Name: Fabricação de dispositivos de onda acústica de superfície no niobato de lítio (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-06-18T13:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 55 s
Description: Aprenda a fabricar dispositivos de onda acústica de superfície em substratos de niobato de lítio usando técnicas de lift-off e gravação úmida. Este método permite gerar ondas de Rayleigh na ordem de megahertz para aplicações em microfluídica.

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Os autores agradecem à Universidade da Califórnia e às instalações nano3 da UC San Diego pelo fornecimento de fundos e instalações em apoio a este trabalho. Este trabalho foi realizado em parte na San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) da UCSD, membro da National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, que é apoiada pela National Science Foundation (Grant ECCS-1542148). O trabalho aqui apresentado foi generosamente apoiado por uma bolsa de pesquisa da Fundação W.M. Keck. Os autores também agradecem o apoio deste trabalho pelo Escritório de Pesquisa Naval (via Grant 12368098).

1. Fabricação do dispositivo SAW através do método de decolagem
<ol><li>Realize a limpeza de solventes de wafer em uma instalação de sala limpa classe 100, imergindo o wafer LN de 4" (101,6 mm) em acetona, seguido de álcool isopropílico (IPA), em seguida, água desionizada (água DI), cada um em um banho de sônica por 5 min. Pegue o wafer e exploda a superfície seca com nitrogênio (N2) fluxo de gás para remover a água DI restante do wafer. ATENÇÃO: Realize as imersões acetona e IPA em um capô de fumaça. Evite a inalação e o contato da pele com o IPA. Evite a pele e o contato visual com acetona. Não engula. NOTA: Não permita que nenhum fluido evapore sobre o wafer; se houver poeira ou detritos na superfície, inicie este passo.</li>
	<li>Coloque o wafer em uma placa quente a 100 °C para pré-fazer o pré-corte por 3 minutos. NOTA: Devido à propriedade piroelétrica da LN, gerará cargas estáticas e estresse associado dentro do wafer durante o aquecimento e resfriamento. Recomenda-se colocar o wafer em um pedaço de papel alumínio (Al) depois de removê-lo da placa quente para liberar as cargas estáticas e evitar quebrá-la.</li>
	<li>Coloque a bolacha em um revestimento de giro. Usando um porta-gotas, cubra cerca de 75% da superfície do wafer com fotoresist negativo (NR9-1500PY). Programe uma velocidade de 500 rpm com uma aceleração de 3.000 rpm/s por 5 segundos e, em seguida, uma velocidade de 3.500 rpm com uma aceleração de 3.000 rpm/s por 40 segundos, para produzir uma camada de fotoresistia em torno de 1,3 μm. ATENÇÃO: Realize o revestimento em um capô de fumaça. A inalação de vapores fotoresist podem causar dores de cabeça. NOTA: A espessura pode variar dependendo da condição do fotoresist e do revestimento de giro utilizado, mesmo com as mesmas configurações de giro. O fotoresist pode ser girado além da borda e para a borda obversa do wafer; isso deve ser removido usando um cotonete acetona-doused. Presente à esquerda, o fotoresistão vai enfiar o wafer na placa quente durante o cozimento macio.</li>
	<li>Para assar suavemente, coloque o wafer em uma placa quente a 100 °C, aumente a temperatura até 150 °C, segure-a a 150 °C por 1 min. Em seguida, mova o wafer da placa quente e deixe a bola esfriar no ar para a temperatura ambiente (RT). NOTA: Devido ao efeito piroelétrico, se a temperatura do wafer LN for subitamente alterada, por exemplo, transferindo diretamente o wafer LN para a placa de aquecimento ou folha de Al a 150 °C, o choque térmico dentro do wafer provavelmente irá quebrá-lo. A presença de metais não uniformes na superfície, como eletrodos, aumenta significativamente esse risco. Em aplicações onde a transparência da LN não é importante, considere usar o chamado LN "preto" ou lN mais precisamente reduzido, que é marrom escuro e translúcido, mas tem piroeletricidade insignificante.</li>
