(Luận án tiến sĩ) 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

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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

Hà Nội – 2021


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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1. PGS. TS. CHU MẠNH HOÀNG
2.
TS. VŨ THU HIỀN

Hà Nội – 2020


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng
dẫn của PGS. TS. Chu Mạnh Hoàng và TS. Vũ Thu Hiền. Các số liệu và kết quả
trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ
cơng trình khoa học nào khác.

Thay mặt Tập thể hướng dẫn

Tác giả

PGS. TS. Chu Mạnh Hoàng

Đặng Văn Hiếu


LỜI CẢM ƠN
Trước hết, tơi xin bày tỏ lịng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến PGS.TS.
Chu Mạnh Hoàng và TS. Vũ Thu Hiền, những người thầy đã truyền động lực
nghiên cứu cho tơi, đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận
lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận án. Nhờ sự
chỉ bảo tận tình của các thầy, tơi đã có được những kiến thức về khoa học vật
liệu, về các công nghệ chế tạo, những kinh nghiệm và phương pháp nghiên cứu,
phương pháp viết bài và đăng bài trên các tạp chí ISI và trên hết là mở ra con

đường nghiên cứu khoa học tiếp theo của bản thân.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Viện ITIMS, trường ĐH Bách
Khoa Hà Nội, trường ĐH Thành Đô và trường Đại học FPT đã tạo điều kiện về
thời gian, vật chất và tinh thần giúp tôi hồn thành luận án.
Tơi xin chân thành cảm ơn GS.TS. Vũ Ngọc Hùng, cùng các anh, chị, em
trong phịng thí nghiệm MEMS, Viện ITIMS: ThS. Lê Văn Tâm, TS. Nguyễn
Ngọc Minh, NCS. Nguyễn Thanh Hương, TS. Nguyễn Văn Minh, TS. Nguyễn
Thị Quỳnh Chi, TS. Ngô Đức Quân, ThS. Nguyễn Ngọc Sơn… đã chia sẻ
những kinh nghiệm nghiên cứu khoa học, đã động viên và có những thảo luận
góp ý giúp tơi hồn thành luận án.
Tơi xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Văn Toán đã tạo điều kiện và
hướng dẫn tôi sử dụng các thiết bị và làm việc trong phịng sạch.
Tơi cũng xin được gửi lời cảm ơn tới bạn bè và đồng nghiệp đã luôn ở
bên, động viên khích lệ tơi trong thời gian qua.
Cuối cùng, tơi xin giành lời cảm ơn cho gia đình, gia đình là hậu phương
vững chắc, là chỗ dựa tinh thần để tôi có thể yên tâm nghiên cứu trong suốt thời
gian vừa qua.
Hà Nội, ngày …. tháng …. năm 20….
Tác giả

Đặng Văn Hiếu


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ................................................. iii
DANH MỤC CÁC BẢNG ......................................................................................... v
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ............................................................... vi
MỞ ĐẦU ................................................................................................................... 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHẮC ĐẦU DÒ QUÉT ......................................... 6
1.1.

Cơ sở về kỹ thuật khắc đầu dò quét ................................................................. 6

1.2.

Các phương pháp chấp hành ...........................................................................16
1.2.1. Phương pháp chấp hành nhiệt..................................................................16
1.2.2. Phương pháp chấp hành áp điện ..............................................................17
1.2.3. Phương pháp chấp hành tĩnh điện............................................................17

1.3. Hiệu suất khắc đầu dị qt ................................................................................19
1.4. Cơng nghệ chế tạo .............................................................................................20
1.5. Mục tiêu của luận án..........................................................................................24
1.6. Kết luận chương 1 .............................................................................................25
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ MÔ PHỎNG ............................................. 26
2.1. Cơ sở tính tốn lý thuyết. ...................................................................................26
2.1.1. Tính tốn độ cứng của lị xo .....................................................................26
2.1.2. Tính tốn tần số riêng ..............................................................................33
2.1.3. Tính tốn điện áp tới hạn (Vpull_in) của cấu trúc dịch chuyển một chiều theo
phương z ............................................................................................................36
2.1.4. Tính toán độ dịch chuyển của cấu trúc .....................................................37
2.1.5. Điện dung của cấu trúc ............................................................................38
2.1.6. Hệ số phẩm chất của bộ vi chấp hành ......................................................39
2.2. Cơ sở mô phỏng ................................................................................................42
2.2.1. Giới thiệu chung về phương pháp phần tử hữu hạn ..................................42
2.2.2. Phần mềm phân tích phần tử hữu hạn (FEA) ...........................................44
2.3. Kết luận chương 2 .............................................................................................50
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BỘ CHẤP HÀNH TRỤC Z ................. 51

3.1. Bộ chấp hành sử dụng cấu trúc vi treo dầm thẳng truyền thống và cải tiến ........51
i


3.2. Bộ chấp hành sử dụng cấu trúc vi treo lò xo gấp khúc dạng truyền thống và dạng
cải tiến .....................................................................................................................56
3.3. Cấu trúc dầm kết cặp cơ ....................................................................................60
3.4. Cấu trúc vi treo kết cặp cơ sử dụng 2 khung kết cặp ..........................................66
3.5. Kết luận chương 3 .............................................................................................73
CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BỘ VI DỊCH CHUYỂN
BA CHIỀU XYZ ...................................................................................................... 74
4.1. Thiết kế bộ vi dịch chuyển XYZ ........................................................................74
4.2. Tính tốn và mơ phỏng cấu trúc.........................................................................78
4.2.1. Chấp hành trục z ......................................................................................78
4.2.2. Chấp hành trục x và y ..............................................................................84
4.3. Tác động của lực cản khơng khí lên bộ vi dịch chuyển ba chiều xyz..................86
4.4. Kết quả và thảo luận của cấu trúc vi dịch chuyển ba chiều.................................88
4.4.1. Tần số theo trục z phụ thuộc vào độ rộng và độ dày của lò xo treo ..........88
4.4.2. Tần số hoạt động theo trục x, y phụ thuộc vào độ rộng và độ dày của dầm
treo ....................................................................................................................91
4.4.3. Độ dịch chuyển của bộ điều khiển XYZ phụ thuộc vào điện áp điều khiển 94
4.4.4. Hệ số phẩm chất của bộ vi dịch chuyển ba chiều......................................95
4.5. Kết luận chương 4 .............................................................................................96
CHƯƠNG 5: CHẾ TẠO MŨI DÒ BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĂN MÒN ƯỚT.......... 97
5.1. Quy trình chế tạo và thu nhỏ mũi dị ..................................................................97
5.2. Quy trình chế tạo bộ chấp hành trục z có gắn mũi dò .......................................101
5.3. Kết quả chế tạo mũi dò và thảo luận ................................................................102
5.4. Kết luận chương 5 ...........................................................................................106
KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN ÁN ................................................................. 107
ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO CỦA LUẬN ÁN ............................. 108

DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN .................... 109
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 111

ii


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
1.

Si: Si-líc

2.

IC (Integrated Circuit): Mạch điện tích hợp

3.

SPM (Scanning Probe Microscopy): Kính hiển vi đầu dò quét

4.

