Thạc Sĩ Nghiên cứu quy trình mạ đồng trên đế Pet ứng dụng trong chế tạo ăng-ten sóng radio

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
Chuyên ngành: Vật lý vô tuyến và điện tử
LUẬN VĂN THẠC SĨ:
Năm 2012

MỤC LỤC ( Luận văn dài 85 trang)


LỜI CẢM ƠN 1
LỜI CAM ĐOAN 2
MỤC LỤC 3
DANH MỤC BẢNG 6
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 7


GIỚI THIỆU . 10
Chương 1: TỒNG QUAN . 12
1.1 TỔNG QUAN VỀ PHÚN XẠ 12
1.1.1 Phún xạ là gì? . 12
1.1.2.Cơ chế phún xạ catốt . 12
1.1.3.1. Phún xạ phóng điện một chiều (DC discharge sputtering) . 12
1.1.3.2. Phún xạ phóng điện xoay chiều (RF discharge sputtering) 14
1.1.3.3. Phún xạ magnetron 15
1.2 TỔNG QUAN QUANG KHẮC 16
1.2.1. Polymer cảm quang 16
1.2.1.1. Giới thiệu . 16
1.2.1.2. Ứng dụng . 17
1.2.2. Quang khắc 17
1.2.2.1. Khái niệm 17
1.2.2.2. Nguyên lý hệ quang khắc 17
1.2.3. Qui trình quang khắc 20
1.3. TỔNG QUAN MẠ ĐIỆN 27
1.3.1.Sự hình thành lớp mạ điện . 27
1.3.1.1. Khái niệm 27
1.3.1.2. Điều kiện tạo thành lớp mạ 27
1.3.2. Định luật Faraday . 29
1.3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng mạ . 29
1.3.2.1. Vật liệu nền và sự thoát hydro 29
1.3.2.2. Ảnh hưởng của bản chất kim loại nền . 30
1.3.2.3. Ảnh hưởng của sự thoát hydro và quá thế catốt 31
1.3.2.4. Ảnh hưởng của thành phần dung dịch mạ 32
1.3.2.5. Mật độ dòng điện catốt . 35
1.3.2.6. Ảnh hưởng của nhiệt độ 36
1.3.2.7. Điều kiện xuất hiện tinh thể . 37


Chương 2 THỰC NGHIỆM . 38
2.1. QUY TRÌNH CHẾ TẠO ĂNG-TEN 38
2.1.1. Chuẩn bị đế 38
2.1.2. Phún xạ tạo màng đồng 39
2.1.3. Quá trình Lithography (quang khắc) . 40
2.1.3.1. Phủ Photoresist và sấy sơ bộ (Soft-Baking) 40
2.1.3.2. Quá trình phơi sáng (exposure) . 41
2.1.3.2. Quá trình tráng rửa 43
2.1.3.3. Quá trình ăn mòn . 43
2.1.4. Quá trình mạ điện 44
2.2. PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ CHẾ TẠO
ĂNG-TEN 50
2.2.1. Khảo sát độ bám dính của mẫu . 50
2.2.2. Khảo sát hình thái bề mặt lớp màng: 51
2.2.3. Khảo sát kích thước bằng kính hiển vi quang học GX51 . 53
2.2.4. Khảo sát độ dày của màng bằng máy Dektak 6M Stylus Profiler (Veeco) . 55
2.2.5. Khảo sát điện trở bằng thiết bị đầu dò 4 điểm . 57


CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN . 60
3.1 ĐỘ BÁM DÍNH . . 60
3.1.1. Độ bám dính của lớp màng đồng với đế PET 60
3.1.2. Độ bám dính của ăng-ten với đế PET . 62
3.2. KHẢO SÁT BỀ MẶT MẪU: 62
3.2.1. Bề mặt mẫu với nồng độ bể mạ khác nhau . 62
3.2.2 Bề mặt mẫu với nhiệt độ khác nhau 65
3.3. KÍCH THƯỚC ĂNG-TEN . . 67
3.4. KẾT QUẢ KHẢO SÁT ĐỘ DÀY VÀ ĐIỆN TRỞ SUẤT . 69
3.4.1. Độ dày và điện trở suất của lớp màng đồng 69
3.4.2. Độ dày và điện trở suất của mẫu ăng-ten 72
3.4.3. Hiệu suất dòng điện . 77


KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN . 80
TÀI LIỆU THAM KHẢO 803



DANH MỤC BẢNG



Bảng 1Một số vấn đề lưu ý trong quá trình mạ 48
Bảng 3.1Nồng độ các bể mạ . 60
Bảng 3.2Thông số bề mặt mẫu của mẫu lớn với các nồng độ bể mạ khác nhau62
Bảng 3.3Thông số độ gồ ghề bề mặt ăng-ten trong nồng độ bể mạ khác nhau . 63
Bảng 3.4Thông số chế tạo của các mẫu mạ trong bể mạ (3) với nhiệt độ khácnhau 66
Bảng 3.5Độ tăng bề dày và kích thước của ăng-ten 69
Bảng 3.6Độ dày và điện trở suất với bể mạ khác nhau 70
Bảng 3.7Thông số độ dày và điện trở suất của lớp màng đồng với các nhiệt độ khác nhau 70
Bảng 3.8Độ dày và điện trở suất của mẫu ăng-ten theo nồng độ bể mạ . 73
Bảng 3.9Độ dày và điện trở suất của mẫu ăng-ten với các nhiệt độ khác nhau trong bể mạ (2) 73
Bảng 3.10Hiệu suất dòng điện của lớp đồng với nhiệt độ khác nhau 78


DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ


Hình 1.1Mô hình phún xạ . 12
Hình 1.2Sơ đồ hệ phóng điện cao áp một chiều (DC-sputter) . 13
Hình 1.3Sơ đồ hệ phóng điện cao tần có tụ chặn làm tăng hiệu suất bắn phá ion. . 14
Hình 1.4Sơ đồ nguyên lý bẫy điện tử bằng từ trường trong hệ phún xạ magnetron. . 15
Hình 1.5Nguyên lý hệ quang khắc . 18
Hình 1.6Hình ảnh mặt nạ ăng-ten 18
Hình 1.7Phương pháp liff – off và phương pháp ăn mòn. . 19
Hình 1.8Mô hình phủ lớp Photoresist 21
Hình 1.9Các cách chiếu để chuyển hình ảnh từ mặt nạ lên nền 22
Hình 1.10Đồ thị ứng với chất cảm quang âm và dương sau khi chiếu sáng và tráng rửa. . 23
Hình 1.11Đồ thị mô tả sự phụ thuộc bề dày của photoresist Fomandehit với thời gian tráng rửa với các chất kiềm khác nhau. 24
Hình 1.12Cấu tạo buồn RIE . 26
Hình 1.13Chi tiết mẫu trước và sau khi mạ điện . 27
Hình 1.14Sơ đồ mạ điện . 28
Hình 2.1Quy trình phún xạ - quang khắc – ăn mòn – mạ điện 38
Hình 2.2Lò nung . 39
Hình 2.3Thiết bị phún xạ Leybold Univex 350 và hình ảnh bên trong buồng phún xạ. 40
Hình 2.4Máy quay ly tâm Delta 6RC 41
Hình 2.5Máy Mask Aligner MJB4 . 42
Hình 2.6Bếp nung ATV Technology GMBH/HT 42
Hình 2.7Mặt nạ ăn mòn sử dụng trong đề tài. . 43
Hình 2.8Mẫu ăng-ten sau khi ăn mòn. . 44
Hình 2.9Sơ đồ khối hệ mạ điện 45
Hình 2.10Thiết bị mạ điện 49
Hình 2.11Ăng-ten sau khi mạ. 50
Hình 2.12Lớp màng Đồng bám dính tốt và không tốt 51
Hình 2.13Ăng-ten bám dính tốt và không tốt . 51
Hình 2.14SEM Jeol/JSM – 6480LV 52
Hình 2.15Kính hiển vi lực nguyên tử AFM Nanotec Electronica S.L 52
Hình 2.16Kính hiển vi quang học GX51 53
Hình 2.17Vị trí khảo sát kích thước của Ăng-ten . 54
Hình 2.18Ảnh chụp vị trí Ăng-ten bằng kính hiển vi quang học GX 51 54
Hình 2.19Đồ thị đo bề dày của mẫu bằng thiết bị Dektak 6M Stylus Profiler 55
Hình 2.20Thiết bị Dektak 6M . 56
Hình 2.21Sơ đồ mạch điện đo điện trở bằng phương pháp đầu dò . 58
Hình 2.22Thiết bị đầu dò 4 điểm 58
Hình 3.1Khả năng bám dính khi thay đổi nồng độ bể mạ 61
Hình 3.2Đồ thị về sự bám dính của các mẫu lớn khi thay đổi nhiệt độ ứng với bể mạ (3) . 61
Hình 3.3Ảnh AFM bề mặt mẫu mạ trong các bể (3) và (5); diện tích quét 5x5àm 63
Hình 3.4Thông số độ gồ ghề bề mặt ăng-ten trong nồng độ bể mạ khác nhau . 64
Hình 3.5Ảnh SEM bề mặt mẫu ứng với bể mạ khác nhau . 65
Hình 3.6Ảnh SEM bề mặt mẫu ứng với nhiệt độ khác nhau 66
Hình 3.7Kích thước ăng-ten trước khi mạ và sau khi mạ 67
Hình 3.8Đồ thị độ tăng kích thước của chi tiết sau khi mạ theo nồng độ chất
phụ gia pha tạp của các bể mạ . 67
Hình 3.9Đồ thị độ tăng kích thước của chi tiết sau khi mạ theo mật độ dòng. 68
Hình 3.10Đồ thị bề dày trung bình theo phương đứng của mẫu theo giai nhiệt độ khác nhau. 71
Hình 3.11Đồ thị điện trở suất và độ dày theo phương đứng của ăng-ten tại nhiệt độ 75F . 74
Hình 3.12Đồ thị điện trở suất và độ dày theo phương ngang của ăng-ten tại nhiệt độ 75F . 74
Hình 3.13Đồ thị điện trở suất và độ dày theo phương đứng của ăng-ten tại nhiệt độ 72F 75
Hình 3.14Đồ thị điện trở suất và độ dày theo phương ngang của ăng-ten tại nhiệt độ 72F 75
Hình 3.15Đồ thị điện trở suất và độ dày theo phương đứng của ăng-ten tại nhiệt độ 79F . 76
Hình 3.16Đồ thị điện trở suất và độ dày theo phương ngang của ăng-ten tại nhiệt độ 79F . . 76
Hình 3.17Đồ thị hiệu suất dòng điện theo mật độ dòng ở nhiệt độ khác nhau 78



