Fabricage van Surface Acoustic Wave-apparaten op lithium niobate
Summary
Twee fabricagetechnieken, lift-off en natte etsen, worden beschreven in de productie van interdigitale elektrodetransducers op een piëzo-elektrisch substraat, lithium niobate, op grote schaal gebruikt om oppervlakte akoestische golven te genereren nu vinden breed nut in micro-tot nanoschaal vloeistof. De geproduceerde elektroden worden getoond om megahertz te veroorzaken om Rayleigh oppervlakte akoestische golven te bestellen.
Abstract
Manipulatie van vloeistoffen en deeltjes door akoestische actuatie op kleine schaal helpt de snelle groei van lab-on-a-chip toepassingen. Megahertz-order oppervlak akoestische golf (SAW) apparaten genereren enorme versnellingen op hun oppervlak, tot 108 m /s2, op zijn beurt verantwoordelijk voor veel van de waargenomen effecten die zijn gekomen om acoustofluidics te definiëren: akoestische streaming en akoestische stralingskrachten. Deze effecten zijn gebruikt voor deeltjes-, cel- en vloeistofbehandeling op microschaal en zelfs op nanoschaal. In dit artikel tonen we expliciet twee belangrijke fabricagemethoden van SAW-apparaten op lithium niobate: de details van lift-off en natte ettechnieken worden stap voor stap beschreven. Representatieve resultaten voor het elektrodepatroon dat op het substraat wordt afgezet, evenals de prestaties van saw die op het oppervlak wordt gegenereerd, worden in detail weergegeven. Fabricage trucs en het oplossen van problemen zijn ook gedekt. Deze procedure biedt een praktisch protocol voor hoge frequentie SAW-apparaat fabricage en integratie voor toekomstige microfluidics toepassingen.
Introduction
Vertrouwend op het bekende omgekeerde piëzo-elektrische effect, waarbij de atoomdipools een stam creëren die overeenkomt met de toepassing van een elektrisch veld, kunnen piëzo-elektrische kristallen zoals lithium niobate LiNbO3 (LN), lithium-tantaliet LiTaO3 (LT), worden gebruikt als elektromechanische transducers om SAW voor microschaaltoepassingen te genereren1,,2,,3,4,5,6. Door het genereren van verplaatsingen tot 1 nm op 10-1000 MHz, overwint SAW-aangedreven trillingen de typische obstakels van traditionele echografie: kleine acceleratie, grote golflengten en grote apparaatgrootte. Het onderzoek naar het manipuleren van vloeistoffen en zwevende deeltjes is onlangs versneld, met een groot aantal recente en toegankelijke beoordelingen7,8,9,10.
Fabricage van SAW-geïntegreerde microfluidic apparaten vereist fabricage van de elektroden-de interdigitale transducer (IDT)11-op de piëzo-elektrische substraat om de SAW te genereren. De kam-vorm vingers creëren compressie en spanning in het substraat wanneer aangesloten op een afwisselende elektrische ingang. De fabricage van SAW-apparaten is gepresenteerd in vele publicaties, of het nu gaat om het gebruik van lift-off ultraviolette fotolithografie naast metalen sputter of natte etprocessen10. Echter, het gebrek aan kennis en vaardigheden in het fabriceren van deze apparaten is een belangrijke barrière voor toegang tot acoustofluidics door vele onderzoeksgroepen, zelfs vandaag de dag. Voor de lift-off techniek12,13,14, een offerlaag (fotoresist) met een omgekeerd patroon wordt gemaakt op een oppervlak, zodat wanneer het doelmateriaal (metaal) wordt afgezet op de gehele wafer, kan het substraat te bereiken in de gewenste regio’s, gevolgd door een “lift-off” stap om de resterende fotoistres te verwijderen. Daarentegen wordt in het natte etsproces15,16,,17,18het metaal eerst op de wafer afgezet en vervolgens wordt fotoresist gemaakt met een direct patroon op het metaal, om het gewenste gebied te beschermen tegen “etsen” weg door een metaal etchant.,
In een meest gebruikt ontwerp, de rechte IDT, wordt de golflengte van de resonerende frequentie van het SAW-apparaat gedefinieerd door de periodiciteit van de vingerparen, waarbij de vingerbreedte en de afstand tussen de vingers beide 
/419zijn. Om de elektrische stroomtransmissie-efficiëntie en het massabelastingseffect op het substraat in evenwicht te brengen, wordt de dikte van het metaal dat op het piëzo-elektrisch materiaal wordt afgezet, geoptimaliseerd om ongeveer 1% van de SAW-golflengte20te zijn. Gelokaliseerde verwarming van Ohmic verliezen21, mogelijk inducerende voortijdige vingeruitval, kan optreden als onvoldoende metaal wordt afgezet. Aan de andere kant kan een te dikke metalen film leiden tot een vermindering van de resonerende frequentie van de IDT als gevolg van een massabelasting effect en kan eventueel onbedoelde akoestische holtes te creëren van de IDT’s, het isoleren van de akoestische golven die ze genereren uit het omringende substraat. Als gevolg hiervan variëren de gekozen fotoresisten- en UV-belichtingsparameters in de lift-offtechniek, afhankelijk van verschillende ontwerpen van SAW-apparaten, met name frequentie. Hier beschrijven we in detail het lift-off proces om een 100 MHz SAW-genererende apparaat te produceren op een dubbelzijdige gepolijste 0,5 mm dikke 128° Y-rotated cut LN wafer, evenals het natte etsproces om het 100 MHz-apparaat van identiek ontwerp te fabriceren. Onze aanpak biedt een microfluïdisch systeem dat onderzoek mogelijk maakt van een verscheidenheid aan fysieke problemen en biologische toepassingen.
Protocol
Representative Results
Discussion
SAW-apparaten vervaardigd van beide methoden zijn in staat het genereren van nuttige reizen golven op het oppervlak, en deze methoden ondersteunen meer complexe processen om andere ontwerpen te produceren. De resonerende frequentie is meestal een beetje lager dan de ontworpen waarde, als gevolg van de massa belasting effect van het metaal afgezet op de top. Er zijn echter nog enkele punten die het waard zijn om te bespreken om problemen te voorkomen.
Lift-off methode
De keu…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs zijn dankbaar voor de Universiteit van Californië en de NANO3 faciliteit aan de UC San Diego voor de levering van fondsen en faciliteiten ter ondersteuning van dit werk. Dit werk werd gedeeltelijk uitgevoerd bij de San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) van UCSD, een lid van de National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, die wordt ondersteund door de National Science Foundation (Grant ECCS-1542148). Het hier gepresenteerde werk werd royaal ondersteund door een onderzoekssubsidie van de W.M. Keck Foundation. De auteurs zijn ook dankbaar voor de steun van dit werk door het Office of Naval Research (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 |
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).
