Fabricação de dispositivos de onda acústica de superfície no niobato de lítio
Summary
Duas técnicas de fabricação, decolagem e gravura úmida, são descritas na produção de transdutores de eletrodos interdigiais em um substrato piezoelétrico, nióbio de lítio, amplamente utilizado para gerar ondas acústicas superficiais agora encontrando ampla utilidade em fluidos micro para nanoescala. Os eletrodos produzidos são mostrados para induzir eficientemente ondas acústicas de superfície de Rayleigh.
Abstract
A manipulação de fluidos e partículas por atuação acústica em pequena escala está ajudando o rápido crescimento das aplicações lab-on-a-chip. Os dispositivos de onda acústica de superfície de ordem mega-hertz (SAW) geram enormes acelerações em sua superfície, até10 8 m/s2, por sua vez responsáveis por muitos dos efeitos observados que vieram a definir acoustofluidics: streaming acústico e forças de radiação acústica. Esses efeitos têm sido usados para o manuseio de partículas, células e fluidos na microescala — e até mesmo na nanoescala. Neste artigo demonstramos explicitamente dois grandes métodos de fabricação de dispositivos SAW no niobate de lítio: os detalhes das técnicas de decolagem e gravura molhada são descritos passo a passo. Os resultados representativos para o padrão de eletrodo depositado no substrato, bem como o desempenho do SAW gerado na superfície são exibidos em detalhes. Truques de fabricação e solução de problemas também estão cobertos. Este procedimento oferece um protocolo prático para fabricação e integração de dispositivos SAW de alta frequência para futuras aplicações de microfluidos.
Introduction
Contando com o conhecido efeito piezoelétrico inverso, onde os dipolos atômicos criam cepas correspondentes à aplicação de um campo elétrico, cristais piezoelétricos como o niobate de lítio LiNbO3 (LN), o lítio tantalite LiTaO3 (LT), podem ser usados como transdutores eletromecânicos para gerar SAW para aplicações de microescala1,2,,3,,4,55,6. Ao permitir a geração de deslocamentos de até 1 nm a 10-1000 MHz, a vibração orientada pela SAW supera os obstáculos típicos do ultrassom tradicional: pequena aceleração, grandes comprimentos de onda e grande tamanho do dispositivo. A pesquisa para manipular fluidos e partículas suspensas acelerou recentemente, com um grande número de revisões recentes e acessíveis7,,8,,9,,10.
A fabricação de dispositivos microfluidos integrados à SAW requer a fabricação dos eletrodos — o transdutor interdigital (IDT)11— no substrato piezoelétrico para gerar o SAW. Os dedos em forma de pente criam compressão e tensão no substrato quando conectados a uma entrada elétrica alternada. A fabricação de dispositivos SAW tem sido apresentada em muitas publicações, seja utilizando fotolitografia ultravioleta de decolagem ao lado de sputter metálico ou processos de gravura molhada10. No entanto, a falta de conhecimento e habilidades na fabricação desses dispositivos é uma barreira fundamental para a entrada em austofluidos por muitos grupos de pesquisa, ainda hoje. Para a técnica de decolagem12,13,14, uma camada sacrificial (fotoresist) com um padrão inverso é criada em uma superfície, de modo que quando o material alvo (metal) é depositado em todo o wafer, ele pode alcançar o substrato nas regiões desejadas, seguido de um passo de “decolagem” para remover o fotoresist restante. Em contrapartida, no processo de gravura úmida15,16,17,18, o metal é primeiro depositado no wafer e, em seguida, fotoresist é criado com um padrão direto no metal, para proteger a região desejada de “gravar” longe por um gravura de metal.
Em um design mais comumente utilizado, o IDT reto, o comprimento de onda da frequência ressonante do dispositivo SAW é definido pela periodicidade dos pares de dedos, onde a largura do dedo e o espaçamento entre os dedos são 
ambos /419. Para equilibrar a eficiência de transmissão da corrente elétrica e o efeito de carga em massa no substrato, a espessura do metal depositado no material piezoelétrico é otimizada para cerca de 1% do comprimento de onda da SAW20. O aquecimento localizado a partir de perdas ohmic21, potencialmente induzindo falha prematura do dedo, pode ocorrer se o metal insuficiente for depositado. Por outro lado, uma película metálica excessivamente espessa pode causar uma redução na frequência ressonante do IDT devido a um efeito de carregamento em massa e pode possivelmente criar cavidades acústicas não intencionais a partir dos IDTs, isolando as ondas acústicas que geram do substrato circundante. Como resultado, os parâmetros de exposição fotoresist e UV escolhidos variam na técnica de decolagem, dependendo de diferentes desenhos de dispositivos SAW, especialmente frequência. Aqui, descrevemos em detalhes o processo de decolagem para produzir um dispositivo gerador de SERRA de 100 MHz em um wafer LN de corte de 128 mm de espessura 128° de espessura, bem como o processo de gravação molhada para fabricar o dispositivo de 100 MHz de design idêntico. Nossa abordagem oferece um sistema microfluido que permite a investigação de uma variedade de problemas físicos e aplicações biológicas.
Protocol
Representative Results
Discussion
Os dispositivos SAW fabricados a partir de qualquer método são capazes de gerar ondas de viagem úteis na superfície, e esses métodos sustentam processos mais complexos para produzir outros projetos. A frequência ressonante é geralmente um pouco menor do que o valor projetado, devido ao efeito de carregamento em massa do metal depositado em cima. No entanto, ainda há alguns pontos que merecem ser discutidos para evitar problemas.
Método de decolagem
A escolha do fot…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Os autores agradecem à Universidade da Califórnia e às instalações nano3 da UC San Diego pelo fornecimento de fundos e instalações em apoio a este trabalho. Este trabalho foi realizado em parte na San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) da UCSD, membro da National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, que é apoiada pela National Science Foundation (Grant ECCS-1542148). O trabalho aqui apresentado foi generosamente apoiado por uma bolsa de pesquisa da Fundação W.M. Keck. Os autores também agradecem o apoio deste trabalho pelo Escritório de Pesquisa Naval (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 |
Referencias
- 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).
