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Engineering

Herstellung von Oberflächen-Akustikwellengeräten auf Lithium-Niobat

doi: 10.3791/61013 Published: June 18, 2020

Summary

Zwei Herstellungstechniken, Lift-off und Nassätzung, werden bei der Herstellung von interdigitalen Elektrodenwandlern auf einem piezoelektrischen Substrat beschrieben, Lithiumniobat, das weit verbreitet ist, um Oberflächen-Akustikwellen zu erzeugen, die jetzt einen breiten Nutzen in der Mikro- bis nanoskaligen Fluidik finden. Die produzierten Elektroden werden gezeigt, um effizient Megahertz-Ordnung Rayleigh Oberflächen-Akustikwellen zu induzieren.

Abstract

Die Manipulation von Flüssigkeiten und Partikeln durch akustische Betätigung in kleinem Maßstab unterstützt das schnelle Wachstum von Lab-on-a-Chip-Anwendungen. Megahertz-Order-Oberflächen-Akustikwellengeräte (SAW) erzeugen enorme Beschleunigungen auf ihrer Oberfläche, bis zu 108 m/s2, was wiederum für viele der beobachteten Effekte verantwortlich ist, die die Akustofluidik definieren: akustisches Streaming und akustische Strahlungskräfte. Diese Effekte wurden für die Handhabung von Partikeln, Zellen und Flüssigkeiten im Mikromaßstab – und sogar im Nanomaßstab – verwendet. In diesem Beitrag zeigen wir zwei hauptgefertigte Methoden von SAW-Geräten auf Lithiumniobat: Die Details der Abhebe- und Nassätztechniken werden Schritt für Schritt beschrieben. Repräsentative Ergebnisse für das auf dem Substrat abgelagerte Elektrodenmuster sowie die Leistung der auf der Oberfläche erzeugten SAW werden detailliert dargestellt. Fertigungstricks und Fehlerbehebung werden ebenfalls abgedeckt. Dieses Verfahren bietet ein praktisches Protokoll für die Herstellung und Integration von Hochfrequenz-SAW-Geräten für zukünftige Mikrofluidikanwendungen.

Introduction

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Unter Berufung auf den bekannten inversen piezoelektrischen Effekt, bei dem die atomaren Dipole eine Belastung erzeugen, die der Anwendung eines elektrischen Feldes entspricht, können piezoelektrische Kristalle wie Lithiumniobat LiNbO3 (LN), Lithium-Tantalit LiTaO3 (LT) als elektromechanische Messumformer verwendet werden, um SAW für Mikroskalige Anwendungen1,2,3,4,5,6. Durch die Erzeugung von Verschiebungen bis zu 1 nm bei 10-1000 MHz überwindet SAW-getriebene Vibration die typischen Hindernisse des herkömmlichen Ultraschalls: geringe Beschleunigung, große Wellenlängen und große Gerätegröße. Die Forschung zur Manipulation von Flüssigkeiten und Schwebstoffhatik hat sich in letzter Zeit beschleunigt, mit einer großen Anzahl neuerund zugänglicher Bewertungen7,8,9,10.

Die Herstellung von SAW-integrierten mikrofluidischen Geräten erfordert die Herstellung der Elektroden – des interdigitalen Transducers (IDT)11– auf dem piezoelektrischen Substrat, um das SAW zu erzeugen. Die kammförmigen Finger erzeugen Kompression und Spannung im Substrat, wenn sie mit einem abwechselnden elektrischen Eingang verbunden sind. Die Herstellung von SAW-Geräten wurde in vielen Publikationen vorgestellt, ob mit abhebt ultravioletter Photolithographie neben Metallsputations- oder Nassätzverfahren10. Der Mangel an Wissen und Fähigkeiten bei der Herstellung dieser Geräte ist jedoch ein haupthindernis für den Eintritt in die Akustofluidik vieler Forschungsgruppen, auch heute noch. Für die Abhebetechnik12,13,14wird auf einer Oberfläche eine Opferschicht (photoresist) mit einem inversen Muster erstellt, so dass, wenn das Zielmaterial (Metall) auf dem gesamten Wafer abgelagert wird, es das Substrat in den gewünschten Bereichen erreichen kann, gefolgt von einem "Lift-off"-Schritt, um den verbleibenden Photoresist zu entfernen. Im Gegensatz dazu wird das Metall im Nassätzverfahren15,16,17,18zuerst auf dem Wafer abgelagert und dann photoresist mit einem direkten Muster auf dem Metall erzeugt, um den gewünschten Bereich vor dem "Ätzen" durch eine Metalletchant zu schützen.

