在铌酸锂上制备表面声波器件

摘要

本文描述了两种在压电基底铌酸锂上制备叉指电极换能器的加工技术：剥离法和湿法刻蚀。铌酸锂是一种广泛用于产生表面声波的材料，目前在微米至纳米尺度的微流控领域具有广泛应用。所制备的电极能够高效激发兆赫级的瑞利表面声波。 

摘要

在微小尺度上通过声学驱动来操控流体和颗粒，正推动着芯片实验室应用的快速发展。兆赫级表面声波（SAW）器件在其表面产生巨大的加速度，高达 10⁸ m/s²，进而引发多种已被确认为声流控学特征的现象：声学射流和声辐射力。这些效应已被用于微尺度甚至纳尺度下的颗粒、细胞和流体操控。本文详细展示了在铌酸锂基底上制备 SAW 器件的两种主要方法：逐步描述了剥离法和湿法刻蚀技术的具体步骤。同时详细展示了沉积在基底上的电极图形的代表性结果，以及表面生成的 SAW 性能。还涵盖了器件制备过程中的实用技巧与故障排除方法。该流程为高频 SAW 器件的制备与集成提供了切实可行的操作方案，适用于未来的微流控应用。

引言

利用众所周知的逆压电效应（即原子偶极子在施加电场时产生应变），诸如铌酸锂 LiNbO₃（LN）和钽酸锂 LiTaO₃（LT）等压电晶体可作为机电换能器，用于在微尺度应用中产生表面声波（SAW）^1,2,3,4,5,6。通过在10–1000 MHz频率范围内实现高达1 nm的位移，SAW驱动的振动克服了传统超声技术的典型局限：加速度小、波长较长以及设备体积大。近年来，针对流体及悬浮颗粒操控的研究进展迅速，已有大量近期且易于获取的综述文献^7,8,9,10。

制造集成声表面波（SAW）的微流控器件需要在压电基底上制备电极——即叉指换能器（IDT）

方案

1. 通过剥离法制备SAW器件

1. 在100级洁净室环境中进行晶圆溶剂清洗，将4英寸（101.6 mm）LN晶圆依次浸入丙酮、异丙醇（IPA）和去离子水（DI水）中，每步均在超声波浴中处理5分钟。取出晶圆后，用氮气（N₂）吹干表面。₂) 气体流动以去除晶圆上残留的去离子水。 
   警告：丙酮和异丙醇浸泡操作应在通风橱中进行。避免吸入异丙醇，避免异丙醇与皮肤接触。避免丙酮与皮肤和眼睛接触。切勿吞服。
   注意：切勿使任何液体在晶圆表面蒸发；若表面存在灰尘或碎屑，需重新开始此步骤。 
2. 将晶圆置于100 °C的热板上预烘3分钟。
   注意：由于 热电的 由于LN的特性，在晶圆加热和冷却过程中会产生静电荷及相关的应力。建议将晶圆从加热板上取下后立即放置在一片铝（Al）箔上，以释放静电荷并防止晶圆破裂。 
3. 将晶圆放置于旋涂仪上。使用滴管将负性光刻胶（NR9-1500PY）覆盖晶圆表面约75%的区域。设定转速程序：先以3,000 rpm/s的加速度加速至500 rpm，持续5秒；随后以3,000 rpm/s的加速度加速至3,500 rpm，持续40秒，以形成厚度约为1.3 µm的光刻胶层。
   注意：旋涂操作应在通风橱中进行。吸入光刻胶烟雾可能引起头痛。 
   注意：即使采用相同的旋转参数，光刻胶的厚度也可能因光刻胶状态和所用匀胶机的不同而有所差异。光刻胶....

