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
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
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
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
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
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
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.
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.
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
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
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
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
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].
Copyright: Tài liệu đại học ©