리튬 니오바테에 표면 음향 파 장치의 제조

요약

두 가지 제조 기술, 리프트 오프 및 습식 에칭, 압전 기판에 디지털 전극 변환기를 생산에 설명, 리튬 niobate, 널리 표면 음향 파를 생성하는 데 사용되는 나노 스케일 유체에 마이크로에서 광범위한 유틸리티를 찾는. 생산된 전극은 레일리 표면 음향파를 효율적으로 유도하는 것으로 나타났다.

초록

작은 규모의 음향 작동에 의한 유체 및 입자를 조작하면 랩 온 어칩 애플리케이션의 급속한 성장을 돕고 있습니다. Megahertz 주문 표면 음향 파 (SAW) 장치는 표면에 엄청난 가속을 생성, 최대 10⁸ m/s^2,차례로 acoustofluidics를 정의하기 위해 온 관찰 효과의 많은 책임: 음향 스트리밍 및 음향 방사선 힘. 이러한 효과는 마이크로 스케일에서 입자, 세포 및 유체 처리에 사용되었으며 나노 스케일에서도 사용되었습니다. 이 논문에서 우리는 명시적으로 리튬 niobate에 SAW 장치의 두 가지 주요 제조 방법을 보여줍니다 : 리프트 오프 및 젖은 에칭 기술의 세부 사항은 단계별로 설명된다. 기판에 증착된 전극 패턴에 대한 대표적인 결과와 표면에 생성된 SAW의 성능은 상세히 표시됩니다. 제작 트릭과 문제 해결도 적용됩니다. 이 절차는 향후 미세 유체 화 응용 프로그램에 대한 고주파 SAW 장치 제조 및 통합을위한 실용적인 프로토콜을 제공합니다.

서문

원자 이폴이 전기장의 적용에 대응하는 변형을 생성하는 잘 알려진 역 압전 효과에 의존하여, 리튬 닐로바테 LiNbO₃ (LN), 리튬 탄탈라이트 LiTaO 3 (LT)와 같은 압전 결정은^,마이크로 스케일 응용^1,2,,3,₃ ^{34,5, 5,마이크로}스케일 응용 제품에 대한^SAW를생성하는 전기 기계 변환기로 사용할 수 있습니다.⁶ 10-1000 MHz에서 최대 1nm의 변위 발생을 가능하게 함으로써 SAW 구동 진동은 소형 가속, 대형 파장 및 대형 장치 크기와 같은 전통적인 초음파의 전형적인 장애물을 극복합니다. 유체 및 중단된 입자를 조작하기 위한 연구가 최근 가속화되었으며,⁷최근^{7, 8,8,9,,10에}대한 많은 수의 리뷰가 있습니다.

SAW 통합 미세 유체 장치의 제조는 SAW를 생성하기 위해 압전 기판에 있는 디지털 트랜스듀서(IDT) ^11)인전극의 제조가 필요합니다. 빗 모양의 손가락은 교대전기 입력에 연결하면 기판의 압축과 장력을 생성합니다. SAW 장치의 제조는 금속 스퍼터 또는 습식 에칭^{공정(10)과}함께 리프트 오프 자외선 광석 촬영을 사용하든 많은 간행물에 제시되었다. 그러나 이러한 장치를 제작하는 데 있어 지식과 기술이 부족한 것은 오늘날에도 많은 연구 그룹이 유수 학적 유체학에 진입하는 데 핵심 적인 장벽입니다. 리프트오프^{기술(12,,13,,14)의}경우, 역패턴을 가진 희생층(photoresist)이 표면에 생성되어, 대상 재료(metal)가 전체 웨이퍼에 증착될 때, 원하는 부위의 기판에 도달할 수 있고, 나머지 사진 저항을 제거하는 "리프트오프" 단계. 대조적으로, 습식 에칭^{공정(15,,16,,17,,18)에서}금속은 먼저 웨이퍼에 증착된 다음, 포토레지스트는 금속에 직접 패턴으로 생성되어 금속 에탕트에 의해 원하는 영역을 "에칭"으로부터 보호한다.

