Fabricação de dispositivos de onda acústica de superfície no niobato de lítio

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 microescala^1,2,,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 acessíveis^7,,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 decolagem^12,13,14, 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 úmida^15,16,17,18, 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.