Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

Engineering

تصنيع أجهزة الموجة الصوتية السطحية على Niobate الليثيوم

doi: 10.3791/61013 Published: June 18, 2020

Summary

اثنين من تقنيات التصنيع، والرفع والنقش الرطب، ويرد وصفها في إنتاج محولات القطب بين الدوديجيت على الركيزة الكهروضوئية، ليثيوم niobate، وتستخدم على نطاق واسع لتوليد موجات صوتية سطح الآن العثور على فائدة واسعة في ميكرو لمائعات النانو. وتظهر الأقطاب كما المنتجة للحث بكفاءة megahertz النظام Rayleigh السطح الموجات الصوتية.

Abstract

التلاعب بالسوائل والجسيمات عن طريق التشغيل الصوتي على نطاق صغير يساعد على النمو السريع لتطبيقات المختبر على رقاقة. Megahertz-ترتيب الموجات الصوتية (SAW) الأجهزة توليد تسارع هائلة على سطحها, تصل إلى 108 م / الثانية2, بدورها مسؤولة عن العديد من الآثار الملاحظة التي أصبحت لتعريف acoustofluidics: تدفق الصوتية وقوى الإشعاع الصوتي. وقد استخدمت هذه الآثار للجسيمات, الخلية, والتعامل مع السوائل في microscale— وحتى في النانو. في هذه الورقة نحن نظهر بوضوح اثنين من أساليب التصنيع الرئيسية لأجهزة SAW على niobate الليثيوم: يتم وصف تفاصيل تقنيات الاقلاع والنقش الرطب خطوة بخطوة. يتم عرض النتائج التمثيلية لنمط القطب المترسب على الركيزة وكذلك أداء SAW المتولدة على السطح بالتفصيل. كما يتم تغطية الحيل تلفيق واستكشاف الأخطاء وإصلاحها. يوفر هذا الإجراء بروتوكولًا عمليًا لتصنيع جهاز SAW عالي التردد وتكامله لتطبيقات microfluidics المستقبلية.

Introduction

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

الاعتماد على تأثير معكوس كهربائي مُعَد معروف، حيث تخلق ثنائيات القطب الذرية سلالة مطابقة لتطبيق حقل كهربائي، بلورات كهرضغطية مثل الليثيوم niobate LiNbO3 (LN)، الليثيوم التنتاليت LiTaO3 (LT)، يمكن استخدامها كمحولات كهربائية لتوليد منشار للتطبيقات الدقيقة,,,,5,6. من خلال تمكين توليد النزوح تصل إلى 1 نانومتر في 10-1000 ميغاهرتز، واهتزازات التي يحركها SAW يتغلب على العقبات النموذجية من الموجات فوق الصوتية التقليدية: تسارع صغير، وأطوال موجية كبيرة، وحجم الجهاز الكبير. وقد تسارعت مؤخرا البحوث لمعالجة السوائل والجسيمات العالقة، مع عدد كبير من الاستعراضات الأخيرة ويمكن الوصولإليها 7،8،9،10.

تصنيع أجهزة microfluidic المندمجة المنشار يتطلب تصنيع الأقطاب الكهربائية - محول بين الدرجية (IDT)11- على الركيزة الكهروضوئية لتوليد المنشار. تخلق الأصابع على شكل مشط ضغطًا وتوترات في الركيزة عند توصيلها بمدخل كهربائي متناوب. وقد تم تقديم تصنيع أجهزة SAW في العديد من المنشورات، سواء باستخدام الاقلاع قبالة التصوير الضوئي فوق البنفسجي جنبا إلى جنب مع المعادن الثرثرة أو عمليات النقش الرطب10. ومع ذلك ، فإن نقص المعرفة والمهارات في تصنيع هذه الأجهزة هو حاجز رئيسي لدخول العديد من المجموعات البحثية إلى acoustofluidics ، حتى اليوم. لتقنية الاقلاع12،13،14، يتم إنشاء طبقة القربان (ضوئي) مع نمط معكوس على السطح ، بحيث عندما يتم إيداع المادة المستهدفة (المعدنية) على الرقاقة بأكملها ، يمكن أن تصل إلى الركيزة في المناطق المطلوبة ، تليها خطوة "الاقلاع" لإزالة ناظر التصوير المتبقي. على النقيض من ذلك ، في عملية النقش الرطب15،16،17،18، يتم إيداع المعدن أولا على رقاقة ثم يتم إنشاء photoresist مع نمط مباشر على المعدن ، لحماية المنطقة المطلوبة من "الحفر" بعيدا عن طريق النقش المعدني.