	<li>Transfira o wafer para o alinhador de máscaras (MLA150) para exposição ultravioleta. Exponha o fotoresist com uma dose de energia de 400 mJ/cm2 a 375 nm. A dose necessária pode variar dependendo do desenho da máscara e da idade e condição do fotoresist. NOTA: A direção de propagação de ondas induzida pelos IDTs deve estar ao longo da direção de propagação X, a fim de gerar efetivamente SAW. Em outras palavras, isso implica que os "dedos" do IDT devem ser perpendiculares à direção do eixo X. Os fabricantes típicos de wafer LN colocam o wafer principal (maior) plano (borda reta ao lado do wafer) perpendicular ao eixo X, de modo que seus dedos IDT devem ser paralelos a este plano. Alguns fabricantes introduzem um segundo (menor) wafer flat para ajudar a indicar as direções do eixo Y e Z, mas este detalhe não é importante para a geração SAW. Os fabricantes geralmente solicitam especificações para o acabamento superficial do wafer; se você precisar de um wafer transparente, solicite wafers de dupla laterais odocidas opticamente. No entanto, tenha em mente que a LN é birefringent, de modo que qualquer objeto iluminado com luz de laboratório padrão e visto através do material produzirá não uma, mas duas imagens. A superação desse problema é discutida mais tarde. LN polido de lado único é uma escolha melhor para a geração SAW se você não precisar ver através do wafer, porque ondas acústicas espúrias são difundidas pela superfície traseira áspera.</li>
	<li>Coloque o wafer em uma placa quente a 100 °C por 3 minutos para um cozimento pós-exposição. Em seguida, transfira-o para a folha al e deixe esfriar para RT. NOTA: Os padrões devem ser visíveis após o cozimento pós-exposição. Caso não, considere tirar o fotoresist e reiniciar o processo a partir da etapa 1.1 acima.</li>
	<li>Desenvolva o wafer colocando-o em um béquer cheio de desenvolvedor RD6 puro por 15 segundos. Suavemente agitar o béquer durante o desenvolvimento. Mergulhe o wafer em água DI por 1 min e, em seguida, enxágue o wafer sob o fluxo de água DI. Por fim, use fluxo N2 seco para remover a água DI restante do wafer. Nunca deixe nenhum fluido evaporar na superfície do wafer. ATENÇÃO: Desenvolva o wafer em um capô de fumaça. Evite respirar vapores ou entrar em contato com o desenvolvedor com olhos e pele. NOTA: A fotolitografia está completa após esta etapa. O protocolo pode ser pausado aqui.</li>
	<li>Asse duro o wafer em uma placa quente a 100 °C por 3 min. Em seguida, transfira-o para a folha al e deixe esfriar para RT. NOTA: Este passo é remover qualquer umidade do wafer e fotoresist para evitar a eliminação posterior durante a sputtering.</li>
	<li>Para deposição de sputter de eletrodo, coloque o wafer em um sistema de deposição sputter. Aspire a câmara para 5 x 10-6 mTorr. Use um fluxo de argônio de 2,5 mTorr, cromo sputter (Cr) com um poder de 200 W para 5 nm como camada de adesão, seguido de sputtering Al com um poder de 300 W para 400 nm para formar os eletrodos condutores. NOTA: O tempo de deposição deve ser calculado a partir da espessura esperada e da taxa de deposição. O titânio (Ti) pode ser usado em vez de cromo, embora o processo de remoção seja mais difícil, porque Ti é mais resistente. O ouro (Au) também é comumente depositado como eletrodos. No entanto, para dispositivos SAW de maior frequência, Al deve substituir Au para evitar os efeitos de carregamento em massa dos dedos Au IDT, que reduzem a frequência ressonante saw local sob o IDT, formando uma cavidade acústica da qual o SAW só pode escapar com perda significativa.</li>
	<li>Para o processo de decolagem, transfira o wafer para um béquer e mergulhe em acetona. Sonicate em média intensidade por 5 min. Enxágüe com água DI e seque o wafer com fluxo N2. ATENÇÃO: Use acetona em um capô de fumaça. Evite a inalação e a pele ou o contato visual com acetona. Não engula. NOTA: O protocolo pode ser pausado aqui.</li>
	<li>Use uma serra de dicing para colocar o wafer inteiro em pequenos pedaços de chips como dispositivos SAW para outras aplicações. NOTA: O processo está completo. O protocolo pode ser pausado aqui. NOTA: Em vez de uma serra, um escriba de wafer com ponta de diamante (ou até mesmo um cortador de vidro) pode ser usado para dados do wafer LN com alguma prática, embora devido à anisotropia da LN é importante escriba e quebrar o wafer primeiro ao longo das linhas de escriba perpendicular ao eixo X,seguido por essas linhas ao longo do eixo X.</li>
</ol>2. Fabricação do dispositivo SAW através do método de gravação molhada
<ol><li>Limpeza de solvente de wafer: Em uma instalação de sala limpa classe 100, imergindo o wafer de 4" (101,6 mm) LN em acetona, seguido por IPA, depois água DI, cada um em um banho de sônica por 5 minutos. Pegue o wafer e seque a superfície usando n2 para remover a água DI restante do wafer. ATENÇÃO: Use acetona e IPA em um capô de fumaça. Evite a inalação e o contato da pele com o IPA. Evite o contato acetona com a pele e os olhos. Não engula.</li>