GIỚI THIỆU
Các công nghệ ngày nay luôn hướng tới sự đơn giản, tiện lợi và đặc trưng luôn được ưu tiên hàng đầu là khả năng không dây (wireless). Thiết bị không dây càng ngày càng phát triển rộng rãi làm cho con người được giải phóng, tự do và thoải mái hơn. Công nghệ RFID ra đời đã tạo ra cuộc cách mạng trong môi trường tương tác hiện nay.
Khi một thẻ RFID được gắn vào một sản phẩm sẽ phát ra các tín hiệu vô tuyến cho biết sản phẩm ấy đang nằm ở chỗ nào, trên xe đẩy vào kho, trong kho lạnh hay trên xe đẩy của khách hàng. Do thiết bị này được nối kết trong mạng vi tính của cửa hàng nên nhờ vậy các nhân viên bán hàng có thể biết rõ sản phẩm ấy được sản xuất khi nào, tại nhà máy nào, màu sắc và kích cỡ của sản phẩm, để bảo quản sản phẩm tốt hơn thì phải lưu trữ nó ở nhiệt độ nào hoặc gắn thẻ RFID lên những động vật hoang dã để biết hành tung của chúng trong những khu rừng rậm rạp. Thẻ RFID chứa các chip silicon và các ăng-ten cho phép nhận lệnh và đáp ứng lại bằng tần số vô tuyến.
Với sự tiện lợi đó, các nước tiên tiến hiện nay đã và đang nghiên cứu những tính năng ưu việt của thẻ RFID. Hệ thống RFID không thể thiếu một bộ phận quan trọng, đó là ăng-ten trong các thiết bị thu phát, truyền tin. Nhất là với công nghệ kết nối không dây đang phát triển rất mạnh như hiện nay, ăng-ten đã có những thay đổi hết sức linh hoạt về phẩm chất, cấu trúc, kích thước nhằm thoả mãn tối đa nhu cầu của người sử dụng. Để chế tạo ăng-ten chúng tôi sẽ kim loại hóa chất dẻo (PET) để tiết kiệm được một lượng kim loại đáng kể, giá thành của
PET rẻ hơn nhiều lần so với sản phẩm kim loại. Ngoài ra việc mạ điện trên PET còn làm giảm trọng lượng của sản phẩm cũng như bền với môi trường ăn mòn.


Quy trình để tạo ăng-ten gồm 3 quy trình chính: đó là phún xạ (tạo lớp mỏng đồng để làm điện cực cho quá trình mạ điện), quang khắc (sử dụng ánh sáng để biến đổi các chất cảm quang phủ trên bề mặt để tạo hình dạng của ăng-ten), và cuối cùng là mạ điện (tạo hình dạng ăng-ten dày 10àm). Đối với ăng-ten có độ dày 10àm cho độ dẫn điện tốt, không bong tróc khi chịu tác dụng của lực lớn và có thể hàn được với thẻ RFID. Chế tạo lớp đồng có bề dày 10àm trên đế PET bằng phương pháp phún xạ đòi hỏi thời gian rất lâu và rất tốn kém. Vì vậy, đề tài tập trung nghiên cứu quy trình mạ đồng bằng phương pháp mạ điện để ứng dụng trong chế tạo ăng-ten RFID. Những thuận lợi ban đầu của đề tài là: phương pháp mạ điện đã được nghiên cứu từ lâu, quy trình mạ điện đơn giản, các nguyên vật liệu cần thiết để
mạ đồng có giá thành thấp. Vì thế sử dụng quy trình này để tạo lớp đồng dày 10àm vừa tiết kiệm lại ít tốn thời gian đồng thời có thể hướng đến sản xuất ở quy mô công nghiệp. Tuy nhiên, quá trình mạ điện thông thường sẽ làm cho lớp đồng nhanh chóng bị oxi hóa sau khi lấy ra khỏi bể mạ, lớp đồng không đồng đều, không bóng như lớp đồng chế tạo bằng phương pháp phún xạ nên đòi hỏi
phải nghiên cứu các chất phụ gia, các thông số và điều kiện mạ điện để tạo ra lớp đồng như mong muốn với độ bám dính tốt, bề dày đồng đều với điện trở thấp.