通过用于声学纳米流体的尼奥布精锂结合表面声波驱动纳米高通道的制造

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Summary

通过提升光刻、纳米深度反应离子蚀刻和室温等离子体,演示了纳米高通道的制造,通过提升光刻、纳米深度反应离子蚀刻和室温等离子体,将表面声波驱动装置集成在硅基硅基硅基上单晶尼欧比锂的表面激活多层粘接,这一工艺同样适用于将氮化锂与氧化物粘接。

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Zhang, N., Friend, J. Fabrication of Nanoheight Channels Incorporating Surface Acoustic Wave Actuation via Lithium Niobate for Acoustic Nanofluidics. J. Vis. Exp. (156), e60648, doi:10.3791/60648 (2020).

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Abstract

由于表面和粘性力的支配,流体的受控纳米级操作异常困难。兆赫级表面声波(SAW)装置在其表面产生巨大的加速度,高达108米/s2,反过来负责许多观测到的效应,这些效应已经定义了声流和声辐射力。这些效应已用于微尺度上的粒子、细胞和流体操作,尽管最近SAW已经用于通过一套完全不同的机制在纳米尺度上产生类似的现象。可控纳米级流体操作为超快流体泵送和生物大分子动力学提供了广泛的机会,可用于物理和生物应用。在这里,我们演示通过与 SAW 器件集成的室温锂牛醇(LN)粘合进行纳米级高通道制造。我们描述了整个实验过程,包括通过干蚀刻进行纳米高通道制造、在尼奥布妥锂上进行等离子激活粘接、后续成像的适当光学设置以及 SAW 驱动。在SAW诱导的纳米级通道中,我们展示了流体毛细管填充和流体排泄的代表性结果。本程序为纳米级通道的制造和与SAW器件的集成提供了实用的协议,对于未来的纳米流体应用非常有用。

Introduction

纳米通道中可控制的纳米级流体传输 —纳米流体1– 与大多数生物大分子在相同的长度尺度上发生,在生物分析和传感、医疗诊断和材料加工方面很有前景。在过去的十五年里,纳米流体学中已经开发出各种设计和模拟技术,以操纵流体和粒子悬浮液,这些流体和粒子悬浮液基于温度梯度2、库仑拖曳3、表面波4、静态电场5、6、7和热泳8。最近,SAW 被证明产生纳米级流体泵送和排水,具有足够的声压,以克服表面和粘性力的支配性,否则会阻碍纳米通道中有效的流体输送。声学流的主要优点是能够驱动纳米结构中的有用流量,而不必担心流体或颗粒悬浮液的化学细节,使得利用该技术的设备立即在生物分析、传感和其他物理化学应用中有用。

SAW 集成纳米流体器件的制造需要在压电基板上制造电极(数字间传感器(IDT)),以方便产生 SAW。反应性子蚀刻 (RIE) 用于在单独的 LN 片中形成纳米级凹陷,两块的 LN-LN 粘合产生有用的纳米通道。SAW器件的制造工艺已在许多出版物中介绍,无论是使用正常或升空的紫外线光刻,同时使用金属溅射或蒸发沉积11。对于LN RIE工艺蚀刻特定形状的通道,研究了蚀刻速率和通道最终表面粗糙度对选择不同LN方向、掩膜材料、气体流量和等离子功率的影响等离子体表面活化已被用来显著增加表面能量,从而提高在氧化物,如LN17,18,19,20粘合的强度。同样,通过两步等离子体活性粘接方法21,也可以异构地将LN与其他氧化物(如SiO2(玻璃)结合。特别是室温LN-LN粘合,已使用不同的清洗和表面活化处理22进行调查。

在这里,我们详细介绍了制造40兆赫SAW集成100纳米高度纳米通道(通常称为纳米通道)的过程(1A)。通过SAW驱动进行有效的流体毛细管填充和流体排空证明了纳米光制造和SAW性能在这种纳米级通道中的有效性。我们的方法提供了一个纳米-细胞流体系统,能够调查各种物理问题和生物应用。