	<li>Coloque o wafer em uma placa quente a 100 °C para tratamento térmico por 3 minutos. Em seguida, transfira-o para a folha al para esfriar para RT.</li>
	<li>Coloque o wafer em um sistema de deposição sputter. Aspire a câmara para 5 x 10-6 mTorr. Use o fluxo de argônio a 2,5 mTorr, sputter Cr com uma potência de 200 W para 5 nm como camada de adesão, seguido de sputtering Au com uma potência de 300 W para 400 nm para formar os eletrodos condutores. NOTA: O protocolo pode ser pausado aqui.</li>
	<li>Coloque a bolacha em um revestimento de giro. Usando um porta-gotas, cubra cerca de 75% da superfície do wafer com fotoresist positivo (AZ1512). Programe uma velocidade de 500 rpm com uma aceleração de 3.000 rpm/s por 10 segundos e, em seguida, uma velocidade de 4.000 rpm com uma aceleração de 3.000 rpm/s por 30 segundos, produzindo uma camada de fotoresistia em torno de 1,2 μm. ATENÇÃO: Realize o revestimento em um capô de fumaça. A inalação de vapores fotoresist podem causar dores de cabeça.</li>
	<li>Para assar suavemente, coloque a bola em uma placa quente a 100 °C por 1 min. Em seguida, transfira-o para a folha al e deixe esfriar para RT.</li>
	<li>Transfira o wafer para o alinhador de máscaras (MLA150) para exposição ultravioleta. Exponha o fotoresist com uma dose de energia de 150 mJ/cm2 a 375 nm. A dose necessária pode variar dependendo do desenho da máscara e da idade e condição do fotoresist.</li>
	<li>Coloque o wafer em um béquer cheio de desenvolvedor AZ300MIF puro por 30 segundos. Levemente agite o béquer durante o desenvolvimento. Mergulhe o wafer em água DI por 1 min, depois enxágue o wafer sob fluxo de água DI. Por fim, use fluxo N2 seco para remover a água DI restante do wafer. Nunca deixe nenhum fluido evaporar na superfície do wafer. ATENÇÃO: Evite entrar em contato com a AZ300MIF com a pele ou os olhos. Não engula.</li>
	<li>Mergulhe o wafer em um béquer cheio de au etchant por 90 segundos, balançando suavemente o béquer. Depois de enxaguar o wafer sob fluxo de água DI, seque com fluxo N2 para remover a água DI restante do wafer. Nunca deixe nenhum fluido evaporar na superfície do wafer. ATENÇÃO: O etchant dourado pode ser perigoso para os olhos e a pele, e causará irritação respiratória. Esta etapa requer mais equipamentos de proteção individual (EPI), como vidro de segurança, luvas de neoprene pretas, avental, etc.</li>
	<li>Mergulhe o wafer em um béquer cheio de cr etchant por 20 segundos, balançando suavemente o béquer. Depois de enxaguar o wafer sob fluxo de água DI, seque com fluxo N2 para remover a água DI restante do wafer. Nunca deixe nenhum fluido evaporar na superfície do wafer. ATENÇÃO: O etchant de cromo pode causar irritação nos olhos, na pele e no respiratório. Esta etapa também requer mais EPI.</li>
	<li>Limpe o wafer (amostra), colocando-o em acetona, seguido de IPA, e água DI em um banho de sônica por 5 min cada. Pegue o wafer e seque com o fluxo de gás N2 sobre a superfície do wafer para remover a água DI restante do wafer. ATENÇÃO: Use acetona em um capô de fumaça. Evite a inalação e o contato da pele com a pele e os olhos. Não engula. NOTA: Este passo é remover o fotoresist indesejado no wafer. O protocolo pode ser pausado aqui.</li>
	<li>Use uma serra de dicing para colocar o wafer inteiro em dispositivos SAW discretos para uso posterior. NOTA: O processo está completo. O protocolo pode ser pausado aqui.</li>
</ol>3. Configuração e teste experimentais
<ol><li>Observe o dispositivo SAW sob microscopia óptica de campo brilhante. NOTA: Há possivelmente arranhões nas camadas metálicas no LN. Geralmente, eles não causarão uma influência notável do desempenho do dispositivo, desde que os arranhões não sejam profundos o suficiente para resultar em um circuito aberto.</li>
	<li>Para a atuação SAW, conecte absorvedores em ambas as extremidades ao longo da direção de propagação do dispositivo SAW para evitar ondas acústicas refletidas das bordas.</li>
	<li>Use um gerador de sinal para aplicar um campo elétrico sinusoidal ao IDT em sua frequência ressonante de cerca de 100 MHz. Um amplificador deve ser conectado para amplificar o sinal.</li>
	<li>Use um osciloscópio para medir a tensão real, a corrente e a energia aplicadas no dispositivo. A amplitude e a resposta de frequência da SAW são medidas por um vibrometro Doppler laser (LDV); o movimento de gotícula acionado pela SAW é gravado usando uma câmera de alta velocidade ligada ao microscópio.</li>
</ol>