In einem am häufigsten verwendeten Design, der geraden IDT, wird die Wellenlänge der Resonanzfrequenz des SAW-Geräts durch die Periodizität der Fingerpaare definiert, wobei die Fingerbreite und der Abstand zwischen den Fingern beide Equation /419sind. Um die elektrische Stromübertragungseffizienz und den Massenbelastungseffekt auf dem Substrat auszugleichen, wird die Dicke des auf dem piezoelektrischen Material abgelagerten Metalls auf ca. 1% der SAW-Wellenlänge20optimiert. Lokalisierte Erwärmung durch Ohmsche Verluste21, die möglicherweise einen vorzeitigen Fingerversagen verursachen, kann auftreten, wenn nicht genügend Metall abgelagert wird. Andererseits kann eine zu dicke Metallfolie aufgrund einer Massenbelastung zu einer Verringerung der Resonanzfrequenz des IDT führen und möglicherweise unbeabsichtigte akustische Hohlräume aus den IDTs erzeugen, wodurch die akustischen Wellen, die sie aus dem umgebenden Substrat erzeugen, isoliert werden. Dadurch variieren die gewählten Photoresist- und UV-Belichtungsparameter in der Abhebetechnik, je nach unterschiedlichen Ausführungen von SAW-Geräten, insbesondere der Frequenz. Hier beschreiben wir detailliert den Abhebeprozess zur Herstellung eines 100 MHz SAW-Erzeugungsgeräts auf einem doppelseitig polierten 0,5 mm dicken 128° Y-rotierten GESCHNITTENen LN-Wafer sowie den Nassätzprozess zur Herstellung des 100 MHz-Geräts gleicher Bauart. Unser Ansatz bietet ein mikrofluidisches System, das die Untersuchung einer Vielzahl von physikalischen Problemen und biologischen Anwendungen ermöglicht.

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Protocol

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1. SAW-Gerätefertigung über die Abhebemethode