في التصميم الأكثر استخداما، IDT مستقيم، الطول الموجي للتردد رنانة من الجهاز SAW يتم تعريفها من خلال دورية أزواج الأصابع، حيث عرض الإصبع والتباعد بين الأصابع على حد سواء Equation /419. من أجل تحقيق التوازن بين كفاءة نقل التيار الكهربائي وتأثير تحميل الكتلة على الركيزة ، يتم تحسين سمك المعدن المودع على المواد الكهروضوئية لتكون حوالي 1 ٪ من الطول الموجي SAW20. يمكن أن يحدث التسخين المترجم من خسائر أوميتش21، يحتمل أن يؤدي فشل الإصبع السابق لأوانه ، إذا تم إيداع معادن غير كافية. من ناحية أخرى، يمكن أن يؤدي فيلم معدني سميك بشكل مفرط إلى انخفاض في التردد الرنانة لـ IDT بسبب تأثير التحميل الجماعي ويمكن أن يخلق تجاويف صوتية غير مقصودة من الـ IDTs، مما يعزل الموجات الصوتية التي تولدها عن الركيزة المحيطة. ونتيجة لذلك، تختلف معلمات الأشعة الضوئية والأشعة فوق البنفسجية المختارة في تقنية الإقلاع، تبعاً لتصاميم مختلفة لأجهزة SAW، وخاصة التردد. هنا، ونحن وصف بالتفصيل عملية الاقلاع من إنتاج جهاز 100 ميغاهرتز SAW توليد على الوجهين مصقول 0.5 مم سميكة 128 درجة Y-تدوير LN رقاقة، فضلا عن عملية النقش الرطب لتصنيع جهاز 100 ميغاهرتز من تصميم متطابقة. يقدم نهجنا نظام microfluidic يتيح التحقيق في مجموعة متنوعة من المشاكل الفيزيائية والتطبيقات البيولوجية.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

