Selective Area Modification de la Silicon mouillabilité de surface par irradiation laser pulsé UV en milieu liquide
Summary
Nous rapportons un processus d'une altération in situ de HF traitée Si surface (001) dans un état hydrophile ou hydrophobe en irradiant les échantillons dans des chambres microfluidiques remplis de H 2 O 2 / H 2 O solution (0,01% -0,5%) ou des solutions de méthanol en utilisant pulsé laser UV d'une faible fluence rapport d'impulsions.
Abstract
La mouillabilité de silicium (Si) est un des paramètres importants de la technologie de fonctionnalisation de surface de ce matériau et de fabrication de dispositifs de biodétection. Nous rapportons un protocole à l'aide de lasers KrF et ArF irradiation de Si (001) échantillons immergés dans un milieu liquide avec un faible nombre d'impulsions et fonctionnant à des fluences d'impulsions modérément basses pour induire une modification de la mouillabilité de Si. Wafers immergés jusqu'à 4 h dans un 0,01% de H 2 O 2 / H 2 O solution ne montrent pas de changement mesurable dans leur angle de contact initial (CA) ~ 75 °. Cependant, le 500 impulsions KrF et lasers ArF irradiation de ces pastilles dans une microchambre rempli avec 0,01% de H 2 O 2 / H 2 O solution à 250 et 65 mJ / cm 2, respectivement, a diminué le CA à près de 15 °, indiquant la formation d'une surface superhydrophile. La formation de Si à terminaison OH (001), sans changement mesurable de la morphologie de surface de la tranche, aété confirmée par rayons X et la spectroscopie photoélectronique des mesures de force microscopie atomique. Les échantillons irradiés zone désignée ont ensuite été immergées dans une solution de biotine-conjugué à la fluorescéine nanosphères taché pendant 2 heures, ce qui entraîne une immobilisation réussie des nanosphères dans la zone non irradiée. Ceci illustre le potentiel de la méthode pour biofonctionnalisation de zone désignée et de fabrication de pointe de biodétection architectures à base de Si. Nous décrivons également un protocole similaire d'irradiation de plaquettes immergées dans du méthanol (CH 3 OH) à l'aide de laser ArF fonctionnant à impulsion fluence de 65 mJ / cm 2 et la formation in situ d'une surface fortement hydrophobe de Si (001) avec l'AC de 103 °. Les résultats indiquent XPS induite par laser ArF formation de Si- (OCH 3) x composés responsables de l'hydrophobie observé. Cependant, aucun de ces composés ont été trouvés par XPS sur la surface irradiée par laser Si KrF dans du methanol, ce qui démontrel'incapacité du laser KrF à photodissociate methanol et de créer des radicaux -OCH 3.
Introduction
Les propriétés électroniques et chimiques remarquables ainsi que sa haute résistance mécanique ont fait silicium (Si) un choix idéal pour les dispositifs microélectroniques et biomédicales puces 1. Le contrôle de zone désignée de la surface Si a reçu beaucoup d'attention pour les applications impliquant microfluidiques et des appareils de laboratoire sur puce 2,3 .Cet est souvent obtenu soit par modification nano-échelle de la rugosité de surface ou par traitement chimique de la surface 4. La rugosité de surface ou de motifs pour produire des structures de surface désordonnés ou commandés sur la surface Si comprennent la photolithographie 5, faisceau d'ions lithographie 6 et 7 techniques laser. Par rapport à ces méthodes, processus de texturation de surface laser est signalé à être moins compliqué avec le potentiel de produire des microstructures à haute résolution spatiale 8. Cependant, comme Si a un seuil de texturation élevée, nécessitant une irradiation par impulsions à la fluenceinduisent texturation de surface au-delà de son seuil d'ablation (~ 500 MJ / cm 2) 9, la texturation de surface Si a souvent été aidé en employant des atmosphères de gaz réactifs, tels que celui d'une haute pression SF 6 environnement 4,7,8. Par conséquent, pour modifier la mouillabilité de la surface de Si, de nombreux travaux ont porté sur le traitement chimique par dépôt de couches organiques 10 et inorganiques 2, ou l'utilisation de plasma ou faisceau d'électrons traitement de surface 11,12. Il est admis que le caractère hydrophile de Si provenant de l'existence de groupes OH singulier et associés sur sa surface pourrait être réalisé en le faisant bouillir dans une solution de H 2 O 2 à 100 ° C pendant 13 plusieurs minutes. Cependant, les hydrophobes états de surface de silicium, dont la plupart sont dus à la présence de liaisons Si-H ou Si-O-CH 3 groupes, peuvent être obtenus par traitement chimique par voie humide impliquant la gravure avec une solution d'acide fluorhydrique ou de revêtement avec photoresist 13-15. Pour obtenir un contrôle sélectif de la zone de mouillabilité de Si, étapes de structuration complexes sont généralement nécessaires, y compris le traitement dans des solutions chimiques 16. La réactivité chimique élevée d'UV rayonnement laser a également été utilisé pour traiter la zone sélective organique film substrats solides enrobés et modifier leur mouillabilité 17. Cependant, une quantité limitée de données est disponible sur la modification assistée par laser de Si mouillabilité par irradiation d'échantillons immergés dans des solutions chimiques différentes.
Dans notre recherche précédente, UV irradiation laser de semi-conducteurs III-V dans l'air 18-20 et NH 3 21 a été utilisé avec succès pour modifier la composition chimique de la surface de GaAs, InP et InGaAs. Nous avons établi que l'irradiation laser UV de semiconducteurs III-V en désionisée (DI) de l'eau diminue les oxydes et carbures de surface, tandis que l'eau adsorbée sur la surface de semi-conducteur augmente 22. Une surface de Si fortement hydrophobe (AR ~ 103 °) a été obtenu par ArF irradiation laser d'échantillons Si dans le méthanol dans notre récent travail 23. Comme cela est indiqué par la spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS), ceci est principalement dû à la capacité du laser ArF à photodissociate CH 3 OH. Nous avons également utilisé des lasers KrF et ArF à irradier Si (001) dans un 0,01% de H 2 O 2 dans de l'eau DI. Cela nous a permis d'atteindre formation de zone sélective de la surface superhydrophile de Si (001) caractérisé par le CA de près de 15 °. Les résultats XPS suggèrent que ceci est dû à la génération de liaisons Si-OH sur la surface irradiée 24.
Une description détaillée de cette nouvelle technique utilisant KrF et lasers ArF pour zone sélectif modification in situ de la surface hydrophile / hydrophobe de surface de Si dans une faible concentration de H 2 O 2 / H 2 O et des solutions de methanol est mise en évidence dans cet article. Les détails fournis ici devraient être suffisantespour permettre à des expériences similaires à exécuter par les chercheurs intéressés.
Protocol
Representative Results
Discussion
Nous avons proposé un protocole d'irradiation UV de laser de tranche de Si dans une chambre remplie de microfluidique faible concentration en H 2 O 2 solution pour induire une surface de Si superhydrophile, ce qui est principalement dû à la génération de liaisons Si-OH. Photolyse UV de laser de H 2 O 2 était censé former chargés négativement OH – les radicaux. En outre, l'effet photoélectrique laser UV conduit à la formation d'une surface 37 chargée pos…
Divulgazioni
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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