  1. Führen Sie die Wafer-Lösungsmittelreinigung in einer Reinraumanlage der Klasse 100 durch Eintauchen des 4" (101,6 mm) LN-Wafers in Aceton, gefolgt von Isopropylalkohol (IPA), dann entionisiertem Wasser (DI-Wasser), jeweils in einem Beschallungsbad für 5 min. Nehmen Sie den Wafer auf und blasen Sie die Oberfläche trocken mit Stickstoff (N2) Gasstrom, um das verbleibende DI-Wasser aus dem Wafer zu entfernen.
    VORSICHT: Führen Sie das Aceton und IPA-Eintauchen in eine Dunstabzugshaube aus. Vermeiden Sie Inhalation und Hautkontakt mit IPA. Vermeiden Sie Haut- und Augenkontakt mit Aceton. Nicht schlucken.
    HINWEIS: Lassen Sie keine Flüssigkeit auf dem Wafer verdampfen; wenn Staub oder Schmutz auf der Oberfläche, starten Sie diesen Schritt über.
  2. Legen Sie den Wafer bei 100 °C auf eine Kochplatte, um sie 3 min vorzubacken.
    HINWEIS: Aufgrund der pyroelektrischen Eigenschaft von LN erzeugt es statische Ladungen und damit verbundene Belastungen innerhalb des Wafers während des Erhitzens und Kühlens. Es wird empfohlen, den Wafer auf ein Stück Aluminium (Al) Folie zu legen, nachdem Sie ihn von der Kochplatte entfernt haben, um die statischen Ladungen loszulassen und zu vermeiden, dass er gebrochen wird.
  3. Legen Sie den Wafer auf einen Spincoater. Mit einem Trsetzer ca. 75% der Waferoberfläche mit negativem Photoresist (NR9-1500PY) abdecken. Programmieren Sie eine Geschwindigkeit von 500 Umdrehungen pro Minute mit einer Beschleunigung von 3.000 Umdrehungen pro Minute für 5 Sek. und dann eine Geschwindigkeit von 3.500 Umdrehungen pro Minute mit einer Beschleunigung von 3.000 Umdrehungen pro Minute für 40 Sek., um eine Photowiderstandsschicht von ca. 1,3 m zu erzeugen.
    VORSICHT: Führen Sie eine Spin-Beschichtung in einer Dunstabzugshaube durch. Das Einatmen von photoresisten Dämpfen kann Kopfschmerzen verursachen.
    HINWEIS: Die Dicke kann je nach Zustand des Photoresists und des verwendeten Spincoaters variieren, auch bei den gleichen Spin-Einstellungen. Der Photoresist kann über den Rand hinaus auf die Vorderseite des Wafers gesponnen werden; Dies muss mit einem Aceton-doused Tupfer entfernt werden. Links vorhanden, wird der Photoresist den Wafer während des soft bake an die Kochplatte kleben.
  4. Zum weichbacken, den Wafer bei 100 °C auf eine Kochplatte legen, die Temperatur auf 150 °C erhöhen, 1 min bei 150 °C halten. Dann bewegen Sie den Wafer von der Kochplatte, und lassen Sie den Wafer in der Luft auf Raumtemperatur (RT) abkühlen.
    HINWEIS: Wenn sich die Temperatur des LN-Wafers aufgrund des pyroelektrischen Effekts plötzlich ändert, z. B. indem der LN-Wafer bei 150 °C direkt auf die Kochplatte oder Al-Folie übertragen wird, wird der Wärmeschock innerhalb des Wafers ihn wahrscheinlich zerschmettern. Das Vorhandensein von ungleichmäßigem Metall auf der Oberfläche, wie Elektroden, erhöht dieses Risiko erheblich. In Anwendungen, bei denen die Transparenz der LN nicht wichtig ist, sollten Sie die Verwendung sogenannter "schwarzer" LN oder genauer reduzierter LN in Betracht ziehen, die dunkelbraun und durchscheinend ist, aber vernachlässigbare Pyroelektrizität hat.
  5. Übertragen Sie den Wafer auf den Maskenaligner (MLA150) für eine ultraviolette Belichtung. Setzen Sie den Photoresist mit einer Energiedosis2 von 400 mJ/cm2 bei 375 nm aus. Die benötigte Dosis kann je nach Maskendesign und Alter und Zustand des Photoresists variieren.
