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

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Cao Việt Anh

Nghiên cứu chế ta ̣o và khảo sát đă ̣c trưng của vi thấ u
kính trên cơ sở màng micro-nano SU-8 ứng du ̣ng trong
hê ̣ thố ng quang MEMS/NEMS

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO

HÀ NỘI - 2017


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Cao Viêṭ Anh

Nghiên cứu chế ta ̣o và khảo sát đă ̣c trưng của vi thấ u
kính trên cơ sở màng micro-nano SU-8 ứng du ̣ng trong
hê ̣ thố ng quang MEMS/NEMS
Chuyên ngành: Vật liệu và linh kiện nano
Mã số: Chuyên ngành đào tạo thí điểm

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO

Người hướng dẫn khoa ho ̣c: TS. Bùi Đình Tú

Người đồng hướng dẫn khoa ho ̣c: TS. Nguyễn Thi Minh
Hằ ng

̣

HÀ NỘI - 2017


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn em luôn nhận được
sự quan tâm giúp đỡ nhiệt tình của tập thể các thầy cô, hướng dẫn. Nhân dịp này
cho em được gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới:
TS Bùi Đin
̀ h Tú và TS Nguyễn Thi ̣ Minh Hằ ng, thầy cô đã hướng dẫn ân
cần, nhiệt tình, tạo mọi điều kiện tốt nhất, truyền đạt nhiều kiến thức và kinh
nghiệm quý báu trong thời gian em làm luâ ̣n văn.
Em xin gửi lời cảm ơn đến Trung tâm Nano và Năng lượng, Đại học Khoa
học Tự nhiên, Đa ̣i ho ̣c Quố c Gia Hà Nô ̣i đã tạo điều kiện cho em được làm việc
trong một môi trường mới để hoàn thiện thêm kỹ năng, kinh nghiệm trong quá
trình học tập và trong cuộc sống.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới tập thể các cán bộ, thầy cô trong khoa Vật lý
Kỹ thuật và Công nghệ Nano, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà
Nô ̣i đã tạo điều kiện cho em trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu tại Phòng
thí nghiệm của Khoa và Th.S Nguyễn Hải Bình tại Phòng thí nghiệm trung tâm
Nano và năng lượng trực thuộc trường Đại học Khoa học tự nhiên, những người
đã giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình thu thập tài liệu, thực nghiệm, xử lý và
phân tích kết quả đo đạc.
Luận văn được thực hiện dưới sự hỗ trợ kinh phí của Đề tài Nghị định thư
Việt Nam – Đài Loan (mã số: 25/2014/HĐ-NĐT) và hỗ trơ ̣ mô ̣t phầ n bởi đề tài
QG.16.26
Và cuối cùng, cho em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới bố mẹ và những
người thân trong gia đình. Những người luôn bên cạnh và động viên em vượt qua
những khó khăn trong cuộc sống cũng như trong học tập.

Trong quá trình làm luận văn khó tránh khỏi sai sót, rất mong nhận được các
ý kiến đóng góp của thầy, cô.
Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nô ̣i, ngày tháng

năm 2017

Ho ̣c viên
Cao Viê ̣t Anh


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luâ ̣n văn này là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự
hướng dẫn của TS. Bùi Đình Tú và TS. Nguyễn Thi ̣Minh Hằ ng và sự hỗ trơ ̣ của
nhóm nghiên cứu. Các kế t quả đưa ra trong luâ ̣n văn này là do tôi thực hiê ̣n. Các
thông tin, tài liêụ tham khảo từ các nguồ n sách, ta ̣p chí, bài báo sử du ̣ng tro ̣ng luâ ̣n
văn đề u đươ ̣c liê ̣t kê trong danh mu ̣c các tài liê ̣u tham khảo.

Hà Nô ̣i, ngày

tháng

năm 2017

Ho ̣c viên

Cao Viêṭ Anh

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU.................................................................................................................................... 1
TỔNG QUAN .......................................................................................................... 3

1.1. Khái niệm quang hình học cơ bản .................................................................. 3
1.1.1. Khái niệm cơ bản về thấu kính .............................................................. 3
1.1.2. Phân loại thấu kính ................................................................................ 3
1.1.2.a. Thấu kính hô ̣i tu ̣.......................................................................... 3
1.1.2.b. Thấu kính phân kì....................................................................... 5
1.1.3. Thành phần cơ bản của thấu kính .......................................................... 6
1.1.4. Sự ta ̣o ảnh bởi thấ u kính........................................................................ 7
1.1.5. Ứng du ̣ng của thấ u kính ........................................................................ 9
1.2. Vai trò ứng du ̣ng của vi thấ u kính trong hê ̣ thố ng quang MEMS/NEMS ... 11
1.2.1. Quy trin
̀ h chế ta ̣o các sản phẩ m từ công nghê ̣ MEMS/NEMS ........... 11
1.2.2. Ứng dụng của thấu kính trong hệ thống quang MEMS/NEMS .......... 15
1.3. Kế t luâ ̣n ....................................................................................................... 18
THỰC NGHIỆM .................................................................................................. 19

2.1. Phần mềm mô phỏng .................................................................................... 19
2.2. Hóa chất và trang thiết bị chế tạo ................................................................. 21
2.2.1. Photoresist SU-8 .................................................................................. 21
2.2.2. Quay phủ, quang khắ c, hotplate .......................................................... 22
2.2.2.a. Xử lý bề mă ̣t mẫu ..................................................................... 22
2.2.2.b. Máy quay phủ (Spin Coating) WS-650MZ 23 ........................ 23
2.2.2.c. Quang khắc ............................................................................... 24
2.2.2.d. Bếp nung (hot plate) ................................................................. 26
2.3. Quy trình chế tạo .......................................................................................... 27
2.4. Thiết bị đo đạc .............................................................................................. 29
2.4.1. Hê ̣ đo đô ̣ dày mảng mỏng (Alpha - step) ............................................ 29

2.4.2. Hê ̣ đo khảo sát tính chấ t của thấ u kính................................................ 30
2.5. Kế t luâ ̣n ....................................................................................................... 30
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .............................................................................. 31


3.1. Kế t quả mô phỏng ........................................................................................ 31
3.2. Kế t quả thực nghiê ̣m chế ta ̣o ....................................................................... 35
3.2.1. Khảo sát hiǹ h thái bề mă ̣t của vi thấ u kính ......................................... 35
3.2.1.a. Thấ u kiń h có kích thước đáy khác nhau................................... 36
3.2.1.b. Thấ u kính cùng kích thước đáy ................................................ 38
3.2.2. Khảo sát các đă ̣c trưng của vi thấ u kiń h.............................................. 40

KẾT LUẬN ............................................................................................................................. 44
TÀ I LIỆU THAM KHẢO...................................................................................................... 45