PSL (Probe Scanning Lithography): Kỹ thuật khắc đầu dị qt

5.

AFM (Atomic Force Microscope): Kính hiển vi hiển vi lực nguyên tử

6.

MFM (Magnetic Force Microscopy): Kính hiển vi lực từ

7.

SEM (Scanning Electron Microscope): Kính hiển vi điện tử quét.

8.

TEM ( Transmission Electron Microscopy): Kính hiển vi điện tử truyền qua

9.

SC (Standard Cleaning): Quy trình rửa phiến Si chuẩn.

10.

STM (Scanning Tunneling Microscope): Kính hiển vi quét xuyên ngầm

11.

PMMA (Polymethylmethacrylate): Thủy tinh hữu cơ

12.

DPN (Dip-Pen nanolithography): Khắc Dip-Pen

13.

MEMS (Microelectromechanical system): Hệ thống vi cơ điện tử

14.

FEM (Finite Element Method): Phương pháp phần tử hữu hạn

15.

FEA (Finite Element Analysis): Phân tích phần tử hữu hạn

16.

PDEs (Partial Differential Equations): Phương trình vi phân từng phần

17.

HF: Axít Flohydric

18.

Tip: Mũi dị (mũi nhọn)

19.

KOH: Kali hydro xít

20.

SiO2: Si-líc ơ xít

21.

FESEM: Kính hiển vi điện tử quét hiệu ứng trường

22.

CM-AFM: Khắc AFM chế độ tiếp xúc

23.

TM-AFM: Khắc AFM chế độ khơng tiếp xúc

24.

Lift-off: Q trình lift-off

25.

DPL: Khắc động

26.

CTE: Hằng số giãn nở nhiệt

27.

Pd: Palladium

28.

Si3N4: Silic nitrua

29.

Ge: Germanium

30.

MOEMS (Micro Optoelectronic Mechanical Systems): Hệ thống vi cơ quang
điện tử

31.

Kx; Ky; Kz: Độ cứng của dầm theo các phương x, y và z

32.

E: Mô-đun Young
iii


33.

I: Mơ-men qn tính mặt cắt ngang

34.

w, h, l: Lần lượt là chiều rộng, chiều cao (độ dày), chiều dài của các cấu trúc.

35.

G: Mô-đun trượt

36.

m: Khối lượng

37.

ω: Tần số góc

38.

Vpull_in: Điện áp tới hạn

39.

Vdc: Điện áp một chiều

40.

Vac: Điện áp xoay chiều

41.

Q: Hệ số phẩm chất

42.

gc, gz: Lần lượt là khoảng các giữa các răng lược và khoảng các giữa tấm trung
tâm và bản cực điều khiển.

43.

P: Áp suất

44.

ζ: Hệ số cản khơng khí

45.

COMSOL Multiphysics: Phần mềm mơ phỏng

46.

δf: Sự sai khác tần số giữa hai mode lân cận

47.

NaOH: Natri Hydroxit

48.

TMAH: Tetramethylammonium Hydroxide (C4H13NO)

49.

BHF: Dung dịch axit HF pha lỗng (HF48%:H2O = 1:6)

50.

Mode: Hình dạng cấu trúc của một hệ thống cơ ở một tần số cộng hưởng

iv


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: So sánh STM với AFM hoạt động ở chế độ tiếp xúc (CM-AFM) và AFM
hoạt động ở chế độ không tiếp xúc (TM-AFM) cho khắc sử dụng kỹ thuật ơxi hóa
vùng [7]...................................................................................................................... 9
Bảng 3.1: Các thơng số kích thước của các cấu trúc vi treo 1sb, 2sb, 3sb và 4sb. ..... 52
Bảng 3.2: So sánh kết quả mơ phỏng và tính tốn..................................................... 53
Bảng 3.3: Các thơng số của cấu trúc vi treo lị xo gấp khúc dạng 1fb và 2fb ............. 57
Bảng 3.4: Các thông số kỹ thuật của cấu trúc vi treo kết cặp cơ 1cs, 2cs và 3cs........ 61
Bảng 3.5: Bảng so sánh kết quả giữa tính tốn và mơ phỏng của cấu trúc vi treo kết
cặp cơ 1cs, 2cs và 3cs. .............................................................................................. 64
Bảng 3.6: Các thông số kỹ thuật của cấu trúc vi treo kết cặp cơ sử dụng hai khung kết
cặp ........................................................................................................................... 67
Bảng 4.1: Các tính chất vật lý của khơng khí và Si đơn tinh thể ............................... 78
Bảng 4.2: Các thông số kỹ thuật của cấu trúc dịch chuyển phương z phân tích thành
các dầm gấp khúc dạng dầm thẳng. .......................................................................... 80
Bảng 4.3: Các thông số kỹ thuật của cấu trúc dịch chuyển phương z phân tích thành
các lị xo gấp khúc dạng zig-zag. .............................................................................. 80
Bảng 4.4: Các thông số kỹ thuật của cấu trúc dịch chuyển phương z phân tích thành
các khâu càng cua..................................................................................................... 81
Bảng 4.5: Các thơng số kỹ thuật của cấu trúc dịch chuyển phương z phân tích thành
các lị xo gấp khúc dạng càng cua kép. ..................................................................... 83
Bảng 4.6: Các thơng số kích thước của dầm treo gấp và răng lược. .......................... 84
Bảng 4.7: Bảng so sánh kết quả giữa tính tốn và mơ phỏng tần số hoạt động của cấu
trúc chấp hành trục z với các trường hợp phân tích khác nhau. ................................. 88
Bảng 4.8: Kết quả tính tốn và mơ phỏng tần số riêng của bộ vi dịch chuyển ba chiều
xyz. .......................................................................................................................... 91

v


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) [3] ....... 7
Hình 1.2: Hình ảnh minh họa kỹ thuật khắc đầu dị qt [1] ...................................... 8
Hình 1.3: Hình ảnh minh họa kỹ thuật khắc bằng phương pháp chiếu chùm tia điện
tử phát xạ [2] .............................................................................................................. 8
Hình 1.4: Sơ đồ minh họa kỹ thuật khắc bằng phương pháp ơxi hóa vùng [5, 6]........ 9
Hình 1.5: Hình ảnh minh họa kỹ thuật khắc Dip-Pen [9] ......................................... 10
Hình 1.6: Hình ảnh minh họa phương pháp khắc cơ nhiệt [10] ................................ 10
Hình 1.7: Hình ảnh minh họa phương pháp khắc cơ học [12] .................................. 11
Hình 1.8: Sơ đồ minh họa kỹ thuật khắc cơ học sử dụng đầu dò AFM [1] ............... 12
Hình 1.9: Hình ảnh của rãnh PMMA được tạo bởi AFM với mũi dị Si (a) và tín hiệu
của rãnh (b) [2]......................................................................................................... 12
Hình 1.10: Ảnh SEM mặt cắt của mũi dò (a) và của đỉnh mũi dò (b) [14]................ 13
Hình 1.11: Các bước chính của quy trình chế tạo bóng bán dẫn dựa trên khắc cơ học
sử dụng AFM (a), hình ảnh của rãnh được khắc bằng AFM trong polyimide (b) [15]13
Hình 1.12: Hình ảnh động của mũi dò trong kỹ thuật khắc sử dụng AFM (a). tốc độ
khắc cao (b), tốc độ khắc trung bình (c), và tốc độ khắc thấp (d) [15]. ...................... 14
Hình 1.13: Cấu trúc của bộ dịch chuyển ba chiều, (a) hình ảnh phóng to của tấm
trung tâm; (b) hình ảnh ba chiều của cấu trúc [19]. ................................................... 15
Hình 1.14: Bộ dịch chuyển trục Z (a); bộ dịch chuyển XY (b); Hình ảnh ba chiều của
bộ tích hợp bộ chấp hành XYZ (c) [20] .................................................................... 15
Hình 1.15: Mảng mũi dị điều khiển bởi chấp hành nhiệt [21]. ................................ 16
Hình 1.16: Sơ đồ hệ thống đầu dị chấp hành áp điện [22] ....................................... 17
Hình 1.17: Cấu trúc thanh dầm điều khiển bởi chấp hành tĩnh điện [23] .................. 18
Hình 1.18: Hình ảnh thiết kế của cấu trúc dịch chuyển 3 chiều [19] ........................ 18
Hình 1.19: Cấu trúc vi dịch chuyển hai chiều [24]. .................................................. 19