    HINWEIS: Die von IDTs induzierte Wellenausbreitungsrichtung sollte entlang der X-Ausbreitungsrichtung sein, um SAW effektiv zu erzeugen. Mit anderen Worten, dies impliziert, dass die "Finger" des IDT senkrecht zur X-Achsenrichtung sein sollten. Typische LN-Waferhersteller platzieren den primären (größeren) Wafer flach (gerade Kante neben dem Wafer) senkrecht zur X-Achse, so dass Ihre IDT-Finger parallel zu dieser Ebene sein sollten. Einige Hersteller führen eine zweite (kleinere) Waferflach ein, um die Y- und Z-Achse Richtungen anzuzeigen, aber dieses Detail ist für die SAW-Generation unwichtig. Hersteller verlangen häufig Spezifikationen für die Oberflächengüte des Wafers; Wenn Sie einen transparenten Wafer benötigen, fordern Sie doppelseitige optisch polierte Wafer an. Denken Sie jedoch daran, dass LN birefringent ist, so dass jedes Objekt, das mit Standard-Laborlicht beleuchtet und durch das Material gesehen wird, nicht ein, sondern zwei Bilder erzeugt. Die Überwindung dieses Problems wird später diskutiert. Einseitig polierte LN ist die bessere Wahl für die SAW-Generation, wenn Sie den Wafer nicht durchschauen müssen, da falsche akustische Wellen durch die raue Rückenfläche diffundiert werden.
  6. Legen Sie den Wafer bei 100 °C für 3 min für einen Backen nach der Belichtung auf eine Kochplatte. Dann auf Al-Folie übertragen und auf RT abkühlen lassen.
    HINWEIS: Die Muster sollten nach dem Backen nach der Belichtung sichtbar sein. Wenn dies nicht der Fall ist, sollten Sie den Photoresist entfernen und den Prozess von Schritt 1.1 oben neu starten.
  7. Entwickeln Sie den Wafer, indem Sie ihn 15 Sek. lang in einen Becher mit reinem RD6-Entwickler legen. Schütteln Sie den Becher während der Entwicklung vorsichtig. Den Wafer 1 min in DI-Wasser eintauchen und dann unter DI-Wasserfluss abspülen. Verwenden Sie schließlich den trockenenN2-Fluss, um das verbleibende DI-Wasser aus dem Wafer zu entfernen. Lassen Sie niemals Flüssigkeit auf der Waferoberfläche verdampfen.
    VORSICHT: Entwickeln Sie den Wafer in einer Dunstabzugshaube. Vermeiden Sie das Einatmen von Dämpfen oder die Kontaktaufnahme mit den Augen und der Haut.
    HINWEIS: Die Photolithographie ist nach diesem Schritt abgeschlossen. Das Protokoll kann hier angehalten werden.
  8. Den Wafer bei 100 °C 3 min auf einer Kochplatte hart backen. Dann auf Al-Folie übertragen und auf RT abkühlen lassen.
    HINWEIS: Dieser Schritt besteht darin, jegliche Feuchtigkeit aus dem Wafer und Photoresist zu entfernen, um eine spätere Ausgasung beim Sputtern zu verhindern.
  9. Für die Elektroden-Sputterabscheidung, legen Sie den Wafer in ein Sputter-Abscheidungssystem. Vakuumieren Sie die Kammer auf 5 x 10-6 mTorr. Verwenden Sie einen 2,5 mTorr Argonstrom, Sputtern chromium (Cr) mit einer Leistung von 200 W für 5 nm als Haftschicht, gefolgt von Sputter Al mit einer Leistung von 300 W für 400 nm, um die leitfähigen Elektroden zu bilden.
    HINWEIS: Die Abscheidungszeit sollte aus der erwarteten Dicke und der Abscheidungsrate berechnet werden. Titan (Ti) kann anstelle von Chrom verwendet werden, obwohl der Entfernungsprozess schwieriger ist, weil Ti härter ist. Gold (Au) wird auch häufig als Elektroden abgelagert. Bei höherfrequenten SAW-Geräten sollte Al Jedoch Au ersetzen, um die Massenbelastungseffekte der Au IDT-Finger zu vermeiden, die die lokale SAW-Resonanzfrequenz unter dem IDT reduzieren und einen akustischen Hohlraum bilden, aus dem die SAW nur mit erheblichem Verlust entkommen kann.
  10. Für den Abhebevorgang den Wafer in ein Becherglas geben und in Aceton eintauchen. Beschallen Sie bei mittlerer Intensität für 5 min. Spülen Sie mit DI-Wasser und trocknen Sie den Wafer mit N2 Durchfluss.
    VORSICHT: Verwenden Sie Aceton in einer Dunstabzugshaube. Vermeiden Sie Inhalation und Haut- oder Augenkontakt mit Aceton. Nicht schlucken.
    HINWEIS: Das Protokoll kann hier angehalten werden.
  11. Verwenden Sie eine Holzsäge, um den gesamten Wafer in kleine Stücke von Chips als SAW-Geräte für weitere Anwendungen zu würfeln.
    HINWEIS: Der Vorgang ist abgeschlossen. Das Protokoll kann hier angehalten werden.
    ANMERKUNG: Anstelle einer Säge kann ein diamantbesetzter Waferschreiber (oder sogar ein Glasschneider) verwendet werden, um den LN-Wafer mit etwas Übung zu würfeln, obwohl es aufgrund der Anisotropie von LN wichtig ist, den Wafer zuerst entlang der Schreiberlinien senkrecht zur X-Achsezu schreiben und zu brechen, gefolgt von diesen Linien entlang der X-Achse.