DANH MỤC HÌ NH ẢNH
Hình 1-1 Các loa ̣i thấ u kính cơ bản....................................................................... 3
Hình 1-2 Các loa ̣i thấ u kính hội tụ [5] .................................................................. 4
Hình 1-3 Các loa ̣i thấ u kính phân kỳ [5] ............................................................... 6
Hình 1-4 Quang hình ho ̣c thấ u kiń h mỏng đơn giản............................................. 6
Hình 1-5 Sóng xiên đi qua hê ̣ hai thấ u kinh song song đơn giản ......................... 8
Hình 1-6 Các thành phầ n quang của kiń h hiể n vi trong phòng thí nghiê ̣m ........ 11
Hình 1-7 (a) vi thấ u kính đươ ̣c đă ̣t trên mô ̣t sơ ̣i quang, (b) kích thước của vi thấ u
kiń h [11] .............................................................................................................. 15
Hình 1-8 (a) Mô hình hoa ̣t đô ̣ng, (b) hình ảnh thực tế của thấ u kính, (c) các thành
phầ n của hê ̣ thố ng [8] .......................................................................................... 16
Hình 1-9 Sự tương phản giữa 2 bức ảnh không và có sử du ̣ng thấ u kính [2] ..... 16
Hình 1-10 Sơ đồ hê ̣ thố ng thiế t kế [7]................................................................. 17
Hình 1-11 Mô hin

̀ h cảm biế n tích hơ ̣p các linh kiêṇ quang sử du ̣ng để phát hiê ̣n
Asen ..................................................................................................................... 18
Hình 2-1 Giao diêṇ của phầ n mề m mô phỏng .................................................... 19
Hình 2-2 Các bước lầ n lươ ̣t trong quá trình mô phỏng ....................................... 19
Hình 2-3 Giao diêṇ bước cho ̣n vâ ̣t liê ̣u đế .......................................................... 20
Hình 2-4 Sự phu ̣ thuô ̣c của chiế t suấ t SU-8 vào bước sóng ............................... 20
Hình 2-5 Giao diêṇ cho ̣n bước sóng nguồ n sáng ................................................ 21
Hình 2-6 Cấ u trúc của photoresist SU-8 ............................................................ 22
Hình 2-7 Buồ ng xử lý mẫu ................................................................................. 23
Hình 2-8 Máy quay phủ Suss MicroTech và bảng điều khiển. ........................... 23
Hình 2-9 Sơ đồ hệ quay li tâm. ........................................................................... 24
Hình 2-10 Thiết bị quang khắ c hai mặt (double-side aligner) ........................... 25
Hình 2-11 Nguyên lý hê quang khắc Phòng thí nghiệm thuộc Trung tâm Nano và
Năng lượng (Đại học Khoa học tự nhiên, Đại học quốc gia Hà Nội) ................. 25
Hình 2-12 Mă ̣t na ̣ (mask) dùng để quang khắ c .................................................. 26
Hình 2-13 Hotplate .............................................................................................. 26


Hình 2-14 Sơ đồ quy trình chế ta ̣o ...................................................................... 27
Hình 2-15 Tố c đô ̣ quay và đô ̣ dày của màng photoresist SU-8 [1] .................... 27
Hình 2-16 Năng lươ ̣ng chiế u sáng tương ứng với các đô ̣ dày màng khác nhau [1]
............................................................................................................................. 28
Hình 2-17 Các thấ u kính hoàn chỉnh có đô ̣ cong và tiêu cự khác nhau sau khi đã
đươ ̣c chế ta ̣o. ....................................................................................................... 29
Hình 2-18 Hê ̣ đo đô ̣ dày màng mỏng Alpha-step ............................................... 29
Hình 2-19 Sơ đồ hê ̣ thố ng quang khảo sát tiń h chấ t quang của thấ u kính.......... 30
Hình 2-20 Hê ̣ đo khảo sát tin
́ h chấ t của hê ̣ thố ng quang .................................... 30
Hình 3-1 Mô phỏng thấ u kính có bán kính đáy 1 mm với đô ̣ cong bán kiń h 4 mm
............................................................................................................................. 32

Hình 3-2 Mô phỏng thấ u kính có bán kiń h đáy 1 mm với đô ̣ cong bán kiń h 5 mm
............................................................................................................................. 32
Hình 3-3 Mô phỏng thấ u kiń h có bán kiń h đáy 1 mm với bán kính mă ̣t cong 6 mm
............................................................................................................................. 33
Hình 3-4 Hình ảnh biể u thi cươ
̣ ̀ ng đô ̣ truyề n qua thấ u kính có bán kiń h đáy 1 mm
và bán kin
́ h mă ̣t cong là 5 mm ............................................................................ 33
Hình 3-5 Tiń h toán đô ̣ cao thực tế của vi thấ u kính ............................................ 34
Hình 3-6 Đô ̣ cao của giế ng quang khắ c SU-8 ..................................................... 35
Hình 3-7 Hình ảnh các giế ng SU-8 với bán kính lầ n lươ ̣t là 1,5 mm, 1 mm và 1,2
mm đươ ̣c quan sát bằ ng kin
́ h hiể n vi quang ho ̣c (5x) ......................................... 35
Hình 3-8 Hình ảnh thực tế các giế ng SU-8 sau khi đươ ̣c quang khắ c với lầ n lươ ̣t
bán kính đáy là 1,5 mm, 1 mm và 1,2 mm .......................................................... 36
Hình 3-9 Thấ u kin
́ h bán kính đáy 1 mm ............................................................. 36
Hình 3-10 Thấ u kính bán kính đáy 1,2 mm ........................................................ 37
Hình 3-11 Thấ u kính bán kính đáy 1,5 mm ........................................................ 37
Hình 3-12 Hình ảnh thực tế sự thay đổ i đô ̣ cao của các vi thấ u kính với các bán
kiń h đáy lầ n lươ ̣t là 1,5 mm, 1 mm, 1,2 mm ....................................................... 37
Hình 3-13 Thấ u kính đươ ̣c hình thành từ giế ng đươ ̣c nhỏ 0,6 μl ....................... 38
Hình 3-14 Thấ u kính đươ ̣c hình thành từ giế ng đươ ̣c nhỏ 0,8 μl ....................... 39
Hình 3-15 Thấ u kính đươ ̣c hình thành từ giế ng đươ ̣c nhỏ 1 μl .......................... 39


Hình 3-16 Hiǹ h ảnh thực tế sự thay đổ i đô ̣ cao của các vi thấ u kính với bán kiń h
đáy là 1 mm ......................................................................................................... 40
Hình 3-17 Các điể m ảnh sau khi chiế u nguồ n sáng qua các thấ u kính chế ta ̣o chu ̣p
qua kính hiể n vi quang ho ̣c ................................................................................. 42

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2-1 Các thông số mô phỏng thấ u kính ....................................................... 21
Bảng 3-1 Thông số thấ u kính cầ n mô phỏng. ..................................................... 31
Bảng 3-2 Bảng số liêụ mô phỏng bán kính đáy 1mm ......................................... 34
Bảng 3-3 So sánh các thấ u kính có bán kính đáy khác nhau .............................. 38
Bảng 3-4 So sánh các thấ u kính có khố i lươ ̣ng nhỏ SU-8 khác nhau ................. 40
Bảng 3-5 Tổ ng hơ ̣p các kế t quả thu đươ ̣c ........................................................... 41