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Protocol

1. 纳米高通道掩膜制备

  1. 光刻:使用描述纳米高度通道所需形状的图案(图1B),使用正常的光刻和提升程序在LN晶圆中产生纳米高度凹陷。这些凹陷在晶圆粘接后将成为纳米高度通道。
    注:本协议中纳米级凹陷的横向尺寸为微尺度。电子束或He/Ne孔束光刻可用于制造具有纳米级横向尺寸的通道;基于Ga+的电束光刻导致膨胀和不均匀的基板型材23。两个 LN 晶圆的方向应匹配,否则,热应力可能导致晶圆或它们之间的键失效。
  2. 溅射沉积,以保护区域免受干蚀刻:将晶圆放入溅射沉积系统中。将腔室真空降至 5 x 10-6 mTorr,让 Ar 以 2.5 mTorr 的速度流动,并在 200 W 下溅射 Cr 产生 400 nm 厚的牺牲面膜,在下文步骤 3 中使用时,将阻止反应性电子蚀刻。
  3. 提升:将晶圆转移到具有足够丙酮的烧杯中,以完全浸没晶圆。以中等强度进行10分钟的声波,用DI水冲洗,用干燥的N2流干燥晶圆。
  4. 分切:使用切块锯将整个晶圆切成单个芯片,每个芯片(通常)一个纳米片模式。
    注: 可以在此处暂停该协议。

2. 纳米高通道制造

  1. 反应性子蚀刻(RIE):使用RIE将纳米级凹陷蚀刻到LN基板未覆盖的区域。祭品所覆盖的区域将受到保护,免受蚀刻。将 RIE 功率设置为 200W,将腔室加热至 50°C,将腔室真空降至 20 mTorr,将 SF6流量设置为 10 sccm,并蚀刻 20 分钟,在 LN 中产生 120 nm 深纳米光。
  2. 通道入口和出口孔钻孔:使用双面胶带,将蚀刻 LN 芯片连接到小钢板上,将板连接到培养皿的底部。培养皿应足够大,以允许完全浸入 LN 芯片和钢板。将培养皿中注水,使切屑完全浸没。将直径为 0.5 mm 的金刚石钻头连接到钻床,以至少 10,000 rpm 的高速钻孔以加工所需的入口和出口。钻过0.5毫米厚的基板大约需要10至15 s24(图1B)。
    注:钻孔时浸泡可防止钻头部位过度加热和颗粒干扰。其他类型的钻头不太可能工作,而且据我们所知,手钻不可能以任何速度进行。建议钻头转速达到 10,000 rpm 或更高,以避免粉碎 LN。
  3. C 湿蚀刻:使用金刚石尖雕刻笔清楚地标记钻孔 LN 的扁平、凹陷面,以跟踪纳米高度通道位于其余步骤中的哪一侧。在Cr蚀刻中声波的芯片。
    注: 可以在此处暂停该协议。在去除Cr后,很难确定LN芯片的哪一侧具有蚀刻的纳米级凹陷。声波时间取决于蚀刻速率和 Cr 蒙版厚度。

3. 室温等离子体激活粘接

  1. 溶剂清洁LN芯片:收集芯片对——一个SAW器件(由普通光刻、溅射沉积和提升程序制成)和一个蚀刻纳米级凹陷芯片,为粘接做准备。将芯片对浸入放在声波浴和声波中2分钟的丙酮烧杯中,将芯片转移到甲醇和声波1分钟,将芯片转移到DI水中。
  2. Piranha 清洁:在通风良好的罩中将食人鱼酸制备,专用于使用酸,在 H2SO4 (96%) 中加入 H2O2(水中 30%)以 1:3 的比例。将所有芯片放入铁氟龙支架中。将支架放入烧杯中,将所有芯片浸入食人鱼溶液中 10 分钟,然后依次在两个单独的 DI 水浴中冲洗芯片和支架。用干N2干燥芯片,并立即将其转移到氧气(O2)等离子激活设备中,在搬运过程中将其覆盖,以避免污染。
    注意:Piranha溶液具有高腐蚀性,具有很强的氧化性,而且是危险的。遵守您所在机构处理它们的具体规则,但至少要格外小心,并佩戴适当的安全设备。工作完成后,食人鱼溶液必须冷却至少一小时,然后倒入专用废物容器。
    注:有必要在两个DI水浴中冲洗LN芯片两次。一旦把它们弄脏,留下残留物,可能会破坏粘结。金电极用于IDT,因为它们对食人鱼溶液具有良好的抗性。
  3. 等离子体表面激活:使用功率为120 W的等离子体激活芯片表面,同时暴露于O2流量120 sccm 150s。立即将样品转移到新鲜的DI水浴中至少2分钟。
    注:等离子体表面处理迅速,随后DI水浸注将在LN表面形成羟基组,增加其自由表面能量,以稍后促进粘接。
  4. 室温粘合:用干燥的 N2流量干燥样品,并小心地将纳米片片放在所需位置的 SAW 设备芯片上。重新对齐以生成所需的方向。然后,使用钳子或类似,从样品的中心向下推下启动粘结。在初始推送后无法粘结的区域轻轻向下推。
    注: 通过透明 LN 很容易看到粘合。保税区是完全透明的。LN 不是双面抛光将更难评估。
  5. 粘合后加热:将粘合样品放入弹簧夹中,在热膨胀的情况下安全地施加负载,并在室温 (25°C) 下将夹紧样品放入烤箱中。将烤箱加热温度设定为300°C,斜坡速率至最高2°C/min,入住时间至2小时,然后自动关闭,使其与夹紧样品内自然冷却至室温。
    注: 可以在此处暂停该协议。羟基组之间的粘结在粘结处产生水,加热可去除水以显著提高粘结强度。适度的夹紧力就足够了。尝试将两个不同方向或材料的芯片粘合可能会导致由于不匹配的热膨胀和随之而来的应力而产生裂纹。

