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

この実験の全体的な目的は、低濃度の過酸化水素溶液またはメタノールに浸漬させたシリコン試料に、クリプトンフルオリドおよびアルゴンフルオリドレーザーを照射することで、親水性表面と疎水性表面の両方の形成を実証することです。この手法は、バイオセンシングへの応用に適している可能性のある、半導体表面の選択的領域化学修飾に関するレーザーと半導体の相互作用分野におけるいくつかの重要な疑問に答えるのに役立ちます。この技術の主な利点は、真空環境に置くことなくシリコン表面の生存性を精密に制御するために適用できることです。

半導体の形態。我々はまず、この手法の着想を得ました。我々は、この技術で使用される表面欠陥の選択的領域形成のためのUレーザーベースのプロセスについて研究しています。

量子混合同時発生において、単純なチャンバー内の気泡群の制御とEXIMレーザーの均質化ビームによる照射は比較的困難な工程であるため、本手法の視覚的な実演が不可欠となります。まず、ダイヤモンドスクライバーを用いて、片面研磨済みのn型リンドープシリコンウェハを、厚さ380 µm、サイズ12 mm × 6 mmのサンプルに劈開します。次に、サンプルをアセトンで洗浄し、続いてイソプロピルアルコールでそれぞれ5分間すすいで洗浄します。

次に、サンプルを0.9%フッ化水素酸溶液で1分間エッチングして初期酸化膜を除去し、脱イオン水で洗浄後、高純度窒素気流で乾燥させます。準備したサンプルは、酸化を抑制するため窒素充填バッグに入れて保存してください。次の工程に進む際は、サンプルを高さ0.74 millimeterのチャンバーに入れます。チャンバーに水で希釈した0.01から0.2%過酸化水素、またはDGAメタノールを満たし、UV光透過率の高い溶融石英ウィンドウでチャンバーを密封します。

チャンバー内に気泡が残っていないことを確認してください。直径4 mmの円形マスクを用い、パルス数を100から600まで100パルス刻みで増やしながら、各サンプルの2箇所のみに均質化されたビームを照射します。次に、カエデの葉の形状をしたマスクを用いて、同様にサンプルに照射してください。

完了後、サンプルをイオン水で洗浄し、窒素ブローで乾燥させます。室温で、ビオチン結合およびフルオレセイン標識された直径40 nmのナノ粒子をPBSで1 × 10¹² particles/mLに希釈します。次に、クリプトンフッ化物レーザー照射済みのサンプルを、この溶液に室温で2時間浸漬させます。その後、照射済みサンプルをPBSに1分間浸漬し、表面に残っている未結合のフルオレセイン標識ナノ粒子を除去します。

まず、サンプルを清潔で平らな面に配置します。マイクロシリンジの先端に液滴を形成させ、サンプル表面に接触して転移するまでゆっくりと下げます。CCDカメラを用いて水滴のプロファイル画像をキャプチャして保存し、各レーザー照射部位における接触角を個別に測定します。次に、画像をImage Jに読み込み、ドロップ解析プラグインのdrops snakeを用いて接触角の値を推定し、平均化します。

まず、画像をグレースケール画像に変換します。次に、スネーク（snake）を初期化するために、液滴の輪郭を左から右に向かって囲みます。これらのノット（結節点）を結ぶ曲線を確定し、snakeボタンを押して曲線を変化させます。

撮像した各液滴についてこの操作を繰り返します。X線光電子分光分析を行うため、異なるサンプルのレーザー照射部位4か所から平均接触角を算出します。まず、サンプルを真空チャンバーにロードし、1×10⁻⁹まで真空引きします。

次に、パスエネルギー50 eVの定エネルギーモードで表面サーベイデータを取得します。150 Wの出力で電子ビームにより生成されたアルミニウムKα線を用い、220 µm × 220 µmの領域をターゲットにします。続いて、同じ分析領域からパスエネルギー20 eVを用いて高分解能スキャンデータを取得します。

最後に、メーカーの仕様に従い、適切な定量ソフトウェアを用いて取得したスペクトルを処理します。これらの接触角の結果は、過酸化水素溶液に平均10分間曝露した後に取得されました。すべての異なる過酸化水素濃度において、パルス数が増加するにつれて接触角が減少します。

500パルスの照射において、0.02%および0.01%の両方の過酸化水素溶液を用いて約15度の最小接触角が得られました。X線光電子分光法（XPS）のデータは、クリプトンフッ化物レーザーで照射された部位の二酸化ケイ素および水酸化ケイ素の量が、非照射領域よりも多いことを示しています。二酸化ケイ素でコーティングされた表面の最小接触角は45度から50度であり、水酸化ケイ素層の最小接触角は13度であるため、照射サンプルにおける接触角の低下は、超親水性の水酸化ケイ素単分子層によるものである可能性が非常に高いと考えられます。

ビオチンコーティングされた蛍光ナノ粒子は、非照射の疎水性シリコン表面に優先的に固定されるため、緑色の背景に観察されるカエデの葉のパターンは、KRFレーザーによって作製された強親水性表面の領域を示しています。この手順を行う際は、空気への曝露による酸化を最小限に抑え、レーザー照射中の気泡発生を低減させることが重要です。また、材料の能力に応じて、例えばUVランプを用いた他の方法による表面の化学修飾についても検討が可能です。

この手法の潜在的な利点は、処理チャンバーからウェハを取り出すことなく、シリコン表面を疎水性から親水性へ、あるいはその逆に変化させることができる点にあります。習熟すれば、選択的な表面修飾のためのパターンの複雑さにもよりますが、この技術的な操作は約30分で完了します。したがって、このビデオを視聴することで、エキシマレーザーのUV光を用いて、シリコン表面の選択的な領域の濡れ性を制御する方法について十分に理解できるはずです。

UVライトを使用した作業は極めて危険であるため、本手順の実施中は常にUV保護具を着用してください。また、フッ化水素酸を取り扱うことは危険であり、ゴム手袋とフェイスシールドの着用が必要です。