הייצור של התקנים גל אקוסטי לפני השטח על ליתיום Niobate
Summary
שתי טכניקות הייצור, ההמראה והחריטה רטוב, מתוארים בהפקת מתמרים האלקטרודות interdigital על מצע פיזואלקטריים, ליתיום niobate, המשמש באופן נרחב כדי ליצור גלי משטח אקוסטי כעת מציאת כלי שירות רחב מיקרו כדי fluidics ננו-היקף. אלקטרודות כפי המיוצר מוצגים ביעילות לגרום מגהרץ לסדר משטח ריילי גלים אקוסטיים.
Abstract
מניפולציה של נוזלים וחלקיקים על ידי הגשמה אקוסטית בקנה מידה קטן הוא לסייע לצמיחה מהירה של יישומי מעבדה על שבב. מכשירי מגה-הרץ-הזמנה גל אקוסטי (מסור) התקנים לייצר האצות עצומות על פני השטח שלהם, עד 108 מ מ 2, בתורו אחראי רבים של ההשפעות שנצפו שבאו להגדיר אתהשני: הזרמת אקוסטית וכוחות קרינה אקוסטית. השפעות אלה שימשו עבור הטיפול בחלקיקים, תא, ונוזלים במיקרו-סקאלה – ואפילו בסולם הננו. במאמר זה אנו מדגימים במפורש שתי שיטות הייצור הגדולות של התקנים מראה על ליתיום niobate: פרטים של טכניקות ההמראה והחריטה רטוב מתוארים צעד אחר צעד. תוצאות הנציג עבור דפוס האלקטרודה הופקד על המצע, כמו גם את הביצועים של המסור שנוצר על פני השטח מוצגים בפרוטרוט. הייצור טריקים ופתרון בעיות מכוסים גם. הליך זה מציע פרוטוקול מעשי עבור בתדר גבוה מראה ייצור המכשיר ואינטגרציה עבור יישומים מיקרופלואידיקה עתידיים.
Introduction
בהסתמך על אפקט פיזואלקטריים ההופכית הידוע, כאשר דיפולים האטומי ליצור זן המתאים ליישום של שדה חשמלי, הקריסטלים פיזואלקטריים כגון ליתיום niobate linbo3 (in), ליתיום טנטליט litao3 (LT), ניתן להשתמש כמו מתמרים אלקטרומכניים כדי ליצור מסור ליישומים microscale1,2,3,4,5,6. על ידי הפעלת הדור של displacements עד 1 ננומטר ב 10-1000 MHz, הרטט מונחה מראה גוברת על מכשולים טיפוסיים של אולטרסאונד מסורתי: האצה קטנה, אורכי גל גדולים, גודל המכשיר גדול. מחקר לטיפול בנוזלים וחלקיקים מושעה האיץ לאחרונה, עם מספר רב של ביקורות אחרונות ונגישים7,8,9,10.
הייצור של התקנים מיקרופלואידים משולבים משולב דורש הייצור של אלקטרודות- מתמר interdigital (IDT)11— על המצע פיזואלקטריים כדי ליצור את המסור. האצבעות צורה מסרק ליצור דחיסה ומתח במצע כאשר מחובר קלט חשמלי לסירוגין. הייצור של התקני המסור הוצג בפרסומים רבים, בין אם באמצעות להוריד את הפוטוגרפיה אולטרה סגולה לצד מתכת או תהליכי חריטה רטוב10. עם זאת, חוסר הידע והכישורים בבדיית המכשירים הללו הוא מחסום מפתח לכניסה לתוך החוגים של קבוצות מחקר רבות, אפילו היום. עבור טכניקת ההמראה12,13,14, שכבת הקרבה (photoresist) עם תבנית הופכי נוצרת על פני השטח, כך שכאשר חומר היעד (מתכת) מופקד על וופל כולו, הוא יכול להגיע למצע באזורים הרצויים, ואחריו צעד “ההמראה” כדי להסיר את הphotoresist הנותרים. לעומת זאת, בתהליך התחריט הרטוב15,16,17,18, המתכת מופקד לראשונה על הופל ולאחר מכן photoresist נוצרת בתבנית ישירה על המתכת, כדי להגן על האזור הרצוי מתוך “תצריב” על-ידי מזמור מתכת.
בעיצוב הנפוץ ביותר, IDT ישר, אורך הגל של תדירות התהודה של המכשיר המסור מוגדר על ידי התקופתיות של זוגות אצבע, שבו רוחב האצבע ואת המרווח בין האצבעות הם שניהם 
/419. כדי לאזן את יעילות השידור הנוכחי חשמלי ואת ההשפעה המסה הטעינה על המצע, את עובי המתכת הופקד על החומר פיזואלקטריים ממוטב להיות כ 1% של הגל המסור20. הסקה מקומית מאבידות Ohmic21, עלול לגרום לכשל באצבע מוקדמת, יכול להתרחש אם לא מספיק מתכת מופקד. מצד שני, סרט מתכת עבה מוגזמת יכול לגרום לירידה בתדירות התהודה של IDT בשל אפקט העמסה המסה והוא יכול ליצור חללים אקוסטיים בשוגג מן IDTs, בידוד הגלים האקוסטיים שהם מייצרים מן המצע המקיף. כתוצאה מכך, הפרמטרים הphotoresist והחשיפה של UV שנבחרו משתנים בטכניקת ההמראה, בהתאם לעיצובים שונים של התקני מסור, במיוחד בתדר. כאן, אנו מתארים בפרוטרוט את תהליך ההמראה כדי לייצר מכשיר מסור 100 מגה-הרץ מראה מלוטש על-ידי כפולה 0.5 mm-עבה 128 ° Y מסובבת לחתוך בבית וופל, כמו גם את תהליך התחריט רטוב כדי להפיק את ההתקן 100 MHz של עיצוב זהה. הגישה שלנו מציעה מערכת מיקרופלואידיסי המאפשרת חקירה של מגוון בעיות פיזיות ויישומים ביולוגיים.
Protocol
Representative Results
Discussion
מכשירי ראה מפוברק מכל אחת מהשיטות הם מסוגלים לייצר גלי נסיעה שימושיים על פני השטח, ושיטות אלה התחתון תהליכים מורכבים יותר לייצר עיצובים אחרים. תדירות התהודה היא בדרך כלל נמוכה יותר מהערך המעוצב, בשל השפעת הטעינה ההמונית של המתכת המפקדת על החלק העליון. עם זאת, יש עדיין כמה נקודות שווה לדון כ…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים אסירי תודה לאוניברסיטת קליפורניה ולמתקן NANO3 ב-UC בסן דייגו לאספקת כספים ומתקנים לתמיכה בעבודה זו. העבודה הזאת בוצעה בחלקו בתשתית הננו-טכנולוגיה של סן דייגו (SDNI) של UCSD, חברה של התשתיות הלאומיות ננוטכנולוגיה מתואמת, אשר נתמכת על ידי הקרן הלאומית למדעים (גרנט ECCS-1542148). העבודה המוצגת כאן נתמכת בנדיבות על ידי מלגת מחקר מקרן W.M. קק. המחברים גם אסירי תודה על התמיכה של העבודה הזאת על ידי משרד המחקר הימי (דרך גרנט 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).