4. 实验设置和测试

  1. 观察:在倒置显微镜下观察纳米光。在光路径中包括和旋转线性偏振滤波器,以适当阻止 LN 中基于双极的映像加倍。使用超纯DI水通过入口观察已完成的纳米照明中的流体运动。
    注:强烈建议使用超纯液体,以防止堵塞,尤其是在蒸发后。
  2. SAW 驱动:在 SAW 设备末端安装吸收器,以防止反射声波。使用信号发生器将正弦电场应用于IDT,其谐振频率约为40 MHz。使用放大器放大信号。使用示波器测量施加到设备的实际电压、电流和功率。使用连接到显微镜的摄像机记录在纳米灯内 SAW 驱动过程中的流体运动。

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Representative Results

在成功制造和粘接SAW集成纳米流体器件后,我们在纳米高度LN分片中进行流体毛细管归档和SAW诱导流体排空。表面声波由IDT在IDTs的谐振频率为40 MHz时由放大的正弦信号驱动产生,SAW通过压电LN基板传播到纳米光。可以用倒置显微镜观察与SAW相互作用的纳米光中流体的行为。

我们演示液体毛细管填充在100纳米高通道的不同宽度。图 2显示了超纯 DI 水的毛细管填充到两个 100 nm 高通道中,一个 400 μm 宽,另一个 40 μm 宽。超纯水滴通过入口输送到纳米灯中。毛细管力驱动整个纳米灯的流体填充,由于毛细管力较大,填充通道较窄,发生得更快。可以使用不同粘度和表面张力的其他流体进行毛细管力驱动流体填充,也可以使用其他高度的纳米层来产生不同的结果。

我们还通过克服毛细管压力,演示了 SAW 诱导的流体在纳米通道中的排空。100nm高狭缝中的水已被排空,以显示一个水-空气接口,其最大长度位于中间(图3),表示SAW设备中间的最大声能。利用纳米灯产生的强声压,使用等离子表面激活室温LN粘接方法,也显示出良好的粘接强度。施加大约 1 W 的阈值施加功率,才能迫使声压大于毛细管压力,并驱动可见的排空现象(图4)。表示流体表面能量的空气腔的最大长度与施加的声功率有线性关系。它为流体驱动和潜在的纳米生物分子操作提供了有效的工具。可以进一步研究使用不同通道高度和宽度的SAW排空各种流体的效果。

Figure 1
图 1:制造设备的图像。A) 左侧:在 LN 基板上具有 0.7 mm 孔径的金色电极 IDT,用于 40 MHz SAW 的生成和传播。中间、右侧:与SAW集成的粘结LN纳米灯装置,用于流体驱动。一枚一便士硬币在底部显示为刻度参考。(B) 各种反应-电子蚀刻纳米高通道LN芯片以铬牺牲面膜结构显示,在钻取500μm直径孔后,用于流体入口和出口。比例尺:5毫米。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 2
图2:液体毛细管填充100纳米高通道。A1-A4)随着时间的推移,超纯水通过毛细管力被吸入400μm宽的纳米光中,分别在开始(0秒)和1、2和4秒后显示。在迷信的顶部可以看到小水滴。(B1-B4)随着时间的推移,超纯水通过毛细管力被吸入40μm宽的纳米光中,分别在开始(0秒)和0.1、0.3和1秒后显示,表明由于少量液体的毛细管力较大,填充速度更快。在迷信顶部的小凹陷是用钳子撞击表面的证据。刻度条:400 μm。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 3
图3:SAW诱导流体在1毫米宽100纳米高度纳米光下排出。A-C)水填充纳米灯以40兆赫SAW排出,应用功率分别为1.31 W、2.04 W和2.82 W。SAW 在图像中从上到下传播。粘合区域和纳米线区域之间的界面线是可见的:注意颜色变化。刻度条:200 μm。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 4
图4:SAW引起的气腔长度与SAW施加功率有关。去润空腔长度大致线性取决于施加的功率。施加的功率应提供大于纳米灯毛细管压力的声压,从而导致流体排水。在这种情况下,出现排水的阈值应用功率约为 1 W。请点击此处查看此图的较大版本。