1

MỞ ĐẦU
Trong rấ t nhiề u hê ̣thố ng quang MEMS (Micro ElectroMechanical Systems),
vi thấ u kin
́ h là mô ̣t thành phầ n quan tro ̣ng trong viê ̣c chuẩ n trực và hô ̣i tu ̣ ánh sáng
vào điể m nhỏ để ghép ánh sáng giữa các thành phầ n có kích thước khác nhau
trong truyề n thông, đầ u đo ̣c quang, đế m phầ n tử ha ̣t trong hê ̣ vi lưu, ta ̣o ảnh và
trong các hê ̣ vi cảm biế n quang nhằ m phát hiêṇ khác biêṭ trong môi trường kiể m
tra, v.v.
Các vi thấ u kính đươ ̣c thực hiê ̣n trên mô ̣t số vâ ̣t liêụ bằ ng vi gia công, chủ
yế u là ăn mòn khô thủy tinh, ta ̣o da ̣ng và đinh
̣ da ̣ng polymer bằ ng nhiề u phương
pháp khác nhau. Với phương pháp ăn mòn khô thủy tinh, khó nhâ ̣n đươ ̣c bề mă ̣t
nhẵn bóng do bắ n phá của các ha ̣t ion năng lươ ̣ng cao. Điề u này ảnh hưởng rấ t
nhiề u đế n đă ̣c trưng quang của vi thấ u kính. Với phương pháp ta ̣o hình và đinh
̣
da ̣ng polymer, có thể dùng nhiê ̣t để đinh
̣ da ̣ng vi thấ u kính cầ u đố i với các polymer

chảy nhiê ̣t, hoă ̣c dùng điêṇ thế cao và chiế u sáng UV để chế tạo thấu kính phi cầu
đố i với các polymer phân cực. Tuy nhiên, có mô ̣t số ha ̣n chế trong các vi thấu
kiń h làm từ polymer chảy nhiê ̣t, do tính chiụ nhiê ̣t, bề n hóa, bề n cơ khí kém, ngoài
ra, chúng còn có thể không tương thích với các thực nghiê ̣m vi sinh. Nhóm
polymer phân cực thì bề n nhiêt,̣ hóa, cơ, song viêc̣ dùng điê ̣n thế cao để ta ̣o da ̣ng
thấ u kiń h là mô ̣t ha ̣n chế lớn. Chính vì vâ ̣y, viê ̣c nghiên cứu đề xuấ t mô ̣t phương
pháp thuâ ̣n tiê ̣n để chế ta ̣o vi thấ u kính có cấ u trúc mong muố n và bề mă ̣t nhẵn
bóng đố i với vâ ̣t liêụ thủy tinh/polymer tương thích với các phần tử y sinh là mô ̣t
trong các mu ̣c tiêu của đề tài. Các vi thấ u kính này có thể đươ ̣c ứng du ̣ng trong
truyề n thông, cũng như cảm biến môi trường, v.v.
Với các lí do trên tôi quyế t đinh
̣ cho ̣n đề tài luâ ̣n văn:
“Nghiên cứu chế ta ̣o và khảo sát đă ̣c trưng của vi thấ u kính trên cơ sở
màng micro-nano SU-8 ứng du ̣ng trong hê ̣ thố ng quang MEMS/NEMS”.
Luâ ̣n văn đặt mục tiêu nghiên cứu chế ta ̣o và khảo sát đă ̣c trưng của vi thấu
kính; thử nghiê ̣m và đánh giá khả năng ứng du ̣ng của vi thấ u kính trong hê ̣ thố ng
quang MEMS. Kế t quả của luâ ̣n văn là xây dựng mô ̣t phương pháp linh hoa ̣t, đơn
giản và hiê ̣u quả trong viê ̣c chế ta ̣o vi thấ u kính dùng trong các hê ̣ thố ng MEMS
quang dùng trong truyề n thông và cảm biế n.
Nội dung nghiên cứu thực hiê ̣n trong luận văn:
Luâ ̣n văn sẽ thực hiện các nội dung nghiên cứu cụ thể sau đây:
- Tổ ng quan về các khái niê ̣m quang hình ho ̣c cơ bản, các phương pháp chế
ta ̣o vi thấ u kính và ứng du ̣ng của vi thấ u kính trong thực tiễn.


2
- Nghiên cứu phương pháp chế ta ̣o vi thấ u kính bằ ng công nghệ MEMS. Tìm
điều kiện công nghệ tối ưu để chế ta ̣o vi thấ u kính có bề mă ̣t nhẵn bóng và hình
da ̣ng cầ u cầ n thiế t.
- Khảo sát hình thái học bề mặt, hình da ̣ng của các vi thấ u kính đươ ̣c chế ta ̣o

thông qua các phép đo như Alpha-step.
- Đánh giá đă ̣c trưng quang cơ bản của vi thấ u kiń h như điể m sáng, tiêu cự,
quang sai.


3
TỔNG QUAN
1.1. Khái niệm quang hình học cơ bản
1.1.1. Khái niệm cơ bản về thấu kính
Thấu kính là tên gọi chung chỉ thành phần thủy tinh, silic hoặc chất liệu
plastic trong suốt, thường có dạng tròn, có hai bề mặt chính được mài nhẵn một
cách đặc biệt (giới hạn bởi hai mặt cong hoặc bởi một mặt cong và một mặt phằng)
nhằm tạo ra sự hội tụ hoặc phân kì của ánh sáng truyền qua chất đó. (Hình 1-1)

Hình 1-1 Các loại thấu kính cơ bản.
1.1.2. Phân loại thấu kính
Thấu kính có thể là hô ̣i tu ̣ hoặc phân kì tùy thuộc vào chúng làm cho các
tia sáng truyền qua hội tụ vào một tiêu điểm, hoặc phân kì ra xa trục chính. Thấu
kính hô ̣i tu ̣ (minh họa trong Hình 1-2) làm hội tụ các tia sáng tới song song với
trục chính và hội tụ chúng tại tiêu diện, tạo nên ảnh thật. Như chỉ rõ trong Hình
1-2, thấu kính hô ̣i tu ̣ có một hoặc hai mặt lồi và ở giữa dày hơn ngoài rìa. Đặc
điểm chung của thấu kính hô ̣i tu ̣ là chúng phóng to vật khi chúng được đặt giữa
vật và mắt người. Ngược lại, thấu kính phân kì làm phân kì các tia sáng tới song
song và tạo nên ảnh bằng cách kéo dài các vết tia sáng truyền qua thấu kính đến
một tiêu điểm nằm trước thấu kính. Thấu kính phân kì có ít nhất một mặt lõm và
ở giữa mỏng hơn ngoài rìa (xem Hình 1-3). Khi thấu kính phân kì được đặt giữa
vật và mắt, nó không tạo nên ảnh thật, mà làm giảm (hoặc thu nhỏ) kích thước
biểu kiến của vật bằng cách tạo nên ảnh ảo.
1.1.2.a. Thấu kính hội tụ
Các dạng hình học thấu kính cơ bản đối với thành phần thấu kính hô ̣i tu ̣

minh họa trong Hình 1-2 là hai mặt lồi (Hình 1-2a) và phẳng-lồi (Hình 1-2b, có
một bề mặt phẳng). Ngoài ra, thấu kính lồi-khum (Hình 1-2c) có cả mặt lồi và mặt


4
lõm có độ cong tương đương, nhưng ở giữa dày hơn ngoài rìa. Thấu kính hai mặt
lồi là thấu kính phóng đại đơn giản nhất, và có tiêu điểm và độ phóng đại phụ
thuộc vào góc cong của bề mặt. Góc cong càng lớn thì tiêu cự càng ngắn, vì sóng
ánh sáng bị khúc xạ ở góc lớn hơn so với trục chính của thấu kính. Bản chất đối
xứng của thấu kính hai mặt lồi làm giảm tối thiểu quang sai cầu trong những ứng
dụng trong đó ảnh và vật nằm đối xứng nhau. Khi một thấ u kính hai mặt lồi hoàn
toàn đối xứng (trong thực tế, độ phóng đại là 1:1), quang sai cầu có giá trị cực
tiểu, quang sai coma và méo hình cũng đạt cực tiểu hoặc triệt tiêu. Nói chung,
thấu kính hai mặt lồi hoạt động với quang sai cực tiểu ở độ phóng đại từ 0,2x đến
5x. Thấu kính lồi chủ yếu được dùng trong các ứng dụng hội tụ và phóng đại ảnh.