<ol><li>Ding, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Standing+surface+acoustic+wave+%28SSAW%29+based+multichannel+cell+sorting%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+Chip%22%5BJournal%5D)">Standing surface acoustic wave (SSAW) based multichannel cell sorting.</a> Lab on a Chip. 12 (21), 4228-4231 (2012).</li>
<li>Langelier, S. M., Yeo, L. Y., Friend, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((UV+epoxy+bonding+for+enhanced+SAW+transmission+and+microscale+acoustofluidic+integration%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+Chip%22%5BJournal%5D)">UV epoxy bonding for enhanced SAW transmission and microscale acoustofluidic integration.</a> Lab on a Chip. 12 (16), 2970-2976 (2012).</li>
<li>Rezk, A. R., Qi, A., Friend, J. R., Li, W. H., Yeo, L. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Uniform+mixing+in+paper-based+microfluidic+systems+using+surface+acoustic+waves%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+Chip%22%5BJournal%5D)">Uniform mixing in paper-based microfluidic systems using surface acoustic waves.</a> Lab on a Chip. 12 (4), 773-779 (2012).</li>
<li>Schmid, L., Weitz, D. A., Franke, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Sorting+drops+and+cells+with+acoustics%3A+acoustic+microfluidic+fluorescence-activated+cell+sorter%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+Chip%22%5BJournal%5D)">Sorting drops and cells with acoustics: acoustic microfluidic fluorescence-activated cell sorter.</a> Lab on a Chip. 14 (19), 3710-3718 (2014).</li>
<li>Schmid, L., Wixforth, A., Weitz, D. A., Franke, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Novel+surface+acoustic+wave+%28SAW%29-driven+closed+PDMS+flow+chamber%5BTitle%5D)+AND+%22Microfluidics+and+Nanofluidics%22%5BJournal%5D)">Novel surface acoustic wave (SAW)-driven closed PDMS flow chamber.</a> Microfluidics and Nanofluidics. 12 (1-4), 229-235 (2012).</li>
<li>Shi, J., Mao, X., Ahmed, D., Colletti, A., Huang, T. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Focusing+microparticles+in+a+microfluidic+channel+with+standing+surface+acoustic+waves+%28SSAW%29%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+Chip%22%5BJournal%5D)">Focusing microparticles in a microfluidic channel with standing surface acoustic waves (SSAW).</a> Lab on a Chip. 8 (2), 221-223 (2008).</li>
<li>Friend, J., Yeo, L. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microscale+acoustofluidics%3A+Microfluidics+driven+via+acoustics+and+ultrasonics%5BTitle%5D)+AND+%22Reviews+of+Modern+Physics%22%5BJournal%5D)">Microscale acoustofluidics: Microfluidics driven via acoustics and ultrasonics.</a> Reviews of Modern Physics. 83 (2), 647(2011).</li>
<li>Ding, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Surface+acoustic+wave+microfluidics%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+Chip%22%5BJournal%5D)">Surface acoustic wave microfluidics.</a> Lab on a Chip. 13 (18), 3626-3649 (2013).</li>
<li>Destgeer, G., Sung, H. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Recent+advances+in+microfluidic+actuation+and+micro-object+manipulation+via+surface+acoustic+waves%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+Chip%22%5BJournal%5D)">Recent advances in microfluidic actuation and micro-object manipulation via surface acoustic waves.</a> Lab on a Chip. 15 (13), 2722-2738 (2015).</li>
<li>Connacher, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Micro%2Fnano+acoustofluidics%3A+materials%2C+phenomena%2C+design%2C+devices%2C+and+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+on+a+Chip%22%5BJournal%5D)">Micro/nano acoustofluidics: materials, phenomena, design, devices, and applications.</a> Lab on a Chip. 18 (14), 1952-1996 (2018).</li>
<li>White, R. M., Voltmer, F. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Direct+piezoelectric+coupling+to+surface+elastic+waves%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Physics+Letters%22%5BJournal%5D)">Direct piezoelectric coupling to surface elastic waves.</a> Applied Physics Letters. 7 (12), 314-316 (1965).</li>
<li>Smith, H. I., Bachner, F. J., Efremow, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+High-Yield+Photolithographic+Technique+for+Surface+Wave+Devices%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+Electrochemical+Society%22%5BJournal%5D)">A High-Yield Photolithographic Technique for Surface Wave Devices.</a> Journal of the Electrochemical Society. 118 (5), 821-825 (1971).</li>
<li>Bahr, A. Fabrication techniques for surface-acoustic-wave devices. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aBahr%2C+A+%22Proc.+Int.+Specialists+Seminar+on+Component+Performance+and+Systems+Applications+of+Surface+Acoustic+Wave+Devices%22">Proc. Int. Specialists Seminar on Component Performance and Systems Applications of Surface Acoustic Wave Devices</a>. , (1973).</li>
<li>Smith, H. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fabrication+techniques+for+surface-acoustic-wave+and+thin-film+optical+devices%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+IEEE%22%5BJournal%5D)">Fabrication techniques for surface-acoustic-wave and thin-film optical devices.</a> Proceedings of the IEEE. 62 (10), 1361-1387 (1974).</li>
<li>Wilke, N., Mulcahy, A., Ye, S. R., Morrissey, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Process+optimization+and+characterization+of+silicon+microneedles+fabricated+by+wet+etch+technology%5BTitle%5D)+AND+%22Microelectronics+Journal%22%5BJournal%5D)">Process optimization and characterization of silicon microneedles fabricated by wet etch technology.</a> Microelectronics Journal. 36 (7), 650-656 (2005).</li>
<li>Madou, M. J. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aMadou%2C+MJ+%22Fundamentals+of+microfabrication%3A+the+science+of+miniaturization%22">Fundamentals of microfabrication: the science of miniaturization</a>. , CRC press. (2002).</li>
<li>Köhler, M. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aK%C3%B6hler%2C+M+%22Etching+in+Microsystem+Technology%22">Etching in Microsystem Technology</a>. , Wiley. (1999).</li>
<li>Brodie, I., Muray, J. J. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aBrodie%2C+I+%22The+physics+of+micro%2Fnano-fabrication%22">The physics of micro/nano-fabrication</a>. , Springer Science & Business Media. (2013).</li>
<li>Dentry, M. B., Yeo, L. Y., Friend, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Frequency+effects+on+the+scale+and+behavior+of+acoustic+streaming%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+E%22%5BJournal%5D)">Frequency effects on the scale and behavior of acoustic streaming.</a> Physical Review E. 89 (1), 013203(2014).</li>
<li>Morgan, D. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aMorgan%2C+D+%22Surface+acoustic+wave+filters%3A+With+applications+to+electronic+communications+and+signal+processing%22">Surface acoustic wave filters: With applications to electronic communications and signal processing</a>. , Academic Press. (2010).</li>
<li>Pekarcikova, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Investigation+of+high+power+effects+on+Ti%2FAl+and+Ta-Si-N%2FCu%2FTa-Si-N+electrodes+for+SAW+devices%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on+Ultrasonics%2C+Ferroelectrics%2C+and+Frequency+Control%22%5BJournal%5D)">Investigation of high power effects on Ti/Al and Ta-Si-N/Cu/Ta-Si-N electrodes for SAW devices.</a> IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 52 (5), 911-917 (2005).</li>
</ol>