Hình 1.20: Hình ảnh đơn đầu dị và mảng đầu dò [23] ............................................. 20
vi


Hình 1.21: Hình ảnh hốc ăn mịn đẳng hướng [25] .................................................. 20
Hình 1.22: Hình ảnh SEM của mảng đầu dị chấp hành nhiệt [2] ............................. 21
Hình 1.23: Hình ảnh SEM của cấu trúc mảng mũi dò gồm 64 mũi dò được tích hợp
trên cùng một đầu dị [26]. ....................................................................................... 22
Hình 1.24: Hình ảnh SEM của mũi dị và mảng đầu dị chấp hành tĩnh điện [8]....... 22
Hình 1.25: Ảnh SEM của sản phẩm được khắc bới kỹ thuật Dip-Pen [27] ............... 23
Hình 1.26: Hình minh họa sự lệch biên của thanh dần cố định một đầu ................... 23
Hình 1.27: Cấu trúc dầm thẳng cố định hai đầu hoạt động đối xứng ........................ 24
Hình 2.1: Tải và biến dạng của dầm tuyến tính [32]. ............................................... 26
Hình 2.2: Tải và biến dạng của: (a) lực và (b) mơ-men xoắn [32]. ........................... 27
Hình 2.3: (a) hình ảnh 3 chiều của một lị xo dạng zig-zag, (b) sơ đồ tương đương.. 29
Hình 2.4: Cấu trúc hình học một khâu cơ bản của lị xo dạng zig-zag [32]............... 29
Hình 2.5: Cấu trúc của một lị xo dạng zig-zag nhiều khâu [32]............................... 30
Hình 2.6: Cấu trúc của một lị xo dạng zig-zag có các khâu kích thước khác nhau và
giảm dần tuyến tính [32] .......................................................................................... 30
Hình 2.7: Cấu trúc cơ bản của lò xo dạng càng cua [38]. ......................................... 31
Hình 2.8: Cấu trúc lị xo gấp khúc dạng càng cua kép [32] ...................................... 33
Hình 2.9: (a) cấu trúc vi treo bốn dầm thẳng, (b) sơ đồ tương đương ....................... 33
Hình 2.10: (a) hình ảnh 3 chiều của cấu trúc vi treo bốn lò xo gấp khúc dạng zig-zag,
(b) mơ hình vật lý tương đương, (c) cấu trúc một lò xo gấp khúc dạng zig-zag cơ bản,
(d) mặt cắt ngang của thanh dầm. ............................................................................. 35
Hình 2.11: (a) cấu trúc vi treo bốn dầm dạng càng cua, (b) dạng mơ hình hóa, (c)
một cấu trúc càng cua cơ bản, (d) mặt cắt ngang của thanh dầm. .............................. 36
Hình 2.12: Sơ đồ hai chiều của tụ điện song song với trường rìa ............................. 39
Hình 2.13: Sơ đồ cấu trúc tụ điện kiểu răng lược ..................................................... 41
Hình 2.14: Các dạng biên chung giữa các phần tử [45] ............................................ 42

Hình 2.15: Các dạng phần tử hữu hạn thường được sử dụng [45] ............................ 43
vii


Hình 2.16: Sơ đồ khối của chương trình tính bằng FEM [45] .................................. 44
Hình 2.17: Hình ảnh chia lưới với các kích thước phần tử khác nhau: (a) chế độ chia
lưới cực thô (Extremely Coarse), (b) chế độ chia lưới cơ bản (Normal) và (c) chế độ
lưới mịn hơn (Extra Fine). ........................................................................................ 46
Hình 2.18: Ảnh chụp màm hình mơ phỏng chia lưới các phần tử hữu hạn ............... 46
Hình 2.19: Ảnh chụp màm hình mơ phỏng tần số riêng của cấu trúc ....................... 47
Hình 2.20: Ảnh chụp màn hình mơ phỏng điện áp tới hạn ....................................... 48
Hình 2.21: Ảnh chụp màn hình đồ thị thể hiện sự dịch chuyển phụ thuộc vào điện áp
điều khiển................................................................................................................. 49
Hình 3.1: Bộ chấp hành phương z sử dụng cấu trúc vi treo bốn dầm thẳng (a) cấu
trúc vi treo bốn dầm thẳng dạng 1sb; (b) cấu trúc vi treo bốn dầm thẳng dạng 2sb; (c)
cấu trúc vi treo bốn dầm thẳng dạng 3sb; (d) cấu trúc vi treo bốn dầm gấp khúc dạng
4sb. .......................................................................................................................... 52
Hình 3.2: Hình dạng mode thứ nhất và thứ hai của bộ chấp hành phương z sử dụng
cấu trúc vi treo bốn dầm thẳng truyền thống (a, b) cấu trúc vi treo 1sb; (c, d) cấu trúc
vi treo 2sb; (e, f) cấu trúc vi treo 3sb; (g, h) cấu trúc vi treo 4sb. .............................. 54
Hình 3.3: Kết quả mơ phỏng tần số riêng phụ thuộc vào chiều dài của dầm. ............ 55
Hình 3.4: Kết quả mơ phỏng sự sai khác tần số riêng của mode thứ nhất và thứ 2 phụ
thuộc vào chiều dài của dầm..................................................................................... 55
Hình 3.5: Bộ chấp hành sử dụng cấu trúc vi treo lò xo gấp khúc: (a) cấu trúc vi treo
lò xo gấp khúc 1fb, (b) cấu trúc vi treo lò xo gấp khúc 2fb, (c) cấu trúc vi treo lò xo
gấp khúc 3fb, (d) cấu trúc vi treo lò xo gấp khúc 4fb. ............................................... 57
Hình 3.6: Hình dạng mode dao động thứ nhất và thứ hai: (a, b) cấu trúc loại 1fb; (c, d)
cấu trúc loại 2fb; (e, f) cấu trúc loại 3fb và (g, h) cấu trúc loại 4fb. ………………..58
Hình 3.7: Đồ thị thể hiện tần số hoạt động của mode thứ nhất phụ thuộc vào chiều
dài hiệu dụng của lị xo............................................................................................. 59

