液体環境におけるパルスUVレーザー照射によるシリコン表面の濡れ性の選択エリア変更
Summary
我々は、H 2 O 2 / H 2 O溶液（0.01％-0.5％）またはメタノール溶液で満たされたマイクロ流体チャンバ内でサンプルを照射することにより、親水性又は疎水性の状態にするのSi（001）表面を処理されたHF の現場変更でのプロセスについて報告相対的な低パルスフルエンスのパルスUVレーザーを使用して。
Abstract
シリコンの濡れ性（Si）は、表面、この材料の機能化及びバイオセンシングデバイスの製造の技術における重要なパラメータの一つです。我々は、Siの濡れ性の変更を誘導するために適度に低いパルスフルエンスのパルス数が少ない液体環境中に浸漬したSi（001）のサンプルを照射のKrFやArFレジストレーザを用いて動作のプロトコルに報告します。ウエハは、彼らの初期の接触角（CA）〜75°の測定可能な変化を示さなかった0.01％のH 2 O 2 / H 2 O溶液中で最大4時間浸漬しました。しかし、500パルスのKrFと250と65ミリジュール/ cm 2で0.01％のH 2 O 2 / H 2 O溶液で満たされたマイクロチャンバー内のようなウェーハのArFレジストのレーザー照射は、それぞれ、近い15°にCAを減少しています超親水性表面の形成を示します。ウェハの表面形態の無い測定可能な変化とOH-終端Si（001）の形成は、持っていますX線光電子分光法及び原子間力顕微鏡測定によって確認されました。選択領域に照射サンプルは、非照射領域におけるナノスフェアの成功固定化の結果、2時間、ビオチン結合フルオレセイン染色ナノスフィア溶液に浸漬しました。これは高度なSi系バイオセンシング・アーキテクチャの選択領域の生体機能化および製造のための方法の可能性を示しています。また、65ミリジュールのパルスフルエンスで動作するArFレーザを用いて、メタノール（CH 3 OH）に浸漬ウエハの照射の同様のプロトコルを記述/ cm 2であり、103のCAを有するSi（001）の強い疎水性表面のその場形成の °。 XPSの結果は、Si-でのArFレーザ誘起される形成の観察された疎水性のために（OCH 3）Xの化合物責任を示しています。しかしながら、そのような化合物を実証し、メタノール中でKrFレーザーにより照射したSi表面上のXPSによって検出されませんでしたKrFレーザのできないことは、メタノールをphotodissociateと-OCH 3ラジカルを作成します。
Introduction
注目すべき電子的および化学的性質だけでなく、その高い機械的強度は、シリコン（Si）のマイクロエレクトロニクスデバイスおよび生物医学チップ1のための理想的な選択をしました。 Si表面の選択領域の制御は、マイクロ流体を含む用途およびラボオンチップデバイス2,3 .Thisために大きな注目を受 けているが、多くの場合、表面粗さのナノスケールの修飾により又は表面4の化学処理のいずれかによって得られます。 Si表面に不規則又は規則の表面構造を生成するために粗面化またはパターニングは、フォトリソグラフィ5、イオンビームリソグラフィー6及びレーザ技術7を含みます 。これらの方法に比べて、レーザ表面テクスチャリング工程は、高空間分解能8に微細構造を生成する可能性を有するより複雑であると報告されています。しかし、Siはにパルスフルエンスの照射を必要とする、上昇テクスチャリングのしきい値を持っているとして、そのアブレーション閾値（〜500ミリジュール/ cm 2）で9を超える表面テクスチャリングを誘発し、Si表面のテクスチャリングは、しばしば、このような高圧SF 6環境4,7,8のものと反応性ガス雰囲気を使用することによって支援されています。これにより、Si表面の濡れ性を改変するために、多数の作品は10有機および無機膜2を堆積し 、プラズマまたは電子ビーム表面処理11,12を使用して、化学的処理に焦点を当てています。これは、その表面に単数および関連するOH基の存在に由来するシリコンの親水性は、数分13 100℃でH 2 O 2溶液中で煮沸することによって達成され得ることが認識されます。ただし、のSi-H又はSi-O-CH 3基の存在に起因している大部分の疎水性のSi表面の状態は、フォトレジスト13を HF酸溶液またはコーティングをエッチング含む湿式化学処理によって達成することができます-15。 Siとの濡れ性の選択領域の制御を達成するために、複雑なパターニング工程は、通常、薬液16中に治療を含む、必要とされます。 UVレーザー放射の高い化学反応性はまた、選択領域プロセス有機膜コーティングされた固体支持体に使用され、それらの湿潤性17を変更されています。しかし、限られた量のデータは、異なる化学溶液に浸漬した試料の照射によるSiの濡れ性のレーザーアシスト修正で提供されています。
我々の以前の研究では、空気18-20及びNH 3 21におけるIII-V半導体のUVレーザー照射が正常のGaAs、InGaAsのとInPの表面の化学組成を変更するために使用しました。半導体表面に吸着した水22を上昇させる一方で、我々は、脱イオン中III-V半導体のUVレーザー照射を確立し（DI）水は、表面酸化物および炭化物を減少させます。強い疎水性Si表面（CA〜103°）が我々の最近の研究23で、メタノール中のSiサンプルのArFレーザを照射して得ました。 X線光電子分光法（XPS）によって示されるように、これは、主にCH 3 OHをphotodissociateするArFレーザの能力です。我々はまた、DI水中のH 2 O 2を0.01％に（001）シリコンを照射するのKrFや、ArFレーザを使用しました。これは、私たちは近くに15°のCAによって特徴づけたSiの超親水性表面（001）の選択領域の形成を達成することができました。 XPSの結果は、この照射面24上のSi-OH結合の生成によるものであることを示唆しています。
H 2 O 2 / H 2 Oおよびメタノール溶液の低濃度のSi表面の親水性/疎水性表面のその場での変更で選択領域のためのKrFやArFレジストレーザーを使用して、この新しい技術の詳細については、この記事で示されています。ここで提供される詳細が十分でなければなりません同様の実験は、関心のある研究者によって実行されることを可能にします。
Protocol
Representative Results
Discussion
我々が原因のSi-OHの生成に主に超親水Si表面を誘発するためにH 2 O 2溶液の低濃度で満たされたマイクロ流体チャンバ内のSiウエハのUVレーザー照射プロトコルを提案しています。ラジカル– H 2 O 2のUVレーザー光分解は負に帯電し、OHを形成することになりました。また、UVレーザー光電効果は、正に帯電した表面37が形成されます。従って、これらの負の?…
Disclosures
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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