2. HERSTELLUNG von SAW-Geräten über die Nassätzungsmethode

  1. Wafer-Lösemittelreinigung: In einer Reinraumanlage der Klasse 100 durch Eintauchen des 4" (101,6 mm) LN-Wafers in Aceton, gefolgt von IPA, dann DI-Wasser, jeweils in einem Beschallungsbad für 5 min. Nehmen Sie den Wafer auf und trocknen Sie die Oberfläche mit N2, um das restliche DI-Wasser aus dem Wafer zu entfernen.
    VORSICHT: Verwenden Sie Aceton und IPA in einer Dunstabzugshaube. Vermeiden Sie Inhalation und Hautkontakt mit IPA. Vermeiden Sie Acetonkontakt mit Haut und Augen. Nicht schlucken.
  2. Legen Sie den Wafer bei 100 °C zur thermischen Behandlung für 3 min auf eine Kochplatte. Dann übertragen Sie es auf Al-Folie, um auf RT abzukühlen.
  3. Legen Sie den Wafer in ein Sputterabscheidungssystem. Vakuumieren Sie die Kammer auf 5 x 10-6 mTorr. Verwenden Sie Argonstrom bei 2,5 mTorr, spututter Cr mit einer Leistung von 200 W für 5 nm als Haftschicht, gefolgt von sputternden Au mit einer Leistung von 300 W für 400 nm, um die leitfähigen Elektroden zu bilden.
    HINWEIS: Das Protokoll kann hier angehalten werden.
  4. Legen Sie den Wafer auf einen Spincoater. Mit einem Trsetzer ca. 75% der Waferoberfläche mit positivem Photoresist abdecken (AZ1512). Programmieren Sie eine Geschwindigkeit von 500 Umdrehungen pro Minute mit einer Beschleunigung von 3.000 Umdrehungen pro Minute für 10 Sek. und dann eine Geschwindigkeit von 4.000 Umdrehungen pro Minute mit einer Beschleunigung von 3.000 Umdrehungen pro Minute für 30 Sek., wodurch letztendlich eine Photowiderstandsschicht von etwa 1,2 m erzeugt wird.
    VORSICHT: Führen Sie eine Spin-Beschichtung in einer Dunstabzugshaube durch. Das Einatmen von photoresisten Dämpfen kann Kopfschmerzen verursachen.
  5. Zum weichen Backen den Wafer bei 100 °C für 1 min auf eine Kochplatte legen. Dann auf Al-Folie übertragen und auf RT abkühlen lassen.
  6. Übertragen Sie den Wafer auf den Maskenaligner (MLA150) für eine ultraviolette Belichtung. Setzen Sie den Photoresist mit einer Energiedosis2 von 150 mJ/cm2 bei 375 nm aus. Die benötigte Dosis kann je nach Maskendesign und Alter und Zustand des Photoresists variieren.
  7. Legen Sie den Wafer 30 Sek. lang 30 Sek. in einen Becher, der mit reinem AZ300MIF-Entwickler gefüllt ist. Schütteln Sie den Becher während der Entwicklung vorsichtig. Den Wafer 1 min in DI-Wasser eintauchen und dann unter DI-Wasserfluss abspülen. Verwenden Sie schließlich den trockenenN2-Fluss, um das verbleibende DI-Wasser aus dem Wafer zu entfernen. Lassen Sie niemals Flüssigkeit auf der Waferoberfläche verdampfen.
    VORSICHT: Vermeiden Sie den Kontakt zu AZ300MIF mit Haut oder Augen. Nicht schlucken.
  8. Tauchen Sie den Wafer 90 Sek. lang in einen mit Au etchant gefüllten Becher ein, der den Becher sanft schüttelt. Nach dem Spülen des Wafers unter DI-Wasserfluss, trocknen Sie mitN2 Durchfluss, um das verbleibende DI-Wasser aus dem Wafer zu entfernen. Lassen Sie niemals Flüssigkeit auf der Waferoberfläche verdampfen.
    VORSICHT: Gold etchant kann für Augen und Haut gefährlich sein und Atemwegsreizungen verursachen. Dieser Schritt erfordert mehr persönliche Schutzausrüstung (PSA), wie Sicherheitsglas, schwarze Neoprenhandschuhe, Schürze, etc.
  9. Tauchen Sie den Wafer 20 Sek. lang in einen mit Cr etchant gefüllten Becher ein, der den Becher sanft schüttelt. Nach dem Spülen des Wafers unter DI-Wasserfluss, trocknen Sie mitN2 Durchfluss, um das verbleibende DI-Wasser aus dem Wafer zu entfernen. Lassen Sie niemals Flüssigkeit auf der Waferoberfläche verdampfen.
    VORSICHT: Chrom etchant kann Augen-, Haut- und Atemwegsreizungen verursachen. Dieser Schritt erfordert auch mehr PSA.
  10. Reinigen Sie den (Probe-)Wafer, indem Sie ihn in Aceton, gefolgt von IPA, und DI-Wasser in einem Beschallungsbad für jeweils 5 min. Nehmen Sie den Wafer auf und trocknen Sie mitN2 Gasfluss über die Oberfläche des Wafers, um das verbleibende DI-Wasser aus dem Wafer zu entfernen.
    VORSICHT: Verwenden Sie Aceton in einer Dunstabzugshaube. Vermeiden Sie Inhalation und Hautkontakt Aceton mit Haut und Augen. Nicht schlucken.
    HINWEIS: In diesem Schritt wird der unerwünschte Photoresist auf dem Wafer entfernt. Das Protokoll kann hier angehalten werden.
  11. Verwenden Sie eine Streusäge, um den gesamten Wafer in diskrete SAW-Geräte für die weitere Verwendung zu würfeln.
    HINWEIS: Der Vorgang ist abgeschlossen. Das Protokoll kann hier angehalten werden.