가장 일반적으로 사용되는 설계에서, 직선 IDT, SAW 장치의 공진 주파수의 파장은 손가락 쌍의 주기성에 의해 정의되며, 손가락 너비와 손가락 사이의 간격은 모두 /4^19이다. 기판에 대한 전류 전송 효율과 질량 하중 효과의 균형을 맞추기 위해, 압전 재료에 증착된 금속의 두께는 SAW^{파장(20)의}약 1%로 최적화된다. 오믹^{손실(21)의}국산 가열은 조기 손가락 고장을 유발할 수 있으며, 금속이 부족하면 발생할 수 있다. 한편, 지나치게 두꺼운 금속 필름은 대량 적재 효과로 인해 IDT의 공진 주파수를 감소시킬 수 있으며, IDT로부터 의도하지 않은 음향 캐비티를 생성할 수 있으며, 주변 기판에서 발생하는 음향 파를 분리할 수 있다. 그 결과, 선택한 포토레지스트 및 UV 노출 파라미터는 SAW 장치의 다양한 설계, 특히 주파수에 따라 리프트 오프 기술에 따라 다릅니다. 여기서는 양면 연마 된 0.5mm 두께의 128 ° Y 회전 컷 LN 웨이퍼에 100 MHz SAW 생성 장치를 생산하는 리프트 오프 프로세스뿐만 아니라 동일한 디자인의 100 MHz 장치를 제작하는 젖은 에칭 공정을 자세히 설명합니다. 우리의 접근 방식은 다양한 물리적 인 문제와 생물학적 응용 프로그램의 조사를 가능하게하는 미세 유체 시스템을 제공합니다.

