Fabrication de dispositifs d’ondes acoustiques de surface sur lithium niobate
Summary
Deux techniques de fabrication, le décollage et la gravure humide, sont décrites dans la production de transducteurs d’électrodes internumériques sur un substrat piézoélectrique, le niobate de lithium, largement utilisé pour générer des ondes acoustiques de surface qui trouvent maintenant une large utilité dans les fluides micro à nanométriques. Les électrodes produites sont montrées pour induire efficacement les mégahertz commandent des ondes acoustiques de surface de Rayleigh.
Abstract
La manipulation des fluides et des particules par actionnement acoustique à petite échelle contribue à la croissance rapide des applications de laboratoire sur puce. Les dispositifs d’ondes acoustiques de surface (SAW) de type Megahertz génèrent d’énormes accélérations à leur surface, jusqu’à 10m/s 2,responsables à leur tour de nombreux effets observés qui sont venus à définir l’acoustofluidique : le streaming acoustique et les forces de rayonnement acoustique. Ces effets ont été utilisés pour la manipulation des particules, des cellules et des fluides à la micro-échelle, et même à l’échelle nanométrique. Dans cet article, nous démontrons explicitement deux méthodes de fabrication majeures des dispositifs SAW sur le niobate de lithium : les détails des techniques de décollage et de gravure humide sont décrits étape par étape. Les résultats représentatifs pour le motif d’électrode déposé sur le substrat ainsi que les performances de SAW générées sur la surface sont affichés en détail. Les astuces de fabrication et de dépannage sont également couvertes. Cette procédure offre un protocole pratique pour la fabrication et l’intégration de dispositifs SAW haute fréquence pour les futures applications de microfluidique.
Introduction
S’appuyant sur l’effet piézoélectrique inverse bien connu, où les dipôles atomiques créent une souche correspondant à l’application d’un champ électrique, les cristaux piézoélectriques tels que le niobate de lithium LiNbO3 (LN), lithium tantolite LiTaO3 (LT), peuvent être utilisés comme transducteurs électromécaniques pour générer saw pour des applications micro-échelle1,2,3,4,5,6. En permettant la génération de déplacements jusqu’à 1 nm à 10-1000 MHz, la vibration tirée par saw surmonte les obstacles typiques de l’échographie traditionnelle : petite accélération, grandes longueurs d’onde et grande taille d’appareil. La recherche pour manipuler les fluides et les particules en suspension s’est récemment accélérée, avec un grand nombre d’examens récents et accessibles7,8,9,10.
La fabrication d’appareils microfluidiques intégrés à saw nécessite la fabrication des électrodes — le transducteur interdigital (IDT)11— sur le substrat piézoélectrique pour générer la SCIE. Les doigts en forme de peigne créent de la compression et de la tension dans le substrat lorsqu’ils sont reliés à une entrée électrique en alternance. La fabrication des dispositifs SAW a été présentée dans de nombreuses publications, que ce soit en utilisant la photolithographie ultraviolette de décollage aux côtés des processus de pulvérisation de métal ou de gravure humide10. Cependant, le manque de connaissances et de compétences dans la fabrication de ces dispositifs est un obstacle clé à l’entrée dans l’acoustofluidique par de nombreux groupes de recherche, même aujourd’hui. Pour la technique de décollage12,13,14, une couche sacrificielle (photorésiste) avec un motif inverse est créée sur une surface, de sorte que lorsque le matériau cible (métal) est déposé sur l’ensemble de la plaquette, il peut atteindre le substrat dans les régions désirées, suivie d’une étape de « lift-of » pour enlever le photorésiste restant. En revanche, dans le processus de gravure humide15,16,17,18, le métal est d’abord déposé sur la plaquette, puis le photorésiste est créé avec un motif direct sur le métal, pour protéger la région désirée de « ching » loin par un etchant métallique.
Dans une conception la plus couramment utilisée, l’IDT droit, la longueur d’onde de la fréquence de résonance du dispositif SAW est définie par la périodicité des paires de doigts, où la largeur des doigts et l’espacement entre les doigts sont à la fois 
/419. Afin d’équilibrer l’efficacité de transmission du courant électrique et l’effet de charge de masse sur le substrat, l’épaisseur du métal déposé sur le matériau piézoélectrique est optimisée pour être d’environ 1% de la longueur d’onde SAW20. Le chauffage localisé des pertes d’Ohmic21,induisant potentiellement une défaillance prématurée de doigt, peut se produire si le métal insuffisant est déposé. D’autre part, un film métallique excessivement épais peut entraîner une réduction de la fréquence résonnante de l’IDT en raison d’un effet de charge de masse et peut éventuellement créer des cavités acoustiques involontaires à partir des IDT, isolant les ondes acoustiques qu’ils génèrent à partir du substrat environnant. En conséquence, les paramètres d’exposition photorésiste et UV choisis varient dans la technique de décollage, selon les différentes conceptions des appareils SAW, en particulier la fréquence. Ici, nous décrivons en détail le processus de décollage pour produire un dispositif de génération saw de 100 MHz sur un double face poli de 0,5 mm d’épaisseur 128° Y-rotation ln wafer, ainsi que le processus de gravure humide pour fabriquer le dispositif de 100 MHz de conception identique. Notre approche offre un système microfluidique permettant d’enquêter sur une variété de problèmes physiques et d’applications biologiques.
Protocol
Representative Results
Discussion
Les appareils SAW fabriqués à partir de l’une ou l’autre méthode sont capables de générer des ondes de déplacement utiles à la surface, et ces méthodes sous-tendent des processus plus complexes pour produire d’autres conceptions. La fréquence de résonance est généralement un peu inférieure à la valeur conçue, en raison de l’effet de charge de masse du métal déposé sur le dessus. Cependant, il reste encore quelques points à discuter pour éviter les problèmes.
<stron…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Les auteurs sont reconnaissants à l’Université de Californie et à l’installation NANO3 de l’UC San Diego pour la fourniture de fonds et d’installations à l’appui de ce travail. Ce travail a été réalisé en partie à la San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) de l’UCSD, membre de la National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, qui est soutenue par la National Science Foundation (Grant ECCS-1542148). Les travaux présentés ici ont été généreusement soutenus par une subvention de recherche de la Fondation W.M. Keck. Les auteurs sont également reconnaissants pour le soutien de ce travail par le Bureau de la recherche navale (via Grant 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
- 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).