Hình 3.8: Đồ thị thể hiện sự sai khác tần số giữa mode thứ nhất và thứ hai của các
cấu trúc phụ thuộc vào chiều dài hiệu dụng của lò xo ............................................... 59

viii


Hình 3.9: Mơ hình thiết kế của cấu trúc vi treo kết cặp cơ với ba độ lệch khác nhau
(D) giữa các thanh dầm của hệ vi treo 1 và hệ vi treo 2: (a) D = 0(cấu trúc vi treo
kết cặp cơ 1cs), (b) D = Lf/4 (cấu trúc vi treo kết cặp cơ 2cs), (c) D = Lf/2 (cấu trúc
vi treo kết cặp cơ 3cs)............................................................................................... 61
Hình 3.10: Mơ hình phân tích tương đương của các cấu trúc vi treo dầm kết cặp cơ 62
Hình 3.11: Hình dạng và tần số của mode thứ nhất và thứ hai cho các dầm kết cặp cơ
1cs, 2cs và 3cs, được thể hiện lần lượt ở (a, b), (c, d) và (e, f) cho Wp = Lp = 150 µm,
Lf = 390 µm, Wf = 30 µm, lb1 = lb2 = 120 µm và wb1 = wb2 = 10 µm. Độ dày của lớp
cấu trúc được giữ ở 10 µm trong tất cả các khảo sát. ................................................ 63
Hình 3.12: Sự khác biệt của tần số riêng giữa mode thứ nhất và mode thứ hai phụ
thuộc vào Wf. ........................................................................................................... 64
Hình 3.13: Tần số riêng mode thứ nhất và mode thứ hai (a); sự sai khác của tần số
riêng giữa mode thứ nhất và thứ hai (b) đối với cấu trúc vi treo kết cặp cơ 3cs được
nghiên cứu như là một hàm của lb1 và lb2. ................................................................. 65
Hình 3.14: Hình ảnh ba chiều của cấu trúc vi treo kết cặp cơ ba hệ dầm treo sử dụng
hai khung kết cặp ..................................................................................................... 66
Hình 3.15: Hai mode hoạt động thứ nhất và thứ hai của bộ vi chấp hành trục z sử
dụng hai khung kết cặp cơ cho ba trường hợp chiều dài thanh dầm: (a, b), (c, d) và (e,
f) lần lượt là l2 = 50 µm, 100 µm, và 150 µm, trong khi chiều dài của dầm thứ nhất và
thứ ba ( l1 và l3), được giữ lần lượt là 50 µm và 20 µm. Chiều rộng và độ dày của tất
cả các dầm được giữ ở 10 µm. .................................................................................. 69
Hình 3.16: Sự phụ thuộc của tần số hoạt động f và sự sai khác tần số f giữa hai
mode hoạt động đầu tiên của bộ vi chấp hành trục z sử dung hai khung kết cặp cơ
trong ba trường hợp độ dày của dầm, h = 10 µm, 20 µm, và 30 µm, trên chiều dài của

dầm, l1, l2 và l3: (a, b), (c, d) và (e, f) lần lượt là f và f cho h = 10 µm, 20 µm và 30
µm............................................................................................................................ 70
Hình 3.17: Điện áp tới hạn phụ thuộc vào độ dài của dầm, l1, l2 và l3 trong ba trường
hợp độ dày h: (a) cho h = 10 m, (b) cho h = 20 m và (c) cho h = 30 m. Khi chiều
dài của một dầm thay đổi, chiều dài của hai dầm còn lại được giữ ở 20 m. .............. 71

ix


Hình 3.18: Sự dịch chuyển của tấm trung tâm phụ thuộc vào điện áp điều khiển
trong ba trường hợp độ dài của dầm thứ hai, l2= 50 µm, 100µm và 150 µm trong khi
chiều dài của dầm thứ nhất và thứ ba được giữ ở 50 µm và 20 µm. Chiều rộng và độ
dày của tất cả các dầm được giữ ở 10 µm. Độ rộng của các khung được giữ ở 30 µm72
Hình 4.1: Sơ đồ tổng thể thiết kế của bộ vi dịch chuyển ba chiều XYZ (a); bộ truyền
động trục z (b); hình ảnh phóng đại của cấu trúc răng lược kiểu tụ (c); dầm gấp khúc
(d); một cầu nối cơ học nhưng cách điện (e) và lỗ tiếp xúc để liên kết điện giữa các
đường dẫn điện ở lớp trên và điện cực dưới (f). ........................................................ 76
Hình 4.2: Sơ đồ kết nối điện để điều khiển bộ truyền động xyz một cách độc lập. ... 77
Hình 4.3: Cấu trúc dầm gấp khúc dạng càng cua ..................................................... 79
Hình 4.4: Cấu trúc lị xo gấp khúc dạng càng cua được phân tích thành các dầm
thẳng ........................................................................................................................ 79
Hình 4.5: Cấu trúc lò xo gấp khúc dạng càng cua được phân tích thành các lị xo gấp
khúc dạng zig-zag ................................................................................................... 81
Hình 4.6: Cấu trúc lị xo gấp khúc dạng càng cua được phân tích thành các khâu
càng cua ................................................................................................................... 82
Hình 4.7: Cấu trúc lò xo gấp khúc dạng càng cua được phân tích thành các lị xo gấp
khúc dạng càng cua kép............................................................................................ 83
Hình 4.8: Cấu trúc lị xo treo dạng gấp khúc cho điều khiển hoạt động theo phương
xy ............................................................................................................................. 85
Hình 4.9: Đồ thị độ võng của cấu trúc phụ thuộc vào chiều dài của các lò xo treo ... 86

Hình 4.10: Ba hình dạng mode đầu tiên và tần số riêng của bộ chấp hành trục z. Các
thông số kích thước của lị xo dạng càng cua là la = 230 µm, lb = 95 µm, lc1 = 160µm,
lc2 = 215 µm, lc3 = 160µm, lc4 = 145 µm, lc5 = 120µm, lc6 = 145 µm, ws = 20 µm và h
= 10 µm.................................................................................................................... 89
Hình 4.11: Tần số của mode thứ nhất và mode thứ hai và sự sai khác của tần số giữa
các mode thứ nhất và thứ hai của bộ chấp hành phương z được khảo sát như là một
hàm của độ rộng của lò xo gấp khúc dạng càng cua cho ba độ dày của lò xo, h = 10,
20 và 30 µm. ............................................................................................................ 90
x