(a)

(b)

(c)

Hình 1-2 Các loại thấ u kính hội tụ [6].
Thấu kính phẳng-lồi điển hình (Hình 1-2b) có một mặt lồi dương và một
mặt phẳng ở phía bên kia thấu kính. Những thành phần thấu kính này làm hội tụ
các tia sáng song song vào một tiêu điểm dương và hình thành ảnh thực có thể
chiếu hoặc điều chỉnh bằng các bộ lọc không gian. Sự không đối xứng của thấu
kính phẳng-lồi làm tối thiểu quang sai cầu trong các ứng dụng trong đó vật và ảnh
nằm ở khoảng cách không bằng nhau tính từ thấu kính. Trường hợp tốt nhất để
làm giảm quang sai xảy ra khi vật nằm ở vô cùng (trong thực tế, các tia sáng song

song đi vào thấu kính) và ảnh hội tụ tại tiêu điểm. Tuy nhiên, thấu kính phẳng-lồi
sẽ tạo ra quang sai cực tiểu ở tỉ số liên hợp lên tới gần 5,1. Khi mặt cong của thấu
kính phẳng-lồi hướng về phía vật, sẽ thu được sự hội tụ sắc nét nhất có thể có.
Thấu kính phẳng-lồi được dùng làm chuẩn trực các chùm tia phân kì và thiết đặt
tiêu điểm cho quang hệ phức tạp hơn.
Thấu kính khum dương (Hình 1-2c) có cấu trúc không đối xứng với một
mặt dạng bán kính lồi, còn mặt kia thì hơi lõm. Thấu kính khum thường được
dùng chung với các thấu kính khác tạo nên quang hệ có tiêu cự dài hơn hoặc ngắn
hơn các thấu kính ban đầu. Ví dụ, thấu kính khum dương có thể đặt sau thấu kính
phẳng-lồi làm ngắn đi tiêu cự mà không làm giảm hiệu suất của thấ u kính phẳ nglồ i. Thấu kính khum dương có bán kính cong ở mặt lõm của thấu kính lớn hơn ở
mặt lồi cho khả năng hình thành nên ảnh thật.


5
1.1.2.b. Thấu kính phân kì
Thành phần thấu kính phân kì gồm có hai mặt lõm (Hình 1-3a), phẳng-lõm
(Hình 1-3b, có một bề mặt phẳng), và lõm-khum (Hình 1-3c), cũng có các bề mặt
lõm và lồi, nhưng ở giữa mỏng hơn ở rìa. Đối với cả thấu kính khum dương và
khum âm, khoảng cách giữa hai bề mặt và tiêu diện của chúng là không bằng
nhau, nhưng tiêu cự của chúng thì bằng nhau. Đường thẳng nối giữa tâm của các
mặt cong thấu kính trong Hình 1-3 được gọi là trục chính của thấu kính. Thấu
kính đơn giản có hình dạng đối xứng (hai mặt lồi hoặc hai mặt lõm) có các mặt
phẳng chính cách đều nhau và cách đều hai bề mặt. Sự thiếu đối xứng ở những
thấu kính khác, ví dụ như thấu kính khum và thấu kính phẳng âm và dương, làm
cho vị trí của các mặt phẳng chính thay đổi theo hình học thấu kính. Thấu kính
phẳng-lồi và phẳng-lõm có một mặt phẳng chính cắt trục chính, tại rìa của mặt
cong, và mặt phẳng kia thì nằm sâu bên trong thấu kính. Các mặt phẳng chính đối
với thấu kính khum nằm bên ngoài bề mặt thấu kính.
Thấu kính hai mặt lõm (Hình 1-3a) chủ yếu dùng làm phân kì các chùm tia
sáng và làm giảm kích thước ảnh, cũng như làm tăng tiêu cự quang hệ và làm

chuẩn trực các chùm tia phân kì. Thường được gọi là thấu kính lõm kép, nguyên
tố quang này khúc xạ các tia sáng vào song song sao cho chúng phân kì khỏi trục
chính ở mặt ra của thấu kính, tạo nên tiêu cự âm ở phía trước thấu kính. Mặc dù
các tia sáng ra không thật sự đồng nhất để hình thành một tiêu điểm, chúng thực
sự có vẻ phân kì từ một ảnh ảo nằm ở phía vật của thấu kính. Thấu kính hai mặt
lõm có thể ghép chung với các thấu kính khác để làm giảm tiêu cự quang hệ.
Thấu kính phẳng-lõm trong (Hình 1-3b) là thành phần phân kì có tiêu cự
âm và tạo nên ảnh ảo. Khi một chùm tia sáng chuẩn trực tới trên mặt cong của
thành phần thấu kính phẳng-lõm, phía ra sẽ hình thành nên một chùm tia phân kì.
Chùm này sẽ có vẻ ló ra từ một nguồn điểm ảo nhỏ hơn nếu như mặt thấu kính
phẳng hứng chùm tia chuẩn trực. Thấu kính phẳng-lõm, biểu hiện quang sai cầu
cực tiểu khi mặt lõm nằm ở khoảng cách liên hợp lớn nhất, được dùng để mở rộng
chùm tia sáng hoặc làm tăng tiêu cự ở quang hệ có sẵn.
Cũng thường gọi là thấu kính lồi-lõm, thấu kính khum âm (phân kì) có thể
được thiết kế nhằm làm giảm hoặc loại trừ sự quang sai cầu khác, hay coma, trong
quang hệ mà thấu kính ghép vào. Thấu kính khum (cả dương và âm) thường được
dùng làm giảm tiêu cự của hệ kép (hai thấu kính hàn với nhau) hoặc thấu kính
phẳng-lồi hoạt động ở tỉ số liên hợp vô hạn (được rọi bởi các tia song song). Tiêu
cự yêu cầu của hệ cuối cùng xác định chiều nhất định và đặc điểm của thấu kính
khum phải được thêm vào. Sự kết hợp thấu kính phẳng-lồi/khum cho độ phân giải
lớn gấp bốn lần thấu kính phẳng-lồi hoạt động riêng lẻ.


6

Thấu kính hoạt động bằng cách làm khúc xạ sóng ánh sáng tới tại những
điểm nơi chúng đi vào và ra khỏi bề mặt thấu kính. Góc khúc xạ, và do đó tiêu cự,
sẽ phụ thuộc vào dạng hình học của bề mặt thấu kính cũng như chất liệu dùng chế
tạo thấu kính. Chất có chiết suất cao hơn sẽ có tiêu cự ngắn hơn chất có chiết suất
thấp hơn.

