Thu Hiền Phảnbiện 1: Phảnbiện 2: Phảnbiện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi: ………… giờ, ngày … tháng… năm…… Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Tạ Quang Bửu – Trường ĐHBK Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN A Bài báo quốc tế ISI (03) 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 (02) 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: 10.15625/25252518/55/4/8803 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 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 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Gần đây, khoa học công nghệ nano nhận quan tâm nhà khoa học nước giới Đối tượng nghiên cứu khoa học công nghệ nano dựa vật liệu nano Các cấu trúc nano có tiềm ứng dụng làm thành phần chủ chốt dụng cụ thơng tin kỹ thuật có chức mà trước chưa có nhờ hiệu ứng vật lý bật xuất tỉ lệ thang nano Chúng lắp ráp vật liệu trung tâm cho điện tử quang làm tăng tốc độ xử lý liệu khả chứa thông tin Các vi cấu trúc trạng thái vật chất có hứa hẹn đặc biệt cho sản phẩm hữu dụng Việc nghiên cứu thiết kế chế tạo cấu trúc nano hữu ích khoa học cơng nghệ gia tăng nhanh chóng Cơng nghệ chế tạo cấu trúc nano thách thức nhà nghiên cứu làm chủ công nghệ chế tạo Trong công nghệ vi điện tử, kỹ thuật quang khắc bước quy trình sản xuất linh kiện mạch tích hợp Với nhu cầu ngày tăng mật độ tích hợp linh kiện bán dẫn, cơng nghệ quang khắc với độ phân giải cao yêu cầu cấp thiết đặt nhà sản xuất công nghiệp bán dẫn Độ phân giải kỹ thuật quang khắc bị giới hạn hiệu ứng nhiễu xạ quang học Để tăng độ phân giải kỹ thuật quang khắc gần nghiên cứu sử dụng bước sóng ngắn quan tâm Hiện sử dụng kỹ thuật này, cấu trúc với độ xác khoảng vài chục nano đạt Tuy nhiên công nghệ phức tạp, đắt tiền chưa phổ biến giới Một công nghệ khác ứng dụng cho chế tạo cấu trúc nano khắc chùm điện tử Đây cơng nghệ dùng phổ biến phịng thí nghiệm nước tiên tiến Tuy lại cơng nghệ cần chi phí lớn, quy mơ sản xuất phịng thí nghiệm Hơn nữa, kỹ thuật kể không phù hợp để điều khiển hệ thống hữu sinh học lớn, có ích cơng nghệ nano Do vậy, loại điều khiển lực xem xét cho phát triển công nghệ chế tạo nano Việc ứng dụng kỹ thuật năm 1990 phát triển để hình thành phương pháp khắc nano khác Một phương pháp quan trọng công nghệ khắc mẫu dựa mũi dò quét Để tạo cấu trúc nano khắc trực tiếp bề mặt mẫu cách học với đầu dị Mơ hình điều khiển đặc tính phạm vi nano với đầu dị qt kính hiển vi lực ngun tử biết đến kỹ thuật khắc đầu dò quét Nhiều nghiên cứu giới thiệu phương pháp khắc với kỹ thuật Mũi dị qt kính hiển vi lực nguyên tử công cụ để chế tạo cấu trúc nano với kích thước tối thiểu mặt bên với kích thước nguyên tử độc lập xấp xỉ 100 nm bề mặt Si hay bề mặt khác Tuy nhiên, độ phân giải cấu trúc nano phụ thuộc vào kích thước mũi dò độ sâu mẫu khắc Kỹ thuật sử dụng cho việc chế tạo mạch tích hợp bán dẫn hay hệ thống điện với độ phân giải thang nano Phương pháp không hạn chế vật liệu dẫn điện Ưu điểm kỹ thuật độ phân giải cao, điều khiển xác mà kỹ thuật khắc truyền thống không đạt Kỹ thuật khắc truyền thống sử dụng photon chùm tia điện tử phải dựa vào vật liệu polyme (lớp phủ) lớp tạo hình Tuy nhiên, kỹ thuật khắc đầu dị qt thực với nhiều chế khác Lớp polyme mỏng chiếu điện tử phát xạ từ đầu dị Bề mặt mẫu bị biến đổi tác dụng điện trường vùng lớn, ơxi hóa vùng, phân hủy gây điện trường nóng chảy gây nhiệt độ cao Các vật liệu truyền từ đầu