1. تصنيع الجهاز SAW عن طريق طريقة الإقلاع

  1. أداء رقاقة تنظيف المذيبات في منشأة غرفة نظيفة فئة 100 عن طريق غمر 4 " (101.6 مم) LN رقاقة في الأسيتون، تليها الكحول الأيزوبروبيل (IPA)، ثم المياه الأيونية (DI الماء)، كل في حمام صوتنة لمدة 5 دقائق. التقاط رقاقة وتفجير السطح الجاف مع النيتروجين (N2)تدفق الغاز لإزالة المياه DI المتبقية من رقاقة.
    تنبيه: قم بأداء الاسيتون و IPA في غطاء أبخرة. تجنب الاستنشاق وتلامس الجلد مع IPA. تجنب ملامسة الجلد والعين مع الأسيتون. لا تبتلع.
    ملاحظة: لا تسمح لأي سائل بالتبخر على الرقاقة؛ إذا كان أي غبار أو حطام على السطح، تبدأ هذه الخطوة من جديد.
  2. ضع الرقاقة على لوحة ساخنة عند 100 درجة مئوية لبرباك لمدة 3 دقائق.
    ملاحظة: بسبب خاصية البيروهئية من LN، فإنه سيتم توليد شحنات ثابتة والإجهاد المرتبطة بها داخل رقاقة أثناء التدفئة والتبريد. من المستحسن وضع رقاقة على قطعة من الألومنيوم (Al) احباط بعد إزالته من لوحة ساخنة للافراج عن التهم الثابتة وتجنب كسره.
  3. ضع الرقاقة على معطف تدور. باستخدام القطارة، وتغطي حوالي 75٪ من سطح رقاقة مع photoresist السلبية (NR9-1500PY). ابرمج سرعة 500 دورة في الدقيقة مع تسارع 3000 دورة في الدقيقة في الثانية لمدة 5 ثوان ثم سرعة 3500 دورة في الدقيقة مع تسارع 3000 دورة في الدقيقة / ثانية لمدة 40 ثانية ، لإنتاج طبقة من نا photoresist حوالي 1.3 ميكرومتر.
    تنبيه: قم بأداء طلاء الدوران في غطاء الدخان. يمكن أن يسبب استنشاق أبخرة الضوئية الصداع.
    ملاحظة: قد يختلف سمك اعتمادا على حالة من photoresist و معطل الدوران المستخدمة، حتى مع نفس إعدادات الدوران. قد يكون نسج photoresist وراء الحافة وعلى حافة الويفر في obvers; يجب إزالة هذا باستخدام مسحة الأسيتون دووسد. اليسار الحاضر، وسوف عصا photoresist عصا رقاقة إلى hotplate خلال خبز لينة.
  4. لخبز لينة، ووضع رقاقة على الساخن في 100 درجة مئوية، رفع درجة الحرارة تصل إلى 150 درجة مئوية، عقد في 150 درجة مئوية لمدة 1 دقيقة. ثم نقل رقاقة من hotplate، والسماح للوافر يبرد في الهواء إلى درجة حرارة الغرفة (RT).
    ملاحظة: بسبب تأثير البيروتية، إذا تم تغيير درجة حرارة رقاقة LN فجأة، على سبيل المثال، عن طريق نقل رقاقة LN مباشرة على الرقاقة أو القعر في 150 درجة مئوية، فإن الصدمة الحرارية داخل رقاقة من المرجح أن تحطم ذلك. ووجود معدن غير مُتَسَدٍ على السطح، مثل الأقطاب الكهربائية، يعزز هذا الخطر بشكل كبير. في التطبيقات التي لا تكون فيها شفافية LN مهمة ، فكر في استخدام ما يسمى بـ "أسود" LN أو أكثر دقة في تقليل LN ، وهو بني داكن وشفاف ولكنه لا يذكر في الطاقة الحرارية.
  5. نقل رقاقة إلى قناع محاذاة (MLA150) للتعرض للأشعة فوق البنفسجية. فضح مُنَسِر التصوير الضوئي بجرعة طاقة 400 mJ/cm2 عند 375 نانومتر. قد تختلف الجرعة المطلوبة حسب تصميم القناع وعمر وحالة أخصائي التصوير.