(a)

(b)

(c)

Hình 1-3 Các loại thấ u kính phân kỳ [6].
1.1.3. Thành phần cơ bản của thấu kính
Quang tâm O: là điểm chính giữa thấu kính, mọi tia sáng đi qua quang tâm
O của thấu kính đều truyền thẳng.
Trục chính của thấu kính: là đường thẳng đi qua quang tâm O và vuông
góc với mặt thấu kính. Mo ̣i đường thẳ ng khác đi qua quang tâm O là tru ̣c phu ̣.
Mo ̣i tia tới quang tâm của thấ u kính đề u truyề n thẳ ng.
Tiêu điểm ảnh của thấu kính: là điểm hội tụ của chùm tia sáng đi qua thấu
kính hoặc phần kéo dài của chúng.
Tiêu cự: là khoảng cách từ quang tâm đến tiêu điểm của thấu kính.
Tiêu diện: là mặt phẳng chứa tất cả các tiêu điểm của thấu kính.

Hình 1-4 Quang hình học thấ u kính mỏng đơn giản [1].


7

1.1.4. Sự ta ̣o ảnh bởi thấ u kính
Có ba quy luật tổng quát áp dụng để lần theo các tia sáng đi qua một thấu
kính đơn giản (Hình 1-4) khiến cho công việc xác định tia ló của các tia sáng
tương đối dễ.
 Thứ nhất, một tia sáng đi qua tâm thấu kính từ một điểm trên vật đến điểm
tương ứng trên ảnh (đường nối các đầu mũi tên Hình 1-4). Tia này không bị thấu

kính làm lệch hướng.
 Thứ hai, một tia phát ra từ điểm trên cùng của vật vẽ song song với trục
chính và, sau khi bị khúc xạ bởi thấu kính, sẽ cắt trục chính và đi qua tiêu điểm
phía sau. Trong thực tế, tất cả các tia sáng truyền song song với trục chính sau khi
bị khúc xạ bởi thấu kính sẽ truyền qua tiêu điểm sau.
 Thứ ba, một tia phát ra từ vật đi qua tiêu điểm phía trước sẽ bị thấu kính
khúc xạ theo hướng song song với trục chính và trùng với một điểm giống hệt trên
ảnh. Sự giao nhau của hai trong số bất kì các tia vừa mô tả, thường được gọi là tia
tiêu biểu, sẽ xác định mặt phẳng ảnh của thấu kính.
Việc mở rộng khái niệm đường đi từng tia sáng sang cho một chùm tia sáng
là yêu cầu cần thiết để mô tả các sự kiện quang xảy ra trong kính hiển vi. Khi một
chùm tia sáng song song truyền qua một thấu kính đơn giản, các tia bị khúc xạ và
tập trung vào một đốm sáng hội tụ tại tiêu điểm (điểm F trong Hình 1-4) của thấu
kính. Khi ánh sáng phát ra từ một nguồn điểm đặt tại tiêu điểm của thấu kính đi
vào thấu kính, nó sẽ ló ra dưới dạng một chùm tia sáng song song, gần trục. Ánh
sáng từ nguồn rọi sáng kính hiển vi có thể xem là một tập sóng ánh sáng dao động
cùng pha với nhau. Đầu sóng đi cùng với đoàn sóng này nằm trong một mặt phẳng
vuông góc với hướng truyền (thường song song với trục quang của kính hiển vi)
và bị chuyển thành sóng cầu khi truyền qua một thấu kính hai mặt lồi đơn giản.
Bán kính của sóng cầu đó có tâm tại tiêu điểm của thấu kính và sóng ánh sáng đều
đến đồng pha và trải qua sự giao thoa tăng cường (cộng gộp) lẫn nhau tại tiêu
điểm. Như trường hợp nguồn sáng điểm, đầu sóng cầu tỏa ra từ tiêu điểm của một
thấu kính đơn giản bị chuyển thành đầu sóng phẳng bởi sự khúc xạ xảy ra khi
truyền qua thấu kính. [6], [4].
Một đầu sóng phẳng truyền qua không gian thường không vuông góc với
trục chính của thấu kính, mà đến với một số góc tới nghiêng với trục chính. Tâm
của sóng cầu do sự truyền sóng phẳng ngoài trục qua thấu kính nằm ở một số điểm
ngoài trục chính của thấu kính. Trong mọi mục đích thực tế, một sóng phẳng có
thể xem là sóng cầu có bán kính vô hạn, có thể hội tụ bằng một thấu kính thành
một sóng cầu khác có bán kính nhỏ hơn nhiều - bằng với tiêu cự của thấu kính.

Như vậy, có thể kết luận rằng một thấu kính hai mặt lồi đơn giản hoạt động bằng
cách biến một sóng cầu thành một sóng cầu khác, thường có bán kính (hoặc tiêu
điểm) khác. Ngoài ra, tâm cong của sóng cầu thứ hai nằm trong tiêu diện của thấu
kính.


8

Hình 1-5 Sóng xiên đi qua hê ̣ hai thấ u kinh song song đơn giản [1].
Nếu nguồn sáng điểm phát ra sóng cầu không nằm trong tiêu diện của thấu
kính (trong thực tế, sóng ánh sáng xiên góc với trục chính), khi đó thấu kính có
thể được mô tả là gồm hai thấu kính riêng biệt, như minh họa trong Hình 1-5 đối
với nguồn điểm đơn sắc (một màu) đỏ. Mỗi thấu kính có tiêu cự khác nhau (f(a)
cho thấu kính gần nguồn điểm nhất trong Hình 1-5, và f(b) cho thấu kính thứ hai),
và sóng cầu ló ra từ thấu kính thứ hai (thấu kính b) có tâm tại tiêu điểm cũng nằm
ngoài trục chính của hệ thấu kính. Kết quả là sóng cầu có tâm tại điểm S 1 trong
Hình 1-5 bị thấu kính thứ nhất biến thành sóng phẳng xiên so với trục thấu kính
cùng một góc như nguồn điểm. Thấu kính thứ hai biến sóng phẳng ló ra từ thấu
kính thứ nhất thành thành sóng cầu có tâm bán kính cong nằm tại S 2, cũng xiên
cùng một góc như nguồn điểm. Tóm lại, thấu kính đơn giản (là tổng hợp hai thấu
kính thành phần giả định như mô tả trong Hình 1-5) hội tụ nguồn điểm S1 lên điểm
S2, và ngược lại. Trong thuật ngữ quang học, các điểm S1 và S2 gọi là các điểm
liên hợp, và có tầm quan trọng cơ sở cho việc tìm hiểu các sự kiện xảy ra trong
bộ truyền động quang của kính hiển vi.
Mở rộng thêm ý tưởng về các điểm liên hợp, nếu điểm S1 được xem là thuộc
về một tập hợp điểm nằm trong một mặt phẳng vuông góc với trục chính của thấu
kính, thì thấu kính sẽ hội tụ mỗi điểm vào một điểm liên hợp tương tự trong mặt
phẳng chứa tập hợp điểm S2. Do đó, bằng sự đảo ngược, thấu kính cũng sẽ hội tụ
mỗi điểm trong mặt phẳng S2 lên một điểm tương ứng trên tập hợp S1 từ mặt
phẳng ban đầu. Những mặt phẳng tiêu liên hệ gần gũi này được gọi là mặt phẳng