dò đến bề mặt mẫu tạo cấu trúc, mẫu hình thành đơn giản khắc bề mặt mẫu với đầu dò cách học Các phương pháp tạo mẫu với đầu dò quét tiếp tục phát triển Một vài kỹ thuật tạo mẫu dựa đầu dò quét khai thác thương mại, trở thành công cụ dành riêng cho kỹ thuật khắc nano Tuy nhiên, hầu hết kỹ thuật phạm vi phòng thí nghiệm Đây nghiên cứu thuộc lĩnh vực kỹ thuật có tính khả thi cao hứa hẹn cho nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano Tuy vậy, nghiên cứu ứng dụng lĩnh vực nước chưa quan tâm Do vậy, luận án này, nghiên cứu sinh lựa chọn hướng nghiên cứu phát triển đầu dò quét định hướng ứng dụng chế tạo cấu trúc nano Mục đích nghiên cứu Phát triển vi chấp hành chiều (trục z) có dịch chuyển thắng đứng để khắc phục độ lệch biên, có dịch chuyển lớn chống nhiếu kết cặp mode Thiết kế chấp hành ba chiều điều khiển độc lập, tích hợp chíp, cơng nghệ chế tạo đơn giản, thực với cơng nghệ có nước, định hướng ứng dụng vi dịch chuyển có tích hợp mũi dị khắc cấu trúc nano dạng hai chiều Đối tượng phạm vi nghiên cứu + Đối tượng nghiên cứu luận án chấp hành trục z có nhiễu chéo thấp, có độ dịch chuyển lớn tần số hoạt động phạm vi rộng + Đối tượng nghiên cứu thứ hai chấp hành dịch chuyển mũi dị ba chiều, điều khiển chuyển động độc lập có nhiễu chéo thấp + Công nghệ vi điện tử đơn giản cho chế tạo hiệu suất cao mũi dò hệ thống vi dịch chuyển 1, chiều có tích hợp mũi dị qt Phương pháp nghiên cứu Trong luận án này, phương pháp nghiên cứu kết hợp lý thuyết thực nghiệm + Thiết kế khảo sát đặc trưng hoạt động chấp hành mũi dò khắc nano dựa sở phương trình giải tích rút từ lý thuyết học vật rắn lý thuyết trường tĩnh điện Ngồi ra, kết tính tốn giải tích so sánh với kết đạt từ mô số sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn + Nghiên cứu chế tạo mũi dò thực dựa công nghệ vi điện tử, đặc biệt sử dụng công nghệ vi khối ướt kỹ thuật quang khắc truyền thống Mũi dò nghiên cứu chế tạo Phịng thí nghiệm Cơng nghệ Vi hệ thống cảm biến thuộc Viện Đào tạo Quốc tế Khoa học Vật liệu (ITIMS), trường đại học Bách khoa Hà Nội Cấu trúc mũi dò chế tạo đánh giá dựa ảnh hiển vi điện tử quét hiệu ứng trường (FESEM) viện AIST, trường ĐHBKHN Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài a Ý nghĩa khoa học đề tài: Luận án phát triển chấp hành trục z có nhiễu chéo thấp phạm vi tần số hoạt động rộng không bị giới hạn tỷ lệ cạnh chế tạo Để đạt kết này, dầm zig-zag vị trí đặt dầm tối ưu với dầm dạng kết cặp đề xuất luận án Khả chống nhiễu phạm vi tần số hoạt động rộng chứng minh phương trình giải tích mơ số Các cấu trúc dầm ưu tiên chuyển động trục z có đóng góp quan trọng khơng phát triển chấp hành mà cảm biến vật lý có độ xác cao Luận án đề xuất khảo sát đặc trưng hoạt động vi dịch chuyển chiều Bộ vi dịch chuyển điều khiển cách độc lập dựa kỹ thuật dùng rãnh cách ly điện kết cấu kết cặp với Bộ vi dịch chuyển chiều tạo thành vi dịch chuyển độc lập tích hợp chíp có quy trình chế tạo đơn giản, khơng sử dụng trình tập hợp phức tạp đề xuất trước Một mơ hình lý thuyết hồn chỉnh thiết lập cho thiết kế vi chấp hành dựa lý thuyết học vật rắn lý thuyết trường tĩnh điện Các mũi dị với kích thước thang nano nghiên cứu chế tạo thành công sử dụng kỹ thuật quang khắc truyền thống ăn mòn dị hướng ướt Kết làm sở cho phát triển hệ thống chấp hành với mũi dị tích hợp nhằm định hướng khắc cấu trúc nano dạng chiều chiều Các kết nghiên cứu đề tài khơng có ứng dụng chấp hành