用于声表面波器件制备的激光直写光刻工艺研究

摘要

声表面波（surface acoustic wave，简称SAW）是一种沿着压电材料表面产生和传播的弹性波，在电子信息传播、血细胞分离、化学试剂驱动等领域的应用都非常广泛。SAW在片上实验室（lab-on-a-chip）的应用，尤其是在生物医学方面应用 SAW驱动液滴的研究已然成为未来主流趋势。铌酸锂晶体(LiNbO3，LN)良好的机电耦合系数和温度系数使它成为制作SAW器件的理想基底材料。叉指换能器（Interdigital Transducer，简称IDT）是SAW器件的核心部件,在LN晶体表面制作IDT能够有效地激励声表面波，声表面波沿着LN表面进行传播，遇到液体后会产生漏声表面波，对液体产生作用力。
　　本论文中详细论述了以 YZ-LiNbO3为基底材料，利用激光直写光刻工艺制作声表面波驱动器的研究。实验方案是：在LiNbO3表面制作单层正性光刻胶，通过激光直写光刻工艺在正光刻胶上光刻出IDT形状的凹槽，然后在具有IDT凹槽图形的光刻胶表面镀金属膜，通过剥离正光刻胶得到叉指换能器，最后实现IDT的电路匹配连接。
　　首先，设计开发了全自动激光直写光刻实验平台，平台由激光光路和计算机控制电路两部分组成。405nm激光光束通过快门、直径1mm的光阑和显微镜照射到步进电机原点，实现了激光的精准传播；利用Visual Basic语言编程，设计步进电机的运动模式、路径和快门的运行状态，实现了计算机程序全自动控制IDT图形光刻。通过实验探索和优化，得到光刻线条宽度5μm—70μm的IDT图形的最佳参数：双面抛光YZ-LiNbO3、光刻胶旋涂速度1600—3000r/min、干燥温度75℃、干燥时间25min、光刻速度400—800p/s、光强5—40μW、离焦10°—120°、不同光强对应的显影时间等。
　　其次是电极制作部分，通过真空蒸镀技术、磁控溅射技术和离子溅射技术在光刻胶-LiNbO3表面镀金、铝等金属薄膜制作IDT电极。实验首次提出倒置光刻胶-LiNbO3方法进行激光直写光刻，创新地探索出单层光刻胶截面上窄下宽的梯形凹槽结构，这种凹槽结构对剥离工艺起着至关重要的作用，经过超声辅助剥离后得到IDT。通过研究真空离子溅射和真空磁控溅射工艺的真空度、溅射时间和溅射温度等参数，制作出良好的IDT。实验最后进行了声表面波驱动器与外电路的阻抗匹配连接，利用激光直写光刻工艺实现了声表面波器件的制作。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 声表面波微驱动器件研究的历史与现状

1.3 本文主要研究内容

第二章 声表面波驱动器的理论基础

2.1 引言

2.2 声表面波简介

2.3 声表面波与压电材料

2.4 本章总结

第三章 激光直写光刻工艺研究及实验平台设计开发

3.1 引言

3.2 激光直写光刻工艺方案研究

3.3 激光直写程控光刻平台设计与开发

3.4 本章总结

第四章 激光和步进电机对光刻参数的影响

4.1 引言

4.2 光刻参数探索

4.3 本章总结

第五章 叉指电极制作工艺

5.1引言

5.2 真空蒸镀工艺制作IDT

5.3 真空磁控溅射工艺制作IDT

5.4 真空离子溅射工艺制作IDT

5.5 叉指换能器电路连接

5.6 本章总结

第六章 结论

参考文献

附录

研究生期间所取得的相关科研成果

致谢