liên hợp, và hội tụ đồng thời. Nói chung, một kính hiển vi có hai bộ mặt phẳng
liên hợp: một bộ chứa lỗ điều chỉnh lượng ánh sáng truyền qua quang hệ, và bộ
kia thì tạo ảnh.
Vì một sóng ánh sáng đang lan truyền có thể xem là một đoàn sóng, nên
một bó tia có thể biểu diễn bằng một vệt tia định hướng vuông góc với đầu sóng.
Mang điều này vào thảo luận thì hệ thấu kính song sinh nói tới trong Hình 1-5 có
thể giản lược sơ đồ hình vẽ đường đi tia sáng, như biểu diễn trong Hình 1-4, để
áp dụng các quy luật hình học xác định kích thước và vị trí ảnh tạo bởi thấu kính.
Như đã nói ở phần trên, hai tia sáng tiêu biểu, một gần (song song) trục chính, và
một truyền qua tâm của thấu kính là cần thiết để xác định những thông số này.


9
Khoảng cách a và b trong Hình 1-4 (f(a) và f(b) trong Hình 1-5) và tiêu cự
sau (f) của thấu kính liên hệ với nhau bằng phương trình đơn giản sau đây áp dụng
cho mọi thấu kính mỏng:
1/a + 1/b = 1/f
Từ phương trình này, rõ ràng là nếu như tiêu cự sau và khoảng cách giữa
thấu kính và vật đã được biết, thì khoảng cách giữa thấu kính và tiêu diện có thể
tính được. Hơn nữa, chiều cao của ảnh tạo bởi thấu kính chia cho chiều cao của
vật xác định độ phóng đại (M) của thấu kính:
Độ phóng đại = Chiều cao ảnh/ Chiều cao vật = b/a
Tất nhiên, các phương trình vừa mô tả là dựa trên giả thuyết rằng hệ thấu
kính bị bao quanh bởi không khí ở cả hai phía, nhưng đây thường không phải là
trường hợp trong kính hiển vi quang học sử dụng vật kính ngâm dầu, nước, hoặc
glycerin. Tuy nhiên, đa số kính hiển vi thông dụng có vật kính công suất trung
bình không sử dụng môi trường tạo ảnh nào khác ngoài không khí. Một trong
những kết luận có thể rút ra từ những công thức toán học thấu kính đơn giản vừa
nhắc tới ở trên là độ phóng đại (hoặc thu nhỏ kích thước) của một ảnh bằng với
tiêu cự của hệ thấu kính chia cho khoảng cách giữa mặt phẳng vật và tiêu diện

phía trước (phía vật) của thấu kính. Ngoài ra, độ phóng đại (hoặc thu nhỏ) của ảnh
bằng với khoảng cách giữa mặt phẳng ảnh và tiêu diện ở phía bên phải của thấu
kính chia cho tiêu cự của thấu kính. Những phương trình này thường được sử
dụng để tính độ phóng đại hoặc thu nhỏ kích thước ảnh bởi hệ thấu kính có tiêu
cự cố định. Chúng cũng được dùng cho việc xác định khoảng cách ảnh tính từ mặt
phẳng chính ở phía bên phải (phía không gian ảnh) của thấu kính khi mẫu vật
được đặt ở một khoảng cách cố định trong không gian vật.
Một yếu tố quan trọng khác trong kính hiển vi là độ phóng đại dọc, hay độ
phóng đại trục, được định nghĩa là tỉ số của khoảng cách giữa hai điểm ảnh dọc
theo trục thấu kính với các điểm liên hợp tương ứng của chúng trên mẫu vật. Nói
chung, độ lớn của độ phóng đại dọc được xác định bằng bình phương của độ
phóng đại bên đối với những khoảng cách nhỏ trong mặt phẳng ảnh.
1.1.5. Ứng dụng của thấ u kính
Thấu kính đơn giản có khả năng tạo ảnh (giống như thấu kính hai mặt lồi)
có ích trong những dụng cụ thiết kế dành cho các ứng dụng phóng đại đơn giản,
như kính phóng to, kính đeo mắt, camera một thấu kính, kính lúp, ống nhòm và
thấu kính tiếp xúc. Bộ đôi thấu kính đơn giản nhất có tên là hệ tiêu sắc, gồm hai
nguyên tố thấu kính hàn với nhau nhằm hiệu chỉnh quang sai cầu trên trục và
quang sai màu. Hệ tiêu sắc thường gồm một thấu kính hai mặt lồi ghép với một
thấu kính khum dương hoặc âm, hoặc một thấu kính phẳng-lồi. Bộ ba thấu kính
tiêu sắc được dùng làm bộ phóng đại công suất cao. Được hiệu chỉnh quang sai
tốt hơn bộ đôi, bộ ba thấu kính được đánh giá bằng kĩ thuật thiết kế máy tính nhằm
loại trừ hầu hết sự méo hình. Những dụng cụ phức tạp hơn thường sử dụng kết
hợp nhiều thành phần thấu kính để nâng cao độ phóng đại và khai thác những tính


10

chất quang khác của ảnh. Trong số các dụng cụ sử dụng quang hệ ghép thuộc
nhóm này có kính hiển vi, kính thiên văn, kính viễn vọng, camera.

Hình 1-6 Các loại thấu kính không phổ biến [1].
Ngoài những dạng hình học phổ biến đã mô tả ở trên, thấu kính cũng được
sản xuất thuộc nhiều hình dạng và định hướng khác đa dạng (xem Hình 1-6). Thấu
kính hình cầu biểu hiện tính chất như nhau từ mọi góc tới, và có tiêu cự phụ thuộc
vào đường kính và chiết suất. Bằng cách điều chỉnh hai thông số này, một phổ
rộng rãi tiêu cự có thể thu được với thấu kính hình cầu nhưng ứng dụng chủ yếu
của chúng là cải thiện sự ghép tín hiệu giữa sợi quang, máy phát và máy thu dùng
trong công nghiệp viễn thông. Thấu kính hình bán cầu, có dạng nửa hình cầu,
được sử dụng trong ngành quang học viễn thông sợi quang, phép nội soi, kính
hiển vi, và các hệ đo lường laser. Thấu kính hình trống tạo ra từ thấu kính hình
quả cầu bằng kĩ thuật mài trục, làm giảm một phần đáng kể bán kính thấu kính.
Những thấu kính biến cải này dễ lắp ráp và ghép thẳng hàng trong quang hệ hơn
nhiều so với người anh em hình cầu của chúng.
Thấu kính hình trụ, được sản xuất nhiều hình dạng và định hướng, gồm một
phần của hình trụ dẹt ở một mặt làm hội tụ ánh sáng vào một mặt phẳng. Vì những
thấu kính này có khả năng phóng đại theo một hướng, nên có thể sử dụng chúng
làm kéo căng hình. Ngoài ra, thấu kính trụ có thể biến một nguồn sáng điểm thành
ảnh thẳng, khiến chúng có ích làm máy phát laser vạch, hoặc làm hội tụ ánh sáng
vào một khe. Những hình dạng thấu kính khác gồm hình nón, hình que và hình
không cầu. Thấu kính hình nón được dùng cho chiếu sáng 360 độ và các ứng dụng
xử lí ảnh. Với hiệu suất quang tương đương với thấu kính trụ, thấu kính hình que
sẽ hội tụ ánh sáng chuẩn trực truyền qua đường kính thành một vạch. Thấu kính
hình không cầu, có thể sản xuất có nhiều khẩu độ số đa dạng, loại trừ quang sai
cầu và nâng cao độ chính xác hội tụ và chuẩn trực. Những thấu kính này thường
dùng trong các hệ chiếu sáng hiệu suất cao như thành phần tụ sáng.