프로토콜

1. 리프트 오프 방법을 통해 SAW 장치 제조

1. 4"(101.6 mm) LN 웨이퍼를 아세톤에 담그고, 이소프로필 알코올(IPA), 디워터(DIwater)를 5분 동안 초음파 처리 욕조에 넣고, 웨이퍼를 집어 들고_질소(N2)가스로 표면건조를 날려 남은 디퍼를 제거하여 웨이퍼 용매 세척을 수행한다.
   주의: 연기 후드에 아세톤과 IPA 몰입을 수행합니다. 흡입 및 IPA와 피부 접촉을 피하십시오. 아세톤으로 피부와 눈의 접촉을 피하십시오. 삼키지 마십시오.
   참고: 웨이퍼에서 유체가 증발하는 것을 허용하지 마십시오. 표면에 먼지나 이물질이 있으면 이 단계를 시작합니다.
2. 웨이퍼를 핫플레이트에 100°C로 놓아 3분간 미리 굽습니다.
   참고: LN의 파이로전 특성으로 인해 가열 및 냉각 시 웨이퍼 내에서 정적 충전 및 관련 응력이 생성됩니다. 웨이퍼를 뜨거운 플레이트에서 제거한 후 알루미늄(Al) 호일에 넣어 정적 충전을 해제하고 파손하지 않는 것이 좋습니다.
3. 웨이퍼를 스핀 코터에 놓습니다. 드롭퍼를 사용하여 웨이퍼 표면의 약 75%를 음의 포토레지스트(NR9-1500PY)로 덮습니다. 5초 동안 3,000rpm/s의 가속을 가진 500rpm의 속도를 프로그래밍한 다음 3,500rpm의 속도를 40초 동안 3,000rpm/s의 가속으로 1.3 μm 정도의 포토레지스트 레이어를 생성합니다.
   주의: 연기 후드에서 스핀 코팅을 수행합니다. 포토레지스트 연기의 흡입은 두통을 일으킬 수 있습니다.
   참고: 두께는 동일한 스핀 설정에서도 포토레지스트와 사용된 스핀 코터의 상태에 따라 달라질 수 있습니다. 포토레지스트는 가장자리를 넘어 웨이퍼의 비뚤어진 가장자리로 스폰될 수 있습니다. 아세톤 사용 면봉을 사용하여 제거해야 합니다. 왼쪽 현재, 포토 레지스트는 부드러운 베이킹 동안 핫 플레이트에 웨이퍼를 붙입니다.
4. 부드러운 베이킹을 위해 웨이퍼를 핫플레이트에 100°C로 올려 최대 150°C까지 올라가 150°C에서 1분간 유지합니다. 그런 다음 웨이퍼를 핫플레이트에서 이동하고 웨이퍼를 공기 중에서 실온(RT)으로 식힙니다.
   참고: 열전 효과로 인해 LN 웨이퍼의 온도가 갑자기 변경되는 경우, 예를 들어 LN 웨이퍼를 핫플레이트 또는 알 호일로 직접 이송하여 150°C에서, 웨이퍼 내의 열 충격이 산산조각날 가능성이 높다. 전극과 같은 표면에 균일하지 않은 금속이 존재하면 이러한 위험이 크게 향상됩니다. LN의 투명성이 중요하지 않은 응용 분야에서는 소위 "블랙" LN 또는 더 정확하게 감소된 LN을 사용하는 것이 좋습니다.
5. 웨이퍼를 자외선 노출을 위해 마스크 리정렬기(MLA150)로 옮춥니다. 375 nm에서 400 mJ / cm^2의 에너지 용량으로 포토 레지스트를 노출하십시오. 필요한 용량은 마스크 디자인및 포토레지스트의 연령 및 상태에 따라 달라질 수 있습니다.
   참고: IDT에 의해 유도된 웨이브 전파 방향은 SAW를 효과적으로 생성하기 위해 X 전파 방향을 따라야 합니다. 즉, IDT의 "손가락"이 X축 방향에 수직이어야 한다는 것을 의미합니다. 일반적인 LN 웨이퍼 제조업체는 기본(웨이퍼와 함께 직선 가장자리)을 X축에 수직으로 배치하므로 IDT 손가락이 이 평면과 평행해야 합니다. 일부 제조업체는 Y 축 및 Z 축 방향을 나타내는 데 도움이 되는 두 번째(더 작은) 웨이퍼 플랫을 도입하지만 이 세부 사항은 SAW 생성에 중요하지 않습니다. 제조업체는 종종 웨이퍼의 표면 마감에 대한 사양을 요청합니다. 투명 웨이퍼가 필요한 경우 양면 광학 폴리싱 웨이퍼를 요청하십시오. 그러나 LN은 이중화되므로 표준 실험실 조명으로 조명되고 재료를 통해 볼 수 있는 모든 물체는 하나가 아니라 두 개의 이미지를 생성합니다. 이 문제를 극복하는 것은 나중에 논의됩니다. 단면 광택 LN은 거친 후면 표면에 의해 스퓨리어스 어쿠스틱 파가 확산되기 때문에 웨이퍼를 통해 볼 필요가 없는 경우 SAW 생성에 더 나은 선택입니다.
6. 웨이퍼를 100°C의 핫플레이트에 3분간 놓아 노출 후 굽는 다. 그런 다음 알 호일로 옮기고 RT로 냉각시키십시오.
   참고: 노출 후 굽기 후에 패턴을 표시해야 합니다. 그렇지 않은 경우 포토 레지스트를 제거하고 위의 1.1 단계에서 프로세스를 다시 시작하는 것이 좋습니다.
7. 15초 동안 순수 RD6 개발자로 채워진 비커에 배치하여 웨이퍼를 개발합니다. 웨이퍼를 DI 물에 1분 동안 담근 다음 DI 물 흐름 하에서 웨이퍼를 헹구습니다. 마지막으로, 마른_N2 유량을 사용하여 웨이퍼에서 남은 DI 물을 제거합니다. 웨이퍼 표면에서 유체가 증발하지 마십시오.
   주의: 연기 후드에 웨이퍼를 개발합니다. 증기에서 호흡하거나 눈과 피부로 개발자에게 연락하지 마십시오.
   참고: 이 단계 후에 포토리소그래피가 완료됩니다. 프로토콜은 여기에서 일시 중지할 수 있습니다.
8. 3 분 동안 100 °C에서 핫 플레이트에 웨이퍼를 하드 구우기. 그런 다음 알 호일로 옮기고 RT로 냉각시키십시오.
   참고 : 이 단계는 스퍼링 중에 나중에 가스가 나는 것을 방지하기 위해 웨이퍼및 포토 레지스트에서 수분을 제거하는 것입니다.
9. 전극 스퍼터 증착의 경우 웨이퍼를 스퍼터 증착 시스템에 배치합니다. 챔버를 5 x 10^-6 mTorr로 진공 청소기로 청소하십시오. 2.5mTorr 아르곤 플로우, 5nm에 대해 200W의 전력을 가진 스퍼터 크롬(Cr)을 사용하여 400nm에 300W의 출력을 가진 알을 스퍼터링하여 전도성 전극을 형성한다.
   참고: 증착 시간은 예상 두께 및 증착 속도에서 계산해야 합니다. 티타늄 (Ti) 크롬 대신 사용할 수 있습니다., 제거 과정은 더 어렵지만, Ti는 강하다 때문에. 금 (Au)은 또한 일반적으로 전극으로 증착됩니다. 그러나, 고주파 SAW 장치의 경우, Al은 AU를 대체하여 AU를 대체하여 IDT 에서 로컬 SAW 공진 주파수를 감소시키고 SAW가 상당한 손실로만 벗어날 수 있는 음향 캐비티를 형성해야 합니다.
10. 리프트 오프 프로세스를 위해 웨이퍼를 비커로 옮기고 아세톤에 몰입합니다. 중간 강도로 5분 동안 초음파 처리하여 DI 물로 헹구고_N2 유동으로 웨이퍼를 건조시합니다.
    주의: 연기 후드에 아세톤을 사용하세요. 흡입과 피부 또는 아세톤과의 눈 접촉을 피하십시오. 삼키지 마십시오.
    참고: 프로토콜은 여기에서 일시 중지할 수 있습니다.
11. 다이싱 톱을 사용하여 웨이퍼 전체를 톱 장치로 작은 칩조각으로 주사위로 주입하여 추가 응용 프로그램을 사용할 수 있습니다.
    참고: 프로세스가 완료되었습니다. 프로토콜은 여기에서 일시 중지할 수 있습니다.
    참고 : 대신 톱의, 다이아몬드 팁 웨이퍼 스크라이브 (또는 유리 커터) 일부 연습LN 웨이퍼를 주사위하는 데 사용할 수 있습니다, LN의 음이통 트로피로 인해 X 축에 수직 스크리브 라인을 따라 먼저 웨이퍼를 깨고, X 축을 따라 그 라인 다음에.

