Lityum Niyobat üzerine Yüzey Akustik Dalga Cihazlarının İmalatı
Summary
İki üretim teknikleri, kaldırma ve ıslak gravür, bir piezoelektrik substrat üzerine interdigital elektrot transdüserler üretiminde açıklanmıştır, lityum niyobat, yaygın yüzey akustik dalgalar oluşturmak için kullanılan şimdi nanoölçekli akışkanlar mikro geniş yarar bulma. Üretilen elektrotlar verimli megahertz sipariş Rayleigh yüzey akustik dalgalar neden gösterilmiştir.
Abstract
Sıvıların ve parçacıkların akustik aktüasyon ile küçük ölçekte manipüle edilmesi, çip üzerine laboratuvar uygulamalarının hızlı büyümesine yardımcı oluyor. Megahertz-order yüzey akustik dalga (SAW) cihazları kendi yüzeyinde büyük ivmeler üretmek, kadar 108 m / s2, sırayla acoustofluidics tanımlamak için gelmiş gözlenen etkilerin çoğu ndan sorumlu: akustik akış ve akustik radyasyon kuvvetleri. Bu etkiler mikro ölçekte ve hatta nano ölçekte parçacık, hücre ve sıvı kullanımı için kullanılmıştır. Bu yazıda, SAW cihazlarının lityum niyobat üzerindeki iki ana üretim yöntemini açıkça gösteriyoruz: kaldırma ve ıslak gravür tekniklerinin ayrıntıları adım adım açıklanmıştır. Yüzeyde üretilen SAW’ın yüzeyde biriken elektrot deseni ve performansı ayrıntılı olarak görüntülenir. Üretim hileler ve sorun giderme de kaplıdır. Bu yordam, gelecekteki mikroakışkan uygulamalar için yüksek frekanslı SAW cihaz imalatı ve entegrasyonu için pratik bir protokol sunar.
Introduction
Atomik dipollerin elektrik alanının uygulanmasına karşılık gelen zorlanma oluşturduğu iyi bilinen ters piezoelektrik etkiye dayanarak, lityum niyobat LiNbO3 (LN), lityum tantalit LiTaO3 (LT) gibi piezoelektrik kristaller, mikro ölçekli uygulamalar için SAW oluşturmak için elektromekanik transdüserler olarak kullanılabilir1,2,3,4,5,6. SAW güdümlü titreşim, 10-1000 MHz’de 1 nm’ye kadar yer değiştirmeleri sağlayarak geleneksel ultrasonun tipik engellerini aşar: küçük hızlanma, büyük dalga boyları ve büyük cihaz boyutu. Araştırma sıvıları ve askıya parçacıkları işlemek için son zamanlarda hızlandırdı, son ve erişilebilir değerlendirmeleri çok sayıda7,8,9,10.
SAW entegre mikroakışkan cihazların imalatı, SAW’ı üretmek için piezoelektrik substrat üzerinde olan interdigital transdüser (IDT)11-elektrotlarınüretilmesi gerekir. Tarak şeklindeki parmaklar, alternatif bir elektrik girdisine bağlandığında substratta sıkıştırma ve gerginlik oluşturur. SAW cihazlarının imalatı metal püskürtme veya ıslak gravür işlemleri 10 yanında lift-off ultraviyole fotolitografi kullanılarak olsun, birçok yayınlardasunulmuştur. Ancak, bu cihazların imalatında bilgi ve beceri eksikliği birçok araştırma grupları tarafından acoustofluidics giriş için önemli bir engeldir, bugün bile. Kaldırma tekniği için12,13,14, ters desenli bir kurban tabakası (fotodirenç) bir yüzey üzerinde oluşturulur, böylece hedef malzeme (metal) tüm gofret üzerine yatırıldığında, istenilen bölgelerde substrat ulaşabilirsiniz, kalan photoresist kaldırmak için bir “lift-off” adım takip. Buna karşılık, ıslak gravür işleminde15,16,17,18, metal ilk gofret üzerine yatırılır ve daha sonra fotodirenç metal üzerinde doğrudan bir desen ile oluşturulur, uzak bir metal etchant tarafından “gravür” istenilen bölgeyi korumak için.
En yaygın olarak kullanılan tasarımda, düz IDT, SAW cihazının rezonans frekansının dalga boyu parmak çiftlerinin periyodikliği ile tanımlanır, burada parmak genişliği ve parmaklar arasındaki boşluk her ikisi de 
/419‘dur. Elektrik akımı iletim verimliliğini ve substrat üzerindeki kütle yükleme etkisini dengelemek için, piezoelektrik malzeme üzerinde biriken metalin kalınlığı SAW dalga boyu20’ninyaklaşık %1’i olacak şekilde optimize edilmiştir. Yetersiz metal birikmesi durumunda, Ohmik kayıplarından lokalize ısıtma21, potansiyel olarak erken parmak yetmezliğine neden olabilir. Öte yandan, aşırı kalın bir metal film, kitlesel yükleme etkisi nedeniyle IDT’nin rezonans frekansında azalmaya neden olabilir ve muhtemelen IDT’lerden kasıtsız akustik boşluklar oluşturarak çevredeki alt tabakadan oluşturdukları akustik dalgaları izole edebilir. Sonuç olarak, seçilen fotodirenç ve UV maruziyet parametreleri, SAW cihazlarının farklı tasarımlarını, özellikle sıklığına bağlı olarak kaldırma tekniğinde farklılık gösterir. Burada, aynı tasarıma sahip 100 MHz cihazını imal etmek için çift taraflı cilalı 0,5 mm kalınlığında 0,5 mm kalınlığında 128° Y döndürülmüş kesilmiş LN gofret üzerinde 100 MHz TESTERE üreten bir cihaz üretmek için kaldırma işlemini ayrıntılı olarak açıklıyoruz. Yaklaşımımız, çeşitli fiziksel sorunların ve biyolojik uygulamaların araştırılmasını sağlayan mikroakışkan bir sistem sunmaktadır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Her iki yöntemden de imal edilen SAW cihazları yüzeyde yararlı seyahat dalgaları üretme yeteneğine sahiptir ve bu yöntemler diğer tasarımları üretmek için daha karmaşık süreçleri destekler. Rezonans frekansı genellikle metalin üzerine yatırılan kütle yükleme etkisi nedeniyle tasarlanan değerden biraz daha düşüktür. Ancak, hala sorunları önlemek için tartışmaya değer bazı noktalar vardır.
Kaldırma yöntemi
Photoresist seçimi önemlidir. …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar California Üniversitesi ve UC San Diego nano3 tesisi için fon ve bu çalışmayı destekleyen tesislerin sağlanması için müteşekkir. Bu çalışma kısmen, Ulusal Bilim Vakfı (Grant ECCS-1542148) tarafından desteklenen Ulusal Nanoteknoloji Eşgüdümlü Altyapı üyesi UCSD’nin San Diego Nanoteknoloji Altyapısı’nda (SDNI) gerçekleştirilmiştir. Burada sunulan çalışma, W.M. Keck Vakfı’nın araştırma bursu ile cömertçe desteklenmiştir. Yazarlar da Deniz Araştırma Ofisi (Grant 12368098 ile) tarafından bu çalışmanın desteği için müteşekkir.
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).