3. Versuchsaufbau und -prüfung

  1. Beobachten Sie das SAW-Gerät unter der optischen Lichtfeldmikroskopie.
    HINWEIS: Möglicherweise gibt es Kratzer über den Metallschichten auf dem LN. Im Allgemeinen verursachen sie keinen nennenswerten Einfluss auf die Geräteleistung, solange die Kratzer nicht tief genug sind, um zu einem offenen Kreislauf zu führen.
  2. Befestigen Sie bei der SAW-Betätigung Absorber an beiden Enden entlang der Ausbreitungsrichtung der SAW-Vorrichtung, um reflektierte akustische Wellen von den Rändern zu verhindern.
  3. Verwenden Sie einen Signalgenerator, um ein sinusförmiges elektrisches Feld auf das IDT mit seiner Resonanzfrequenz von etwa 100 MHz anzuwenden. Ein Verstärker sollte angeschlossen werden, um das Signal zu verstärken.
  4. Verwenden Sie ein Oszilloskop, um die tatsächliche Spannung, den Strom und die Auf-Leistung des Geräts anzumessen. Die Amplitude und der Frequenzgang des SAW werden mit einem Laser-Doppler-Vibrometer (LDV) gemessen; Die SAW-betätigte Tröpfchenbewegung wird mit einer am Mikroskop befestigten Hochgeschwindigkeitskamera aufgezeichnet.

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Representative Results

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Die zu messende IDT ist so konzipiert, dass sie eine Resonanzfrequenz bei 100 MHz aufweist, da die Fingerbreite und der Abstand zwischen ihnen 10 m betragen und eine Wellenlänge von 40 m erzeugen. Abbildung 1 zeigt das SAW-Gerät und IDT, die mit dieser Methode hergestellt wurden.

Mit einem oszillierenden elektrischen Signal, das auf die Resonanzfrequenz des IDT abgestimmt ist, kann SAW über die Oberfläche des piezoelektrischen Materials erzeugt werden. Der LDV misst die Schwingung über den Doppler-Effekt auf der Oberfläche und durch Signalverarbeitung konnten Informationen wie Amplitude, Geschwindigkeit, Beschleunigung und Phase mit der Software erfasst und angezeigt werden. Wir veranschaulichen den Frequenzgang unter einem Frequenz-Sweep von 90 bis 105 MHz mit einer Eingangsleistung von 140 mW, einer Spitzenspannung von 70 V und einem Spitzenstrom von 720 mA. Wie Abbildung 2B zeigt, beträgt die Amplitude des SAW 19.444 pm bei einer Resonanzfrequenz von 96,5844 MHz. Die leichte Frequenzreduzierung gegenüber dem 100 MHz-Design ist auf die Massenbelastung der Metall-IDT-Elektroden zurückzuführen. Abbildung 2A zeigt die LDV-gemessene Schwingung der SAW auf der Oberfläche, die sich nachweislich von den IDTs aus ausbreitet. Das Stehwellenverhältnis (SWR) wird auf 2,06 berechnet, bestimmt durch das Verhältnis der maximalen Amplitude zur minimalen Amplitude (SWR = 1 für eine reine Reisewelle, während SWR = für eine reine Stehwelle), was darauf hindeutet, dass hier eine gute Reisewelle erreicht wurde.