mũi dị qt khắc cấu trúc nano, mà cịn ứng dụng linh kiện vi điện tử khác cảm biến vi dịch chuyển có độ xác cao Các kết nghiên cứu luận án chấp nhận đăng tạp chí nước, kỷ yếu hội nghị chuyên ngành, đăng tạp chí quốc tế hệ thống ISI đăng ký sáng chế/giải pháp hữu ích b Ý nghĩa thực tiễn đề tài: Mục tiêu đề tài phát triển công cụ cho chế tạo cấu trúc nano mà nước chưa có khả đầu tư mua thiết bị đắt tiền Hơn nữa, xu hướng phát triển công cụ cho chế tạo cấu trúc nano có hiệu suất cao, khơng bị giới hạn hiệu ứng nhiễu xạ quang học có giá thành thấp đặt lĩnh vực sản xuất cấu trúc linh kiện thang nano nhằm thay thiết bị đắt tiền Do đó, đề tài phát triển chấp hành dịch chuyển mũi dò theo 1, chiều, có nhiễu chéo thấp chấp hành theo phương độc lập Bộ chấp hành có gắn mũi dị chế tạo dựa cơng nghệ quang khắc ăn mịn ướt, hồn tồn thực nước Đây làm sở cho việc ứng dụng phát triển hệ thống khắc cho chế tạo cấu trúc nano chiều dạng mảng chiều Tính đề tài: Tính đề tài nghiên cứu thể điểm sau đây: - Nghiên cứu đề xuất thiết kế mô chấp hành dịch chuyển chiều phương z: hướng nghiên cứu này, cấu trúc lò xo dầm dạng zig-zag mở rộng lò xo dạng dầm kết cặp đáp ứng ưu tiên với dịch chuyển theo phương z chống lại mode dao động không mong muốn khác đề xuất khảo sát phương pháp giải tích phương pháp mơ số - Nghiên cứu đề xuất thiết kế mô chấp hành dịch chuyển chiều xyz: hướng nghiên cứu này, vi dịch chuyển chiều với khả điều khiển độc lập dựa việc đề xuất phương pháp cách ly điện đảm bảo kết cặp thành phần cấu trúc thiết kế mơ Mơ hình lý thuyết cho khảo sát hoạt động chấp hành xây dựng làm sở cho việc thiết kế vi chấp hành có đặc trưng hoạt động theo yêu cầu - Nghiên cứu chế tạo mũi dò qt có kích thước thang nano: luận án này, mũi dị qt có kích thước thang nano nghiên cứu chế tạo dựa công nghệ quang khắc truyền thống vi khối ướt Nội dung luận án Luận án bao gồm năm chương: Chương 1: Tổng quan khắc đầu dò quét Chương 2: Cơ sở lý thuyết mô Chương 3: Thiết kế mô chấp hành trục z Chương 4: Tính tốn thiết kế mơ vi dịch chuyển ba chiều xyz Chương 5: Chế tạo mũi dò phương pháp ăn mòn ướt KẾT LUẬN CHUNG TỔNG QUAN VỀ KHẮC ĐẦU DÒ QUÉT Tìm hiểu tổng quan kỹ thuật khắc đầu dị quét ưu nhược điểm chúng để làm sở cho lựa chọn kỹ thuật khắc nghiên cứu luận án Phân tích ưu điểm nhược điểm chế chấp hành mũi dị qt để từ lựa chọn phương pháp chấp hành đáp ứng tiêu chí cơng suất tiêu thụ thấp, đáp ứng nhanh có cơng nghệ chế tạo đơn giản dễ dàng tích hợp với mạch điều khiển Nghiên cứu phân tích dạng lò xo vi vi dịch chuyển mũi dị qt cơng bố giới Việt Nam, để từ đề xuất cấu trúc lò xo vi dịch chuyển mũi dò quét định hướng ứng dụng khắc cấu trúc nano 1.1 Cơ sở kỹ thuật khắc đầu dò quét German Alois Senefelder phát minh kỹ thuật in gọi lithography vào năm 1798 Sau Nicéphore Niépce tạo hình ảnh phương pháp ông gọi “heliography”, từ kỹ thuật chụp ảnh phát minh Một khoảng thời gian dài sau đó, kỹ thuật quang khắc phát minh sử dụng phương pháp quang hóa xử lý hóa học Vào năm 1950, Jack Kilby phát minh mạch tích hợp (IC) phương pháp quang khắc sử dụng chủ yếu sản xuất mạch IC, chế tạo mẫu nhỏ có hiệu suất cao để giảm chi phí sản xuất Tuy nhiên, quang khắc có nhược điểm: độ phân giải bị hạn chế tượng nhiễu xạ đòi hỏi thiết bị đắt tiền, thích hợp cho ngành cơng nghiệp Do đó, nhà nghiên cứu phát triển số phương pháp để thay quang khắc Đặc biệt sau phát minh kính hiển vi quét (tiếng Anh: Scanning