2. 젖은 에칭 방법을 통해 SAW 장치 제조

1. 웨이퍼 용매 세척: 4"(101.6 mm) LN 웨이퍼를 아세톤에 침지하여 클래스 100 클린룸 시설에서 IPA, 다음 DI 워터가 각각 5분 동안 초음파 욕조에 넣고, 웨이퍼를 집어 들고_N2를 사용하여 표면을 건조시켜 웨이퍼에서 남은 DI 물을 제거합니다.
   주의: 연기 후드에 아세톤과 IPA를 사용하세요. 흡입 및 IPA와 피부 접촉을 피하십시오. 아세톤이 피부와 눈과 접촉하지 않도록 하십시오. 삼키지 마십시오.
2. 웨이퍼를 핫플레이트에 100°C의 핫플레이트에 놓고 3분 동안 열처리를 합니다. 그런 다음 알 호일로 전송하여 RT로 냉각시합니다.
3. 웨이퍼를 스퍼터 증착 시스템에 넣습니다. 챔버를 5 x 10^-6 mTorr로 진공 청소기로 청소하십시오. 2.5 mTorr에서 아르곤 흐름을 사용 하 여, 스퍼터 Cr 의 힘으로 200 W 의 전력 5 nm 에 대 한 접착 층으로, 다음 전도성 전극을 형성 하는 400 nm에 대 한 300 W의 힘으로 Au 스퍼터링 Au를 스퍼터링.
   참고: 프로토콜은 여기에서 일시 중지할 수 있습니다.
4. 웨이퍼를 스핀 코터에 놓습니다. 드롭퍼를 사용하여 웨이퍼 표면의 약 75%를 포지티브 포토레지스트(AZ1512)로 덮습니다. 10초 동안 3,000rpm/s의 가속을 가진 500rpm의 속도를 프로그래밍한 다음 30초 동안 3,000rpm/s의 가속을 가진 4,000rpm의 속도를 통해 궁극적으로 약 1.2 μm의 포토레지스트 층을 생성합니다.
   주의: 연기 후드에서 스핀 코팅을 수행합니다. 포토레지스트 연기의 흡입은 두통을 일으킬 수 있습니다.
5. 부드러운 베이킹을 위해 웨이퍼를 핫플레이트에 100°C로 1분간 놓습니다. 그런 다음 알 호일로 옮기고 RT로 냉각시키십시오.
6. 웨이퍼를 자외선 노출을 위해 마스크 리정렬기(MLA150)로 옮춥니다. 375 nm에서 150 mJ / cm^2의 에너지 용량으로 포토 레지스트를 노출하십시오. 필요한 용량은 마스크 디자인및 포토레지스트의 연령 및 상태에 따라 달라질 수 있습니다.
7. 웨이퍼를 순수 AZ300MIF 개발자로 가득 찬 비커에 30초 동안 넣으세요. 웨이퍼를 DI 물에 1분 동안 담근 다음 DI 물 흐름 하에서 웨이퍼를 헹구습니다. 마지막으로, 마른_N2 유량을 사용하여 웨이퍼에서 남은 DI 물을 제거합니다. 웨이퍼 표면에서 유체가 증발하지 마십시오.
   주의: AZ300MIF에 피부나 눈과 접촉하지 마십시오. 삼키지 마십시오.
8. 웨이퍼를 90초 동안 Au etchant로 가득 찬 비커에 담그고 비커를 부드럽게 흔들어 보냅니다. DI 물 흐름 하에서 웨이퍼를 헹구고_N2 유량으로 건조하여 웨이퍼에서 남은 DI 물을 제거합니다. 웨이퍼 표면에서 유체가 증발하지 마십시오.
   주의: 금 에트챈트는 눈과 피부에 위험할 수 있으며 호흡기 자극을 유발합니다. 이 단계에서는 안전 유리, 검은 네오프렌 장갑, 앞치마 등과 같은 더 많은 개인 보호 장비 (PPE)가 필요합니다.
9. 웨이퍼를 Cr etchant로 가득 찬 비커에 20초 동안 담그고 비커를 부드럽게 흔들어 보냅니다. DI 물 흐름 하에서 웨이퍼를 헹구고_N2 유량으로 건조하여 웨이퍼에서 남은 DI 물을 제거합니다. 웨이퍼 표면에서 유체가 증발하지 마십시오.
   주의: 크롬 에트챈트는 눈, 피부 및 호흡기 자극을 일으킬 수 있습니다. 이 단계에서는 PPE가 더 필요합니다.
10. (샘플) 웨이퍼를 세척하고, 아세톤에 넣고 IPA, 그리고 DI 물을 각각 5분 동안 초음파 욕조에 넣습니다. 웨이퍼를 집어 들고 웨이퍼 표면위로_N2 가스 가스와 함께 건조하여 웨이퍼에서 남은 DI 물을 제거합니다.
    주의: 연기 후드에 아세톤을 사용하세요. 흡입과 피부 접촉 아세톤을 피부와 눈과 피하십시오. 삼키지 마십시오.
    참고: 이 단계는 웨이퍼에서 원치 않는 포토저항을 제거하는 것입니다. 프로토콜은 여기에서 일시 중지할 수 있습니다.
11. 다이싱 톱을 사용하여 웨이퍼 전체를 이산 SAW 장치에 주사위로 주입하여 추가 사용을 원합니다.
    참고: 프로세스가 완료되었습니다. 프로토콜은 여기에서 일시 중지할 수 있습니다.