Os autores não têm nada a revelar.

Os dispositivos SAW fabricados a partir de qualquer método são capazes de gerar ondas de viagem úteis na superfície, e esses métodos sustentam processos mais complexos para produzir outros projetos. A frequência ressonante é geralmente um pouco menor do que o valor projetado, devido ao efeito de carregamento em massa do metal depositado em cima. No entanto, ainda há alguns pontos que merecem ser discutidos para evitar problemas.
Método de decolagem A escolha do fotoresist é...

Contando com o conhecido efeito piezoelétrico inverso, onde os dipolos atômicos criam cepas correspondentes à aplicação de um campo elétrico, cristais piezoelétricos como o niobate de lítio LiNbO3 (LN), o lítio tantalite LiTaO3 (LT), podem ser usados como transdutores eletromecânicos para gerar SAW para aplicações de microescala1,2,,3,,4,55,6. Ao permitir a geração de deslocamentos de até 1 nm a 10-1000 MHz, a vibração orientada pela SAW supera os obstáculos típicos do ultrassom tradicional: pequena aceleração, grandes comprimentos de onda e grande tamanho do dispositivo. A pesquisa para manipular fluidos e partículas suspensas acelerou recentemente, com um grande número de revisões recentes e acessíveis7,,8,,9,,10.
A fabricação de dispositivos microfluidos integrados à SAW requer a fabricação dos eletrodos — o transdutor interdigital (IDT)11— no substrato piezoelétrico para gerar o SAW. Os dedos em forma de pente criam compressão e tensão no substrato quando conectados a uma entrada elétrica alternada. A fabricação de dispositivos SAW tem sido apresentada em muitas publicações, seja utilizando fotolitografia ultravioleta de decolagem ao lado de sputter metálico ou processos de gravura molhada10. No entanto, a falta de conhecimento e habilidades na fabricação desses dispositivos é uma barreira fundamental para a entrada em austofluidos por muitos grupos de pesquisa, ainda hoje. Para a técnica de decolagem12,13,14, uma camada sacrificial (fotoresist) com um padrão inverso é criada em uma superfície, de modo que quando o material alvo (metal) é depositado em todo o wafer, ele pode alcançar o substrato nas regiões desejadas, seguido de um passo de "decolagem" para remover o fotoresist restante. Em contrapartida, no processo de gravura úmida15,16,17,18, o metal é primeiro depositado no wafer e, em seguida, fotoresist é criado com um padrão direto no metal, para proteger a região desejada de "gravar" longe por um gravura de metal.
Em um design mais comumente utilizado, o IDT reto, o comprimento de onda da frequência ressonante do dispositivo SAW é definido pela periodicidade dos pares de dedos, onde a largura do dedo e o espaçamento entre os dedos são <img align="center" alt="Equation" src="/files/ftp_upload/61013/61013eq2.jpg"> ambos /419. Para equilibrar a eficiência de transmissão da corrente elétrica e o efeito de carga em massa no substrato, a espessura do metal depositado no material piezoelétrico é otimizada para cerca de 1% do comprimento de onda da SAW20. O aquecimento localizado a partir de perdas ohmic21, potencialmente induzindo falha prematura do dedo, pode ocorrer se o metal insuficiente for depositado. Por outro lado, uma película metálica excessivamente espessa pode causar uma redução na frequência ressonante do IDT devido a um efeito de carregamento em massa e pode possivelmente criar cavidades acústicas não intencionais a partir dos IDTs, isolando as ondas acústicas que geram do substrato circundante. Como resultado, os parâmetros de exposição fotoresist e UV escolhidos variam na técnica de decolagem, dependendo de diferentes desenhos de dispositivos SAW, especialmente frequência. Aqui, descrevemos em detalhes o processo de decolagem para produzir um dispositivo gerador de SERRA de 100 MHz em um wafer LN de corte de 128 mm de espessura 128° de espessura, bem como o processo de gravação molhada para fabricar o dispositivo de 100 MHz de design idêntico. Nossa abordagem oferece um sistema microfluido que permite a investigação de uma variedade de problemas físicos e aplicações biológicas.