结果

待测IDT的设计谐振频率为100 MHz，其指状电极的宽度及间距均为10 μm，由此产生的波长为40 μm。图1展示了采用此方法制备的SAW器件及IDT。

通过使用与叉指换能器（IDT）共振频率相匹配的交变电信号，可在压电材料表面产生表面声波（SAW）。激光多普勒测振仪（LDV）利用表面的多普勒效应测量振动，再通过信号处理，可获取并显示振幅、速度、加速度和相位等信息，并通过软件呈现。我们展示了在输入功率为140 mW、峰峰值电压为70 V、峰峰值电流为720 mA的条件下，频率从90 MHz到105 MHz扫频时的频率响应。如图2B所示，在96.5844 MHz的共振频率下，SAW的振幅为19.444 pm。相对于设计值100 MHz的微小频率降低，归因于金属IDT电极的质量负载效应。图2A展示了LDV测得的表面SAW振动，可见波从IDT处向外传播。计算得到的驻波比（SWR）为2.06，该值由最大振幅与最小振幅之比确定（纯行波时S.......

讨论

通过任一方法制备的SAW器件均能在表面产生有用的行波，这些方法也为更复杂工艺以制备其他设计奠定了基础。由于顶部沉积金属的质量负载效应，共振频率通常略低于设计值。然而，仍有一些问题值得讨论，以避免出现故障。 

剥离法
光刻胶的选择非常重要。虽然可以使用正性光刻胶进行制备，但这会更加困难。由于未曝光的光刻胶被溶解，残留在基底上的部分会形成梯形结构，尤其是在曝光不足时，如图4A中夸张所示。在该类光刻胶顶部溅射的金属会阻碍溶剂渗透，导致在剥离步骤中难以去除。另一方面，负性光刻胶在紫外光曝光区域被去除，如图4B所示，通常会形成带有悬垂结构的倒梯形，从而使剥离过程更容易。 

除了正性光刻胶存在的剥离问题外，由于梯形结构的影响，电极指条最终会比设计的略窄，即指条之间的间距会略微增大。而使用负性光刻胶时，间距则会更小。这些效应会使谐振频率与设计目标值有轻微偏差.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
吸收体	Dragon Skin，Smooth-On, Inc.，美国宾夕法尼亚州麦康基	Dragon Skin 10 MEDIUM
放大器	Mini-Circuits，美国纽约州布鲁克林	ZHL–1–2W–S+
相机	日本东京都港区，尼康公司	D5300
铬蚀刻剂	Transene Company, INC, Danvers, MA, 美国	1020
开发者	美国新泽西州富特里克斯	RD6
开发者	EMD Performance Materials Corp.，美国宾夕法尼亚州费城	AZ300MIF
切割锯	日本东京迪斯科	Disco 自动切片锯 3220
金蚀刻剂	Transene Company, INC, Danvers, MA, 美国	TFA 型
打孔钻	Dremel，美国伊利诺伊州芒特普罗斯佩克特	型号 #4000	4000 高性能变频旋转器
倒置显微镜	Amscope，尔湾，加利福尼亚州，美国	IN480TC-FL-MF603
激光多普勒测振仪（LDV）	Polytec，德国瓦尔德布隆	UHF-120	4” 双面抛光，0.5 mm 厚，128°Y轴旋转切割的铌酸锂
铌酸锂基底	PMOptics，美国马萨诸塞州伯灵顿	PWLN-431232
掩模对准器	Heidelberg Instruments，德国海德堡	MLA150	在其内部进行 fabrication 过程。
Nano3 洁净室设施	美国加利福尼亚州拉霍亚，加州大学圣地亚哥分校
负性光刻胶	美国新泽西州富图雷克斯	NR9-1500PY
示波器	美国加利福尼亚州圣罗莎市是德科技公司	InfiniiVision 2000 X系列
正性光刻胶		AZ1512	Denton Discovery 18 溅射系统
信号发生器	日本横滨，NF 公司	WF1967 多功能信号发生器	Wafer Dipper 4"
溅射沉积	美国新泽西州登顿真空公司	邓顿 18
聚四氟乙烯晶圆浸渍器	ShapeMaster，美国伊利诺伊州奥格登	SM4WD1