액체 환경에서의 펄스 자외선 레이저 조사에 의한 실리콘 표면의 젖음성의 선택 영역 수정

본 실험의 전반적인 목적은 저농도 과산화수소 용액 또는 메탄올에 침지된 시료에 크립톤 불화물 및 아르곤 불화물 레이저를 조사하여, 실리콘 상에 친수성 및 소수성 표면을 모두 형성하는 것을 입증하는 것입니다. 이 방법은 바이오센싱 응용 분야에 적합할 수 있는 반도체 표면의 선택적 영역 화학적 변형과 관련된 레이저-반도체 상호작용 분야의 주요 질문들에 답하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 기술의 주요 장점은 진공 표면 처리 없이도 실리콘 표면 가용성의 정밀 제어에 적용 가능하다는 점입니다.

반도체의 모폴로지. 우리는 먼저 이 방법에 대한 아이디어를 얻었습니다. 우리는 해당 기술에 사용되는 표면 결함의 선택적 영역 형성을 위한 U 레이저 기반 공정을 연구하고 있습니다.

양자 혼합의 경우, 단순 챔버 내의 공기 포켓 플릿 개체군 관리와 EXIM 레이저의 균질화된 빔 조사가 상대적으로 까다로운 단계이므로 이 방법에 대한 시각적 시연이 매우 중요합니다. 우선, 다이아몬드 스크라이브를 사용하여 한 면이 연마된 n형 인 도핑 실리콘 웨이퍼를 두께 380 µm, 크기 12 mm x 6 mm의 샘플로 절단합니다. 그런 다음 샘플을 아세톤과 이소프로필 알코올에 각각 5분 동안 헹구어 세척합니다.

다음으로, 초기 산화막을 제거하기 위해 샘플을 0.9% HF 용액에서 1분 동안 식각한 후, 탈이온수로 헹구고 고순도 질소 기류로 건조합니다. 준비된 샘플은 산화를 방지하기 위해 질소가 충전된 백에 보관합니다. 다음 단계를 진행할 준비가 되면 샘플을 높이 0.74 mm의 챔버에 넣습니다. 챔버를 물에 희석한 0.01%에서 0.2% 과산화수소 또는 DGA 메탄올로 채운 다음, UV 투과율이 높은 융합 실리카 윈도우로 챔버를 밀봉합니다.

챔버 내부에 기포가 남지 않았는지 확인하십시오. 직경 4 mm의 원형 마스크를 통해 펄스 수를 100에서 600까지 100펄스 간격으로 증가시키며, 각 샘플의 두 지점에만 균질화된 빔을 조사하십시오. 다음으로, 단풍잎 모양의 마스크를 사용하여 동일한 방식으로 샘플에 조사하십시오.

완료 후, 샘플을 이온수로 헹구고 질소 플러싱으로 건조합니다. 실온에서 PBS를 사용하여 비오틴이 접합되고 플루오레세인으로 염색된 40 nm 직경의 나노구체를 1 × 10¹² particles/mL 농도로 희석합니다. 다음으로, 크립톤 불화물 레이저를 조사한 샘플을 실온에서 이 용액에 2시간 동안 담급니다. 그 후, 조사된 샘플을 PBS에 1분 동안 담가 표면에서 결합되지 않은 플루오레세인 염색 나노구체를 제거합니다.

먼저 샘플을 깨끗하고 평평한 표면에 놓은 후, 마이크로 시린지 팁에 액적을 형성시키고 샘플 표면에 닿아 전이될 때까지 천천히 내립니다. CCD 카메라를 사용하여 액적의 프로파일 이미지를 캡처 및 저장하고, 각 레이저 지점에서 접촉각을 독립적으로 측정합니다. 그 후 이미지를 ImageJ로 불러와 액적 분석 플러그인인 dropsnake를 사용하여 접촉각 값을 추정하고 평균을 냅니다.

먼저 이미지를 그레이스케일 이미지로 변환하십시오. 다음으로, 스네이크(snake)를 초기화하기 위해 왼쪽에서 오른쪽으로 액적 윤곽선을 따라 그리십시오. 이러한 노드들을 연결하는 곡선을 설정하고, snake 버튼을 눌러 곡선을 진화시키십시오.

이미징한 각 액적에 대해 이 과정을 반복합니다. X선 광전자 분광법을 수행하기 위해 서로 다른 샘플의 레이저 조사 부위 4곳에서 접촉각 평균값을 계산합니다. 먼저 샘플을 진공 챔버에 넣고 1 × 10⁻⁹의 진공 상태로 배기합니다.

그 다음, 50 electron volt 패스 에너지의 일정 에너지 모드에서 표면 분석 데이터를 수집합니다. 150 watt 전력의 ebeam 생성 알루미늄 K alpha 방출을 사용하여 220 microns x 220 microns 영역을 대상으로 합니다. 이어서, 동일한 분석 영역에서 20 electron volt 패스 에너지를 사용하여 고해상도 스캔을 수집합니다.

마지막으로 제조업체의 사양에 따라 적절한 정량 분석 소프트웨어를 사용하여 획득한 스펙트럼을 처리합니다. 이 접촉각 결과는 과산화수소 용액에 평균 10분 동안 노출시킨 후 획득되었습니다. 모든 서로 다른 과산화수소 농도에서 펄스 횟수가 증가함에 따라 접촉각이 감소합니다.

500 펄스의 0.02 및 0.01% 과산화수소 용액을 모두 사용했을 때 약 15도의 최소 접촉각을 얻었습니다. X선 광전자 분광법 데이터에 따르면 크립톤 플루오라이드 레이저를 조사한 부위의 이산화규소 및 수산화규소 양이 조사되지 않은 영역보다 더 많습니다. 이산화규소로 코팅된 표면의 최소 접촉각은 45도에서 50도이며, 수산화규소 층의 최소 접촉각은 13도입니다. 따라서 초친수성 수산화규소 단분자층이 조사된 시료의 접촉각 감소의 주요 원인일 가능성이 매우 높습니다.

비오틴이 코팅된 형광 나노구체는 가급적 조사되지 않은 소수성 실리콘 표면에 고정되므로, 녹색 배경에서 관찰되는 단풍잎 모양의 패턴은 KRF 레이저로 제작된 강한 친수성 표면 영역을 나타냅니다. 이 절차를 수행할 때, 공기 노출로 인한 산화를 최소화하고 레이저 조사 중 기포 발생을 줄이는 것이 중요합니다. 이 절차 외에도 소재의 특성에 따라 UV 램프 등을 이용한 다른 화학적 표면 변형 방법들을 조사할 수 있습니다.

이 방법의 잠재적인 장점은 공정 챔버에서 웨이퍼를 제거하지 않고도 실리콘 표면을 소수성에서 친수성으로, 또는 그 반대로 변환할 수 있다는 점에 있습니다. 숙련되면 선택적 공기 수정을 위한 패턴의 복잡성에 따라 이 기술적 절차는 약 30분 내에 완료될 수 있습니다. 따라서 이 영상을 시청한 후에는 엑시머 레이저의 UV 광선을 사용하여 선택된 영역 내 실리콘 표면의 젖음성을 조절하는 방법에 대해 충분히 이해하게 될 것입니다.

UV 광선 작업은 매우 위험할 수 있으므로, 본 절차를 수행하는 동안에는 항상 UV 보호 장구를 착용해야 함을 잊지 마십시오. 또한 불산(hydrofluoric acid) 작업은 위험하므로 고무 장갑과 안면 보호구를 착용해야 합니다.