    ملاحظة: يجب أن يكون اتجاه انتشار الموجة المستحث بواسطة IDTs على طول اتجاه نشر X من أجل إنشاء المنشار بشكل فعال. وبعبارة أخرى، وهذا يعني أن "أصابع" IDT يجب أن تكون عمودية على اتجاه المحور س. يضع مصنعو رقاقة LN النموذجية الشقة الأساسية (الأكبر) رقاقة (حافة مستقيمة إلى جانب رقاقة) عموديًا على المحور X ، لذلك يجب أن تكون أصابع IDT موازية لهذه الشقة. بعض الشركات المصنعة إدخال الثانية (أصغر) رقاقة شقة للمساعدة في الإشارة إلى الاتجاهات Y- و Z-المحور، ولكن هذا التفصيل غير مهم لتوليد SAW. مصنعين غالباً ما تطلب مواصفات للانتهاء من سطح رقاقة; إذا كنت بحاجة إلى رقاقة شفافة، وطلب الويفر مصقول بصريا على الوجهين. ومع ذلك، نضع في اعتبارنا أن LN هو birefringent، لذلك أي كائن مضيئة مع ضوء المختبر القياسية وينظر من خلال المواد لن تنتج واحدة ولكن صورتين. التغلب على هذه المشكلة هو مناقشتها في وقت لاحق. LN مصقول من جانب واحد هو خيار أفضل لجيل SAW إذا كنت لا تحتاج إلى أن ترى من خلال رقاقة، لأن الموجات الصوتية زائفة تنتشر من قبل سطح الظهر الخام.
  6. ضع الرقاقة على لوحة ساخنة عند 100 درجة مئوية لمدة 3 دقائق لخبز ما بعد التعرض. ثم نقله على احباط Al والسماح لها لتبرد إلى RT.
    ملاحظة: يجب أن تكون الأنماط مرئية بعد خبز ما بعد التعرض. إذا لم يكن كذلك، والنظر في تجريد المصور وإعادة تشغيل العملية أكثر من الخطوة 1.1 أعلاه.
  7. تطوير رقاقة عن طريق وضعه في كوفر مليئة المطور RD6 نقية لمدة 15 ثانية. هز بلطف منقار أثناء التنمية. تزج رقاقة في المياه DI لمدة 1 دقيقة، ثم شطف رقاقة تحت تدفق المياه DI. وأخيراً، استخدم تدفق N2 الجاف لإزالة ماء DI المتبقي من الرقاقة. لا تدع أي سائل يتبخر على سطح الرقاقة.
    تنبيه: طوّر الرقاقة في غطاء أبخرة. تجنب التنفس في الأبخرة أو الاتصال المطور مع العينين والجلد.
    ملاحظة: اكتمل التصوير الضوئي بعد هذه الخطوة. يمكن إيقاف البروتوكول مؤقتًا هنا.
  8. خبز الثابت رقاقة على الساخنة في 100 درجة مئوية لمدة 3 دقائق. ثم نقله على احباط Al والسماح لها لتبرد إلى RT.
    ملاحظة: هذه الخطوة هي لإزالة أي رطوبة من رقاقة وphotoresist لمنع في وقت لاحق outgassing أثناء الخفقان.
  9. لترسب الأقطاب، ضع الرقاقة في نظام ترسب البصق. فراغ الغرفة إلى 5 × 10-6 mTorr. استخدام تدفق الأرغون 2.5 mTorr، الكروم بصق (Cr) مع قوة 200 واط ل5 نانومتر كطبقة التصاق، تليها الال بصق مع قوة 300 واط ل400 نانومتر لتشكيل أقطاب موصلة.
    ملاحظة: ينبغي حساب وقت الترسب من السمك المتوقع ومعدل الترسب. التيتانيوم (Ti) يمكن استخدامها بدلا من الكروم، على الرغم من أن عملية الإزالة هو أكثر صعوبة، لأن تي هو أكثر صرامة. كما يُودع الذهب (Au) عادةً كأقطاب كهربائية. ومع ذلك ، بالنسبة لأجهزة SAW ذات التردد العالي ، يجب أن تحل Al محل Au لتجنب تأثيرات التحميل الجماعي لأصابع Au IDT ، والتي تقلل من التردد الرنان المحلي SAW تحت IDT ، مما يشكل تجويفًا صوتيًا لا يمكن للمصاب بالإفلات منه إلا مع فقدان كبير.
  10. لعملية الإقلاع، نقل رقاقة إلى منقار ويغمر في الأسيتون. Sonicate في شدة متوسطة لمدة 5 دقائق. شطف مع DI الماء وتجفيف رقاقة مع تدفق N2.
    تنبيه: استخدم الأسيتون في غطاء الدخان. تجنب الاستنشاق والجلد أو العين مع اتصال الأسيتون. لا تبتلع.
    ملاحظة: يمكن أن يكون مؤقتاً البروتوكول هنا.
  11. استخدام المنشار dicing لنرد رقاقة كاملة في قطع صغيرة من رقائق وأجهزة SAW لمزيد من التطبيقات.
    ملاحظة: اكتمال العملية. يمكن إيقاف البروتوكول مؤقتًا هنا.
    ملاحظة: بدلا من المنشار، يمكن استخدام كاتب رقاقة الماس يميل (أو حتى القاطع الزجاج) لنرد رقاقة LN مع بعض الممارسة، على الرغم من أنه نظرا ل anisotropy من LN من المهم أن ناسخ وكسر رقاقة الأولى على طول خطوط الكاتب عمودي على محور س،تليها تلك الخطوط على طول المحور س.