Hình 4.12: Điện áp tới hạn của bộ chấp hành phương z là hàm của độ rộng của lò xo
gấp khúc dạng càng cua, với g = 2 µm, cho ba độ dày khác nhau h = 10 µm, 20 µm
và 30 µm. ................................................................................................................. 90
Hình 4.13: Ba hình dạng mode và tần số riêng của bộ vi dịch chuyển ba chiều xyz.
Các tham số kích thước được thể hiện trong bảng 4.6. Hình nhỏ ở góc trên, bên phải
là hình ảnh phóng to của bộ chấp hành theo trục z được tích hợp trong bộ vi dịch
chuyển ba chiều xyz. ................................................................................................ 92
Hình 4.14: Tần số của mode ngồi mặt phẳng phụ thuộc vào tỷ lệ cạnh h/w............ 92
Hình 4.15: Sự phụ thuộc của tần số fx và fy và độ cứng kx và ky của bộ vi chuyển
động ba chiều xyz vào chiều rộng w và chiều dài L của dầm: (a-b) cho h = 10 µm, 20
µm và 30 µm và (c-d) cho w = 5 µm, 7 µm và 10 µm. ............................................. 93
Hình 4.16: Các chuyển vị x và y của tấm trung tâm được khảo sát là hàm của điện áp
điều khiển cho ba khoảng cách khác nhau giữa hai điện cực răng lược liền kề, gc = 1
µm, 1,5 µm và 2 µm với h = 10 µm (a) và độ dịch chuyển z của tấm trung tâm được
khảo theo điện áp điều khiển cho ba khe hở giữa hai bản cực song song điều khiển
trục z, gz = 2 µm, 3 µm và 4 µm (b).......................................................................... 94
Hình 4.17: Hệ số phẩm chất của bộ vi dịch chuyển ba chiều xyz, Qx,y,z, được khảo sát
như là một hàm của hệ số cản khơng khí cho ba hướng dao động dọc trục x và y (lực
cản của màng khơng khí trượt) và trục z (lực cản của màng khơng khí nén). ............ 95

Hình 5.1: Quy trình chế tạo mũi dị ......................................................................... 98
Hình 5.2: Q trình thu nhỏ mũi dò: mũi dò sau khi ăn mòn và tẩy bỏ mặt nạ (a), tiếp
tục cho ơxi hóa (b), tẩy bỏ lớp ơxít (c) ...................................................................... 99
Hình 5.3: Độ dày lớp SiO2 đối với Si định hướng (100), (110) và (111) bằng ooxxi
hóa ướt[84]............................................................................................................... 99
Hình 5.4: Hình ảnh quang của tồn bộ mặt nạ ....................................................... 100
Hình 5.5: Hình ảnh thiết kế (a) và ảnh quang học mặt nạ của các mẫu mũi dị (b) . 100
Hình 5.6: Hình ảnh thiết kế và ảnh chụp mặt nạ của mẫu hình vng có bù góc .... 100
Hình 5.7: Quy trình chế tạo bộ chấp hành trục z có gắn mũi dị ............................. 101

xi


Hình 5.8: Hình ảnh minh họa mở lỗ trên bề mặt cấu trúc để tang tốc độ ăn mòn
ngang lớp SiO2 ở giữa hai lớp linh kiện ................................................................. 102
Hình 5.9: (a) ảnh quang học của mảng các mẫu mũi dò quét bằng chất cảm quang
sau khi đã truyền từ mặt nạ bằng quang khắc vào phiến silic đã được ôxi hóa, (b) ảnh
quang học của mảng các mẫu mũi dị quét bằng SiO2 sau khi thực hiện ăn mòn trong
dung dịch BHF. ...................................................................................................... 103
Hình 5.10: Ảnh chụp quang học của mũi dị sau khi ăn mịn 10 phút ..................... 103
Hình 5.11: Ảnh chụp quang học của mũi dò sau khi ăn mòn phiến Silic 20 phút trong
dung dịch KOH 40% .............................................................................................. 104
Hình 5.12: Ảnh quang học của mũi dị sau khi ăn mòn phiến Silic 25 phút trong dung
dịch KOH 40% ....................................................................................................... 104
Hình 5.13: Ảnh quang học của mũi dị sau khi ăn mòn phiến Silic 30 phút trong dung
dịch KOH 40% ....................................................................................................... 105
Hình 5.14: Ảnh quang học của mũi dò sau khi ăn mòn phiến Silic 33 phút trong dung
dịch KOH 40% ....................................................................................................... 105
Hình 5.15: (a) Hình ảnh FESEM tổng thể của mảng các mũi dị;(b) Hình ảnh phóng
to của một mũi dò................................................................................................... 106

xii


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Gần đây, khoa học và công nghệ nano đã nhận được sự quan tâm của các nhà khoa
học trong nước và trên thế giới. Đối tượng nghiên cứu của khoa học và công nghệ
nano là dựa trên vật liệu nano. Các cấu trúc nano có tiềm năng ứng dụng làm thành
phần chủ chốt trong những dụng cụ thơng tin kỹ thuật có những chức năng mà trước
đây chưa có nhờ các hiệu ứng vật lý nổi bật xuất hiện ở tỉ lệ thang nano. Chúng có thể
được lắp ráp trong những vật liệu trung tâm cho điện tử và quang làm tăng tốc độ xử
lý dữ liệu và khả năng chứa thông tin. Các vi cấu trúc này là một trạng thái của vật
chất có những hứa hẹn đặc biệt cho những sản phẩm mới và rất hữu dụng. Việc
nghiên cứu thiết kế và chế tạo các cấu trúc nano hữu ích trong khoa học và cơng nghệ
đang gia tăng nhanh chóng. Cơng nghệ chế tạo các cấu trúc nano luôn là thách thức
đối với các nhà nghiên cứu làm chủ công nghệ chế tạo. Trong công nghệ vi điện tử, kỹ
thuật quang khắc đã là một bước cơ bản trong quy trình sản xuất linh kiện và mạch
tích hợp. Với nhu cầu ngày càng tăng mật độ tích hợp linh kiện bán dẫn, công nghệ
quang khắc với độ phân giải cao đang là yêu cầu cấp thiết được đặt ra đối với các nhà
sản xuất công nghiệp bán dẫn. Độ phân giải của kỹ thuật quang khắc bị giới hạn bởi
hiệu ứng nhiễu xạ quang học. Để tăng độ phân giải của kỹ thuật quang khắc gần đây
các nghiên cứu sử dụng bước sóng ngắn đang được quan tâm. Hiện tại khi sử dụng kỹ
thuật này, các cấu trúc với độ chính xác khoảng vài chục nano có thể đạt được. Tuy
nhiên đây vẫn là công nghệ phức tạp, đắt tiền và chưa phổ biến trên thế giới. Một công
nghệ khác được ứng dụng cho chế tạo cấu trúc nano là khắc chùm điện tử. Đây là một
công nghệ được dùng phổ biến trong các phịng thí nghiệm ở các nước tiên tiến. Tuy
vậy đây lại là một cơng nghệ cần chi phí lớn, nhưng quy mơ sản xuất chỉ ở phịng thí
nghiệm. Hơn nữa, các kỹ thuật kể trên không phù hợp để điều khiển các hệ thống hữu
cơ và sinh học lớn, có ích trong cơng nghệ nano. Do vậy, các loại điều khiển lực đã

