ニオブエートリチウムにおける表面音響波装置の作製
Summary
リフトオフとウェットエッチングの2つの製造技術は、圧電基板上にデジタル間電極トランスデューサを製造する際に記載されているニオバテリチウムは、表面弾性波を生成するために広く使用され、マイクロからナノスケールの流体に幅広い有用性を見いだしています。この装産電極は、メガヘルツオーダーのレイリー表面音響波を効率的に誘導することが示されている。
Abstract
微小な音響作動による流体や粒子の操作は、ラボ・オン・チップ・アプリケーションの急速な成長を助けています。メガヘルツオーダー表面音響波(SAW)デバイスは、表面に最大108 m/s2の巨大な加速を生成し、アシュートー流体を定義するようになった多くの観測された効果(音響ストリーミングおよび音響放射力)を担っています。これらの効果は、粒子、細胞、流体のマイクロスケールでの処理、さらにはナノスケールでも使用されています。本論文では、リチウムニオブエート上のSAWデバイスの2つの主要な製造方法を明示する:リフトオフおよびウェットエッチング技術の詳細を段階的に説明する。基板上に堆積した電極パターンの代表的な結果と、表面に発生したSAWの性能が詳細に表示される。製造のトリックとトラブルシューティングについても説明します。この手順は、将来のマイクロ流体アプリケーションのための高周波SAWデバイスの製造と統合のための実用的なプロトコルを提供します。
Introduction
原子双極子が電界の用途に対応する歪みを生み出す、よく知られた逆圧電効果に頼って、リチウムニオブケートLiNbO 3(LN)などの圧電結晶3、リチウムタンタライトLiTaO 3(LT)3は、マイクロスケールアプリケーション1、2、3、4、5、62,3,4,5の微小計アプリケーション1用にSAWを生成する電気機械変換器として使用することができる。,610-1000 MHzで1nmまでの変位の生成を可能にすることによって、SAW駆動振動は従来の超音波の典型的な障害を克服する:小さい加速、大きい波長および大きい装置サイズ。最近、流体や浮遊粒子を操作する研究が加速し、最近のアクセス可能なレビューが多数77、8、9、108,9,10に増加しました。
SAW統合マイクロ流体デバイスの製造には、電極(デジタル間トランスデューサ(IDT)11)を圧電基板上11に製造してSAWを生成する必要があります。櫛形の指は交互の電気入力に接続するときの基質の圧縮および張力を作成する。SAWデバイスの製造は、金属スパッタと並んでリフトオフ紫外線フォトリソグラフィを使用するか、ウェットエッチングプロセス10を使用するかにかかわらず、多くの出版物で提示されています。しかし、これらのデバイスを製造する際の知識とスキルの欠如は、今日でも多くの研究グループによってアヌースト流体に入るための重要な障壁です。リフトオフ技術12,13,14,13,14では、逆パターンを有する犠牲層(フォトレジスト)が表面に作成され、対象物質(金属)がウェーハ全体に堆積すると、所望の領域の基板に到達し、続いて残りのフォトレジストを除去する「リフトオフ」ステップが続く。対照的に、ウェットエッチングプロセス15、16、17、18,17,では、金属がウエハに最初に堆積し、次にフォトレジストが金属上に直接パターンで作成され、金属エッチャントによって「エッチング」から所望の領域を保護する。15,18
最も一般的に使用される設計において、ストレートIDTは、SAWデバイスの共振周波数の波長が指のペアの周期性によって定義され、指の幅と指の間隔は両方とも 
/419である。電流伝送効率と基板への質量負荷効果のバランスを取るために、圧電材料に析出した金属の厚さはSAW波長20の約1%に最適化される。オーミック損失21からの局所加熱は、不十分な金属が堆積した場合に生じる可能性のある早期の指の故障を誘発する。一方、過度に厚い金属膜は、質量負荷効果によるIDTの共振周波数の低下を引き起こし、IDTから意図しない音響空洞を発生させ、周囲の基板から発生する音響波を分離する可能性があります。その結果、選択されたフォトレジストおよびUV露光パラメータは、SAWデバイスの異なる設計、特に周波数に応じて、リフトオフ技術で異なります。ここでは、片側研磨された0.5mm厚の128°Y回転カットLNウェハ上に100MHzのSAW生成装置を製造するためのリフトオフプロセスと、同一設計の100MHzデバイスを製造するためのウェットエッチングプロセスについて詳しく説明します。当社のアプローチは、様々な物理的問題と生物学的応用の調査を可能にするマイクロ流体システムを提供します。
Protocol
Representative Results
Discussion
いずれの方法から製造されたSAWデバイスは、表面上で有用な走行波を生成することができ、これらの方法は、他の設計を生成するために、より複雑なプロセスを支えています。共振周波数は、通常、上部に堆積した金属の質量荷重効果のために、設計された値よりも少し低くなります。しかし、問題を避けるために議論する価値のある点はまだあります。
リフトオ…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
著者らは、この作業を支援する資金と施設の提供のためにカリフォルニア大学とUCサンディエゴのNANO3施設に感謝しています。この研究の一部は、国立科学財団(Grant ECCS-1542148)が支援する国立ナノテクノロジー協調インフラのメンバーであるUCSDのサンディエゴナノテクノロジーインフラ(SDNI)で行われました。ここで発表された作品は、W.M.ケック財団からの研究助成金によって寛大に支援されました。著者らはまた、海軍研究局(グラント12368098経由)によるこの作業の支援に感謝しています。
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).
