Área selectivo Modificación de humectabilidad de la superficie del silicio por pulsos láser UV irradiación en Ambiente Líquido
Summary
Se presenta en un proceso de alteración in situ de la IC tratada Si (001) de superficie en un estado hidrófilo o hidrófobo irradiando muestras en cámaras de microfluidos llenos 2 O 2 / H 2 O solución (0,01% -0,5%) o soluciones de metanol H mediante láser UV pulsada de un familiar fluencia bajo pulso.
Abstract
La humectabilidad de silicio (Si) es uno de los parámetros importantes en la tecnología de funcionalización de la superficie de este material y la fabricación de dispositivos biosensores. Se presenta en un protocolo de utilizar KrF y ArF láseres irradiación de Si (001) muestras sumergidas en un medio líquido con un bajo número de impulsos y operando a influencias moderadamente bajas pulso para inducir modificaciones humectabilidad Si. Obleas sumergen durante un máximo de 4 horas en un 0,01% de H 2 O 2 / H2O solución no mostró cambio mensurable en su ángulo de contacto inicial (CA) ~ 75 °. Sin embargo, el 500-pulso KrF y láseres ArF irradiación de tales obleas en una microcámara llena con 0,01% de H 2 O 2 / H 2 O disolución a 250 y 65 mJ / cm 2, respectivamente, ha disminuido la CA a cerca de 15 °, indicando la formación de una superficie superhidrófila. La formación de enlaces Si-OH terminado (001), sin cambio medible de la morfología de la superficie de la oblea, tienesido confirmada por espectroscopia de fotoelectrones de rayos X y microscopía de fuerza atómica mediciones. Las muestras de área selectiva irradiadas se sumergieron en una solución de nanoesferas con fluoresceína conjugado con biotina manchado durante 2 horas, dando como resultado una inmovilización con éxito de las nanoesferas en la zona no irradiada. Esto ilustra el potencial del método para biofuncionalización área selectiva y la fabricación de biosensores arquitecturas avanzadas basadas-Si. También se describe un protocolo similar de la irradiación de las obleas inmersos en metanol (CH3OH) utilizando láser de ArF que opera a fluencia de pulso de 65 mJ / cm 2 y la formación in situ de una superficie fuertemente hidrófobo de Si (001) con el CA de 103 °. Los resultados XPS indican la formación inducida por láser ArF de Si- (OCH 3) x compuestos responsable de la hidrofobicidad observado. Sin embargo, no hay tales compuestos fueron encontrados por XPS en la superficie de Si irradiado por láser KrF en metanol, lo que demuestrala incapacidad del láser KrF a photodissociate metanol y crear -OCH3 radicales.
Introduction
Las propiedades electrónicas y químicas notables, así como su alta resistencia mecánica han hecho de silicio (Si) en una opción ideal para los dispositivos microelectrónicos y chips biomédicas 1. Selectivo de control de área de la superficie de Si ha recibido mucha atención para aplicaciones que implican microfluidos y dispositivos lab-on-chip de 2,3 .Este a menudo se obtiene ya sea mediante la modificación de nano-escala de la rugosidad superficial o por tratamiento químico de la superficie 4. La rugosidad superficial o patrones para producir estructuras superficiales desordenados u ordenados en la superficie de Si incluyen fotolitografía 5, litografía por haz de iones 6 y 7 técnicas láser. En comparación con estos métodos, se informó proceso de texturado superficial con láser a ser menos complicada con el potencial para producir microestructuras con alta resolución espacial 8. Sin embargo, como Si tiene un umbral de texturización elevada, lo que requiere irradiación con fluencia de pulso parainducir la textura de la superficie por encima de su umbral de ablación (~ 500 mJ / cm 2) 9, la texturización de la superficie de Si con frecuencia se ha asistido mediante el empleo de atmósferas de gas reactivos, tales como el de un entorno de SF 6 4,7,8 alta presión. En consecuencia, para modificar la humectabilidad de la superficie de Si, numerosos trabajos se han centrado en el tratamiento químico mediante el depósito 10 orgánicos e inorgánicos películas 2, o el uso de plasma de haz de electrones o tratamiento de superficie 11,12. Se reconoce que la hidrofilicidad de Si procedente de la existencia de grupos singulares asociados y OH en su superficie podría lograrse mediante ebullición en una solución de H 2 O 2 a 100 ° C durante varios minutos 13. Sin embargo, los estados superficiales hidrofóbicas de Si, la mayoría de los cuales son debidos a la presencia de Si-H o Si-O-CH 3 grupos, podrían lograrse por manipulación de productos químicos en húmedo que implica grabar al agua fuerte con solución de ácido HF o recubrimiento con resina fotosensible 13-15. Para lograr selectiva de control de área de humectabilidad de Si, suelen ser necesarios pasos de modelado complejas, incluyendo el tratamiento de soluciones químicas 16. La alta reactividad química de radiación láser UV también se ha utilizado para sustratos sólidos recubiertos con película orgánica proceso de área selectiva y modificar su humectabilidad 17. Sin embargo, una cantidad limitada de datos está disponible en la modificación asistida por láser de Si humectabilidad por irradiación de muestras sumergidas en diferentes soluciones químicas.
