Изготовление поверхностных акустических волновых устройств на литий-ниобате
Summary
Два метода изготовления, подъем и мокрое офорт, описаны в производстве межцифровых электродных преобразователей на пьезоэлектрическом субстрате, литиевом ниобате, широко используемом для генерации поверхностных акустических волн, которые в настоящее время находят широкую полезность в микро-нанмасштабных жидкостях. Показано, что как произведенные электроды эффективно индуцируют мегагерцовые волны, наводные акустические волны Rayleigh.
Abstract
Манипулирование жидкостями и частицами с помощью акустической активации в небольших масштабах способствует быстрому росту лабораторных приложений. Устройства поверхностных акустических волн (SAW) мегагерцца генерируют огромные ускорения на их поверхности, до 108 м/с2,в свою очередь, отвечают за многие наблюдаемые эффекты, которые стали определять acoustofluidics: акустические потоковое и акустическое излучение. Эти эффекты были использованы для обработки частиц, клеток и жидкости на микромасштабной и даже на наноуровне. В этой работе мы четко демонстрируем два основных метода изготовления устройств SAW на литиевом ниобате: детали методов подъема и мокрого травля описаны шаг за шагом. В деталях отображаются репрезентативные результаты для электродного рисунка, отложенного на субстрате, а также производительность САВ, генерируемого на поверхности. Изготовление трюки и устранение неполадок покрыты, а также. Эта процедура предлагает практический протокол для высокочастотного изготовления устройства SAW и интеграции для будущих приложений микрофлюидики.
Introduction
Опираясь на известный обратный пьезоэлектрический эффект, где атомные диполи создают штамм, соответствующий применению электрического поля, пьезоэлектрические кристаллы, такие как литий ниобат LiNbO3 (LN), литий-танталит LiTaO3 (LT), могут быть использованы в качестве электромеханических презекторов для генерации SAW для микромасштабных применений1,2,,3,4,4,66. Позволяя генерации смещения до 1 нм на 10-1000 МГц, SAW-управляемых вибрации преодолевает типичные препятствия традиционного ультразвука: небольшое ускорение, большие длины волн, и большой размер устройства. Исследования по манипулированию жидкостями и взвешенными частицами недавно ускорились, с большим количеством последних и доступных обзоров7,,8,,9,10.
Изготовление SAW-интегрированных микрофлюидных устройств требует изготовления электродов – межцифрового трансдуцера (IDT)11– на пьезоэлектрическом субстрате для генерации САВ. Пальцы гребнной формы создают сжатие и напряжение в субстрате при подключении к переменному электрическому входу. Изготовление устройств SAW было представлено во многих публикациях, будь то использование подъема ультрафиолетовой фотолитографии наряду с металлическим распылением или влажными процессами травления10. Тем не менее, отсутствие знаний и навыков в изготовлении этих устройств является ключевым препятствием для вступления в acoustofluidics многими исследовательскими группами, даже сегодня. Для техники подъема12,,13,,14,на поверхности создается жертвенный слой (фотореалист) с обратным рисунком, так что, когда целевой материал (металл) откладывается на всю пластину, он может достичь субстрата в нужных регионах, а затем “подъемный” шаг для удаления оставшегося фоторесиста. В отличие от этого, в процессе мокрого офорта15,,16,17,18, металл сначала откладывается на, а затем фотореалист создается с прямым рисунком на металле, чтобы защитить желаемый регион от офорта от металла etchant.
В наиболее часто используемой конструкции, прямой IDT, длина волны резонансной частоты устройства SAW определяется периодичностью пар пальцев, где ширина пальца и расстояние между пальцами оба 
/419. Для того, чтобы сбалансировать эффективность передачи электрического тока и эффект массовой загрузки на субстрат, толщина металла, отложенного на пьезоэлектрический материал, оптимизирована, чтобы быть около 1% от длины волны SAW20. Локализованное отопление от Ohmic потерь21, потенциально вызывая преждевременный отказ пальца, может произойти, если недостаточно металла откладывается. С другой стороны, чрезмерно толстая металлическая пленка может привести к снижению резонансной частоты IDT из-за эффекта массовой загрузки и, возможно, может создать непреднамеренные акустические полости от IDT, изолируя акустические волны, которые они генерируют из окружающего субстрата. В результате выбранные параметры фоторезиста и УФ-облучения различаются в технике подъема, в зависимости от различных конструкций устройств SAW, особенно частоты. Здесь мы подробно описываем процесс подъема для производства устройства, генерирующего 100 МГц SAW, на двухстороннем полированном 0,5 мм толщиной 128 Y-повернутый разрез LN, а также влажный процесс травировки для изготовления 100 МГц устройство идентичного дизайна. Наш подход предлагает микрофлюидную систему, позволяющую исследовать различные физические проблемы и биологические применения.
Protocol
Representative Results
Discussion
Устройства SAW, изготовленные из любого метода, способны генерировать полезные волны на поверхности, и эти методы лежат в основе более сложных процессов для создания других конструкций. Резонансная частота, как правило, немного ниже, чем разработанное значение, из-за эффекта массовой за?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы признательны Калифорнийскому университету и учреждению NANO3 в Калифорнийском университете в Сан-Диего за предоставление средств и средств в поддержку этой работы. Эта работа была выполнена в части в Сан-Диего Нанотехнологии инфраструктуры (SDNI) UCSD, член Национальной нанотехнологии скоординированной инфраструктуры, которая поддерживается Национальным научным фондом (Грант ECCS-1542148). Представленная здесь работа была щедро поддержана исследовательским грантом Фонда В.М. Кека. Авторы также благодарны за поддержку этой работы Управления военно-морских исследований (через Грант 12368098).
