Tillverkning av Surface Acoustic Wave-enheter på Litium Niobate
Summary
Två tillverkningstekniker, lyft-off och våt etsning, beskrivs i att producera interdigital elektrod givare på en piezoelektrisk substrat, litium niobat, ofta används för att generera ytan akustiska vågor nu hitta bred nytta i mikro till nanoskala fluidik. De som produceras elektroder visas för att effektivt inducera megahertz beställa Rayleigh yta akustiska vågor.
Abstract
Manipulering av vätskor och partiklar genom akustisk aktivering i liten skala hjälper den snabba tillväxten av lab-on-a-chip applikationer. Megahertz-ordning yta akustisk våg (SAW) enheter generera enorma accelerationer på deras yta, upp till 108 m / s2, i sin tur ansvarig för många av de observerade effekter som har kommit att definiera acoustofluiics: akustisk streaming och akustisk strålning krafter. Dessa effekter har använts för partikel-, cell- och vätskehantering vid mikroskalan – och även vid nanoskalan. I detta dokument visar vi uttryckligen två stora tillverkningsmetoder av SAW-enheter på litium niobat: detaljerna i lyft-off och våt etsning tekniker beskrivs steg-för-steg. Representativa resultat för elektrodmönstret som deponerats på substratet samt saw-enhetens prestanda som genereras på ytan visas i detalj. Tillverkning tricks och felsökning omfattas också. Den här proceduren erbjuder ett praktiskt protokoll för tillverkning och integrering av högfrekventa SAW-enheter för framtida mikrofluidikapplikationer.
Introduction
Förlitar sig på den välkända omvända piezoelektriska effekten, där atomdipolerna skapar stam som motsvarar tillämpningen av ett elektriskt fält, piezoelektriska kristaller såsom litium niobat LiNbO3 (LN), litium tantalite LiTaO3 (LT), kan användas som elektromekaniska givare för att generera SAW för mikroskala applikationer1,2,,3,4,5,6. Genom att möjliggöra generering av förskjutningar upp till 1 nm vid 10-1000 MHz, SAW-driven vibration övervinner de typiska hindren för traditionella ultraljud: liten acceleration, stora våglängder, och stor enhet storlek. Forskning för att manipulera vätskor och suspenderade partiklar har nyligen accelererat, med ett stort antal nya och tillgängliga recensioner7,8,9,10.
Tillverkning av SAW-integrerade mikrofluidiska enheter kräver tillverkning av elektroderna– den interdigitala givaren (IDT)11– på det piezoelektriska substratet för att generera SÅGen. Kam-form fingrar skapa kompression och spänning i substratet när de är anslutna till en alternerande elektrisk ingång. Tillverkningen av SAW-enheter har presenterats i många publikationer, oavsett om du använder lyft-off ultraviolett fotolitografi tillsammans med metall sputter eller våt etsning processer10. Men bristen på kunskaper och färdigheter i att tillverka dessa enheter är ett viktigt hinder för inträde i acoustofluiics av många forskargrupper, även i dag. För lyft-off teknik12,13,14, ett offerskikt (fotoresist) med ett omvänt mönster skapas på en yta, så att när målmaterialet (metall) deponeras på hela wafer, kan den nå substratet i de önskade regionerna, följt av en “lift-off” steg för att ta bort de återstående fotoresisten. Däremot i den våta etsning processen15,16,17,18, metallen först deponeras på wafer och sedan photoresist skapas med ett direkt mönster på metallen, för att skydda den önskade regionen från “etsning” bort av en metall etchant.
I en mest allmänt använd design definieras den raka IDT, våglängden för SAW-enhetens resonansfrekvens av fingerparens periodicitet, där fingerbredden och avståndet mellan fingrarna är båda 
/419. För att balansera den elektriska strömöverföringseffektiviteten och massbelastningseffekten på substratet optimeras tjockleken på metallen som deponeras på det piezoelektriska materialet till ca 1% av SAW-våglängden20. Lokaliserad uppvärmning från Ohmic förluster21, potentiellt inducera för tidigt finger fel, kan uppstå om otillräcklig metall deponeras. Å andra sidan kan en alltför tjock metallfilm orsaka en minskning av resonansfrekvensen av IDT på grund av en massbelastningseffekt och kan möjligen skapa oavsiktliga akustiska håligheter från IDTs, isolera de akustiska vågor de genererar från det omgivande substratet. Som ett resultat, den fotoresist och UV-exponering parametrar som valts varierar i lift-off teknik, beroende på olika mönster av SAW-enheter, särskilt frekvens. Här beskriver vi i detalj lyft-off-processen för att producera en 100 MHz SAW-genererande enhet på en dubbelsidig polerad 0,5 mm tjock 128 ° Y-roterad skuren LN wafer, samt våtetsningsprocessen för att tillverka 100 MHz-enheten med identisk design. Vårt tillvägagångssätt erbjuder ett mikrofluidiskt system som möjliggör undersökning av en mängd olika fysiska problem och biologiska tillämpningar.
Protocol
Representative Results
Discussion
SAW-enheter tillverkade av någon av metoderna kan generera användbara resevågor på ytan, och dessa metoder stöder mer komplexa processer för att producera andra konstruktioner. Resonansfrekvensen är vanligtvis lite lägre än det avsedda värdet, på grund av massan lastning effekten av metallen deponeras på toppen. Det finns dock fortfarande några punkter värda att diskutera för att undvika problem.
Lyft-off-metod
Valet av fotoresist är viktigt. Det är möjlig…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna är tacksamma mot University of California och NANO3 anläggningen vid UC San Diego för tillhandahållande av medel och anläggningar till stöd för detta arbete. Detta arbete utfördes delvis vid San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) av UCSD, en medlem av National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, som stöds av National Science Foundation (Grant ECCS-1542148). Det arbete som presenteras här fick generöst stöd av ett forskningsbidrag från W.M. Keck Foundation. Författarna är också tacksamma för stödet för detta arbete 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).
