Summary

تصنيع أجهزة الموجة الصوتية السطحية على Niobate الليثيوم

Published: June 18, 2020
doi:

Summary

اثنين من تقنيات التصنيع، والرفع والنقش الرطب، ويرد وصفها في إنتاج محولات القطب بين الدوديجيت على الركيزة الكهروضوئية، ليثيوم niobate، وتستخدم على نطاق واسع لتوليد موجات صوتية سطح الآن العثور على فائدة واسعة في ميكرو لمائعات النانو. وتظهر الأقطاب كما المنتجة للحث بكفاءة megahertz النظام Rayleigh السطح الموجات الصوتية.

Abstract

التلاعب بالسوائل والجسيمات عن طريق التشغيل الصوتي على نطاق صغير يساعد على النمو السريع لتطبيقات المختبر على رقاقة. Megahertz-ترتيب الموجات الصوتية (SAW) الأجهزة توليد تسارع هائلة على سطحها, تصل إلى 108 م / الثانية2, بدورها مسؤولة عن العديد من الآثار الملاحظة التي أصبحت لتعريف acoustofluidics: تدفق الصوتية وقوى الإشعاع الصوتي. وقد استخدمت هذه الآثار للجسيمات, الخلية, والتعامل مع السوائل في microscale— وحتى في النانو. في هذه الورقة نحن نظهر بوضوح اثنين من أساليب التصنيع الرئيسية لأجهزة SAW على niobate الليثيوم: يتم وصف تفاصيل تقنيات الاقلاع والنقش الرطب خطوة بخطوة. يتم عرض النتائج التمثيلية لنمط القطب المترسب على الركيزة وكذلك أداء SAW المتولدة على السطح بالتفصيل. كما يتم تغطية الحيل تلفيق واستكشاف الأخطاء وإصلاحها. يوفر هذا الإجراء بروتوكولًا عمليًا لتصنيع جهاز SAW عالي التردد وتكامله لتطبيقات microfluidics المستقبلية.

Introduction

الاعتماد على تأثير معكوس كهربائي مُعَد معروف، حيث تخلق ثنائيات القطب الذرية سلالة مطابقة لتطبيق حقل كهربائي، بلورات كهرضغطية مثل الليثيوم niobate LiNbO3 (LN)، الليثيوم التنتاليت LiTaO3 (LT)، يمكن استخدامها كمحولات كهربائية لتوليد منشار للتطبيقات الدقيقة,,,,5,6. من خلال تمكين توليد النزوح تصل إلى 1 نانومتر في 10-1000 ميغاهرتز، واهتزازات التي يحركها SAW يتغلب على العقبات النموذجية من الموجات فوق الصوتية التقليدية: تسارع صغير، وأطوال موجية كبيرة، وحجم الجهاز الكبير. وقد تسارعت مؤخرا البحوث لمعالجة السوائل والجسيمات العالقة، مع عدد كبير من الاستعراضات الأخيرة ويمكن الوصولإليها 7،8،9،10.

تصنيع أجهزة microfluidic المندمجة المنشار يتطلب تصنيع الأقطاب الكهربائية – محول بين الدرجية (IDT)11– على الركيزة الكهروضوئية لتوليد المنشار. تخلق الأصابع على شكل مشط ضغطًا وتوترات في الركيزة عند توصيلها بمدخل كهربائي متناوب. وقد تم تقديم تصنيع أجهزة SAW في العديد من المنشورات، سواء باستخدام الاقلاع قبالة التصوير الضوئي فوق البنفسجي جنبا إلى جنب مع المعادن الثرثرة أو عمليات النقش الرطب10. ومع ذلك ، فإن نقص المعرفة والمهارات في تصنيع هذه الأجهزة هو حاجز رئيسي لدخول العديد من المجموعات البحثية إلى acoustofluidics ، حتى اليوم. لتقنية الاقلاع12،13،14، يتم إنشاء طبقة القربان (ضوئي) مع نمط معكوس على السطح ، بحيث عندما يتم إيداع المادة المستهدفة (المعدنية) على الرقاقة بأكملها ، يمكن أن تصل إلى الركيزة في المناطق المطلوبة ، تليها خطوة “الاقلاع” لإزالة ناظر التصوير المتبقي. على النقيض من ذلك ، في عملية النقش الرطب15،16،17،18، يتم إيداع المعدن أولا على رقاقة ثم يتم إنشاء photoresist مع نمط مباشر على المعدن ، لحماية المنطقة المطلوبة من “الحفر” بعيدا عن طريق النقش المعدني.