probe microscopy, thường viết tắt SPM) vào năm 1981, có nhiều phương pháp sử dụng SPM để tạo mẫu có kích thước cỡ 100 nm như: kỹ thuật in lắng đọng dip-pen, kỹ thuật ơxi hóa vùng, kỹ thuật sử dụng lực học… gọi chung khắc đầu dò quét (SPLs) Khắc học: Bằng việc đặt lực lên mũi dò AFM điều khiển dầm lệch trình quét, mẫu khắc học bề mặt cứng mềm tạo với chiều rộng khoảng vài chục nano mét chiều sâu khoảng vài nano mét [9] Việc khắc mặt cứng làm mịn mũi dị làm giảm thời gian sử dụng, khắc phục cách phủ mũi dò với vật liệu cứng làm mũi dò trực tiếp từ vật liệu cứng kim cương cải thiện thời gian sử dụng [10] Hình 1.1: Hình ảnh minh họa phương pháp khắc học Các vật liệu mềm giống polymer dễ khắc rãnh học Đầu dò AFM sử dụng cho khắc trực tiếp lớp phủ PMMA, dây nano kim loại tạo trình lift- off [11] Các phương pháp chấp hành Để điều khiển đầu dò hoạt động có ba phương pháp chấp hành thường sử dụng là: chấp hành nhiệt, chấp hành áp điện chấp hành tĩnh điện Phương pháp chấp hành tĩnh điện Phương pháp sử dụng lực hút tĩnh điện hai điện cực trái dấu để điều khiển dầm Hình 1.2: Cấu trúc dầm điều khiển chấp hành tĩnh điện Phương pháp có tốc độ đáp ứng truyền động tĩnh điện cao giới hạn tần số riêng hệ thống dầm treo số thời gian dao động điện đặt vào hệ thống Để sử dụng phương pháp chấp hành tĩnh điện ta thiết kế cực song song với dầm mặt sau dầm làm điện cực, phân cực ngược cho hai điện cực dầm bị hút uốn cong hình 1.2 [19] 1.2 Hiệu suất khắc đầu dò quét Một vấn đề chung cho tất SPL hiệu suất khắc thấp, nghĩa diện tích mẫu khắc đơn vị thời gian nhỏ Đây vấn đề phịng thí nghiệm sản xuất thương mại chi phí sản xuất lại vấn đề cần ý Trong sản xuất công nghiệp, vấn đề hiệu suất phải giải Một giải pháp sử dụng mơ hình mảng với nhiều đầu dị song song (Hình 1.3) Có hai loại mảng đầu dị: mảng đầu dị tích cực mảng đầu dị thụ động Hình 1.3: Hình ảnh đơn đầu dị mảng đầu dò [19] 1 E wh3 h h4  , I1  , IP  wh3  0.21 (1 ) 2(1 ) 12 w 12w  3 Khi ghép hai khâu cua lại để giảm hiệu ứng vênh lò xo treo gấp khúc dạng cua trình bày hình 2.5 G Hình 2.5: Cấu trúc lò xo gấp khúc dạng cua kép[32] Độ cứng Kz xác định biểu thức sau[32]: Kz  3EGI y I t EI y  l1  l2   l  l1l2  l22   GIt  4l13  6l1l2 (l1  l2 )  3l23  (2.10) 2.2 Tính tốn tần số tự nhiên Tần số dao động riêng cho phép xác định độ dịch chuyển cấu trúc tần số cộng hưởng đặt điện áp điều khiển Ngoài tần số dao động riêng giúp thiết kế cấu trúc với độ cứng dầm cho tần số hoạt động không xảy tượng kết cặp mode lân cận Khối lượng cấu trúc tính phương trình (2.11) [35] meq    A( x) f ( x)2 dx (2.11) L Trong đó,  khối lượng riêng, A(x) diện tích mặt cắt ngang dầm f (x) hàm phân phối uốn Khối lượng quy đổi tính theo cơng thức (2.12): meq  13 m 35 Trong đó, m khối lượng dầm Tần số tự nhiên cấu trúc tính bằng: K f eq  2 M (2.12) (2.13) 2.3 Tính toán điện áp tới hạn (Vpull_in) cấu trúc dịch chuyển chiều theo phương z Một tượng liên quan đến lực tĩnh điện với Vac= 0, cung cấp Vdc, điện cực dịch chuyển chịu ảnh hưởng hai lực, lực tĩnh điện lực đàn hồi Lực tác dụng Fnet lên vật vị trí cân là: A Fnet  o V  Keff ( g  z)  dc ( g  z) (2.14) 10 Phương trình có nghiệm Vdc nhỏ điện áp tới hạn Vpull-in Nó xác định phương trình (2.15) đạo hàm điện áp vị trí dịch chuyển khơng [43] V  Keff z( g  z)2 o A (2.15) Từ phương trình (2.14) (2.15) ta có [43]: Keff g với z=g/3 (2.16) 27 o A Khi Vdc lớn giá trị tới hạn Vpull-in, vi chấp hành khơng