<table><tbody><tr><td>Absorber</td><td>Dragon Skin, Smooth-On, Inc., Macungie, PA, USA</td><td>Dragon Skin 10 MEDIUM</td><td></td></tr><tr><td>Amplificador</td><td>Mini-Circuits, Brooklyn, NY, USA</td><td>ZHL&ndash; 1&ndash; 2W&ndash; S+</td><td></td></tr><tr><td>Camera</td><td>Nikon, Minato, Tóquio, Japão</td><td>D5300</td><td></td></tr><tr><td>Cromo gravante</td><td>Transene Company, INC, Danvers, MA, USA</td><td>1020</td><td></td></tr><tr><td>Desenvolvedor</td><td>Futurrex, NJ, EUA</td><td>RD6</td><td></td></tr><tr><td>Desenvolvedor</td><td>EMD Performance Materials Corp., Philidaphia, PA, EUA</td><td>AZ300MIF</td><td></td></tr><tr><td>Serra de corte</td><td>em cubos Disco, Tóquio, Japão</td><td>Disco Automático Serra de Corte 3220</td><td></td></tr><tr><td>Gravante de Ouro</td><td>Transene Company, INC, Danvers, MA, EUA</td><td>Tipo TFA</td><td></td></tr><tr><td>Perfurador de furos</td><td>Dremel, Mount Prospect, Illinois</td><td>Modelo #4000</td><td>4000</td></tr><tr><td>Microscópio rotativo invertido</td> de velocidade variável de alto desempenho <td>Amscope, Irvine, CA, EUA</td><td>IN480TC-FL-MF603</td><td></td></tr><tr><td>Vibrômetro Doppler a laser (LDV)</td> <td>Polytec, Waldbronn, Alemanha</td><td>UHF-120</td><td>4" dupla face polida 0,5 mm de espessura 128&deg; Niobato de lítio de corte girado</td></tr><tr><td>em Y Substrato de niobato de lítio</td><td>PMOptics, Burlington, MA, EUA</td><td>PWLN-431232</td><td></td></tr><tr><td>Alinhador de máscara</td><td>Heidelberg Instruments, Heidelberg, Alemanha</td><td>MLA150</td><td>O processo de fabricação é realizado nele.</td></tr><tr><td>Instalação de sala limpa Nano3</td><td>UCSD, La Jolla, CA, EUA</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Fotorresiste negativo</td><td>Futurrex, NJ, EUA</td><td>NR9-1500PY</td><td></td></tr><tr><td>Osciloscópio</td><td>Keysight Technologies, Santa Rosa, CA, EUA</td><td>InfiniiVision 2000 X-Series</td><td></td></tr><tr><td>Fotorresiste</td><td></td><td>positivo AZ1512</td><td>Denton Discovery 18 Sputter System</td></tr><tr><td>Gerador de sinal</td><td>NF Corporation, Yokohama, Japão</td><td>WF1967 gerador multifuncional</td><td>Wafer Dipper 4 "</td></tr><tr><td>Sputter deposição</td><td>Denton Vacuum, NJ, EUA</td><td>Denton 18</td><td></td></tr><tr><td>Teflon wafer dipper</td><td>ShapeMaster, Ogden, IL, EUA</td><td>SM4WD1</td><td></td></tr></tbody></table>

