Fremstilling af akustiske bølgeenheder til overfladen på lithium-niobate
Summary
To fabrikationsteknikker, lift-off og våd ætsning, er beskrevet i fremstilling interdigital elektrode transducere på en piezoelektrisk substrat, lithium niobat, udbredt til at generere overflade akustiske bølger nu finde bred nytte i mikro til nanoskala fluidics. De as-producerede elektroder er vist sig at effektivt fremkalde megahertz orden Rayleigh overflade akustiske bølger.
Abstract
Manipulation af væsker og partikler ved akustisk aktivering i lille skala er medvirken til den hurtige vækst af lab-on-a-chip applikationer. Megahertz-orden overflade akustisk bølge (SAW) enheder generere enorme accelerationer på deres overflade, op til 108 m / s2, til gengæld ansvarlig for mange af de observerede effekter, der er kommet til at definere acoustofluidics: akustisk streaming og akustisk stråling kræfter. Disse virkninger er blevet brugt til partikel-, celle- og væskehåndtering på mikroskalaen – og endda ved nanoskala. I dette papir demonstrerer vi udtrykkeligt to store fabrikationsmetoder for SAW-enheder på lithiumnitobat: detaljerne i lift-off og våd ætsningsteknikker er beskrevet trin-for-trin. Repræsentative resultater for elektrodemønsteret, der er deponeret på underlaget, samt savens ydeevne på overfladen vises i detaljer. Fabrikationstricks og fejlfinding er også dækket. Denne procedure tilbyder en praktisk protokol til højfrekvent SAW-enhedsfabrikation og integration til fremtidige mikrofluidics applikationer.
Introduction
Under henvisning til den velkendte inverse piezoelektriske effekt, hvor de atomare dipoler skaber stamme svarende til anvendelsen af et elektrisk felt, kan piezoelektriske krystaller såsom lithium niobate LiNbO3 (LN), lithium tantalite LiTaO3 (LT), bruges som elektromekaniske transducere til at generere SAW til mikroskala applikationer1,,2,3,4,5,6. Ved at muliggøre generering af forskydninger op til 1 nm ved 10-1000 MHz overvinder SAV-drevne vibrationer de typiske forhindringer ved traditionel ultralyd: lille acceleration, store bølgelængder og stor enhedsstørrelse. Forskning til at manipulere væsker og suspenderede partikler har for nylig accelereret, med et stort antal af de seneste og tilgængelige anmeldelser7,8,9,10.
Fremstilling af SAV-integrerede mikrofluidiske anordninger kræver fremstilling af elektroderne – den interdigitale transducer (IDT)11– på piezoelektrisk substrat for at generere SAVEn. De kamformede fingre skaber kompression og spænding i underlaget, når de er forbundet til en vekslende elektrisk indgang. Fremstillingen af SAW-enheder er blevet præsenteret i mange publikationer, uanset om du bruger lift-off ultraviolet fotolitografi sammen med metal sputter eller våd ætsning processer10. Men manglen på viden og færdigheder i at fremstille disse enheder er en vigtig hindring for adgang til acoustofluidics af mange forskergrupper, selv i dag. For lift-off teknik12,13,14, et offerlag (fotoresisten) med et omvendt mønster er skabt på en overflade, således at når målet materiale (metal) er deponeret på hele wafer, kan det nå substratet i de ønskede regioner, efterfulgt af en “lift-off” trin for at fjerne de resterende photoresist. I derimod, i den våde ætsning proces15,16,17,18 , metallet er først deponeret på wafer og derefter photoresist er skabt med et direkte mønster på metallet, for at beskytte den ønskede region fra“ætsning”væk af en metal etchant.
I et mest almindeligt anvendt design, den lige IDT, bølgelængden af resonansfrekvensen af SAW-enheden er defineret ved hyppigheden af fingerpar, hvor fingerbredden og afstanden mellem fingrene er begge 
/ 419. For at afbalancere den elektriske strøm transmission effektivitet og masse belastning effekt på substratet, tykkelsen af metal deponeret på piezoelektriske materiale er optimeret til at være omkring 1% af SAW bølgelængde20. Lokaliseret opvarmning fra Ohmic tab21, potentielt inducerende for tidlig finger svigt, kan forekomme, hvis utilstrækkelig metal er deponeret. På den anden side kan en alt for tyk metalfilm forårsage en reduktion i IDT’ens resonansfrekvens på grund af en massebelastningseffekt og kan muligvis skabe utilsigtede akustiske hulrum fra IDT’erne og isolere de akustiske bølger, de genererer fra det omgivende substrat. Som følge heraf varierer de valgte fotoresisten og UV-eksponeringsparametrene i lift-off-teknikken, afhængigt af forskellige design af SAW-enheder, især frekvens. Her beskriver vi i detaljer lift-off processen til at producere en 100 MHz SAW-genererende enhed på en dobbeltsidet poleret 0,5 mm tyk 128 ° Y-roteret skåret LN wafer, samt den våde ætsning proces til at fremstille 100 MHz enhed af identisk design. Vores tilgang tilbyder et mikrofluidisk system, der gør det muligt at undersøge en række fysiske problemer og biologiske anvendelser.
Protocol
Representative Results
Discussion
SAW-enheder, der fremstilles af begge metoder, er i stand til at generere nyttige rejsebølger på overfladen, og disse metoder understøtter mere komplekse processer til at producere andre designs. Resonansfrekvensen er normalt lidt lavere end den designede værdi på grund af massebelastningseffekten af det metal, der er aflejret på toppen. Der er dog stadig nogle punkter, der er værd at drøfte for at undgå problemer.
Lift-off-metode
Valget af fotoresist er vigtigt. D…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne er taknemmelige for University of California og NANO3 facilitet på UC San Diego for levering af midler og faciliteter til støtte for dette arbejde. Dette arbejde blev til dels udført på San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) af UCSD, et medlem af National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, som støttes af National Science Foundation (Grant ECCS-1542148). Det arbejde, der præsenteres her, blev generøst støttet af et forskningstilskud fra W.M. Keck Foundation. Forfatterne er også taknemmelige for støtten til dette arbejde fra 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 |
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).