tồn vị trí cân bằng, đầu dị trạng thái khơng ổn định tiếp xúc chạm vào điện cực điều khiển Vpull in  2.4 Tính tốn độ dịch chuyển cấu trúc Khi xem xét dao động đĩa điện cực mang mũi dò dịch chuyển tác dụng lực động mơi trường khơng khí Đối với chuyển vị, phương trình dao động hệ thống là: d2z dz A meff  Keff z  c  o VdcVac cos t dt dt ( g  z) Trong c hệ số lực cản khơng khí Phương trình tương đương là: z  o A VdcVac  cos(t   ) Keff g (2.17) (2.18) KẾT QUẢ THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BỘ CHẤP HÀNH TRỤC Z Để khắc phục độ lệch biên đầu dò quét truyền thống, tăng độ dịch chuyển, chống lại nhiễu kết cặp mode tăng hiệu suất khắc Chương đề xuất cấu trúc dạng vi treo khắc phục nhược điểm vừa nêu Đối với chấp hành, dao động hay cảm biến học, lò xo vi thành phần quan trọng [19, 46-50] Thiết kế cấu trúc lò xo xem tối ưu ưu tiên hoạt động theo mode hạn chế mode hoạt động không mong muốn [5154] Đối với dịch chuyển hai hướng độc lập x y dạng lị xo với dầm gấp lựa chọn tốt Do có độ dịch chuyển lớn hoạt động ổn định [25, 55, 56] Tuy nhiên, dịch chuyển mặt phẳng (theo trục z) [19, 4649, 57] có dạng lị xo đề xuất nghiên cứu, có dạng lò xo với dầm thẳng dạng gấp khúc Các đặc tính hoạt động vi treo nghiên cứu phương trình lý thuyết so sánh với phương pháp mô số (FEM) 3.1 Bộ chấp hành sử dụng lò xo kiểu dầm thẳng truyền thống cải tiến Cấu trúc vi treo bốn dầm thẳng có đầu gắn cố định đầu cịn lại gắn trung điểm cạnh hình vng trung tâm hình 3.1 (a), gọi cấu trúc vi treo dạng 1sb (spring with straight beams) Cấu trúc thứ hai cấu trúc vi treo sử dụng dầm thẳng bố trí chéo có đầu cố định, đầu lại gắn với góc hình vng trung tâm hình 3.1 (b), gọi cấu trúc vi treo 11 dạng 2sb Tương tự hình 3.1 (b), cấu trúc vi treo hình 3.1 (c) gồm bốn dầm nối bốn góc, dầm trường hợp ghép song song với nhau, gọi cấu trúc vi treo dạng 3sb Để cấu trúc hoạt động không kết cặp mode lân cận sai khác tần số  f 2ynd  f1stz  z y f f   100 st nd f   mode thứ mode thứ hai f1zst  phải lớn 30%  Thanh dầm (a) Thanh dầm (b) Tấm trung tâm Mũi dò Tấm trung tâm Mũi dò (d) (c) Tấm trung tâm Tấm trung tâm Thanh dầm Mũi dò Thanh dầm Mũi dị Thanh dầm 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 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 12 Hình 3.3: Kết mô sai khác tần số riêng mode thứ thứ phụ thuộc vào chiều dài dầm Các cấu trúc lò xo gấp khúc kiểu chấp hành theo trục z sử dụng nhiều với ưu điểm vượt trội độ dịch chuyển Hình 3.4: 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 lị xo gấp khúc 4fb 13 Ngồi chấp hành trục z sử dụng lò xo dạng gấp khúc đảm bảo tỉ lệ cạnh cho dầm chế tạo Tăng chiều dài dầm mà kích thước tổng thể lị xo tăng khơng đáng kể, cấu tạo gấp khúc tiết kiệm khơng gian thiết kế có khả tăng tích hợp hiệu suất cho hệ thống Bốn cấu trúc đề xuất hình 3.4 Sử dụng phương pháp mơ số để khảo sát hình dạng mốt hoạt động dạng cấu trúc Hình 3.5 (a, b) mode thứ thứ hai cấu trúc 1fb, hình 3.6 (c, d), (e, f), (g, h) hình dạng mode dao động thứ thứ hai cấu trúc 2fb, 3fb 4fb Hình 3.5: Hình dạng mode dao động thứ thứ hai: (a, b) cấu trúc 1fb; (c, d) cấu trúc 2fb; (e, f) cấu trúc 3fb (g, h) cấu trúc 4fb Hình 3.6:(a) Đồ thị thể tần số hoạt động mốt thứ phụ thuộc vào chiều dài hiệu dụng lò xo (b) đồ thị thể sai khác tần số mốt thứ cấu trúc phụ thuộc vào chiều dài lò xo Khảo sát phụ thuộc tần số riêng sai khác tần số mốt thứ thứ hai phụ thuộc vào