2. تصنيع الجهاز SAW عن طريق طريقة النقش الرطب

  1. تنظيف المذيبات رقاقة: في منشأة غرفة نظيفة فئة 100 عن طريق غمر 4 " (101.6 مم) LN رقاقة في الأسيتون، تليها IPA، ثم DI المياه، كل في حمام صوتنة لمدة 5 دقائق. التقط رقاقة وتجفيف السطح باستخدام N2 لإزالة المياه DI المتبقية من رقاقة.
    تنبيه: استخدم الأسيتون و IPA في غطاء الدخان. تجنب الاستنشاق وتلامس الجلد مع IPA. تجنب ملامسة الأسيتون مع الجلد والعينين. لا تبتلع.
  2. ضع الرقاقة على لوحة ساخنة عند 100 درجة مئوية للمعالجة الحرارية لمدة 3 دقائق. ثم نقله على احباط آل لتهدئة إلى RT.
  3. ضع الرقاقة في نظام ترسبات البصق. فراغ الغرفة إلى 5 × 10-6 mTorr. استخدام تدفق الأرجون في 2.5 mTorr، ستر Cr مع قوة 200 واط ل5 نانومتر كطبقة التصاق، تليها التخبط الاتحاد الافريقي مع قوة 300 واط لمدة 400 نانومتر لتشكيل الأقطاب موصل.
    ملاحظة: يمكن أن يكون مؤقتاً البروتوكول هنا.
  4. ضع الرقاقة على معطف تدور. باستخدام القطارة، تغطية حوالي 75٪ من سطح رقاقة مع photoresist إيجابية (AZ1512). قم ببرمجة سرعة 500 دورة في الدقيقة مع تسارع 3000 دورة في الدقيقة في الثانية لمدة 10 ثوانٍ ثم سرعة 4000 دورة في الدقيقة مع تسارع 3000 دورة في الدقيقة في الثانية لمدة 30 ثانية ، مما ينتج في نهاية المطاف طبقة من الضوئي حول 1.2 ميكرومتر.
    تنبيه: قم بأداء طلاء الدوران في غطاء الدخان. يمكن أن يسبب استنشاق أبخرة الضوئية الصداع.
  5. لخبز لينة، ووضع رقاقة على الساخن في 100 درجة مئوية لمدة 1 دقيقة. ثم نقله على احباط Al والسماح لها لتبرد إلى RT.
  6. نقل رقاقة إلى قناع محاذاة (MLA150) للتعرض للأشعة فوق البنفسجية. فضح مُنَسِر التصوير بجرعات من الطاقة 150 م ي/سم2 عند 375 نانومتر. قد تختلف الجرعة المطلوبة حسب تصميم القناع وعمر وحالة أخصائي التصوير.
  7. ضع الرقاقة في منبر مملوء بمطور AZ300MIF النقي لمدة 30 ثانية. تزج رقاقة في المياه DI لمدة 1 دقيقة، ثم شطف رقاقة تحت تدفق المياه DI. وأخيراً، استخدم تدفق N2 الجاف لإزالة ماء DI المتبقي من الرقاقة. لا تدع أي سائل يتبخر على سطح الرقاقة.
    تنبيه: تجنب الاتصال بـ AZ300MIF مع الجلد أو العينين. لا تبتلع.
  8. تزج الرقاقة في منقار مليئة بحفر الاتحاد الافريقي لمدة 90 ثانية، يهز بلطف منقار. بعد شطف رقاقة تحت تدفق المياه DI، الجافة مع تدفق N2 لإزالة المياه DI المتبقية من رقاقة. لا تدع أي سائل يتبخر على سطح الرقاقة.
    تنبيه: يمكن أن يكون ننق الذهب خطرًا على العينين والجلد، وسيسبب تهيجًا في التنفس. تتطلب هذه الخطوة المزيد من معدات الحماية الشخصية (PPE) ، مثل زجاج الأمان ، قفازات النيوبرين السوداء ، المئزر ، إلخ.
  9. تزج رقاقة في منقار مليئة بالحفر Cr لمدة 20 ثانية، يهز بلطف منقار. بعد شطف رقاقة تحت تدفق المياه DI، الجافة مع تدفق N2 لإزالة المياه DI المتبقية من رقاقة. لا تدع أي سائل يتبخر على سطح الرقاقة.
    تنبيه: يمكن أن يسبب خناش الكروم تهيج العين والجلد والجهاز التنفسي. وتتطلب هذه الخطوة أيضاً المزيد من معدات الوقاية الشخصية.
  10. تنظيف رقاقة (عينة) ، عن طريق وضعه في الأسيتون ، تليها IPA ، وDI المياه في حمام سونيكيشن لمدة 5 دقائق لكل منهما. التقاط رقاقة وجافة مع تدفق الغاز N2 على سطح رقاقة لإزالة المياه DI المتبقية من رقاقة.
    تنبيه: استخدم الأسيتون في غطاء الدخان. تجنب الاستنشاق والجلد اتصال الأسيتون مع الجلد والعينين. لا تبتلع.
    ملاحظة: هذه الخطوة لإزالة ضوئي غير مرغوب فيه على رقاقة. يمكن إيقاف البروتوكول مؤقتًا هنا.
  11. استخدام المنشار dicing لنرد رقاقة كاملة في أجهزة SAW منفصلة لمزيد من الاستخدام.
    ملاحظة: اكتمال العملية. يمكن إيقاف البروتوكول مؤقتًا هنا.