11

Các thành phần quang trong kính hiển vi là thấu kính rọi sáng (tụ sáng),
thấu kính hội tụ (vật kính) và thị kính. Mặc dù không thường không được mô tả
là thành phần tạo ảnh, nhưng tính chất tạo ảnh của từng nguyên tố thấu kính và
nhóm thấu kính này có tầm quan trọng cơ sở trong việc xác định chất lượng cuối
cùng của ảnh tạo bởi kính hiển vi.

Hình 1-7 Các thành phầ n quang của kính hiể n vi trong phòng thí nghiê ̣m.
1.2. Vai trò ứng du ̣ng của vi thấ u kính trong hê ̣ thố ng quang MEMS/NEMS
1.2.1. Quy trình chế ta ̣o các sản phẩ m từ công nghê ̣ MEMS/NEMS
Khái niệm MEMS (Micro Electronic Mechanical System – MEMS), chữ viết
tắt của hệ thống vi cơ điện tử, được sử dụng khi mô tả sự tích hợp giữa các phần
tử điện tử và cơ khí trên một chip được chế tạo thông qua công nghệ vi điện tử.
MEMS hứa hẹn cách mạng hoá gần như tất cả các loại sản phẩm bằng việc kết
hợp công nghệ vi điện tử trên nền tảng silicon và công nghệ vi cơ, tạo khả năng
hiện thực hoá cái gọi là “hệ thống trên một chíp” hay “phòng thí nghiệm trên một
chíp”. MEMS là công nghệ khả thi cho phép phát triển các sản phẩm thông minh,
làm tăng khả năng tính toán điện tử với sự tham gia điều khiển của các cảm biến
và bộ thi hành đồng thời mở rộng khả năng thiết kế và ứng dụng.
Phần lớn các thiết bị MEMS được sản xuất hàng loạt, cho phép hàng ngàn
thậm chí hàng triệu sản phẩm được chế tạo cùng lúc giúp hạ giá thành sản phẩm.
MEMS cũng rất phù hợp với các ứng dụng ở diện rộng và mang tính khả thi với
các hệ thống tinh vi được chế tạo hàng loạt mà trước đó không thể triển khai với
các công nghệ chế tạo khác. Rất nhiều các sản phẩm MEMS tương tác cùng nhau


12
mở ra các khả năng và cơ hội mới trong các ngành công nghiệp cũng như trong
các lĩnh vực ứng dụng khác nhau. Kích thước nhỏ bé của thiết bị MEMS cho phép
chúng tương thích với các hệ thống mà những sản phẩm có kích thước lớn hơn
không thể thực hiện được. Và nhờ sự hoạt động ở kích thước nhỏ như vậy, cảm

biến MEMS có thể phát hiện những tín hiệu cực nhỏ và bộ chấp nhận MEMS có
thể thực thi những nhiệm vụ với độ chính xác rất cao, tạo ra các ứng dụng hoàn
toàn mới. Kích thước nhỏ của linh kiện MEMS đồng nghĩa với việc tiêu thụ ít
năng lượng, có ý nghĩa mấu chốt đối với các linh kiện điện tử. Các chuyển mạch
tĩnh điện MEMS chỉ tiêu thụ vài nano oát. Rất nhiều thiết bị MEMS cho độ tin
cậy hơn hẳn so với thiết bị truyền thống. Thiết bị MEMS thường được chế tạo với
cấu trúc nguyên khối, không có mối nối, không dùng bi, bạc hoặc các gioăng có
nguy cơ bị ăn mòn. Thay thế các thiết bị cồng kềnh bằng thiết bị MEMS làm giảm
khối lượng một cách đáng kể. Tính đồng vận kết hợp của điện tử tiên tiến với
MEMS trên cùng một chíp thể hiện khả năng đáng kinh ngạc. Hiệu năng của
MEMS có thể nâng cao rất nhiều bằng việc sử dụng phản hồi và điều khiển điện
tử, và các thiết bị điện tử có thể có được những chức năng mới khi hoạt động cùng
với MEMS. Khả năng ứng dụng trong phạm vị rộng lớn là hoàn toàn có thể đối
với các hệ thống thông minh trên một chíp bao gồm cả các hệ thống truyền thông
không dây, phòng phân tích hoá học, hệ thống xác định sinh trắc học trên một
chip.
MEMS và công nghệ nano góp phần vào các phát kiến mới trong khoa học
và kỹ thuật như vi hệ thống phản ứng nhân chuỗi polymer (PCR-microsystem)
ứng dụng trong việc phân chuỗi và xác định DNA, kính hiển vi đầu dò quét, cảm
biến sinh học để phát hiện và chọn lọc thuốc chữa [4], [10], [11].
Quy trình chế ta ̣o mỗi sản phẩ m vi điê ̣n tử, MEMS/NEMS đươ ̣c thực hiêṇ
trong phòng sa ̣ch bao gồm rất nhiều bước công nghê ̣ tùy thuô ̣c đô ̣ phức ta ̣p, tiń h
năng và thiế t bi.̣ Quy trin
̀ h công nghê ̣ tổ ng quát đươ ̣c mô tả gồ m các bước sau:
Xử lý bề mă ̣t (wetbench)
Quá trình xử lý bề mặt nhằm làm sạch bề mặt phiến Si bằng dung dịch có
tính oxi hóa và ăn mòn cao (thường là axit hoặc ba-zơ mạnh) đôi khi có gia nhiệt.
Quá trình này cần được thực hiện tại các tủ hoá ướt, có khả năng chịu ăn mòn,
bền trong môi trường axit và ba-zơ.
Tủ hoá ướt bao gồm các ngăn chứa hoá chất, đường nước vào ra và có phin

lọc gió. Ở những tủ hóa ướt hiện đại, có tích hợp thêm cả máy làm khô tấm Silic
bằng quay ly tâm ở tốc độ cao (spin dryer).
Oxi hóa (oxidation)