Wir demonstrierten auch die Bewegung eines sessile Tröpfchens, das vom SAW-Gerät unter einem einzigen Frequenzsignaleingang (80,6 mW) bei seiner Resonanz (96,5844 MHz) betätigt wurde. Ein 0,2 L-Tröpfchen wird auf LN etwa 1 mm vom IDT entfernt pipetiert (siehe Abbildung 3A). Wenn sich die SAW ausbreitet und auf das Wassertröpfchen auf der Oberfläche trifft, "leckt" es im Rayleigh-Winkelin die Flüssigkeit, wegen des Impedanzunterschieds von LN zu Wasser, und berechnet als das Verhältnis der Schallgeschwindigkeit in diesen beiden Medien,

Equation 1

Der in Abbildung 3B dargestellte Jetting-Winkel bestätigte das Vorhandensein von SAW.

Figure 1
Abbildung 1: Bilder von hergestellten Geräten. (A) Eine Goldelektrode IDT mit 7 mm Blende auf einem LN-Substrat für 100 MHz SAW-Erzeugung und -Vermehrung. (B) Die Finger des IDT. Maßstabsleiste: 200 m. (Die Gitter auf der linken Seite sind Reflektoren, um Energieverlust zu verhindern.) Der Einset zeigt die Finger bei einer größeren Vergrößerung. Maßstabsleiste: 50 m. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 2
Abbildung 2: LDV-Messung des SAW-Geräts. (A) Eine Momentaufnahme der vom IDT generierten Reisewelle. Die SAW, die auf dem LN-Substrat vorhanden ist, während sie sich aus dem IDT ausbreitet. Die Phase wurde durch Scannen des LDV-Kopfes bestimmt, um an mehreren Stellen zu messen, wobei die Phase auf das elektrische Eingangssignal verwiesen wird. (B) Ein Frequenzgang (Amplitude vs. Frequenz) des SAW-Geräts von 90 MHz bis 105 MHz umfasst seine Resonanz bei 96,5844 MHz mit 19.444 pm Amplitude bei einem Eingangspegel von 140 mW aus dem LDV. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 3
Abbildung 3: SAW-induziertes Tröpfchen-Jetting. (A) Der Versuchsaufbau für SAW-induzierte sessile Tropfenbetätigung auf LN. Maßstabsleiste: 5 mm. (B) SAW breitet sich in den Bildern von links nach rechts aus. Das Tröpfchen-Jetting, bei etwa dem Rayleigh-Winkel (22°) erfolgt bei 80,6 mW Leistungsaufnahme. Maßstabsleiste: 1 mm. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 4
Abbildung 4: Schema für Photoresist links auf dem Substrat. (A) Wenn positiver Photoresist verwendet wird, hat es eine unerwünschte trapezförmige Form nach der Entwicklung. Das Ablagern von Metall auf einer solchen Oberfläche macht den anschließenden Abhebevorgang schwierig und ausfallanfällig. (B) Die Verwendung eines negativen Photoresist erzeugt jedoch eine invertierte trapezförmige Form mit Überhang,was es viel einfacher macht, den zugrunde liegenden Photowiderstand aufzulösen und das Metall beim Abheben zu entfernen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

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Discussion

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SAW-Geräte, die aus beiden Methoden hergestellt werden, sind in der Lage, nützliche Wanderwellen auf der Oberfläche zu erzeugen, und diese Methoden unterstützen komplexere Prozesse, um andere Designs zu erzeugen. Die Resonanzfrequenz ist in der Regel etwas niedriger als der vorgesehene Wert, aufgrund der Massenbelastungswirkung des oben abgelagerten Metalls. Es gibt jedoch noch einige Punkte, die diskutiert werden sollten, um Probleme zu vermeiden.