3. الإعداد التجريبي والاختبار

  1. مراقبة جهاز SAW تحت المجهر البصري مشرق المجال.
    ملاحظة: ربما تكون هناك خدوش عبر الطبقات المعدنية على LN. عموما أنها لن تسبب تأثيرا ملحوظا من أداء الجهاز، طالما أن الخدوش ليست عميقة بما يكفي لنتيجة في الدائرة المفتوحة.
  2. بالنسبة لـ حركية المنشار، قم بتوصيل الممتصات عند كلا الطرفين على طول اتجاه الانتشار لجهاز SAW لمنع الموجات الصوتية المنعة من الحواف.
  3. استخدم مولد إشارة لتطبيق حقل كهرباء الجيوب الأنفية على IDT عند تردده الرنان الذي حوالي 100 ميغاهيرتز. يجب توصيل مكبر للصوت لتضخيم الإشارة.
  4. استخدام منظار لقياس الجهد الفعلي، الحالية والطاقة المطبقة على الجهاز. يتم قياس السعة والتردد استجابة من SAW بواسطة دوبلر بالليزر (LDV); يتم تسجيل حركة قطرة SAW-actuated باستخدام كاميرا عالية السرعة تعلق على المجهر.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

تم تصميم IDT الذي سيتم قياسه ليكون تردداً رناناً عند MHz 100، حيث أن عرض الإصبع والتباعد بينهما 10 ميكرومتر، مما ينتج طولاً موجيًا يبلغ 40 ميكرومترًا. ويبين الشكل 1 جهاز SAW وIDT ملفقة باستخدام هذه الطريقة.

باستخدام إشارة كهربائية متذبذبة مطابقة للتردد الرنانة من IDT، يمكن أن تولد SAW عبر سطح المواد الكهروضوئية. وLDV يقيس الاهتزاز عن طريق تأثير دوبلر على السطح، ومن خلال معالجة الإشارة، يمكن الحصول على معلومات مثل السعة والسرعة والتسارع والطور وعرضها باستخدام البرنامج. نحن نُوضِّح استجابة الترددات تحت اكتساح التردد من 90 إلى 105 ميغاهيرتز، مع قوة إدخال تبلغ 140 ميغاواط، والجهد من الذروة إلى الذروة من 70 فولت، وتيار الذروة إلى الذروة من 720 mA. وكما يشير الشكل 2B، فإن سعة الـ SAW هي 19.444 مساءً على تردد رنان يبلغ 96.5844 ميغاهيرتز. ويعزى الانخفاض الطفيف في التردد من تصميم MHz 100 إلى التحميل الشامل للأقطاب المعدنية IDT. ويوضح الشكل 2 ألف الاهتزاز الذي يقاس LDV لمينا على السطح، ويظهر أنه ينتشر من الـ IDTs. نسبة الموجة الدائمة (SWR) تحسب لتكون 2.06، تحدد باستخدام نسبة السعة القصوى إلى الحد الأدنى من السعة (SWR = 1 لموجة سفر نقية بينما SWR = ∞ لموجة دائمة نقية)، مما يشير إلى أنه تم الحصول على موجة سفر جيدة هنا.

كما أظهرنا حركة قطرة sessile التي تم تشغيلها بواسطة جهاز SAW، تحت إدخال إشارة تردد واحد (80.6 ميغاواط) عند رنينها (96.5844 ميغاهيرتز). A 0.2 μL قطرات هو pipetted على LN حوالي 1 مم بعيدا عن IDT (انظر الشكل 3A). عندما ينشر المنشار ويصادف قطرات الماء على السطح، فإنه "يتسرب" في السائل في زاوية رايلي ،بسبب فارق المعاوقة من LN إلى الماء، وتحسب كنسبة من سرعة الصوت في هذين الوسائط،

Equation 1

وأكدت زاوية القذف الموضحة في الشكل 3B وجود SAW.