En nuestra investigación anterior, UV irradiación con láser de semiconductores III-V en el aire de 18-20 y NH 3 21 se utilizó con éxito para alterar la composición química de la superficie de GaAs, InGaAs y InP. Hemos establecido que la irradiación con láser UV de los semiconductores III-V en desionizada (DI) de agua disminuye óxidos superficiales y carburos, mientras que el agua adsorbida en la superficie del semiconductor aumenta 22. Una superficie de Si fuertemente hidrófobo (CA 10 ~3 °) se obtuvo por ArF irradiación láser de muestras de Si en metanol en nuestro trabajo reciente 23. Como se indica por espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS), esto es principalmente debido a la capacidad del láser de ArF a photodissociate CH 3 OH. También hemos utilizado KrF y láseres ArF para irradiar Si (001) en un 0,01% de H 2 O 2 en agua DI. Esto nos permitió lograr la formación de área selectiva de la superficie superhidrófila de Si (001) se caracteriza por la CA de cerca de 15 °. Los resultados XPS sugieren que esto es debido a la generación de enlaces Si-OH en la superficie irradiada 24.
Una descripción detallada de esta nueva técnica usando láseres KrF y ArF de área selectiva en la modificación in situ de la superficie hidrófilo / hidrófobo de la superficie de Si en baja concentración de H 2 O 2 / H 2 O y soluciones de metanol se demuestra en este artículo. Los detalles proporcionados aquí debería ser suficientepara permitir experimentos similares a ser realizadas por los investigadores interesados.
Protocol
Representative Results
Discussion
Hemos propuesto un protocolo de UV irradiación con láser de oblea de Si en una cámara de microfluidos lleno de baja concentración de H 2 O 2 solución para inducir una superficie de Si superhidrófilo, que se debe principalmente a la generación de Si-OH. Se suponía UV láser fotolisis de H 2 O 2 para formar cargados negativamente OH – radicales. También, efecto fotoeléctrico láser UV conduce a la formación de una superficie cargada positivamente 37.</…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by the Natural Science and Engineering Research Council of Canada (Discovery Grant No. 122795-2010) and the program of the Canada Research Chair in Quantum Semiconductors (JJD). The help provided by Xiaohuan Xuang, Mohamed Walid Hassen and technical assistance of Sonia Blais of the Université de Sherbrooke Centre de caractérisation de matériaux (CCM) in collecting XPS data are greatly appreciated. NL acknowledges the Merit Scholarship Program for Foreign Student, Fonds de recherche du Québec – Nature et technologies, for providing a graduate student scholarship.
Materials
| fluorescein stained nanospheres | Invitrogen | F8795 | |
| OptiClear | National Diagnostics | OE-101 | |
| ArF laser (λ=193 nm) | Lumonics | pulse master 800 | |
| KrF laser (λ=248 nm) | Lumonics | pulse master 800 | |
| XPS | Kratos Analytical | AXIS Ultra DLD | |
| Fluorescence microscope | Olympus | IX71 | |
| XPS quantitification software | CasaXPS | 2.3.15 |
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