Lift-off-Methode
Die Wahl des Photoresist ist wichtig. Es ist möglich, einen positiven Photoresist für die Herstellung zu verwenden, was jedoch schwieriger sein wird. Da der nicht exponierte Photowiderstand aufgelöst wird, bildet das auf dem Substrat zurückgelassene Teil eine trapezförmige Form, insbesondere bei Unterbelichtung, wie in Abbildung 4Aübertrieben. Das Metall, das auf der Oberseite eines solchen Photowiderstands gesputtert wird, verhindert, dass das Lösungsmittel eindringt und führt zu Schwierigkeiten beim Entfernen während des Abhebeschritts. Auf der anderen Seite werden UV-exponierte Bereiche eines negativen Photowiderstands entfernt, und, wie in Abbildung 4Bdargestellt, wird typischerweise ein invertiertes Trapezmittier mit Überhang gebildet, der das Abheben von Schritten viel einfacher macht.

Abgesehen von dem Abhebeproblem des positiven Photowiderstands werden die Finger schließlich etwas schmaler sein als vorgesehen, d.h. der Abstand zwischen ihnen wird aufgrund der trapezförmigen Form etwas größer sein. Bei negativem Photoresist ist der Abstand kleiner. Diese Effekte verändern die Resonanzfrequenz von der Entwurfsabsicht leicht.

Bei Verwendung von negativem Photoresist ist die UV-Expositionsdosis von entscheidender Bedeutung. Aufgrund der Vielzahl von Geräten, Photoresisten und Reagenzien, die heute verfügbar sind, variiert die Belichtungszeit, die in Ihrem Herstellungsprozess erforderlich ist, sehr wahrscheinlich. Die Beobachtung des Ergebnisses des hergestellten Geräts kann Sie bei dem Versuch, zu bestimmen, was schief gelaufen ist, führen. Eine Überbelichtung führt dazu, dass die Finger schmaler und der Abstand breiter als vorgesehen ist. Eine Unterbelichtung kann einen Teil des Photowiderstands nach der Entwicklung hinterlassen, in diesem Fall wird das Metall im gewünschten Bereich zusammen mit der dünnen Schicht des verbleibenden Photowiderstands nach dem Abheben abblättern. Manchmal neigen Menschen dazu, einen einzigen polierten LN-Wafer zu verwenden, wie oben erwähnt, der opaleszierend ist. Die Zeit und Dosis, die für die UV-Exposition mit einem solchen Wafer erforderlich ist, wird erhöht, da das Licht auf der Rückseite diffundiert wird.

Nassätzungsmethode
Der wichtigste Schritt für diese Methode ist, sicherzustellen, dass der Photoresist vollständig aus dem Bereich gelöst wird, in dem Metall weggeätzt werden muss, sonst wird der Etchant blockiert und die Lithographie wird ausfallen.

Da die Metallätzung isottrop ist, tritt sie sowohl durch als auch über die Metallschicht auf, wodurch die Finger schmaler als vorgesehen sind. Negativer Photoresist ist daher eine bessere Wahl in dieser Technik, um den unerwünschten Funktionsverlust zu reduzieren.

Einschränkungen
Beide Methoden sind auf die Herstellung von Feature-Größen auf mehr als wenige Mikrometer beschränkt. Nach unserer Erfahrung in unseren Anlagen kann der Grenzwert auf bis zu 2-3 m gedrückt werden. Wenn Submikron-Features erforderlich sind, können andere Fertigungstechniken in Anspruch genommen werden.

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Disclosures

Die Autoren haben nichts zu verraten.

Acknowledgments

Die Autoren danken der University of California und der NANO3-Einrichtung an der UC San Diego für die Bereitstellung von Mitteln und Einrichtungen zur Unterstützung dieser Arbeit. Diese Arbeiten wurden zum Teil an der San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) von UCSD durchgeführt, einem Mitglied der National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, die von der National Science Foundation (Grant ECCS-1542148) unterstützt wird. Die hier vorgestellte Arbeit wurde großzügig durch ein Forschungsstipendium der W.M. Keck Stiftung unterstützt. Die Autoren sind auch dankbar für die Unterstützung dieser Arbeit durch das Office of Naval Research (über Grant 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

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Herstellung von Oberflächen-Akustikwellengeräten auf Lithium-Niobat
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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).

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