fabricação de dispositivos de onda acústica de superfície no niobato de lítio

Fabrication of Surface Acoustic Wave Devices on Lithium Niobate

A manipulação de fluidos e partículas por atuação acústica em pequena escala está ajudando o rápido crescimento das aplicações lab-on-a-chip. Os dispositivos de onda acústica de superfície de ordem mega-hertz (SAW) geram enormes acelerações em sua superfície, até10 8 m/s2, por sua vez responsáveis por muitos dos efeitos observados que vieram a definir acoustofluidics: streaming acústico e forças de radiação acústica. Esses efeitos têm sido usados para o manuseio de partículas, células e fluidos na microescala — e até mesmo na nanoescala. Neste artigo demonstramos explicitamente dois grandes métodos de fabricação de dispositivos SAW no niobate de lítio: os detalhes das técnicas de decolagem e gravura molhada são descritos passo a passo. Os resultados representativos para o padrão de eletrodo depositado no substrato, bem como o desempenho do SAW gerado na superfície são exibidos em detalhes. Truques de fabricação e solução de problemas também estão cobertos. Este procedimento oferece um protocolo prático para fabricação e integração de dispositivos SAW de alta frequência para futuras aplicações de microfluidos.

O IDT a ser medido é projetado para ter uma frequência ressonante a 100 MHz, já que a largura do dedo e o espaçamento entre eles são de 10 μm, produzindo um comprimento de onda de 40 μm. A Figura 1 mostra o dispositivo SAW e o IDT fabricados usando este método.
Usando um sinal elétrico oscilante compatível com a frequência ressonante do IDT, o SAW pode ser gerado através da superfície do material piezoelétrico. O LDV mede a vibração através do efeito Doppler na superfície, e a...

Duas técnicas de fabricação, decolagem e gravura úmida, são descritas na produção de transdutores de eletrodos interdigiais em um substrato piezoelétrico, nióbio de lítio, amplamente utilizado para gerar ondas acústicas superficiais agora encontrando ampla utilidade em fluidos micro para nanoescala. Os eletrodos produzidos são mostrados para induzir eficientemente ondas acústicas de superfície de Rayleigh.

Fabricação de dispositivos de onda acústica de superfície no niobato de lítio

Manipulation of fluids and particles by acoustic actuation at small scale is aiding the rapid growth of lab-on-a-chip applications. Megahertz-order ...