chiều dài dầm Kết thể hình 3.6 (a) hình 3.6 (b) Từ kết khảo sát ta lựa chọn dạng cấu trúc chiều dài dầm phù hợp để đáp ứng yêu cầu điều kiện thiết kế tỷ lệ cạnh chống 14 nhiễu kết cặp mode lân cận tốt Cấu trúc dạng lựa chọn để làm cấu trúc dịch chuyển theo phương z, tích hợp cấu trúc dịch chuyển ba chiều xyz 3.3 Cấu trúc dầm kết cặp sử dụng khung kết cặp để tăng chiều dài dịch chuyển Bộ vi treo dịch chuyển theo trục z thiết kế hình 3.7, lị xo bao gồm ba hệ treo sử dụng dầm thẳng ghép với thông qua hai khung Hình 3.7: Hình ảnh thiết kế chiều cấu trúc kết cặp ba hệ dầm treo sử dụng dầm Hình 3.8: Hai mode hoạt động thứ thứ hai vi chấp hành trục z cho ba trường hợp chiều dài dầm: (a, b), (c, d) (e, f) l2 = 50 µm, 100 µm, 150 µm, chiều dài dầm thứ thứ ba ( l1 l3), giữ 50 µm 20 µm Chiều rộng độ dày tất dầm giữ 10 µm 15 Hình 3.9: Sự phụ thuộc tần số hoạt động f sai khác tần số f hai mode hoạt động vi chấp hành trục z ba trường hợp độ dày dầm, h = 10 µm, 20 µm, 30 µm, chiều dài dầm, l1, l2 l3: (a, b), (c, d) (e, f) f f cho h = 10 µm, 20 µm 30 µm KẾT QUẢ TÍNH TỐN THIẾT KẾ VÀ MƠ PHỎNG BỘ VI DỊCH CHUYỂN BA CHIỀU XYZ Một chấp hành trục z có gắn mũi dị qt kết hợp với dịch chuyển đế theo phương xy sử dụng để chế tạo cấu trúc nano Tuy vậy, việc phát triển hệ thống khắc nano dựa thiết bị tích hợp ba vi dịch chuyển x, y, z cần thiết cho giảm giá thành chế tạo tăng khả tích hợp với hệ thống điều khiển Trên giới, người ta tìm cách để tích hợp ba chấp hành x, y, z vào chíp Tuy nhiên, cơng bố hạn chế Trong chương này, vi chấp hành ba chiều có khả điều khiển độc lập phương x, y, z đề xuất thiết kế mô Bộ chấp hành trục z với cấu trúc vi treo bốn dầm gấp khúc dạng cua sử dụng nhằm thu nhỏ diện tích thiết kế, cung cấp phạm vi tần số hoạt động rộng tăng độ dịch chuyển, kết hợp với dầm treo gấp khúc bố trí trực giao với để điều khiển mũi dò quét theo hướng x, y Bộ chấp hành tĩnh điện dạng tụ điện kiểu lược sử dụng để điều khiển dịch chuyển theo hướng x y, truyền động tĩnh điện dạng tụ kiểu song song sử dụng để điều khiển dịch chuyển theo hướng z 16 4.1 Thiết kế cấu trúc vi dịch chuyển XYZ Thiết kế cấu trúc vi dịch chuyển ba chiều đề xuất hiển thị hình 4.1 Hình 4.1: Sơ đồ tổng thể thiết kế cấu trúc vi dịch chuyển ba chiều XYZ (a); truyền động trục z (b); hình ảnh phóng đại cấu trúc lược kiểu tụ (c); dầm gấp khúc (d); cầu nối học cách điện (e) lỗ tiếp xúc để liên kết điện đường dẫn điện lớp điện cực (f) 4.2 Kết thảo luận cấu trúc vi dịch chuyển ba chiều xyz 4.2.1 Tần số theo trục z phụ thuộc vào độ rộng dộ dày dầm treo Ba hình dạng mode tần số riêng truyền động trục z dựa dầm gấp khúc dạng cua thu từ mô thể hình 4.2 Hình 4.2: Ba hình dạng mode tần số riêng chấp hành trục z Các thơng số kích thước dầm dạng cua la = 230 µm, lb = 95 µm, lc1 = 160µm, lc2 = 215 µm, lc3 = 160µm, lc4 = 145 µm, lc5 = 95 µm, lc6 = 145 µm, ws = 20 µm h = 10 µm 17 Hình 4.3: Tần số mode thứ mode thứ hai sai khác tần số mode thứ thứ chấp hành phương z khảo sát hàm độ rộng dầm gấp khúc dạng cua cho ba độ dày dầm, h = 10, 20 30 µm 140 t = 10 m 120 t = 20 m t = 30 m Vpull-in [V] 100 80 60 40 20 10 12 14 16 wf [m] 18 20 Hình 4.4 Điện áp tới hạn chấp hành phương z hàm độ rộng dầm gấp khúc dạng cua, với g = µm, cho ba độ dày khác thiết bị: h = 10 µm, 20 µm 30 µm Điện áp tới hạn Vpull-in nghiên cứu hàm độ rộng dầm cho ba giá trị độ dày, h = 10 µm, 20 µm 30 µm, thể hình 4.7 Phạm vi tham số chọn để