في التصميم الأكثر استخداما، IDT مستقيم، الطول الموجي للتردد رنانة من الجهاز SAW يتم تعريفها من خلال دورية أزواج الأصابع، حيث عرض الإصبع والتباعد بين الأصابع على حد سواء Equation /419. من أجل تحقيق التوازن بين كفاءة نقل التيار الكهربائي وتأثير تحميل الكتلة على الركيزة ، يتم تحسين سمك المعدن المودع على المواد الكهروضوئية لتكون حوالي 1 ٪ من الطول الموجي SAW20. يمكن أن يحدث التسخين المترجم من خسائر أوميتش21، يحتمل أن يؤدي فشل الإصبع السابق لأوانه ، إذا تم إيداع معادن غير كافية. من ناحية أخرى، يمكن أن يؤدي فيلم معدني سميك بشكل مفرط إلى انخفاض في التردد الرنانة لـ IDT بسبب تأثير التحميل الجماعي ويمكن أن يخلق تجاويف صوتية غير مقصودة من الـ IDTs، مما يعزل الموجات الصوتية التي تولدها عن الركيزة المحيطة. ونتيجة لذلك، تختلف معلمات الأشعة الضوئية والأشعة فوق البنفسجية المختارة في تقنية الإقلاع، تبعاً لتصاميم مختلفة لأجهزة SAW، وخاصة التردد. هنا، ونحن وصف بالتفصيل عملية الاقلاع من إنتاج جهاز 100 ميغاهرتز SAW توليد على الوجهين مصقول 0.5 مم سميكة 128 درجة Y-تدوير LN رقاقة، فضلا عن عملية النقش الرطب لتصنيع جهاز 100 ميغاهرتز من تصميم متطابقة. يقدم نهجنا نظام microfluidic يتيح التحقيق في مجموعة متنوعة من المشاكل الفيزيائية والتطبيقات البيولوجية.

Protocol

1. تصنيع الجهاز SAW عن طريق طريقة الإقلاع أداء رقاقة تنظيف المذيبات في منشأة غرفة نظيفة فئة 100 عن طريق غمر 4 ” (101.6 مم) LN رقاقة في الأسيتون، تليها الكحول الأيزوبروبيل (IPA)، ثم المياه الأيونية (DI الماء)، كل في حمام صوتنة لمدة 5 دقائق. التقاط رقاقة وتفجير السطح الجاف مع النيتروجين (N2)تدفق ا…

Representative Results

تم تصميم IDT الذي سيتم قياسه ليكون تردداً رناناً عند MHz 100، حيث أن عرض الإصبع والتباعد بينهما 10 ميكرومتر، مما ينتج طولاً موجيًا يبلغ 40 ميكرومترًا. ويبين الشكل 1 جهاز SAW وIDT ملفقة باستخدام هذه الطريقة. باستخدام إشارة كهربائية متذبذبة مطابقة للتردد الرنانة من IDT، يمكن أن …

Discussion

أجهزة SAW ملفقة من أي من الأسلوبين قادرة على توليد موجات السفر مفيدة على السطح، وهذه الأساليب تدعم عمليات أكثر تعقيدا لإنتاج تصاميم أخرى. التردد الرنانة عادة ما يكون أقل قليلا من القيمة المصممة ، وذلك بسبب تأثير التحميل الجماعي للمعدن المودع على القمة. ومع ذلك ، لا تزال هناك بعض النقاط التي …

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

ويعرب المؤلفون عن امتنانهم لجامعة كاليفورنيا ومرفق NANO3 في جامعة كاليفورنيا في سان دييغو لتوفير الأموال والتسهيلات لدعم هذا العمل. وقد تم تنفيذ هذا العمل جزئيا في البنية التحتية لتكنولوجيا النانو في سان دييغو (SDNI) UCSD، وهو عضو في البنية التحتية الوطنية لتنسيق تكنولوجيا النانو، والتي تدعمها المؤسسة الوطنية للعلوم (Grant ECCS-1542148). وقد تم دعم العمل المقدم هنا بسخاء من خلال منحة بحثية من مؤسسة W.M. Keck. كما يعرب المؤلفان عن امتنانهما لدعم هذا العمل من قبل مكتب البحوث البحرية (عبر المنحة 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

Referenzen

  1. Ding, X., et al. Standing surface acoustic wave (SSAW) based multichannel cell sorting. Lab on a Chip. 12 (21), 4228-4231 (2012).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. Friend, J., Yeo, L. Y. Microscale acoustofluidics: Microfluidics driven via acoustics and ultrasonics. Reviews of Modern Physics. 83 (2), 647 (2011).
  8. Ding, X., et al. Surface acoustic wave microfluidics. Lab on a Chip. 13 (18), 3626-3649 (2013).
  9. 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).
  10. Connacher, W., et al. Micro/nano acoustofluidics: materials, phenomena, design, devices, and applications. Lab on a Chip. 18 (14), 1952-1996 (2018).
  11. White, R. M., Voltmer, F. W. Direct piezoelectric coupling to surface elastic waves. Applied Physics Letters. 7 (12), 314-316 (1965).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Smith, H. I. Fabrication techniques for surface-acoustic-wave and thin-film optical devices. Proceedings of the IEEE. 62 (10), 1361-1387 (1974).
  15. 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).
  16. Madou, M. J. . Fundamentals of microfabrication: the science of miniaturization. , (2002).
  17. Köhler, M. . Etching in Microsystem Technology. , (1999).
  18. Brodie, I., Muray, J. J. . The physics of micro/nano-fabrication. , (2013).
  19. 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).
  20. Morgan, D. . Surface acoustic wave filters: With applications to electronic communications and signal processing. , (2010).
  21. 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).

Play Video

Diesen Artikel zitieren
Mei, J., Zhang, N., Friend, J. Fabrication of Surface Acoustic Wave Devices on Lithium Niobate. J. Vis. Exp. (160), e61013, doi:10.3791/61013 (2020).

View Video