Figure 1
الشكل 1: صور الأجهزة المصنعة. (أ) وهو IDT الذهب القطب مع فتحة 7 ملم على الركيزة LN لتوليد 100 ميغاهرتز SAW وانتشار. (ب) أصابع IDT. مقياس شريط: 200 μm. (الصواعق على اليسار هي العاكسات لمنع فقدان الطاقة.) Inset يوضح الأصابع في أكبر التكبير. شريط مقياس: 50 μm. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 2
الشكل 2: قياس LDV لجهاز SAW. (أ) لقطة من موجة السفر التي تم إنشاؤها بواسطة IDT. و SAW الحالي على الركيزة LN كما أنها تنتشر من IDT. وقد تم تحديد المرحلة عن طريق مسح الرأس LDV لقياس في مواقع متعددة، مع المرحلة المشار إليها على إشارة المدخلات الكهربائية. (ب)استجابة التردد (السعة مقابل التردد) لجهاز SAW من 90 MHz إلى 105 ميغاهيرتز يتضمن رنينه عند 96.5844 ميغاهيرتز مع 19.444 pm السعة عند مستوى الإدخال من 140 ميغاواط من LDV. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 3
الشكل 3: القذف الناتج عن المنشار. (A) الإعداد التجريبي لـ sessile الناجمة عن المنشار على LN. شريط مقياس: 5 ملم (B) SAW هو نشر من اليسار إلى اليمين في الصور. القذف قطرة, في زاوية رايلي تقريبا (22°) يحدث في 80.6 mW مدخلات الطاقة. شريط مقياس: 1 مم. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 4
الشكل 4: مخطط للتصوير الضوئي اليسار على الركيزة. (أ)عند استخدام جهاز التصوير الضوئي الإيجابي ، فقد شكل شبه منحرف غير مرغوب فيه بعد التطوير. إيداع المعادن على هذا السطح يجعل عملية الاقلاع اللاحقة صعبة وعرضة للفشل. (ب) ومع ذلك، باستخدام photoresist السلبية تنتج شكل شبه مقلوب مع التراكم،مما يجعل من الأسهل بكثير إلى حل الضوفير الكامنة وإزالة المعدن أثناء الإقلاع. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

أجهزة SAW ملفقة من أي من الأسلوبين قادرة على توليد موجات السفر مفيدة على السطح، وهذه الأساليب تدعم عمليات أكثر تعقيدا لإنتاج تصاميم أخرى. التردد الرنانة عادة ما يكون أقل قليلا من القيمة المصممة ، وذلك بسبب تأثير التحميل الجماعي للمعدن المودع على القمة. ومع ذلك ، لا تزال هناك بعض النقاط التي تستحق المناقشة لتجنب المشاكل.

طريقة الاقلاع
اختيار من photoresist المهم. فمن الممكن استخدام مصور ضوئي إيجابي للتلفيق، والتي، مع ذلك، سيكون أكثر صعوبة. لأن يتم حل فوترسوسي unexposed، الجزء الذي ترك على الركيزة سوف تشكل شكل شبه منحرف، وخاصة مع underexposure، كما مبالغ فيها في الشكل 4A. فإن المعدن sputtered على الجزء العلوي من مثل هذا photoresist منع المذيب من اختراق ويؤدي إلى صعوبات في إزالته خلال خطوة الاقلاع. من ناحية أخرى، تتم إزالة المناطق التي تتعرض للأشعة فوق البنفسجية من photoresist السلبية، وكما هو مبين في الشكل 4B، وعادة ما يتم تشكيل شبه المنحرف مع التراكب الذي يجعل خطوة الاقلاع أسهل بكثير.

وبصرف النظر عن مشكلة الاقلاع من ناظر ضوئي إيجابي، والأصابع في نهاية المطاف أن تكون أضيق قليلا من مصممة، أي، فإن التباعد بينهما تكون أكبر قليلا، وذلك بسبب شكل شبه منحرف. مع الفوتريستائية السلبية، التباعد أصغر. هذه الآثار تغيير طفيف تردد رنانة من نية التصميم.