khảo sát dựa tiêu chuẩn chế tạo thực tế tỷ lệ cạnh chiều rộng/chiều dày chiều dài dầm nhỏ 20 Do đó, chiều rộng dầm w tăng Vpull-in tăng Từ nghiên cứu này, chọn điện áp cung cấp phù hợp với truyền động trục z để tránh hiệu ứng ổn định trình hoạt động 4.2.2 Tần số theo trục xy phụ thuộc vào độ rộng dộ dày dầm treo Sự khác biệt mode thứ thứ hai 88,23%, hai mode tách biệt hoàn toàn với mode thứ ba (0,85 kHz 1,6 kHz so với 27,9 kHz) 18 Hình 4.5: Ba hình dạng mode tần số riêng vi dịch chuyển ba chiều xyz Các tham số kích thước thể bảng 4.2 Hình nhỏ góc trên, bên phải hình ảnh phóng to chấp hành theo trục z tích hợp vi dịch chuyển ba chiều xyz Hình 4.6: Tần số mode ngồi mặt phẳng phụ thuộc vào tỷ lệ cạnh h/w 19 Sự phụ thuộc tần số hoạt động cộng hưởng ba mode quan tâm vào tỷ lệ cạnh độ dày chiều rộng dầm, h/w khảo sát thể hình 4.6 Tần số mode dao động mặt phẳng x y độc lập với độ dày h Tuy nhiên, tần số mode dao động mặt phẳng phụ thuộc vào tỷ lệ cạnh h/w Tần số tỷ lệ tuyến tính với tỷ lệ h/ws Để đáp ứng yêu cầu hoạt động với nhiễu chéo mode bậc thấp (f > 40%) [45, 64, 75], tần số hoạt động fz thiết kế khoảng [fx, fy] bên phạm vi hiển thị dải màu xanh lam hình 4.6 cách thay đổi tham số dầm gấp khúc dạng cua thiết kế truyền động trục z Sự khác biệt mode hoạt động trục x y xác định cách chọn cách thích hợp tham số dầm gấp khúc Hình 4.7: Sự phụ thuộc tần số fx fy độ cứng kx ky vi chuyển động ba chiều xyz vào chiều rộng w chiều dài L dầm: (a-b) cho h = 10 µm, 20 µm 30 µm (c-d) cho w = µm, µm 10 µm 4.2.3 Độ dịch chuyển cấu trúc phụ thuộc vào điện áp điều khiển Các chuyển vị trung tâm dọc theo trục x, y z nghiên cứu hàm điện áp điều khiển cho ba khe hở khác hai lược liền kề, gc = µm, 1,5 µm µm ba khe hở hai cực song song điều khiển dịch chuyển dọc trục z, gz = µm, µm µm tương ứng hình 4.8 (a) (b) Số lượng cặp lược hệ tụ 160 Đối với khoảng cách lược µm, độ dịch chuyển trung tâm dọc theo trục x y 57 µm điện áp 60V Đối với truyền động trục z, diện tích điện cực cố định tồn diện tích mặt sau trung tâm Khoảng cách hai điện cực truyền động µm 20 Hình 4.8 Các chuyển vị x y trung tâm khảo sát hàm điện áp điều khiển cho ba khoảng cách khác hai điện cực lược liền kề, gc = µm, 1,5 µm µm với h = 10 µm (a) độ dịch chuyển z trung tâm khảo theo điện áp điều khiển cho ba khe hở hai cực song song điều khiển trục z, gz = µm, µm µm (b) 4.2.4 Hệ số phẩm chất cấu trúc Hệ số phẩm chất vi dịch chuyển ba chiều xyz phụ thuộc vào hệ số cản khơng khí thể hình 4.9 Như thấy hình 4.9, hệ số phẩm chất theo hướng trục z thấp so với hướng trục x y Điều có nghĩa lực cản khơng khí trục z lớn so với hai trục lại Khi áp suất xung quanh cao 104 Pa, Q gần không phụ thuộc vào P Đối với việc dịch chuyển cấu trúc, biên độ dao động vi dịch chuyển ba chiều theo hướng tính Z =  Q,  số phụ thuộc vào thơng số kích thước vi dịch chuyển ba chiều lực hút tĩnh điện điều khiển [68] Hình 4.9: Hệ số chất lượng cấu tríc vi dịch chuyển chiều xyz, Qx, y, z, nghiên cứu hàm áp suất xung quanh cho ba hướng dao động, trục x y (lực cản màng trượt khơng khí) trục z (lực cản màng nén khơng khí) 21 KẾT QUẢ CHẾ TẠO MŨI DÒ BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĂN MÒN ƯỚT Với điều kiện công nghệ Việt Nam thiết bị có ITIMS, Đại học Bách khoa Hà Nội, quy trình chế tạo mũi dị quy trình chế tạo cấu trúc chấp hành trục z phù hợp đề xuất thực Chương trình bày bước chế tạo mũi dị có độ phân giải khoảng 100 