Fabbricazione di dispositivi a onde acustiche superficiali su Liithium Niobate
Summary
Due tecniche di fabbricazione, il decollo e l’incisione a umido, sono descritte nella produzione di trasduttori di elettrodi interdigitali su un substrato piezoelettrico, il litio niobate, ampiamente usato per generare onde acustiche superficiali che ora trovano un’ampia utilità nei fluidici micro-nanoscala. Gli elettrodi prodotti sono mostrati per indurre in modo efficiente onde acustiche della superficie di Rayleigh ordine megahertz.
Abstract
La manipolazione di fluidi e particelle mediante azionamento acustico su piccola scala sta aiutando la rapida crescita di applicazioni lab-on-a-chip. I dispositivi di onde acustiche (SAW) di ordine megahertz generano enormi accelerazioni sulla loro superficie, fino a 108 m/s2, a loro volta responsabili di molti degli effetti osservati che sono venuti a definire acoustofluidici: streaming acustico e forze di radiazione acustica. Questi effetti sono stati utilizzati per la movimentazione di particelle, cellule e fluidi su microscala, e anche su scala nanometrica. In questo articolo dimostriamo esplicitamente due principali metodi di fabbricazione dei dispositivi SAW su litio niobate: i dettagli delle tecniche di decollo e incisione a umido sono descritti passo dopo passo. I risultati rappresentativi per il modello di elettrodo depositato sul substrato e le prestazioni di SAW generate sulla superficie vengono visualizzati in dettaglio. Sono coperti anche i trucchi di fabbricazione e la risoluzione dei problemi. Questa procedura offre un protocollo pratico per la fabbricazione e l’integrazione di dispositivi SAW ad alta frequenza per future applicazioni microfluidiciche.
Introduction
Basandosi sul noto effetto piezoelettrico inverso, dove i dipoli atomici creano ceppo corrispondente all’applicazione di un campo elettrico, cristalli piezoelettrici come il litio niobate LiNbO3 (LN), litio tantalite LiTaO3 (LT), possono essere utilizzati come trasduttori elettromeccanici per generare SAW per applicazioni di microscala1,2,3,4,5,6. Permettendo la generazione di spostamenti fino a 1 nm a 10-1000 MHz, la vibrazione guidata da SAW supera gli ostacoli tipici degli ultrasuoni tradizionali: piccola accelerazione, grandi lunghezze d’onda e grandi dimensioni del dispositivo. La ricerca per manipolare fluidi e particelle sospese ha recentemente accelerato, con un gran numero di recensioni recenti e accessibili7,8,9,10.
La fabbricazione di dispositivi microfluidici integrati in SAW richiede la fabbricazione degli elettrodi ( il trasduttore interdigitale (IDT)11– sul substrato piezoelettrico per generare il SAW. Le dita a forma di pettine creano compressione e tensione nel substrato quando sono collegate a un ingresso elettrico alternato. La fabbricazione di dispositivi SAW è stata presentata in molte pubblicazioni, sia utilizzando la fotolitografia ultravioletta di decollo accanto a sputter metallico o processi di incisione umida10. Tuttavia, la mancanza di conoscenze e competenze nella fabbricazione di questi dispositivi è un ostacolo chiave all’ingresso in acoustofluidica da molti gruppi di ricerca, ancora oggi. Per la tecnica di decollo12,13,14, uno strato sacrificale (fotoresist) con un motivo inverso viene creato su una superficie, in modo che quando il materiale bersaglio (metallo) si deposita su tutto il wafer, può raggiungere il substrato nelle regioni desiderate, seguito da un passo “lift-off” per rimuovere il fotoresist rimanente. Al contrario, nel processo di incisione bagnato15,16,17,18, il metallo viene prima depositato sul wafer e poi photoresist viene creato con un modello diretto sul metallo, per proteggere la regione desiderata da “inciampare” via da un incisione metallica.18
In un design più comunemente usato, l’IDT dritto, la lunghezza d’onda della frequenza di risonanza del dispositivo SAW è definita dalla periodicità delle coppie di dita, dove la larghezza delle dita e la spaziatura tra le dita sono entrambe 
-419. Al fine di bilanciare l’efficienza di trasmissione della corrente elettrica e l’effetto di carico di massa sul substrato, lo spessore del metallo depositato sul materiale piezoelettrico è ottimizzato per essere circa l’1% della lunghezza d’onda SAW20. Il riscaldamento localizzato da perdite Ohmic21, potenzialmente inducendo un guasto prematuro delle dita, può verificarsi se il metallo non è sufficiente si deposita. D’altra parte, una pellicola metallica eccessivamente spessa può causare una riduzione della frequenza risonante dell’IDT a causa di un effetto di caricamento di massa e può eventualmente creare cavità acustiche non intenzionali dagli IDT, isolando le onde acustiche che generano dal substrato circostante. Di conseguenza, i parametri di esposizione fotoresist e UV scelti variano nella tecnica di decollo, a seconda dei diversi design dei dispositivi SAW, in particolare la frequenza. Qui, descriviamo in dettaglio il processo di decollo per produrre un dispositivo a 100 MHz a generando SAW su un dispositivo lnlnante da 0,5 mm di spessore a 128 gradi, così come il processo di incisione a umido per fabbricare il dispositivo a 100 MHz di design identico. Il nostro approccio offre un sistema microfluidico che consente di scandire una varietà di problemi fisici e applicazioni biologiche.
Protocol
Representative Results
Discussion
I dispositivi SAW fabbricati da entrambi i metodi sono in grado di generare utili onde viaggianti sulla superficie e questi metodi sono alla base di processi più complessi per produrre altri progetti. La frequenza di risonanza è di solito un po ‘più bassa del valore progettato, a causa dell’effetto di caricamento di massa del metallo depositato sulla parte superiore. Tuttavia, ci sono ancora alcuni punti che vale la pena discutere per evitare problemi.
Metodo di decollo
…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori sono grati alla struttura dell’Università della California e alla struttura NANO3 dell’UNIVERSITÀ di San Diego per la fornitura di fondi e strutture a sostegno di questo lavoro. Questo lavoro è stato eseguito in parte presso la San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) di UCSD, un membro della National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, che è supportata dalla National Science Foundation (Grant ECCS-1542148). Il lavoro qui presentato è stato generosamente sostenuto da una sovvenzione di ricerca della W.M. Keck Foundation. Gli autori sono anche grati per il sostegno di questo lavoro da parte dell’Ufficio di Ricerca Navale (tramite 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 |
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