được xem xét cho sự phát triển công nghệ chế tạo nano. Việc ứng dụng những kỹ
thuật này đã được bắt đầu từ năm 1990 và nó đã được phát triển để hình thành các
phương pháp khắc nano khác nhau. Một trong những phương pháp quan trọng nhất là
cơng nghệ khắc mẫu dựa trên mũi dị quét. Để tạo ra các cấu trúc nano là khắc trực
tiếp bề mặt mẫu một cách cơ học với một đầu dị. Mơ hình điều khiển các đặc tính ở
phạm vi nano với một đầu dị qt kính hiển vi lực nguyên tử được biết đến như là kỹ
thuật khắc đầu dò quét. Nhiều nghiên cứu đã giới thiệu về các phương pháp khắc với
1


kỹ thuật này. Mũi dị qt trong kính hiển vi lực nguyên tử là một công cụ để chế tạo
cấu trúc nano với kích thước tối thiểu mặt bên với kích thước của một nguyên tử độc
lập và xấp xỉ 100 nm trên bề mặt Si hay các bề mặt khác. Tuy nhiên, độ phân giải của
cấu trúc nano phụ thuộc vào kích thước của mũi dị và độ sâu của mẫu khắc. Kỹ thuật
này được sử dụng cho việc chế tạo mạch tích hợp bán dẫn hay hệ thống cơ điện với độ
phân giải ở thang nano. Phương pháp này không hạn chế vật liệu dẫn điện. Ưu điểm
của kỹ thuật này là độ phân giải cao, điều khiển chính xác mà các kỹ thuật khắc truyền
thống khơng đạt được. Kỹ thuật khắc truyền thống sử dụng photon hoặc chùm tia điện
tử luôn phải dựa vào một vật liệu polyme (lớp phủ) như một lớp tạo hình. Tuy nhiên,
kỹ thuật khắc đầu dị qt có thể được thực hiện với nhiều cơ chế khác nhau. Lớp
polyme mỏng có thể được chiếu bởi các điện tử phát xạ từ một đầu dị. Bề mặt của
mẫu có thể bị biến đổi dưới tác dụng của điện trường vùng rất lớn, như sự ơxi hóa
vùng, sự phân hủy gây bởi điện trường hoặc nóng chảy gây bởi nhiệt độ cao. Các vật
liệu có thể được truyền từ đầu dị đến bề mặt mẫu tạo ra các cấu trúc, hoặc các mẫu
được hình thành đơn giản bằng khắc bề mặt mẫu với đầu dò một cách cơ học. Các
phương pháp tạo mẫu mới với đầu dò quét đang được tiếp tục phát triển. Một vài kỹ
thuật tạo mẫu dựa trên đầu dò quét đã được khai thác thương mại, trở thành công cụ
dành riêng cho kỹ thuật khắc nano. Tuy nhiên, hầu hết các kỹ thuật này vẫn cịn trong
phạm vi phịng thí nghiệm.
Đây là một nghiên cứu thuộc lĩnh vực kỹ thuật có tính khả thi cao và hứa hẹn cho cả

nghiên cứu cơ bản và ứng dụng công nghệ nano. Tuy vậy, nghiên cứu và ứng dụng
lĩnh vực này trong nước vẫn chưa được quan tâm. Do vậy, trong luận án này, nghiên
cứu sinh lựa chọn hướng nghiên cứu phát triển đầu dò quét định hướng ứng dụng
trong chế tạo cấu trúc nano.
2. Mục đích nghiên cứu
Phát triển các bộ vi chấp hành một chiều (trục z) có dịch chuyển thắng đứng để khắc
phục độ lệch biên, có dịch chuyển lớn và chống nhiếu kết cặp mode. Thiết kế bộ chấp
hành ba chiều có thể điều khiển độc lập, tích hợp trên cùng một linh kiện, công nghệ
chế tạo đơn giản, có thể thực hiện được với cơng nghệ hiện có ở trong nước, định
hướng ứng dụng các bộ vi dịch chuyển có tích hợp mũi dị trong khắc các cấu trúc
nano dạng mảng hai chiều.

2


3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
+ Đối tượng nghiên cứu đầu tiên của luận án là bộ chấp hành trục z có nhiễu chéo thấp,
có độ dịch chuyển lớn và tần số hoạt động trong phạm vi rộng.
+ Đối tượng nghiên cứu thứ hai là bộ chấp hành dịch chuyển mũi dị ba chiều, có thể
điều khiển chuyển động độc lập và có nhiễu chéo thấp.
+ Cơng nghệ vi cơ điện tử đơn giản cho chế tạo hiệu suất cao các mũi dò cũng như hệ
thống vi dịch chuyển 1, 2 và 3 chiều có tích hợp mũi dò quét.
4. Phương pháp nghiên cứu
Trong luận án này, phương pháp nghiên cứu kết hợp lý thuyết và thực nghiệm.
+ Thiết kế và khảo sát đặc trưng hoạt động của các bộ chấp hành mũi dò khắc nano
dựa trên cơ sở các phương trình giải tích được rút ra từ lý thuyết cơ học vật rắn và lý
thuyết trường tĩnh điện. Ngồi ra, các kết quả tính tốn giải tích được so sánh với kết
quả đạt được từ mô phỏng số sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn.
+ Nghiên cứu chế tạo mũi dò được thực hiện dựa trên công nghệ vi cơ điện tử, đặc
biệt sử dụng công nghệ vi cơ khối ướt và kỹ thuật quang khắc truyền thống. Mũi dò

được nghiên cứu chế tạo tại Phòng thí nghiệm Cơng nghệ Vi hệ thống và cảm biến
thuộc Viện Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu (ITIMS), trường đại học Bách khoa
Hà Nội. Cấu trúc mũi dò được chế tạo được đánh giá dựa trên ảnh hiển vi điện tử quét
hiệu ứng trường (FESEM) tại viện AIST, trường ĐHBKHN.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
a. Ý nghĩa khoa học của đề tài:
Luận án đã phát triển các bộ chấp hành trục z có nhiễu chéo thấp và phạm vi tần số
hoạt động rộng không bị giới hạn bởi tỷ lệ cạnh trong chế tạo. Để đạt được kết quả
này, các dầm zig-zag và vị trí đặt dầm được tối ưu cùng với dầm dạng kết cặp đã được
đề xuất trong luận án. Khả năng chống nhiễu trong phạm vi tần số hoạt động rộng đã
được chứng minh bằng các phương trình giải tích và mơ phỏng số. Các cấu trúc dầm
ưu tiên chuyển động trong trục z này có thể có đóng góp quan trọng khơng những
trong phát triển các bộ chấp hành mà cịn trong các cảm biến vật lý có độ chính xác
cao.
3


