锂氮化锂表面声波设备的制造

Summary

在压电基板上生产数字电极传感器（镍氢锂）时，介绍了两种制造技术，即升降和湿蚀刻，这种传感器广泛用于产生表面声波，现在在微到纳米级流体中具有广泛的效用。作为生产的电极被显示，以有效地诱导兆赫顺序雷利表面声波。

Abstract

通过小规模的声学驱动操作流体和颗粒有助于芯片实验室应用的快速增长。兆赫阶表面声波（SAW）器件在其表面产生巨大的加速度，高达10⁸ m/s^2，进而导致许多观测到的观测效果来定义同源学：声流和声辐射力。这些效应已用于微尺度的粒子、细胞和流体处理，甚至在纳米尺度上也是如此。在本文中，我们明确演示了硅线锂氮化装置的两种主要制造方法：逐步描述升空和湿蚀技术的细节。详细显示了沉积在基板上的电极模式的代表性结果以及表面生成的SAW性能。还介绍了制造技巧和故障排除。此程序为未来微流体应用的高频 SAW 器件制造和集成提供了实用协议。

Introduction

依靠众所周知的逆压电效应，原子偶极子产生与电场应用相对应的应变，压电晶体如锂牛锂锂锂（LN）、锂钛锂锂锂TaO_{3 3（LT），}可用作机电传感器，用于微尺度应用^{1、2、3、4、5、6。2,3,4,5,61}通过在 10 – 1000 MHz 下产生高达 1 nm 的位移， SAW 驱动的振动克服了传统超声的典型障碍：小加速度、长和大器件尺寸。操纵流体和悬浮粒子的研究最近加速，最近大量和可获取的评论^{77，8，9，10。8,9,10}

制造SAW集成微流体器件需要制造压电基板上的电极（数字传感器（IDT）11，以产生¹¹SAW。当连接到交流的电气输入时，梳形手指在基板上产生压缩和张力。SAW设备的制造已经出现在许多出版物中，无论是使用升降紫外线光刻与金属溅射或湿蚀刻工艺^10。然而，缺乏制造这些设备的知识和技能是许多研究团体进入同流体学的主要障碍，即使在今天也是如此。对于升空技术12、13、14，在表面上创建具有反图案的牺牲层（光阻），当目标材料（金属）沉积在整个晶圆上时，它可以到达所需区域的基板，然后采用”升空”步骤去除剩余的光阻。^12,13,14相比之下，在湿蚀刻工艺^{15、16、17、1816,17,18}中，金属首先沉积在晶圆上，然后用直接图案在金属上产生光刻，以保护所需的区域免受金属蚀刻的”蚀刻”。¹⁵

在最常用的设计中，直 IDT、SAW 器件谐振频率的波长由手指对的周期性定义，其中手指宽度和手指之间的间距均为 /4¹⁹。为了平衡电流传输效率和基板的质量载荷效应，压电材料上沉积的金属厚度被优化为SAW波长²⁰的1%左右。如果沉积的金属^{不足，可能}导致手指过早衰竭。另一方面，由于质量加载效应，过厚的金属薄膜会导致 IDT 谐振频率降低，并可能从 IDT 产生无意的声学腔，从而隔离它们从周围基板产生的声波。因此，选择的光阻和紫外线照射参数在升空技术中有所不同，具体取决于 SAW 器件的不同设计，尤其是频率。在这里，我们详细介绍了在双面抛光 0.5 mm 厚的 128° Y 旋转切割 LN 晶圆上生产 100 MHz SAW 生成装置的升降过程，以及制造相同设计的 100 MHz 器件的湿蚀刻工艺。我们的方法提供微流体系统，能够调查各种物理问题和生物应用。

Protocol

1. 通过升降方法进行 SAW 设备制造 将4英寸（101.6毫米）LN晶圆浸入丙酮中，然后异丙醇（IPA），然后去离子水（DI水），在100类洁净室设施中进行晶圆溶剂清洗，每次在声波浴中5分钟。 拿起晶圆，用氮气（N2）气体流吹出表面干燥，从晶圆中取出剩余的DI水。注意：在烟头中执行丙酮和 IPA 浸入式。避免吸入和皮肤接触 IPA。避免用丙酮接触皮肤和眼睛。不要吞咽。注：不要让?…

Representative Results

要测量的 IDT 设计为在 100 MHz 时具有谐振频率，因为手指宽度和它们之间的间距为 10 μm，产生 40 μm 的波长。图 1显示了使用此方法制造的 SAW 设备和 IDT。 使用与 IDT 谐振频率匹配的振荡电信号，可以在整个压电材料表面生成 SAW。LDV 通过表面的多普勒效应测量振动，并通过信号处理，可以使用该软件获取和显示振幅、速度、加速度和相位等信息。我们演示了频率?…

Discussion

由这两种方法制造的SAW器件能够在水面上产生有用的移动波，这些方法支持更复杂的过程来产生其他设计。由于沉积在上面的金属的质量载荷效应，谐振频率通常略低于设计值。然而，仍有一些要点值得讨论，以避免问题。

升空方法
光刻胶的选择很重要。有可能使用正光电阻进行制造，尽管如此，这将更加困难。由于未暴露的光刻剂溶解，基板上留下的部分?…

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