nm, sử dụng kỹ thuật quang khắc truyền thống công nghệ vi khối ướt Các kết chế tạo mũi dò khảo sát dựa ảnh hiển vi điện tử quét hiệu ứng trường FESEM 5.1 Quy trình chế tạo thu nhỏ mũi dò Từ phiến SOI bán dẫn loại n định hướng với chiều dày lớp linh kiện 30 µm lớp SiO2 µm (hình 5.1(a)) Lớp SiO2 có tác dụng làm lớp cách điện cấu trúc lớp linh kiện, đồng thời tạo kết cặp lớp linh kiện lớp silic đế phía Phiến silic cắt thành đế có kích thước cm x cm tiến hành làm bề mặt quy trình SC (Surface cleaning) chuẩn phịng theo bước sau: - Bước 1: Rửa Aceton ethanol thực điều kiện nhiệt độ phòng rung siêu âm 10 phút - Bước 2: Rửa Phyranha nhiệt độ 80oC 30 phút - Bước 3: Tẩy lớp oxit tự nhiên HF 1% phút Sau làm sạch, đế cho vào lị để ơxi hóa ướt nhiệt độ 1050oC 15 phút nhằm tạo lớp SiO2 có độ dày 140 nm (kiểm tra chiều dày lớp SiO2 máy Elipsometer) Lớp SiO2 dùng để làm mặt nạ bảo Si q trình ăn mịn dị hướng KOH (Hình 5.1(b)) Để thực quang khắc, mặt nạ phim thiết kế in Việt Nam Lớp cảm quang sau phủ lên bề mặt đế phương pháp quay phủ với vận tốc quay 3000 vịng/phút 30 giây (Hình 5.1(c)), sau nung sơ nhiệt độ 95oC 10 phút nhằm bay bớt dung môi chất cảm quang Bước tiến hành quang khắc với chùm tia UV có cơng suất 300 W bước sóng 365 nm Sau quang khắc đế hình nung nhiệt độ 125 oC 30 phút để đóng rắn chất cảm quang (Hình 5.1(d)) Sau hình, cấu trúc kiểm tra kính hiển vi trước cho vào ăn mòn SiO2 sử dụng dung dịch BHF (tỷ lệ HF:NH4F = 1:5) (Hình 5.1(e)) Tiếp theo, lớp cảm quang tẩy bỏ để thu lớp mặt nạ SiO để bảo vệ Si ăn mịn KOH (Hình 5.1(f)) Bước tiếp theo, phiến mở cửa sổ ăn mon nhúng vào dung dịch KOH 40% nhiệt độ 70oC có khuấy từ 250 vòng/phút, xuất ăn mòn bậc cao mặt với tốc độ ăn mịn r=r/r=1,72 từ ta tính với mặt nạ có độ rộng 20 µm ăn mịn sâu xuống 10 µm đỉnh mũ dị đạt kích thước cỡ vài chục nano (Hình 5.1(g)) Tuy nhiên ăn mịn đến độ sâu lớp SiO2 bị gãy, nên mũi dị khơng thể nhọn mong muốn kích thước nano Lớp SiO sau tẩy mũi dị tiếp tục thu nhỏ (Hình 5.1(i)) cách ơxi hóa tẩy bỏ lớp SiO2 để để làm nhọn mũi dò từ 22 (a) (e) (f) (b) (g) (c) (h) (d) (i) Si (100) (311) SiO2 Lớp cảm quang Hình 5.1: Quy trình chế tạo mũi dị Sau 33 phút ăn mòn KOH, lớp mặt nạ SiO2 tảy bỏ Ảnh hiển vi điện tử phát xạ trường (FESEM) mảng mũi dò quét thể hình 5.2 (a) 23 ảnh khuếch đại mũi dị qt thể hình 5.2 (b) Ảnh FESEM thực máy JEOL JSM-7600F Mỹ viện AIST, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Hình 5.2: (a) Hình ảnh FESEM tổng thể mảng mũi dị;(b) Hình ảnh phóng to mũi dò 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 lò xo 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 tốn học mô số 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 dị qt 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 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 24 ... trúc nano dạng chiều chiều Các kết nghiên cứu đề tài khơng có ứng dụng chấp hành mũi dò quét khắc cấu trúc nano, mà cịn ứng dụng linh kiện vi điện tử khác cảm biến vi dịch chuyển có độ xác cao Các. .. lập dựa vi? ??c đề xuất phương pháp cách ly điện đảm bảo kết cặp thành phần cấu trúc thiết kế mô Mô hình lý thuyết cho khảo sát hoạt động chấp hành xây dựng làm sở cho vi? ??c thiết kế vi chấp hành có... chuyển mũi dị qt cơng bố giới Vi? ??t Nam, để từ đề xuất cấu trúc lò xo vi dịch chuyển mũi dò quét định hướng ứng dụng khắc cấu trúc nano 1.1 Cơ sở kỹ thuật khắc đầu dò quét German Alois Senefelder