Trong mạch cầu sẽ có bốn điện trở giống nhau. Các điện trở trên cảm biến có dạng thanh hình chữ nhật mắc nối tiếp-song song, có kích thước là 0,15 × 4 mm và bề dày lớp màng NiFe là 5 nm. 2 d NA
31
Hình 2. 5.Sơ đồ chung về quy trình chế tạo cảm biến
Chúng tôi lựa chọn vật liệu chế tạo các điện trở là Ni80Fe20 - một loại vật liệu từ mềm (có lực kháng từ Hc cỡ 2 Oe ÷ 5 Oe), rất thích hợp để chế tạo các cảm biến có độ nhạy cao và ổn định trong vùng từ trường nhỏ. Để nối các thanh trở trong một điện trở và để nối các điện trở với nhau, chúng tôi chọn vật liệu dẫn điện tốt là Cu. Toàn bộ quy trình chế tạo cảm biến được thực hiện trong phòng thí nghiệm micro - nano của trường đại học Công nghệ. Quy trình chế tạo cảm biến trải qua hai giai đoạn là chế tạo điện trở và chế tạo các điện cực, bao gồm 9 bước chính được minh họa trên hình 2.5.
2.6.1. Quá trình quang khắc điện trở
Bước 1: Làm sạch bề mặt mẫu
Đế được dùng để chế tạo cảm biến là đế Si, một mặt được oxi hóa thành lớp SiO2 (có chiều dày khoảng từ 500 nm đến 1000 nm) để cách điện
(1) Làm sạch đế (2) Phủ chất cản (4) Phủ màng NiFe (5) Lift – off (6) Phủ chất cản (7) Quang khắc (8) Phủ điện cực (9) Lift – off (3) Quang khắc
32
giữa đế với màng trên đế. Trên đế Si có nhiều chất bẩn và chất hữu cơ nên ta phải làm sạch đế để không ảnh hưởng tới chất lượng của màng.
- Cho đế vào dung dịch axeton, rung siêu âm trong 10 phút để loại bỏ hết chất chất bẩn và chất hữu cơ trên đế.
- Sau khi rung siêu âm, cho đế vào dung dịch cồn, lắc đều để loại bỏ hết axeton còn bám trên đế.
- Cho đế vào nước DI để rửa sạch cồn bám dính.
- Xì khô bằng khí khí khô, cho lên bếp nung ở 1000 trong thời gian 5 phút để bốc bay hết hơi nước còn trên bề mặt đế.
Bước 2: Quay phủ mẫu với chất cản quang AZ5214-E
Bảng 2.1.Các thông số trong quá trình quay phủ chất cản quang AZ5214-E
Bước Tốc độ quay phủ (v/p) Thời gian gia tốc (s) Thời gian quay phủ (s) 0 600 6 6 1 3500 6 30
- Các mẫu được phủ lớp cản quang bằng cách cho các mẫu quay trên thiết bị quay phủ (spin coater) Suss MicroTec.
- Chất cản quang sử dụng là AZ5214-E (AZ5214-E là một chất cản quang đặc biệt, nó có thể được sử dụng cho cả quá trình quang khắc dương và âm).
Quá trình quay phủ gồm 2 bước với các thông số cho trong bảng 2.1. Độ dày của chất cản quang được tính theo công thức (2.2)
√ (2.2)
Với tốc độ quay phủ cho trong bảng 2.1 thì chiều dày của chất cản quang sau khi nung khoảng 3,6 µm.
33
Bước 3: Sấy sơ bộ (soft bake hay pre-bake)
Các mẫu được sấy ở 800
C trong khoảng 15s. Mục đích sấy sơ bộ để loại bỏ hơi dung môi còn trong chất cản quang sau khi quay phủ lên đế.
Bước 4: Chiếu tia UV
Trong quá trình quang khắc, chúng tôi đặt máy quang khắc với các thông số: cường độ chiếu sáng 2,4 mW/cm2, công suất chiếu sáng 195 W. Các mẫu sau khi sấy sẽ được chiếu tia UV trong khoảng 90 s với mask sử dụng là mặt nạ dành cho chế tạo mạch cầu Wheatstone hình 2.8.
Hình 2.6. Ảnh chụp mask điện trở loại đơn thanh Bước 5: Tráng rửa
Cho mẫu vào dung dịch developer AZ300MIF để tráng rửa hiện hình. Lắc đều mẫu trong khoảng 40 s đến khi phần cản quang phủ trên các điện trở cần tạo hình bị rửa trôi hết. Cho vào nước DI khuấy cho trôi hết developer trên bề mặt mẫu. Quan sát mẫu dưới kính hiển vi, nếu thấy trên đế xuất hiện các điện trở mạch cầu Wheatstone, chứng tỏ quá trình quang khắc đã thành công.
Bước 6: Quá trình phún xạ
Sau khi tạo hình cho các điện trở mạch cầu Wheatstone, mẫu được đem đi phún xạ lớp vật liệu nhạy từ trường NiFe. Mẫu được phún trong từ trường ghim 900 Oe, cấu màng dạng: Ta/ Ni80Fe20/Ta. Mục đích của việc phún lớp
34
Ta là để cho lớp Ni80Fe20 bám chắc vào đế và tăng cường dị hướng cho lớp Ni80Fe20 và làm nhiệm vụ bảo vệ cho lớp NiFe. Các thông số của quá trình phún được cho trong bảng 2.2. Khi đã phún xong, chúng tôi tiến hành lift-off như bước 1. Phần màng phún trên chất cản quang sẽ bị trôi hết trong quá trình rung siêu âm, chỉ còn lại phần màng điện trở NiFe trên đế Si.
Bảng 2.2. Thông số phún xạ màng điện trở Màng Chân không cơ sở Pbase (mTorr) Áp suất khí Ar (mTorr) Công suất phún (W) Vận tốc quay của đế (prm) Chiều dày màng (nm) Ta 2*10-7 2,2 25 30 5 NiFe 2,2 75 30 5
2.6.2 Quá trình chế tạo điện cực
Điện cực bằng đồng để nối các điện trở với nhau. Quy trình chế tạo điện cực bao gồm các bước như quy trình chế tạo điện trở, chỉ khác khi quang khắc dùng mask chế tạo điện cực.
Hình 2.7. Ảnh chụp mask điện cực của mạch cầu Wheatstone
Cấu trúc màng mỏng điện cực khi phún xạ có dạng: Ta(5nm)/Cu(25nm). Các thông số trong quá trình phún được cho trong bảng 3.3.
35 Bảng 2.3. Các thông số phún điện cực Màng Chân không cơ sở Pbase (mTorr) Áp suất khí Ar (mTorr) Công suất phún (W) Vận tốc quay của đế (prm) Chiều dày màng (nm) Ta 2.5*10-7 2,2 25 30 5 Cu 2,2 30 30 75
Sau khi phún xạ và lift-off, ta thấy các điện trở mạch cầu và các điện cực có hình dạng rõ ràng giống hình dạng của mask mạch cầu và mask điện cực, kích thước điện trở và điện cực đồng đều, đường biên sắc nét (hình 2.8).
Hình 2.8. Ảnh chụp cảm sau khi hoàn thiện dạng cấu trúc đơn thanh