Luận án này cũng đã đề xuất và khảo sát đặc trưng hoạt động của bộ vi dịch chuyển 3
chiều. Bộ vi dịch chuyển có thể được điều khiển một cách độc lập dựa trên kỹ thuật
dùng rãnh cách ly điện trong khi các kết cấu được kết cặp cơ với nhau. Bộ vi dịch
chuyển 3 chiều được tạo thành do 3 bộ vi dịch chuyển độc lập được tích hợp trên cùng
một chíp và có quy trình chế tạo đơn giản, khơng sử dụng các q trình tập hợp phức
tạp như các đề xuất trước đây. Một mơ hình lý thuyết hoàn chỉnh đã được thiết lập cho
thiết kế bộ vi chấp hành dựa trên lý thuyết cơ học vật rắn và lý thuyết trường tĩnh điện.
Các mũi dò với kích thước ở thang nano đã được nghiên cứu chế tạo thành công sử
dụng kỹ thuật quang khắc truyền thống và ăn mòn dị hướng ướt. Kết quả này sẽ làm
cơ sở cho phát triển các hệ thống chấp hành với các mũi dị được tích hợp nhằm định
hướng trong khắc các cấu trúc nano dạng 1 chiều hoặc 2 chiều.
Các kết quả nghiên cứu của đề tài không những có ứng dụng trong chấp hành mũi dị
qt trong khắc các cấu trúc nano, mà cịn có thể ứng dụng trong các linh kiện vi cơ

điện tử khác như các cảm biến và các bộ vi dịch chuyển có độ chính xác cao. Các kết
quả nghiên cứu của luận án đã được chấp nhận đăng trên các tạp chí trong nước, các
kỷ yếu hội nghị chuyên ngành, đăng trong các tạp chí quốc tế trong hệ thống ISI và
đăng ký sáng chế/giải pháp hữu ích.
b. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài:
Mục tiêu của đề tài là phát triển các công cụ cho chế tạo các cấu trúc nano mà hiện
nay ở trong nước chưa có khả năng đầu tư mua các thiết bị đắt tiền. Hơn nữa, xu
hướng phát triển các công cụ mới cho chế tạo các cấu trúc nano có hiệu suất cao,
khơng bị giới hạn bởi hiệu ứng nhiễu xạ quang học và có giá thành thấp cũng đang
được đặt ra đối với lĩnh vực sản xuất các cấu trúc và linh kiện ở thang nano nhằm thay
thế các thiết bị đắt tiền. Do đó, đề tài đã phát triển các bộ chấp hành dịch chuyển mũi
dị theo 1, 2 và 3 chiều, có nhiễu chéo thấp và có thể chấp hành theo các phương độc
lập. Bộ chấp hành có gắn mũi dị có thể được chế tạo dựa trên công nghệ quang khắc
và ăn mịn ướt, hồn tồn được thực hiện ở trong nước. Đây sẽ làm cơ sở cho việc ứng
dụng trong phát triển các hệ thống khắc cho chế tạo các cấu trúc nano 1 chiều hoặc
dạng mảng 2 chiều.

6. Tính mới của đề tài:
4


Tính mới của đề tài nghiên cứu được thể hiện tại 3 điểm sau đây:
- Nghiên cứu đề xuất và thiết kế mô phỏng bộ chấp hành dịch chuyển một chiều
phương z: trong hướng nghiên cứu này, các cấu trúc dầm dạng zig-zag mở rộng và
dạng dầm kết cặp đáp ứng ưu tiên với dịch chuyển theo phương z trong khi chống lại
các mode dao động khác đã được đề xuất và khảo sát bằng cả phương pháp giải tích
và phương pháp số.
- Nghiên cứu đề xuất và thiết kế mô phỏng bộ chấp hành dịch chuyển 3 chiều xyz:
trong hướng nghiên cứu này, bộ vi dịch chuyển 3 chiều với khả năng điều khiển độc
lập dựa trên việc đề xuất phương pháp cách ly điện trong khi đảm bảo kết cặp cơ (kết

cặp cơ - sự liên kết cơ học giữa các thành phần cấu trúc) đã được thiết kế và mơ phỏng.
Mơ hình lý thuyết cho khảo sát hoạt động của bộ chấp hành đã được xây dựng làm cơ
sở cho việc thiết kế các bộ vi chấp hành có đặc trưng hoạt động theo yêu cầu.
- Nghiên cứu chế tạo mũi dị qt có kích thước ở thang nano: trong luận án này, mũi
dị qt có kích thước ở thang nano được nghiên cứu và chế tạo dựa trên công nghệ
quang khắc truyền thống và vi cơ khối ướt.
7. Nội dung luận án
Luận án bao gồm năm chương:
Chương 1: Tổng quan về khắc đầu dò quét.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết và mô phỏng.
Chương 3: Thiết kế và mơ phỏng bộ chấp hành trục z.
Chương 4: Tính tốn thiết kế và mơ phỏng bộ vi dịch chuyển ba chiều xyz.
Chương 5: Chế tạo mũi dò bằng phương pháp ăn mòn ướt.
KẾT LUẬN CHUNG.

5


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHẮC ĐẦU DÒ QUÉT
Chương này sẽ trình bày tổng quan các kỹ thuật khắc đầu dò quét cũng như các
ưu và nhược điểm của chúng để làm cơ sở cho lựa chọn kỹ thuật khắc được nghiên
cứu trong luận án này. Phân tích ưu điểm và nhược điểm của các cơ chế chấp hành
mũi dò quét để từ đó lựa chọn phương pháp chấp hành đáp ứng các tiêu chí như cơng
suất tiêu thụ thấp, đáp ứng nhanh, có cơng nghệ chế tạo đơn giản và dễ dàng tích hợp
với các mạch điều khiển. Nghiên cứu và phân tích các dạng lị xo vi cơ và bộ vi dịch
chuyển mũi dị qt đã được cơng bố trên thế giới và ở Việt Nam, để từ đó đề xuất các
cấu trúc lị xo và bộ vi dịch chuyển mũi dò quét định hướng ứng dụng trong khắc các
cấu trúc nano.
1.1. Cơ sở về kỹ thuật khắc đầu dò quét
German Alois Senefelder đã phát minh ra kỹ thuật in mới gọi là lithography

vào năm 1798. Sau đó Nicéphore Niépce đã tạo ra hình ảnh đầu tiên bằng phương
pháp của ơng được gọi là “heliography”, từ đó kỹ thuật chụp ảnh được phát minh. Một
khoảng thời gian dài sau đó, kỹ thuật quang khắc được phát minh sử dụng phương
pháp quang hóa và xử lý hóa học. Vào những năm 1950, Jack Kilby phát minh ra
mạch tích hợp (IC) và phương pháp quang khắc được sử dụng chủ yếu trong sản xuất
các mạch IC, bởi vì nó có thể chế tạo ra các mẫu rất nhỏ và có hiệu suất cao để giảm
chi phí sản xuất.
Tuy nhiên, quang khắc cũng có nhược điểm là độ phân giải bị hạn chế bởi hiện
tượng nhiễu xạ và đòi hỏi thiết bị đắt tiền, chỉ thích hợp cho ngành cơng nghiệp. Do
đó, các nhà nghiên cứu đã phát triển một số phương pháp để thay thế quang khắc. Đặc
biệt sau khi phát minh kính hiển vi đầu dị qt đầu tiên (tiếng Anh: Scanning probe
microscopy, thường viết tắt là 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 cơ học… và được gọi chung là khắc đầu dị
qt (SPLs).
Khắc dựa trên kính hiển vi đầu dị qt SPMs
Kính hiển vi đầu dị qt được biết đến là loại kính hiển vi sử dụng một đầu dị
vật lý để tạo ra hình ảnh bề trên mặt mẫu với độ phân giải ở cấp nguyên tử. Một trong
những kính hiển vi được sử dụng phổ biến đó là kính hiển vi lực nguyên tử (AFM).
Kính hiển vi lực nguyên tử lần đầu tiên được phát triển vào năm 1985 để khắc phục
nhược điểm của STM chỉ có thể thực hiện được trên mẫu dẫn điện, bởi G. Binnig, C.
F. Quate và Ch. Gerber [1, 2], kết quả của sự hợp tác giữa IBM và Đại học Stanford.
6