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Discussion

室温粘接是制造SAW集成纳米照明器件的关键。需要考虑五个方面,以确保成功的粘接和足够的粘接强度。

等离子表面激活的时间和功率
增加等离子体功率将有助于增加表面能量,从而增加粘合强度。但是,在等离子体表面激活过程中增加功率的缺点是表面粗糙度的增加,这可能会对纳米光的制造和流体输送性能产生不利影响。已经表明,等离子体表面的激活时间无助于增加表面能量后一定的时间21。因此,需要定义等离子体激活时间和功率,以最大化表面能量,但不能以牺牲表面粗糙度增加为代价。

粘合前清洁芯片
由于粘接后只有一个纳米级高度通道,任何微尺寸的粒子都会成为巨大的障碍,并导致粘接失败。Piranha 清洁用于清除芯片表面的所有有机碎屑。清洁后,强烈建议使用清洁的容器盖住碎屑并防止污染。

粘合前 LN 芯片对的方向
由于 LN 的各向异性,目前粘接上下 LN 芯片需要相同的材料方向。否则,在制造过程中会导致残余应力和开裂。由于各向异性,它也会在纳米灯的顶部和底部表面之间造成不同的SAW特性。因此,强烈建议将两个具有相同材料方向的 LN 芯片粘接。

上部和下部芯片的对齐
我们目视地执行手动对齐和粘合。引入信托标记和适当的显微镜辅助对齐粘接肯定会提高器件质量和产量。

启动室温粘接后的烤箱加热温度
在较高温度下加热将有助于加强粘结。为我们的 LN 粘接工艺加热到 300°C 可产生至少 1 MPa 粘接强度,因为它在与 SAW 的纳米光中保持可比毛细管和声学压力时保持完好。

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Disclosures

作者没有什么可透露的。

Acknowledgments

作者感谢加州大学和加州大学圣地亚哥分校的NANO3设施为支持这项工作提供了资金和设施。这项工作部分在UCSD的圣地亚哥纳米技术基础设施(SDNI)进行,该基础设施是国家纳米技术协调基础设施的成员,得到了国家科学基金会(Grant ECCS_1542148)的支持。这里介绍的工作得到了W.M.Keck基金会的研究资助。作者还感谢海军研究办公室(通过格兰特12368098)对这项工作的支持。

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
Developer Futurrex, NJ, USA RD6
Diamond tip engraving pen Malco, Memphis, TN, USA Malco A50 USA Made Carbide Tipped Scribe
Dicing saw Disco, Tokyo, Japan Disco Automatic Dicing Saw 3220
Heating oven Carbolite, Hope Valley, UK HTCR 6/28 High Temperature Clean Room Oven - HTCR
Hole driller Dremel, Mount Prospect, Illinois Model #4000 4000 High Performance Variable Speed Rotary
Inverted microscope Amscope, Irvine, CA, USA IN480TC-FL-MF603
Lithium niobate substrate PMOptics, Burlington, MA, USA PWLN-431232 4" double-side polished 0.5 mm thick 128° Y-rotated cut lithium niobate
Mask aligner Heidelberg Instruments, Heidelberg, Germany MLA150
Nano3 cleanroom facility UCSD, La Jolla, CA, USA Fabrication process is performed in it.
Negative photoresist Futurrex, NJ, USA NR9-1500PY
Oscilloscope Keysight Technologies, Santa Rosa, CA, USA InfiniiVision 2000 X-Series
Plasma surface activation PVA TePla, Corona, CA, USA PS100 Tepla Asher
Polarizer sheet Edmund Optics, Barrington, NJ, USA #86-182
RIE etcher Oxford Instruments, Abingdon, UK Plasmalab 100
Signal generator NF Corporation, Yokohama, Japan WF1967 multifunction generator
Sputter deposition Denton Vacuum, NJ, USA Denton 18 Denton Discovery 18 Sputter System
Teflon wafer dipper ShapeMaster, Ogden, IL, USA SM4WD1 Wafer Dipper 4"

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References

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