عند استخدام الأشعة الضوئية السلبية، جرعة التعرض للأشعة فوق البنفسجية هو أمر بالغ الأهمية. نظرًا لمجموعة متنوعة من المعدات وأجهزة التصوير الضوئي والكواشف المتاحة اليوم ، فإن وقت التعرض المطلوب في عملية التصنيع الخاصة بك سوف يختلف على الأرجح. مراقبة نتيجة الجهاز ملفقة يمكن أن توجهك في محاولة لتحديد ما حدث من خطأ. يؤدي الإفراط في التعرض إلى أن تكون الأصابع أضيق والتباعد أوسع من التصميم. قد يترك التعرض الناقص بعضًا من أخصائيي التصوير بعد التطوير ، وفي هذه الحالة سيقشر المعدن في المنطقة المرغوبة مع الطبقة الرقيقة من أخصائية التصوير المتبقية بعد الإقلاع. في بعض الأحيان يميل الناس إلى استخدام رقاقة LN مصقول واحد ، كما ذكر أعلاه ، وهو أوبينسنت. سيتم زيادة الوقت والجرعة اللازمة للتعرض للأشعة فوق البنفسجية مع رقاقة من هذا القبيل، حيث يتم نشر الضوء في الجزء الخلفي.

الرطب طريقة الحفر
الخطوة الرئيسية لهذه الطريقة هي ضمان حل ناظر الصور تماما من المنطقة التي يحتاج فيها المعدن إلى أن يُنقَس بعيداً، وإلا سيتم حظر الحفر وسيفشل الطباعة الحجرية.

كما النقش المعدني هو متساوي، فإنه يحدث من خلال وعبر الطبقة المعدنية، مما يجعل الأصابع أضيق من مصممة. وبالتالي فإن أخصائي التصوير السلبي هو خيار أفضل في هذه التقنية لتقليل فقدان الميزة غير المرغوب فيها.

القيود
وتقتصر كلتا الطريقتين على تصنيع أحجام الميزات إلى أكبر من بضعة ميكرومترات. وفقا لخبرتنا في مرافقنا، يمكن دفع الحد إلى صغيرة مثل 2-3 μm. إذا كانت ميزات submicron مطلوبة، قد يتم استدعاء تقنيات التصنيع الأخرى.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

ليس لدى أصحاب البلاغ ما يكشفون عنه.

Acknowledgments

ويعرب المؤلفون عن امتنانهم لجامعة كاليفورنيا ومرفق NANO3 في جامعة كاليفورنيا في سان دييغو لتوفير الأموال والتسهيلات لدعم هذا العمل. وقد تم تنفيذ هذا العمل جزئيا في البنية التحتية لتكنولوجيا النانو في سان دييغو (SDNI) UCSD، وهو عضو في البنية التحتية الوطنية لتنسيق تكنولوجيا النانو، والتي تدعمها المؤسسة الوطنية للعلوم (Grant ECCS-1542148). وقد تم دعم العمل المقدم هنا بسخاء من خلال منحة بحثية من مؤسسة W.M. Keck. كما يعرب المؤلفان عن امتنانهما لدعم هذا العمل من قبل مكتب البحوث البحرية (عبر المنحة 12368098).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Ding, X., et al. Standing surface acoustic wave (SSAW) based multichannel cell sorting. Lab on a Chip. 12, (21), 4228-4231 (2012).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. Friend, J., Yeo, L. Y. Microscale acoustofluidics: Microfluidics driven via acoustics and ultrasonics. Reviews of Modern Physics. 83, (2), 647 (2011).
  8. Ding, X., et al. Surface acoustic wave microfluidics. Lab on a Chip. 13, (18), 3626-3649 (2013).
  9. 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).
  10. Connacher, W., et al. Micro/nano acoustofluidics: materials, phenomena, design, devices, and applications. Lab on a Chip. 18, (14), 1952-1996 (2018).
  11. White, R. M., Voltmer, F. W. Direct piezoelectric coupling to surface elastic waves. Applied Physics Letters. 7, (12), 314-316 (1965).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Smith, H. I. Fabrication techniques for surface-acoustic-wave and thin-film optical devices. Proceedings of the IEEE. 62, (10), 1361-1387 (1974).
  15. 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).
  16. Madou, M. J. Fundamentals of microfabrication: the science of miniaturization. CRC press. (2002).
  17. Köhler, M. Etching in Microsystem Technology. Wiley. (1999).
  18. Brodie, I., Muray, J. J. The physics of micro/nano-fabrication. Springer Science & Business Media. (2013).
  19. 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).
  20. Morgan, D. Surface acoustic wave filters: With applications to electronic communications and signal processing. Academic Press. (2010).
  21. 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).
تصنيع أجهزة الموجة الصوتية السطحية على Niobate الليثيوم
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

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).More

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter