Selektive Bereichsänderung des Siliziumoberfläche Benetzbarkeit durch gepulste UV-Laser-Bestrahlung in flüssigen Umgebung
Summary
Wir berichten von einem Verfahren der in situ Veränderung der HF behandelt Si (001) -Oberfläche in einer hydrophilen oder hydrophoben Zustand durch Bestrahlen Proben in Mikrofluidkammern mit H 2 O 2 / H 2 O-Lösung (0,01% -0,5%) oder Methanol-Lösungen gefüllt mittels gepulster UV-Laser mit einer relativen niedrigen Impulsfluenz.
Abstract
Die Benetzbarkeit von Silizium (Si) ist einer der wichtigsten Parameter bei der Technologie der Oberflächen Funktionalisierung dieses Materials und Herstellung von Biosensor-Geräten. Wir berichten über ein Protokoll mit KrF- und ArF-Laser bestrahlt Si (001) Proben in einer flüssigen Umgebung mit geringer Anzahl von Impulsen eingetaucht ist und bei mäßig niedrigen Impuls Fluenzen Si Benetzbarkeit Modifizierung zu induzieren. Wafer für bis zu 4 h eingetaucht in 0,01% H 2 O 2 / H 2 O Lösung nicht messbare Veränderung ihrer Anfangskontaktwinkel (CA) ~ 75 ° zu zeigen. Jedoch die 500-Puls-KrF- und ArF-Laser-Bestrahlung eines solchen Wafer in einer Mikrokammer mit 0,01% H gefüllt 2 O 2 / H 2 O-Lösung bei 250 und 65 mJ / cm 2 sind, hat die CA nahe 15 ° verringert wird, was die Bildung einer superhydrophile Oberfläche. Die Bildung von OH-terminierten Si (001), ohne messbare Veränderung der Waferoberflächenmorphologie besitztwurde durch Röntgenphotoelektronenspektroskopie und Rasterkraftmikroskopie-Messungen bestätigt. Die selektive Bereichs bestrahlten Proben wurden dann in einem biotinkonjugierten Fluorescein gefärbten Nanosphären Lösung für 2 Stunden eingetaucht, was zu einer erfolgreichen Immobilisierung von Nanokugeln in dem nicht-bestrahlten Bereich. Dies zeigt das Potential des Verfahrens zur selektiven Bereichs Biofunktionalisierung und Herstellung von fortschrittlichen Si-basierten Biosensor-Architekturen. Wir, die bei Impuls Fluenz von 65 mJ beschreiben auch ein ähnliches Protokoll der Bestrahlung von Wafern in Methanol (CH 3 OH) eingetaucht, mit einem ArF-Laser / cm 2 und in situ-Bildung eines stark hydrophoben Oberfläche von Si (001) mit dem CA-103 °. Die XPS-Ergebnisse zeigen, ArF Laser induzierte Bildung von Si (OCH 3) x Verbindungen verantwortlich für die beobachtete Hydrophobizität. Es wurden jedoch keine solchen Verbindungen, die durch XPS der Si-Oberfläche durch KrF-Laser in Methanol bestrahlt gefunden, was zeigt,die Unfähigkeit der KrF-Laser, um Methanol photodissociate und schaffen -OCH 3 Reste.
Introduction
Die bemerkenswerten elektronischen und chemischen Eigenschaften sowie die hohe mechanische Festigkeit haben, Silizium (Si) eine ideale Wahl für mikroelektronische Bauelemente und biomedizinische Chips 1 gemacht. Selektives Steuerung der Si-Oberfläche hat erhebliche Aufmerksamkeit für Anwendungen, die mikrofluidische und Lab-on-Chip-Bausteine 2,3 .Diese wird häufig entweder durch nanoskalige Modifikation der Oberflächenrauhigkeit oder durch chemische Behandlung der Oberfläche 4 erhalten. Die Oberfläche Aufrauen oder Mustern zu ungeordneten oder geordneten Oberflächenstrukturen auf der Si-Oberfläche zu erzeugen sind Photolithographie 5, Ionenstrahl-Lithographie 6 und Lasertechniken 7. Im Vergleich zu diesen Verfahren wird Laseroberflächenstrukturierung Prozess gemeldet weniger kompliziert mit dem Potenzial, Mikrostrukturen mit hoher räumlicher Auflösung 8 herzustellen sein. Da Si eine erhöhte Texturierung Schwellenwert erfordern Bestrahlung mit Pulsfluenz uminduzieren Oberflächentexturierung über seine Abtrageschwelle (~ 500 mJ / cm 2) 9 hat Texturierung der Si-Oberfläche häufig durch Verwendung reaktiver Gasatmosphäre, wie die von einem Hochdruck-SF6 Umgebung 4,7,8 unterstützt worden. Folglich, um die Benetzbarkeit der Si-Oberfläche zu modifizieren, wurden zahlreiche Arbeiten über chemische Behandlung durch Abscheiden von organischen und anorganischen Schichten 10 2, oder unter Verwendung von Plasma oder Elektronenstrahl-Oberflächenbehandlung 11,12 konzentriert. Es ist, dass die Hydrophilie von Si aus der Existenz von singulären und zugehörige OH-Gruppen auf seiner Oberfläche Ursprung könnte durch Kochen in einer H 2 O 2 -Lösung bei 100 ° C für mehrere Minuten 13 erreicht werden erfasst. Jedoch die hydrophoben Si Oberflächenzustände, von denen die meisten aufgrund der Anwesenheit von Si-H oder Si-O-CH 3 Gruppen sind, können durch nasschemische Behandlung mit Ätzen mit HF-Lösung oder einer Beschichtung mit einem Photoresist 13 erreicht werden-15. Zur selektiven Bereichssteuerung der Benetzbarkeit von Si zu erreichen, sind komplexe Strukturierungsschritte in der Regel erforderlich, einschließlich der Behandlung in chemischen Lösungen 16. Die hohe chemische Reaktivität von UV-Laserstrahlung hat auch zu selektiven Bereich Prozess organischen Film beschichteten festen Substrate verwendet wurden und ihre Benetzbarkeit 17 ändern. Jedoch ist eine begrenzte Menge von Daten über die lasergestützte Modifikation Si Benetzbarkeit durch Bestrahlung von Proben in verschiedenen chemischen Lösungen getaucht erhältlich.
In unserem früheren Forschung wurde UV-Laser-Bestrahlung von III-V-Halbleiter in Luft 18-20 und NH 3 21 erfolgreich verwendet, um die chemische Oberflächenzusammensetzung GaAs, InGaAs und InP verändern. Wir haben festgestellt, dass die UV-Laserbestrahlung von III-V-Halbleitern in deionisiertem (DI) Wasser senkt die Oberflächenoxide und Carbide, während das Wasser auf Halbleiteroberfläche adsorbiert erhöht 22. Ein stark hydrophoben Si-Oberfläche (CA ~ 103 °) wurde durch ArF Laserbestrahlung von Si-Proben in Methanol bei unseren letzten Arbeiten 23 erhalten. Wie durch Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) zeigte, ist dies vor allem auf die Fähigkeit des ArF-Lasers, um CH 3 OH photodissociate. Wir haben auch KrF- und ArF-Lasern auf Si (001) in einer 0,01% igen H 2 O 2 in DI-Wasser zu bestrahlen. Dies erlaubte uns, Selektives Bildung von superhydrophilen Oberfläche des Si (001), gekennzeichnet durch die CA in der Nähe der 15 ° erzielen. Die XPS-Ergebnisse legen nahe, dass diese aufgrund der Erzeugung von Si-OH-Bindungen auf der bestrahlten Oberfläche 24 ist.
Eine detaillierte Beschreibung dieser neuen Technik mit KrF- und ArF-Lasern zur selektiven Bereich di situ Modifizierung der hydrophilen / hydrophoben Oberfläche der Si-Oberfläche in geringer Konzentration von H 2 O 2 / H 2 O und Methanol-Lösungen wird in diesem Artikel gezeigt. Die hier gemachten Angaben sollten ausreichendamit ähnliche Experimente, die von interessierten Forschern durchgeführt werden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Wir haben ein Protokoll des UV-Laser-Bestrahlung des Si-Wafer in einem mikrofluidischen Kammer mit niedriger Konzentration von H 2 O 2 Lösung gefüllt, um eine superhydro Si-Oberfläche, die im Wesentlichen zu induzieren aufgrund der Erzeugung von Si-OH vorgeschlagen. UV Laserphotolyse H 2 O 2 sollte negativ geladenen OH bilden – Radikalen. Außerdem führt UV-Laserphotoeffekt zur Ausbildung eines positiv geladenen Oberfläche 37. Daher ist die Wechselwirkung dieser negativen…
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 |
Riferimenti
- Liu, X., Fu, R. K. Y., Ding, C., Chu, P. K. Hydrogen plasma surface activation of silicon for biomedical applications. Biomol. Eng. 24, 113-117 (2007).
- Bayiati, P., Tserepi, A., Petrou, P. S., Kakabakos, S. E., Misiakos, K., Gogolides, E. Electrowetting on plasma-deposited fluorocarbon hydrophobic films for biofluid transport in microfluidics. J. Appl. Phys. 101, 103306-103309 (2007).
- Daniel, S., Chaudhury, M. K., Chen, J. C. Fast Drop Movements Resulting from the Phase Change on a Gradient Surface. Science. 291, 633-636 (2001).
- Sun, C., Zhao, X. W., Han, Y. H., Gu, Z. Z. Control of water droplet motion by alteration of roughness gradient on silicon wafer by laser surface treatment. Thin Solid Films. 516, 4059-4063 (2008).
- Krupenkin, T. N., Taylor, J. A., Schneider, T. M., Yang, S. From Rolling Ball to Complete Wetting:The Dynamic Tuning of Liquids on Nanostructured Surfaces. Langmuir. 20, 3824-3827 (2004).
- Martines, E., Seunarine, K., Morgan, H., Gadegaard, N., Wilkinson, C. D. W., Riehle, M. O. Superhydrophobicity and Superhydrophilicity of Regular Nanopatterns. Nano Lett. 5, 2097-2103 (2005).
- Ranella, A., Barberoglou, M., Bakogianni, S., Fotakis, C., Stratakis, E. Tuning cell adhesion by controlling the roughness and wettability of 3D micro/nano silicon structures. Acta Biomater. 6, 2711-2720 (2010).
- Zorba, V., et al. Making silicon hydrophobic: wettability control by two-lengthscale simultaneous patterning with femtosecond laser irradiation. Nanotechnology. 17, 3234 (2006).
- Tsu, R., Lubben, D., Bramblett, T., Greene, J. Mechanisms of excimer laser cleaning of airexposed Si(100) surfaces studied by Auger electron spectroscopy, electron energyloss spectroscopy, reflection highenergy electron diffraction, and secondaryion mass spectrometry. J. Vac. Sci. Technol. A. 9 (100), 223-227 (1991).
- Miramond, C., Vuillaume, D. 1-octadecene monolayers on Si (111) hydrogen-terminated surfaces: Effect of substrate doping. J. Appl. Phys. 96 (111), 1529-1536 (2004).
- Chasse, M., Ross, G. Effect of aging on wettability of silicon surfaces modified by Ar implantation. J. Appl. Phys. 92, 5872-5877 (2002).
- Aronov, D., Rosenman, G., Barkay, Z. Wettability study of modified silicon dioxide surface using environmental scanning electron microscopy. J. Appl. Phys. 101, 084901-084905 (2007).
- Bal, J. K., Kundu, S., Hazra, S. Growth and stability of langmuir-blodgett films on OH-, H-, or Br-terminated Si(001). Phys. Rev. B. 81, 045404 (2010).
- Bal, J., Kundu, S., Hazra, S. Hydrophobic to hydrophilic transition of HF-treated Si surface during Langmuir lodgett film deposition. Chem. Phys. Lett. 500, 90-95 (2010).
- Grundner, M., Jacob, H. Investigations on hydrophilic and hydrophobic silicon (100) wafer surfaces by X-ray photoelectron and high-resolution electron energy loss-spectroscopy. Appl. Phys. A. 39 (100), 73-82 (1986).
- Li, Y., et al. Selective surface modification in silicon microfluidic channels for micromanipulation of biological macromolecules. Biomed. Microdevices. 3, 239-244 (2001).
- Li, X. M., Reinhoudt, D., Crego-Calama, M. What do we need for a superhydrophobic surface? A review on the recent progress in the preparation of superhydrophobic surfaces. Chem. Soc. Rev. 36, 1350-1368 (2007).
- Dubowski, J., et al. Enhanced quantum-well photoluminescence in InGaAs/InGaAsP heterostructures following excimer-laser-assisted surface processing. Appl. Phys. A. 69, 299-303 (1999).
- Genest, J., Beal, R., Aimez, V., Dubowski, J. J. ArF laser-based quantum well intermixing in InGaAs/InGaAsP heterostructures. Appl. Phys. Lett. 93, 071106 (2008).
- Genest, J., Dubowski, J., Aimez, V. Suppressed intermixing in InAlGaAs/AlGaAs/GaAs and AlGaAs/GaAs quantum well heterostructures irradiated with a KrF excimer laser. Appl. Phys. A. 89, 423-426 (2007).
- Wrobel, J. M., Moffitt, C. E., Wieliczka, D. M., Dubowski, J. J., Fraser, J. W. XPS study of XeCl excimer-laser-etched InP. Appl. Surf. Sci. 127-129, 805-809 (1998).
- Liu, N., Dubowski, J. J. Chemical evolution of InP/InGaAs/InGaAsP microstructures irradiated in air and deionized water with ArF and KrF lasers. Appl. Surf. Sci. 270, 16-24 (2013).
- Liu, N., Hassen, W. M., Dubowski, J. J. Excimer laser-assisted chemical process for formation of hydrophobic surface of Si (001). Appl. Phys. A. , 1-5 (2014).
- Liu, N., Huang, X., Dubowski, J. J. Selective area in situ conversion of Si (0 0 1) hydrophobic to hydrophilic surface by excimer laser irradiation in hydrogen peroxide. J. Phys. D: Appl. Phys. 47, 385106 (2014).
- Mizuno, K., Maeda, S., Suzuki, K. Photoelectron emission from silicon wafer surface with adsorption of organic molecules. Anal. Sci. 7, 345 (1991).
- Swift, J. L., Cramb, D. T. Nanoparticles as Fluorescence Labels: Is Size All that Matters?. Biophys. J. 95, 865-876 (2008).
- Liu, N., Kh Moumanis, ., Dubowski, J. J. Self-organized Nano-cone Arrays in InP/InGaAs/InGaAsP Microstructures by Irradiation with ArF and KrF Excimer Lasers. JLMN. 7, 130 (2012).
- Grunthaner, P. J., Hecht, M. H., Grunthaner, F. J., Johnson, N. M. The localization and crystallographic dependence of Si suboxide species at the SiO2/Si interface. J. Appl. Phys. 61, 629-638 (1987).
- Heo, J., Kim, H. J. Effects of annealing condition on low-k a-SiOC: H thin films. Electrochem. Solid-st. 10, G11 (2007).
- Chen, Y., Helm, C., Israelachvili, J. Molecular mechanisms associated with adhesion and contact angle hysteresis of monolayer surfaces. J. Phys. Chem. 95, 10736-10747 (1991).
- Miller, D., Biesinger, M., McIntyre, N. Interactions of CO2 and CO at fractional atmosphere pressures with iron and iron oxide surfaces: one possible mechanism for surface contamination?. Surf Interface Anal. 33, 299-305 (2002).
- Stanowski, R., Voznyy, O., Dubowski, J. J. Finite element model calculations of temperature profiles in Nd:YAG laser annealed GaAs/AlGaAs quantum well microstructures. JLMN. 1, 17-21 (2006).
- Westwater, J. W., Santangelo, J. G. Photographic Study of Boiling. Ind. Eng. Chem. 47, 1605-1610 (1955).
- Kim, J. W., Kim, H. B., Hwang, C. S. Correlation Study on the Low-Dielectric Characteristics of a SiOC (-H) Thin Film from a BTMSM/O2 Precursor. J. Korean Phys. Soc. 56, 89-95 (2010).
- Ishizaki, T., Saito, N., Inoue, Y., Bekke, M., Takai, O. Fabrication and characterization of ultra-water-repellent alumina-silica composite films. J. Phys. D: Appl. Phys. 40, 192 (2006).
- Almásy, L., Borbély, S., Rosta, L. Memory of silica aggregates dispersed in smectic liquid crystals: Effect of the interface properties. EPJ B. 10, 509-513 (1999).
- Chen, L., Liberman, V., O’Neill, J. A., Wu, Z., Osgood, R. M. Ultraviolet laser-induced ion emission from silicon. J. Vac. Sci. Technol. A. 6, 1426-1427 (1988).
- Rice, F., Reiff, O. The thermal decomposition of hydrogen peroxide. J. Phys. Chem. 31, 1352-1356 (1927).
- Quickenden, T. I., Irvin, J. A. The ultraviolet absorption spectrum of liquid water. J. Chem. Phys. 72, 4416-4428 (1980).
- Andre, T. Product pair correlation in CH3OH photodissociation at 157 nm: the OH+ CH3 channel. Phys. Chem. Chem. Phys. 13, 2350-2355 (2011).
- Cheng, B. M., Bahou, M., Chen, W. C., Yui, C. H., Lee, Y. P., Lee, L. C. Experimental and theoretical studies on vacuum ultraviolet absorption cross sections and photodissociation of CH3OH, CH3OD, CD3OH, and CD3OD. J. Chem. Phys.. 117, 1633-1640 (2002).
- Schiffman, A., Nelson, D. D., Nesbitt, D. J. Quantum yields for OH production from 193 and 248 nm photolysis of HNO3 and H2O2. J. Chem. Phys.. 98, 6935-6946 (1993).
- Nishino, T., Meguro, M., Nakamae, K., Matsushita, M., Ueda, Y. The Lowest Surface Free Energy Based on -CF3 Alignment. Langmuir. 15, 4321-4323 (1999).