3. 실험 적인 설정 및 테스트

1. 밝은 필드 광학 현미경 검사에서 SAW 장치를 관찰하십시오.
   참고: LN의 금속 층 전체에 긁힌 자국이 있을 수 있습니다. 일반적으로 스크래치가 개방 회로를 초래할 만큼 깊지 않은 한 장치 성능에 주목할 만한 영향을 미치지 않습니다.
2. SAW 작동의 경우 SAW 장치의 전파 방향을 따라 양쪽 끝에 흡수기를 부착하여 가장자리에서 반사된 음향 파를 방지합니다.
3. 신호 발생기를 사용하여 약 100MHz의 공진 주파수에서 IDT에 부비동 전기장을 적용합니다. 증폭기를 연결하여 신호를 증폭시켜야 합니다.
4. 오실로스코프를 사용하여 장치에 가해지는 실제 전압, 전류 및 전력을 측정합니다. SAW의 진폭 및 주파수 반응은 레이저 도플러 진동계(LDV)에 의해 측정됩니다. SAW 작동액 액적 모션은 현미경에 부착된 고속 카메라를 사용하여 기록됩니다.

결과

측정할 IDT는 손가락 너비와 간격이 10μm이기 때문에 100MHz에서 공진 주파수를 갖도록 설계되어 40 μm의 파장을 생성합니다. 도 1은 이 방법을 사용하여 제조된 SAW 장치 및 IDT를 나타낸다.

IDT의 공진 주파수와 일치하는 진동 전기 신호를 사용하여, SAW는 압전 물질의 표면을 통해 생성될 수 있다. LDV는 표면에 도플러 효과를 통해 진동을 측정하고, 신호 처리를 통해 진?...

토론

두 방법 중 에서 제작된 SAW 장치는 표면에 유용한 이동 파를 생성할 수 있으며 이러한 방법은 다른 설계를 생성하기 위해 보다 복잡한 프로세스를 뒷받침합니다. 공진 주파수는 일반적으로 상단에 증착된 금속의 질량 하중 효과로 인해 설계된 값보다 약간 낮습니다. 그러나 문제를 피하기 위해 논의 할 가치가있는 몇 가지 사항이 여전히 있습니다.

리프트 오프 방법

자료

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