Summary

ニオブエートリチウムにおける表面音響波装置の作製

Published: June 18, 2020
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Summary

リフトオフとウェットエッチングの2つの製造技術は、圧電基板上にデジタル間電極トランスデューサを製造する際に記載されているニオバテリチウムは、表面弾性波を生成するために広く使用され、マイクロからナノスケールの流体に幅広い有用性を見いだしています。この装産電極は、メガヘルツオーダーのレイリー表面音響波を効率的に誘導することが示されている。

Abstract

微小な音響作動による流体や粒子の操作は、ラボ・オン・チップ・アプリケーションの急速な成長を助けています。メガヘルツオーダー表面音響波(SAW)デバイスは、表面に最大108 m/s2の巨大な加速を生成し、アシュートー流体を定義するようになった多くの観測された効果(音響ストリーミングおよび音響放射力)を担っています。これらの効果は、粒子、細胞、流体のマイクロスケールでの処理、さらにはナノスケールでも使用されています。本論文では、リチウムニオブエート上のSAWデバイスの2つの主要な製造方法を明示する:リフトオフおよびウェットエッチング技術の詳細を段階的に説明する。基板上に堆積した電極パターンの代表的な結果と、表面に発生したSAWの性能が詳細に表示される。製造のトリックとトラブルシューティングについても説明します。この手順は、将来のマイクロ流体アプリケーションのための高周波SAWデバイスの製造と統合のための実用的なプロトコルを提供します。

Introduction

原子双極子が電界の用途に対応する歪みを生み出す、よく知られた逆圧電効果に頼って、リチウムニオブケートLiNbO 3(LN)などの圧電結晶3、リチウムタンタライトLiTaO 3(LT)3は、マイクロスケールアプリケーション1、2、3、4、5、62,3,4,5の微小計アプリケーション1用にSAWを生成する電気機械変換器として使用することができる。,610-1000 MHzで1nmまでの変位の生成を可能にすることによって、SAW駆動振動は従来の超音波の典型的な障害を克服する:小さい加速、大きい波長および大きい装置サイズ。最近、流体や浮遊粒子を操作する研究が加速し、最近のアクセス可能なレビューが多数77、8、9、108,9,10に増加しました。

SAW統合マイクロ流体デバイスの製造には、電極(デジタル間トランスデューサ(IDT)11)を圧電基板上11に製造してSAWを生成する必要があります。櫛形の指は交互の電気入力に接続するときの基質の圧縮および張力を作成する。SAWデバイスの製造は、金属スパッタと並んでリフトオフ紫外線フォトリソグラフィを使用するか、ウェットエッチングプロセス10を使用するかにかかわらず、多くの出版物で提示されています。しかし、これらのデバイスを製造する際の知識とスキルの欠如は、今日でも多くの研究グループによってアヌースト流体に入るための重要な障壁です。リフトオフ技術12,13,14,13,14では、逆パターンを有する犠牲層(フォトレジスト)が表面に作成され、対象物質(金属)がウェーハ全体に堆積すると、所望の領域の基板に到達し、続いて残りのフォトレジストを除去する「リフトオフ」ステップが続く。対照的に、ウェットエッチングプロセス15、16、17、18,17,では、金属がウエハに最初に堆積し、次にフォトレジストが金属上に直接パターンで作成され、金属エッチャントによって「エッチング」から所望の領域を保護する。15,18

最も一般的に使用される設計において、ストレートIDTは、SAWデバイスの共振周波数の波長が指のペアの周期性によって定義され、指の幅と指の間隔は両方とも Equation /419である。電流伝送効率と基板への質量負荷効果のバランスを取るために、圧電材料に析出した金属の厚さはSAW波長20の約1%に最適化される。オーミック損失21からの局所加熱は、不十分な金属が堆積した場合に生じる可能性のある早期の指の故障を誘発する。一方、過度に厚い金属膜は、質量負荷効果によるIDTの共振周波数の低下を引き起こし、IDTから意図しない音響空洞を発生させ、周囲の基板から発生する音響波を分離する可能性があります。その結果、選択されたフォトレジストおよびUV露光パラメータは、SAWデバイスの異なる設計、特に周波数に応じて、リフトオフ技術で異なります。ここでは、片側研磨された0.5mm厚の128°Y回転カットLNウェハ上に100MHzのSAW生成装置を製造するためのリフトオフプロセスと、同一設計の100MHzデバイスを製造するためのウェットエッチングプロセスについて詳しく説明します。当社のアプローチは、様々な物理的問題と生物学的応用の調査を可能にするマイクロ流体システムを提供します。

Protocol

1. リフトオフ方式によるSAWデバイスの製造 クラス100のクリーンルーム施設で、4インチ(101.6mm)のLNウエハーをアセトンに浸し、続いてイソプロピルアルコール(IPA)、脱イオン水(DI水)を超音波浴中に5分間受け取り、水の残りのDI流量で表面を乾燥させます。2注意: ヒュームフードでアセトンとIPAの浸漬を行います。吸入や皮膚の接触を避ける IPA.アセトンとの皮膚と目の接触を…

Representative Results

測定されるIDTは、指の幅と間隔が10μmであるため、100MHzの共振周波数を有するように設計されており、波長は40μmです。図 1は、この方法を使用して製造された SAW デバイスと IDT を示しています。 IDTの共振周波数に合わせた振動電気信号を用いて、圧電材料の表面を横切ってSAWを生成することができる。LDVは、表面のドップラー効果を介して振動を測定し、?…

Discussion

いずれの方法から製造されたSAWデバイスは、表面上で有用な走行波を生成することができ、これらの方法は、他の設計を生成するために、より複雑なプロセスを支えています。共振周波数は、通常、上部に堆積した金属の質量荷重効果のために、設計された値よりも少し低くなります。しかし、問題を避けるために議論する価値のある点はまだあります。

リフトオ…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

著者らは、この作業を支援する資金と施設の提供のためにカリフォルニア大学とUCサンディエゴのNANO3施設に感謝しています。この研究の一部は、国立科学財団(Grant ECCS-1542148)が支援する国立ナノテクノロジー協調インフラのメンバーであるUCSDのサンディエゴナノテクノロジーインフラ(SDNI)で行われました。ここで発表された作品は、W.M.ケック財団からの研究助成金によって寛大に支援されました。著者らはまた、海軍研究局(グラント12368098経由)によるこの作業の支援に感謝しています。

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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Cite This Article
Mei, J., Zhang, N., Friend, J. Fabrication of Surface Acoustic Wave Devices on Lithium Niobate. J. Vis. Exp. (160), e61013, doi:10.3791/61013 (2020).

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