13

Oxi hóa là bước công nghệ để tạo ra lớp 𝑆𝑖𝑂2 từ phản ứng oxi hóa silic ở
điều kiện nhiệt độ cao. Lò oxi hóa dùng trong công nghệ vi điện tử, bán dẫn phục
vụ chế tạo các linh kiện MEMS/NEMS có thể hoạt động ở nhiệt độ tới
1050℃. Nhiệt độ thường dùng để ô-xi hóa silic là T = 1050℃, môi trường
𝑁2 /𝐻2 𝑂 (kỹ thuật oxy hóa ướt.), và T = 1100℃ môi trường O2 (kỹ thuật oxy hóa
khô).
Lò oxi hóa thường có 3 vùng nhiệt độ rõ rệt, điều khiển được và có khả
năng tương thích với các tấm Silic với kích thước khác nhau (2, 3, 4 và 6 inch).
Các lớp SiO2 có thể đóng vai trò như một lớp bảo vệ cả tấm Silic trong quá trình
chế tạo, hoặc có vai trò như là một lớp cách điện trong linh kiện.
Khuế ch tán (diffusion)
Khuếch tán là một trong những bước công nghệ bắt buộc dùng để chế tạo
các chuyển tiếp trong diode, bóng bán dẫn hoặc pha tạp tạo ra điện trở trong cảm
biến MEMS. Ở một số phòng thí nghiệm hoặc hãng sản xuất khuếch tán nhiệt
được thay bằng kỹ thuật cấy ion với độ chính xác cao (điểm yếu lớn nhất của máy
cấy ion là đắt tiền và chi phí hoạt động cao).
Chất pha tạp (dopant), trong kỹ thuật khuếch tán, có thể là nguồn rắn hoặc
nguồn khí, được đưa vào sâu bên trong phiến silic nhờ nhiệt độ cao (khoảng
1100℃). Về lý thuyết, lò khuếch tán có thể dùng chung không gian với lò oxi
hóa.
Quang khắ c (photo - lithography)
Quang khắc (hay photolithography) là kĩ thuật hay được sử dụng nhất trong
công nghệ bán dẫn, vi điện tử, MEMS. Kỹ thuật này được ứng dụng để đưa các

chi tiết đã được thiết kế trên mặt nạ lên trên phiến silic với tỉ lệ 1:1 bằng cách sử
dụng bức xạ ánh sáng làm biến đổi các chất cảm quang phủ trên bề mặt vật liệu.
Do ảnh hưởng của nhiễu xạ ánh sáng nên phương pháp quang khắc không cho
phép tạo các chi tiết nhỏ hơn micro mét, vì vậy phương pháp này còn được gọi là
quang khắc micro (micro photolithography).
Quang khắc sử dụng các phản ứng quang hóa để tạo hình. Bề mặt của đế
sau khi xử lý được phủ một hợp chất hữu cơ gọi là chất cảm quang (photoresist).
Chất cảm quang có tính chất nhạy quang, bền trong các môi trường kiềm hay axit.
Cảm quang có vai trò bảo vệ các chi tiết của vật liệu khỏi bị ăn mòn dưới các tác
dụng của ăn mòn hoặc tạo ra các khe rãnh có hình dạng của các chi tiết cần chế
tạo. Cảm quang thường được phủ lên bề mặt tấm bằng kỹ thuật quay phủ (spincoating).


14

Ăn mòn khô (Dry etching)
Là một kỹ thuật mới trong nghiên cứu và sản xuất các sản phẩm MEMS.
Trong kỹ thuật này, tác nhân ăn mòn, thay vì ở thể lỏng như hỗn hợp HF/NH4 F,
HF, tồn tại ở thể khí. Trong một buồng chân không, các tác nhân ăn mòn sẽ phản
ứng với vật liệu như Si, SiO2 …trên tấm nền (Si) sản xuất linh kiện. Sản phẩm
phản ứng sẽ được bơm ra ngoài nhờ những bơm rút tốc độ cao.
So với ăn mòn ướt, kỹ thuật ăn mòn khô có nhiều ưu điểm vượt trội như
không dùng dung môi hay axit nguy hiểm; sử dụng một lượng hóa chất ít hơn
nhiều; có khả năng tạo ra hình mẫu ăn mòn dị hướng; ăn mòn định hướng mà
không cần sử dụng Si tinh thể; truyền tải trung thực chi tiết từ thiết kế (mặt nạ)
lên phiến Si, tránh được được hiện tượng ăn mòn ngang với độ phân giải và tỉ lệ
phương diện cao. Thêm vào đó, kỹ thuật này cũng có mức độ tự động hóa cao.
Các loại khí hay được dùng làm nguồn ăn mòn khô bao gồm CF4 , CHF3 , C2 F6 …
Phún xa ̣/ Bố c bay nhiêṭ (sputtering/Evaporation)
Đây là hai kỹ thuật lắng đọng vật lý ở pha hơi. Các trung tâm nghiên cứu

mạnh trên thế giới có thể sở hữu từ hai đến nhiều thiết bị phún xạ và bốc bay với
mục đích chuyên biệt, tránh nhiễm chéo (cross contamination) trong quá trình chế
tạo. Cả hai kỹ thuật đều được thực thi trong buồn chân không, do đó màng chế tạo
được có chất lượng cao.
Kỹ thuật phún xạ cao tần là một quá trình tạo ra một màng mỏng (dẫn điện
hoặc không dẫn điện) lên tấm nền. Dưới tác dụng của sóng cao tần, các nguyên tử
khí trơ Ar bị ion hoá tạo thành các ion Ar+, các ion này được gia tốc dưới tác dụng
của điện trường sẽ bay đến đập vào bia (catốt- chất cần phún xạ) làm bật ra các
nguyên tử trên đó. Các nguyên tử của bia bị bắn phá sẽ trở nên dễ bay hơi và lắng
đọng thành một màng mỏng trên đế. Với vật liệu dẫn điện, có thể dùng nguồn
phún xạ một chiều. Các máy phún xạ đời mới thường có nhiều hơn 3 nguồn phún
xạ trong buồng chân không.
Kỹ thuật bốc bay nhiệt dùng để tạo lớp kim loại tiếp xúc trong linh kiện.
Vật liệu nguồn, dưới tác dụng của dòng điện trong chân không được chuyển thành
thể hơi và lắng đọng trên tấm nền.
Cắ t phiế n (Dicing)
Được thiết kế và chế tạo hàng loạt, sau các quy trình công nghệ người ta
cần cắt rời chip, cảm biến từ tấm nền bằng kỹ thuật cắt phiến (dicing). Bước công
nghệ này được thực hiện nhờ việc quay lưỡi dao (thường là tẩm vật liệu cứng ở


15
lưỡi dao) ở tốc độ cao (có thể điều chỉnh được) theo định dạng được thiết kế (chiều
ngang, chiều dọc).
Đă ̣c tính (characterization)
Mỗi khi hoàn thiện các bước quy trình công nghệ, người ta cần phải đảm
bảo các chip hoạt động đúng theo những mô hình lý thuyết. Với thiết kế hiện nay,
kích thước mỗi linh kiện thường rất nhỏ, nhiều khi chỉ vài trăm µm mỗi chiều. Do
đó, để có thể cấp nguồn và lấy tín hiệu từ linh kiện người ta phải dùng một tổ hợp
đặc biệt gọi là bộ kiểm tra linh kiện (probe station). Thiết bị này gồm một bộ gá

chắc chắn, kết nối với những cánh tay đo với đầu đo có kích thước cỡ micro mét,
được định vị nhờ kính hiển vi hoặc camera số. Thiết bị kiểm tra linh kiện cũng
được kết nối với hệ đo đa năng cho phép đo một cách chính xác các thông số của
linh kiện.
1.2.2. Ứng dụng của thấu kính trong hệ thống quang MEMS/NEMS
• Ghép ánh sáng giữa các thành phầ n có kích thước khác nhau trong truyền
thông

Hình 1-8 (a) vi thấ u kính được đặt trên một sợi quang, (b) kích thước của vi
thấ u kính [12].