Fabrikasjon av Surface Acoustic Wave-enheter på Litium Niobate
Summary
To fabrikasjonsteknikker, lift-off og våt etsing, er beskrevet i å produsere interdigitale elektrodetransdusere på et piezoelektrisk substrat, litiumniobate, mye brukt til å generere overflateakustiske bølger som nå finner bredt verktøy i mikro til nanoskalavæske. De som produserte elektrodene er vist å effektivt indusere megahertz rekkefølge Rayleigh overflate akustiske bølger.
Abstract
Manipulering av væsker og partikler ved akustisk aktivering i liten skala bidrar til den raske veksten av lab-on-a-chip-applikasjoner. Megahertz-order overflate akustisk bølge (SAW) enheter generere enorme akselerasjoner på overflaten, opp til 108 m / s2, i sin tur ansvarlig for mange av de observerte effektene som har kommet til å definere akoustofluidics: akustisk streaming og akustiske strålingskrefter. Disse effektene har blitt brukt til partikkel-, celle- og væskehåndtering ved mikroskalaen – og til og med på nanoskalaen. I dette papiret viser vi eksplisitt to store fabrikasjonsmetoder for SAW-enheter på litiumniobate: detaljene i lift-off og våte etsningsteknikker er beskrevet trinnvis. Representative resultater for elektrodemønsteret deponert på underlaget samt ytelsen til SAW generert på overflaten vises i detalj. Fabrikasjon triks og feilsøking er dekket også. Denne prosedyren gir en praktisk protokoll for høyfrekvent SAW-enhetsfabrikasjon og integrering for fremtidige mikrofluidics-applikasjoner.
Introduction
Avhengig av den velkjente inverse piezoelektriske effekten, hvor atomdipolene skaper belastning som tilsvarer anvendelsen av et elektrisk felt, kan piezoelektriske krystaller som litiumniobate LiNbO3 (LN), litium tantalitt LiTaO3 (LT), brukes som elektromekaniske transdusere for å generere SAW for mikroskalaapplikasjoner1,2,3,4,55,6. Ved å muliggjøre generering av forskyvninger opp til 1 nm ved 10-1000 MHz, overvinner SAW-drevet vibrasjon de typiske hindringene for tradisjonell ultralyd: liten akselerasjon, store bølgelengder og stor enhetsstørrelse. Forskning for å manipulere væsker og suspenderte partikler har nylig akselerert, med et stort antall nylige og tilgjengelige vurderinger7,,8,,9,10.
Fabrikasjon av SAW-integrerte mikrofluidiske enheter krever fabrikasjon av elektrodene – den interdigitale transduseren (IDT)11– på piezoelektrisk substrat for å generere SAW. Kamformede fingre skaper kompresjon og spenning i underlaget når de er koblet til en vekslende elektrisk inngang. Fabrikasjon av SAW-enheter har blitt presentert i mange publikasjoner, enten ved hjelp av lift-off ultrafiolett fotolitografi sammen med metall sputter eller våte etsning prosesser10. Men mangelen på kunnskap og ferdigheter i å fremstille disse enhetene er en viktig barriere for inntreden i acoustofluidics av mange forskningsgrupper, selv i dag. For lift-off teknikk12,13,14, et offer lag (fotoresist) med et omvendt mønster er opprettet på en overflate, slik at når målmaterialet (metall) er deponert på hele wafer, kan det nå underlaget i de ønskede områdene, etterfulgt av et “lift-off” trinn for å fjerne gjenværende fotoresist. Derimot, i den våte etsningsprosessen15,16,17,18, metallet er først avsatt på wafer og deretter fotoresist er opprettet med et direkte mønster på metallet, for å beskytte ønsket region fra “etsning” bort av en metall etsepost.
I en mest brukte design, den rette IDT, bølgelengden av resonansfrekvensen til SAW-enheten er definert av periodicity av fingerparene, hvor fingerbredden og avstanden mellom fingrene er begge 
/ 419. For å balansere elektrisk strømoverføringseffektivitet og massebelastningseffekten på underlaget, er tykkelsen på metallet deponert på piezoelektrisk materiale optimalisert for å være ca 1% av SAW bølgelengde20. Lokalisert oppvarming fra ohmic tap21, potensielt indusere for tidlig fingersvikt, kan oppstå hvis utilstrekkelig metall er deponert. På den annen side kan en overdreven tykk metallfilm forårsake en reduksjon i resonansfrekvensen til IDT på grunn av en massebelastningseffekt og kan muligens skape utilsiktet akustiske hulrom fra IDTs, isolere de akustiske bølgene de genererer fra det omkringliggende substratet. Som et resultat varierer de fotoresist og UV-eksponeringsparametrene som er valgt, i løfteteknikken, avhengig av ulike design av SAW-enheter, spesielt frekvens. Her beskriver vi i detalj lift-off prosessen for å produsere en 100 MHz SAW-genererende enhet på en dobbeltsidig polert 0,5 mm tykk 128 ° Y-rotert kutt LN wafer, samt den våte etsningsprosessen for å fremstille 100 MHz-enheten med identisk design. Vår tilnærming tilbyr et mikrofluidisk system som muliggjør undersøkelse av en rekke fysiske problemer og biologiske applikasjoner.
Protocol
Representative Results
Discussion
SAW-enheter fabrikkert fra begge metodene er i stand til å generere nyttige reisebølger på overflaten, og disse metodene underbygger mer komplekse prosesser for å produsere andre design. Resonansfrekvensen er vanligvis litt lavere enn den utformede verdien, på grunn av massebelastningseffekten av metallet som er deponert på toppen. Men det er fortsatt noen punkter verdt å diskutere for å unngå problemer.
Avskymetode
Valget av fotoresist er viktig. Det er mulig å b…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne er takknemlige til University of California og NANO3 anlegget ved UC San Diego for levering av midler og fasiliteter til støtte for dette arbeidet. Dette arbeidet ble delvis utført ved San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) i UCSD, medlem av National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, som støttes av National Science Foundation (Grant ECCS-1542148). Arbeidet som ble presentert her ble sjenerøst støttet av et forskningsstipend fra W.M. Keck Foundation. Forfatterne er også takknemlige for støtten til dette arbeidet av 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 |
Riferimenti
- 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).