Nosso protocolo demonstra os detalhes da fabricação de dispositivos típicos de ondas acústicas superficiais em substratos piezoelétricos especialmente valiosos para as pessoas que procuram entrar neste campo em expansão. Manter qualquer detrito longe da superfície durante a limpeza é crucial no processo de fabricação. Para pré-quebrar o wafer, coloque-o em uma placa quente a 100 graus Celsius por três minutos.Em seguida, mova o wafer para a folha de alumínio. Coloque a bolacha em um revestimento de giro. Usando um porta-gotas, coloque fotoresist negativo no wafer cobrindo cerca de 75% da superfície do wafer.Para produzir uma espessura fotoresistente de aproximadamente 1,3 micrômetros, execute o seguinte programa no spin coater:500 rpm com uma aceleração de 3.000 rpm por segundo durante cinco segundos, seguido por 3.500 rpm com uma aceleração de 3.000 rpm por segundo durante 40 segundos. Asse o wafer colocando-o em uma placa quente a 100 graus Celsius. Aumente a temperatura da placa quente para 150 graus Celsius e mantenha essa temperatura por um minuto.Em seguida, mova o wafer da placa quente e deixe a bola esfriar no ar para a temperatura ambiente. Não coloque o wafer diretamente na placa a 150 graus Celsius. Deixe a água esfriar no ar depois do aquecimento.Para expor o fotoresistista à energia ultravioleta, transfira o wafer para o alinhador de máscaras. Com o alinhador de máscaras definido para entregar luz a 375 nanômetros, exponha o fotoresistista a uma dose de energia de 400 milijoules por centímetro quadrado. Para assar o wafer, coloque-o em uma placa quente a 100 graus Celsius.Depois de três minutos, transfira o wafer para a folha de alumínio onde esfriará para a temperatura ambiente. Coloque o wafer em um béquer cheio de desenvolvedor RD6 puro. Deixe o wafer imerso por 15 segundos enquanto agita suavemente o béquer.Remova o wafer do desenvolvedor e mergulhe-o em água desionizada por um minuto. Em seguida, enxágue o wafer sob fluxo de água desionizado. Por fim, use o fluxo de nitrogênio seco para remover a água restante do wafer.Asse a água novamente a 100 graus Celsius. Depois de três minutos, transfira o wafer para a folha de alumínio onde esfriará para a temperatura ambiente. Coloque o wafer em um sistema de deposição sputter e evacue a câmara para uma pressão de cinco vezes 10 para o seis militorr negativo.Em seguida, fluxo argônio a 2,5 militorr. Em seguida, sputter cromo com uma potência de 200 watts para cinco nanômetros como uma camada de adesão. Para formar os eletrodos condutores, deposite alumínio a 400 nanômetros e um nível de potência de 300 watts.Transfira o wafer para um béquer e mergulhe-o em acetona. Sonicar o béquer em intensidade média por cinco minutos. Enxágüe o wafer com água desionizada e seque o wafer com fluxo de nitrogênio.Coloque o wafer em uma placa quente a 100 graus Celsius por três minutos. Em seguida, transfira para um pedaço de papel alumínio e espere que esfrie até a temperatura ambiente. Coloque o wafer em um sistema de deposição sputter e evacue a câmara para uma pressão de cinco vezes 10 para o seis militorr negativo.Flua argônio a 2,5 militorr e, em seguida, sputter cromo com uma potência de 200 watts para cinco nanômetros como uma camada de adesão. Em seguida, forme os eletrodos condutores, espremendo ouro por 400 nanômetros a um nível de potência de 300 watts. Coloque o wafer em um reveste de giro.Usando um porta-gotas, deposite fotoresist positivo no wafer cobrindo cerca de 75% da superfície do wafer. Para produzir uma espessura fotoresistente de aproximadamente 1,2 micrômetros, execute o seguinte programa no spin coater:500 rpm com uma aceleração de 3.000 rpm por segundo durante 10 segundos, seguido por 4.000 rpm com uma aceleração de 3.000 rpm por segundo durante 30 segundos. Em seguida, coloque o wafer em uma placa quente a 100 graus Celsius.Depois de um minuto, transfira o wafer para a folha de alumínio onde esfriará para a temperatura ambiente. Transfira o wafer para o alinhador de máscaras. Com o alinhador de máscaras definido para entregar luz a 375 nanômetros, exponha o fotoresistista a uma dose de energia de 150 milijoules por centímetro quadrado.Coloque o wafer em um béquer cheio de desenvolvedor AZ300MIF puro. Deixe o wafer no béquer por 300 segundos gentilmente sacudindo o béquer. Remova o wafer do desenvolvedor e mergulhe a água desionizada por um minuto.Em seguida, enxágue o wafer sob fluxo desionizado. Por fim, use o fluxo de nitrogênio seco para remover a água restante do wafer. Em seguida, mergulhe o wafer em etchant de ouro por 90 segundos, gentilmente sacudindo o béquer.Depois de enxaguar o wafer sob fluxo de água desionizado, use o fluxo de nitrogênio seco para remover a água deionizada restante do wafer. Além da acetona, fotoresistista e desenvolvedor, os reagentes mais perigosos são as ações metálicas que requerem proteção de nível mais alto, como luvas de neoprene e um avental. Por fim, mergulhe o wafer em etchant de cromo por 20 segundos, sacudindo suavemente o béquer.Enxágüe o wafer sob fluxo de água desionizado. E novamente, use o fluxo de nitrogênio seco para remover a água restante. Os IDTs foram fabricados usando os métodos descritos.O espaçamento entre os dedos e os próprios dedos tem 10 micrômetros de largura, resultando em um comprimento de onda de 40 micrômetros. Um sinal sinusoidal foi aplicado ao IDT e um vibrometro Doppler laser foi usado para medir a amplitude e a frequência da onda acústica da superfície resultante. A frequência de ressonância foi encontrada em 96,5844 mega-hertz, ligeiramente inferior à frequência de design de 100 mega-hertz.Um gráfico da vibração na superfície do substrato mostra uma onda acústica superficial se propagando dos IDTs. Com base na razão entre a amplitude máxima e a amplitude mínima, a razão de onda permanente foi calculada em 2,06. O movimento de uma gotícula sessile acionada pelo dispositivo SAW foi demonstrado.Uma gotícula de água de 0,2 microliters foi esbofícula em nióbio de lítio a cerca de um milímetro do IDT. Quando uma SERRA se propaga e encontra a gota, ela vaza para o líquido no ângulo de Rayleigh. O ângulo de lançamento confirma a presença de uma onda acústica superficial.Essas técnicas podem ser usadas para a fabricação de mega-hertz ou dispositivos de ondas acústicas superficiais. O processo precisa ser ajustado se forem necessários atuadores de ondas acústicas de maior frequência. Este protocolo fornece dois métodos confiáveis para preparar dispositivos de ondas acústicas superficiais de alta frequência usados para pesquisa de micro para nanoescala acoustofluidics.

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Research

JoVE Journal

Engineering

Engenharia

Neste vídeo podemos primeira descrever procedimentos de fabricação e operação de uma onda acústica de superfície (SAW) dispositivo contra-acústico. Nós, então, demonstrar uma configuração experimental que permite tanto a visualização do fluxo análise qualitativa e quantitativa dos fluxos complexos dentro do dispositivo de bombeamento SAW.

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dispositivos Acoustofluidic usar ondas ultra-sônicas no prazo de canais microfluídicos para manipular, concentrar e isolar micro suspenso e entidades nanoscópicas. Este protocolo descreve a fabricação e operação de um tal dispositivo de suporte de ondas estacionárias acústicas granel para concentrar partículas em uma linha de corrente central, sem a ajuda de fluidos de bainha.

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