Materials
| Absorber | Dragon Skin, Smooth-On, Inc., Macungie, PA, USA | Dragon Skin 10 MEDIUM | |
| Amplifier | Mini-Circuits, Brooklyn, NY, USA | ZHL–1–2W–S+ | |
| Camera | Nikon, Minato, Tokyo, Japan | D5300 | |
| Chromium etchant | Transene Company, INC, Danvers, MA, USA | 1020 | |
| Developer | Futurrex, NJ, USA | RD6 | |
| Developer | EMD Performance Materials Corp., Philidaphia, PA, USA | AZ300MIF | |
| Dicing saw | Disco, Tokyo, Japan | Disco Automatic Dicing Saw 3220 | |
| Gold etchant | Transene Company, INC, Danvers, MA, USA | Type TFA | |
| Hole driller | Dremel, Mount Prospect, Illinois | Model #4000 | 4000 High Performance Variable Speed Rotary |
| Inverted microscope | Amscope, Irvine, CA, USA | IN480TC-FL-MF603 | |
| Laser Doppler vibrometer (LDV) | Polytec, Waldbronn, Germany | UHF-120 | 4” double-side polished 0.5 mm thick 128°Y-rotated cut lithium niobate |
| Lithium niobate substrate | PMOptics, Burlington, MA, USA | PWLN-431232 | |
| Mask aligner | Heidelberg Instruments, Heidelberg, Germany | MLA150 | Fabrication process is performed in it. |
| Nano3 cleanroom facility | UCSD, La Jolla, CA, USA | ||
| Negative photoresist | Futurrex, NJ, USA | NR9-1500PY | |
| Oscilloscope | Keysight Technologies, Santa Rosa, CA, USA | InfiniiVision 2000 X-Series | |
| Positive photoresist | AZ1512 | Denton Discovery 18 Sputter System | |
| Signal generator | NF Corporation, Yokohama, Japan | WF1967 multifunction generator | Wafer Dipper 4" |
| Sputter deposition | Denton Vacuum, NJ, USA | Denton 18 | |
| Teflon wafer dipper | ShapeMaster, Ogden, IL, USA | SM4WD1 |
References
- Ding, X., et al. Standing surface acoustic wave (SSAW) based multichannel cell sorting. Lab on a Chip. 12 (21), 4228-4231 (2012).
- Langelier, S. M., Yeo, L. Y., Friend, J. UV epoxy bonding for enhanced SAW transmission and microscale acoustofluidic integration. Lab on a Chip. 12 (16), 2970-2976 (2012).
- Rezk, A. R., Qi, A., Friend, J. R., Li, W. H., Yeo, L. Y. Uniform mixing in paper-based microfluidic systems using surface acoustic waves. Lab on a Chip. 12 (4), 773-779 (2012).
- Schmid, L., Weitz, D. A., Franke, T. Sorting drops and cells with acoustics: acoustic microfluidic fluorescence-activated cell sorter. Lab on a Chip. 14 (19), 3710-3718 (2014).
- Schmid, L., Wixforth, A., Weitz, D. A., Franke, T. Novel surface acoustic wave (SAW)-driven closed PDMS flow chamber. Microfluidics and Nanofluidics. 12 (1-4), 229-235 (2012).
- Shi, J., Mao, X., Ahmed, D., Colletti, A., Huang, T. J. Focusing microparticles in a microfluidic channel with standing surface acoustic waves (SSAW). Lab on a Chip. 8 (2), 221-223 (2008).
- Friend, J., Yeo, L. Y. Microscale acoustofluidics: Microfluidics driven via acoustics and ultrasonics. Reviews of Modern Physics. 83 (2), 647 (2011).
- Ding, X., et al. Surface acoustic wave microfluidics. Lab on a Chip. 13 (18), 3626-3649 (2013).
- Destgeer, G., Sung, H. J. Recent advances in microfluidic actuation and micro-object manipulation via surface acoustic waves. Lab on a Chip. 15 (13), 2722-2738 (2015).
- Connacher, W., et al. Micro/nano acoustofluidics: materials, phenomena, design, devices, and applications. Lab on a Chip. 18 (14), 1952-1996 (2018).
- White, R. M., Voltmer, F. W. Direct piezoelectric coupling to surface elastic waves. Applied Physics Letters. 7 (12), 314-316 (1965).
- Smith, H. I., Bachner, F. J., Efremow, N. A High-Yield Photolithographic Technique for Surface Wave Devices. Journal of the Electrochemical Society. 118 (5), 821-825 (1971).
- Bahr, A. Fabrication techniques for surface-acoustic-wave devices. Proc. Int. Specialists Seminar on Component Performance and Systems Applications of Surface Acoustic Wave Devices. , (1973).
- Smith, H. I. Fabrication techniques for surface-acoustic-wave and thin-film optical devices. Proceedings of the IEEE. 62 (10), 1361-1387 (1974).
- Wilke, N., Mulcahy, A., Ye, S. R., Morrissey, A. Process optimization and characterization of silicon microneedles fabricated by wet etch technology. Microelectronics Journal. 36 (7), 650-656 (2005).
- Madou, M. J. . Fundamentals of microfabrication: the science of miniaturization. , (2002).
- Köhler, M. . Etching in Microsystem Technology. , (1999).
- Brodie, I., Muray, J. J. . The physics of micro/nano-fabrication. , (2013).
- Dentry, M. B., Yeo, L. Y., Friend, J. R. Frequency effects on the scale and behavior of acoustic streaming. Physical Review E. 89 (1), 013203 (2014).
- Morgan, D. . Surface acoustic wave filters: With applications to electronic communications and signal processing. , (2010).
- Pekarcikova, M., et al. Investigation of high power effects on Ti/Al and Ta-Si-N/Cu/Ta-Si-N electrodes for SAW devices. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 52 (5), 911-917 (2005).