Đến năm 1987, T. Albrecht lần đầu tiên đã phát triển AFM đạt độ phân giải cấp độ
nguyên tử, cũng trong năm đó kính hiển vi đầu dị lực từ MFM được phát triển từ
AFM. Năm 1988, AFM chính thức được thương mại hóa bởi Park Scientific (Stanford,
Mỹ).
AFM có hai chế độ hoạt động, chế độ tiếp xúc và chế độ không tiếp xúc (chế độ nhấn

dạng dao động). Ở chế độ tiếp xúc, lực tác dụng lên đầu dò hoặc khoảng cách giữa
đầu mũi nhọn và bề mặt mẫu không đổi, hệ thống điều khiển bằng phản hồi. Trong
chế độ hoạt động khơng tiếp xúc, đầu dị AFM được điều khiển để dao động lên và
xuống ở tần số cao, Sơ đồ minh họa nguyên lý hoạt động như hình 1.1.

Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của kính hiển vi lực nguyên tử (AFM [3]

Kỹ thuật khắc đầu dị qt SPL: Sau khi phát minh ra kính hiển vi đầu dị qt
ngồi việc tạo ảnh bề mặt, các nhà khoa học còn khám phá ra ứng dụng khác đó là sử
dụng đầu dị qt để chế tạo các cấu trúc nano. Một loạt các phương pháp chế tạo mới
dựa trên SPM được khám phá, chúng thường được gọi là khắc đầu dò quét. Đây là
phương pháp rất đơn giản và chi phí thấp. Các mẫu chế tạo ở kích thước dưới 100 nm
bằng quang khắc hoặc khắc chùm tia điện tử đòi hỏi thiết bị đắt tiền và các quy trình
phức tạp. Trong quá trình khắc đầu dị qt, các mẫu ở kích thước dưới 100 nm có thể
được chế tạo dễ dàng chỉ bằng SPM.
Khơng giống như quang khắc hoặc khắc bằng chùm tia điện tử chỉ sử dụng cơ
chế khơng tiếp xúc, SPL có thể được thực hiện với các cơ chế khác nhau dựa trên dịch
chuyển của mũi dò quét lên bề mặt của mẫu [1, 2, 4], tiếp xúc hoặc không tiếp xúc, sơ
đồ minh họa như hình 1.2.

7


Hình 1.2: Hình ảnh minh họa kỹ thuật khắc đầu dò quét [1]

- Phương pháp khắc bằng chùm tia điện tử phát xạ: Sử dụng một đế dẫn
điện được phủ một lớp polymer nhạy điện tử. Đầu dò quét được đưa đến gần bề mặt.
Khi điện áp phân cực đủ mạnh giữa mũi dị và bề mặt dẫn điện, có một dòng điện tử
phát xạ giữa mũi dò và bề mặt mẫu. Tương tự như quang khắc truyền thống, dùng ánh
sáng chiếu qua mặt nạ để thay đổi các đặc tính hóa học của lớp polymer minh họa như

hình 1.3. Ngược lại, khắc bằng phương pháp chiếu chùm tía điện tử phát xạ không
cần sử dụng mặt nạ. Nhưng nhược điểm của phương pháp này là sử dụng đế dẫn điện
và polymer nhạy điện tử, khơng có khả năng ứng dụng với các mẫu y sinh.

Hình 1.3: Hình ảnh minh họa kỹ thuật khắc bằng phương pháp chiếu chùm tia điện tử phát
xạ [2]

- Ơxi hóa vùng: Các nhà nghiên cứu đã tình cờ phát hiện ra q trình ơxi hóa bề
mặt mẫu khi tốc độ qt mũi dị chậm được gọi là phương pháp ơxi hóa vùng bằng
cách qt đầu dò SPL. Khi mũi dò được đưa gần tới phía trên bề mặt mẫu một vài
nano mét, điện thế một vài vơn được đặt giữa mũi dị và bề mặt có thể sinh ra một
điện trường có cường độ lớn lên đến 108 V/cm. Ở điện trường lớn như vậy các phân tử
8


có thể bị phá vỡ tạo thành các ion. Ơxi hóa vùng của bề mặt mẫu xảy ra khi có một vài
phân tử nước, từ độ ẩm của khơng khí, xung quanh bề mặt của mũi dò. Với Si, đơn
lớp hydro sau khi thụ động hóa có thể phân tách ra từ bề mặt Si. Bề mặt Si cuối cùng
bị ôxi hóa ở vùng điện trường cao giữa mẫu và mũi dị, như được minh họa trong hình
1.4. Kỹ thuật ôxi hóa vùng được phát hiện lần đầu sử dụng đầu dị STM, nhưng đây
khơng phải là cơng cụ tốt nhất cho kỹ thuật này.

Hình 1.4: Sơ đồ minh họa kỹ thuật khắc bằng phương pháp ơxi hóa vùng[5, 6]

Khi sử dụng kỹ thuật khắc ơxi hóa vùng thì đầu dị AFM có thể tránh được sự
phá hủy bề mặt và cải thiện được chất lượng hình ảnh so với sử dụng STM, đặc biệt là
AFM sử dụng ở chế độ không tiếp xúc được thể hiện trong bảng sau:
Bảng 1.1: So sánh STM với AFM hoạt động ở chế độ tiếp xúc (CM-AFM) và AFM hoạt động
ở chế độ không tiếp xúc (TM-AFM) cho khắc sử dụng kỹ thuật ơxi hóa vùng [7].

STM

CM-AFM

TM-AFM

Tốc độ

< 8 µs-1

< 128 µs-1

< 20 µs-1

Độ phân giải

≥ 10 nm

≥ 30 nm

≥ 10 nm

Độ dày

≤ 1.5 nm

≤ 8 nm

≤ 4 nm

Khả năng tái tạo

< 50 %

> 50 %

> 75 %

Trong kỹ thuật ơxi hóa vùng, các mẫu được tạo ra có kích thước phụ thuộc vào
độ ẩm rất nhiều, với độ ẩm 60 % thì các đường ơxi hóa là 90 nm, nhưng ở độ ẩm 14%
thì nó giảm xuống cịn 22 nm, điều này là do độ ẩm có ảnh hưởng đến lượng nước
cung cấp cho q trình ơxi hóa mà khi độ ẩm cao sẽ dẫn đến tăng hiệu ứng trường rìa
của điện trường và làm cho vùng ơxi hóa rộng hơn.
- Khắc Dip-Pen: Bằng việc sử dụng một chất lỏng đặc biệt phủ trên đầu mũi
dò AFM, các phân tử chất lỏng có thể được tập hợp trên bề mặt đế khi chúng tiếp xúc
9