Методическая статья

Селективный Площадь Модификация поверхности кремния смачиваемости импульсным УФ лазерного облучения в жидкой среде

DOI:

10.3791/52720

⸱

9 ноября 2015 г.

 ,  , 
1Laboratory for Quantum Semiconductors and Photon-based BioNanotechnology, Interdisciplinary Institute for Technological Innovation, Laboratoire Nanotechnologies Nanosystèmes (LN2)- CNRS UMI-3463, Faculty of Engineering, Université de Sherbrooke

В этой статье

Краткое содержание

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Мы сообщаем о процессе в Ситу изменение HF лечение Si (001) в гидрофильной или гидрофобной государства путем облучения образцов в микрофлюидных камерах, наполненных H 2 O 2 / H 2 O раствор (0,01% -0,5%) или метанол решения с помощью импульсного УФ лазер относительно низкой плотности энергии импульса.

Аннотация

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Смачиваемость кремния (Si), является одним из важных параметров в технологии поверхностного функционализации этого материала и изготовления биодат- устройств. Мы сообщаем о протоколе использования KRF и АРФ лазеры облучения Si (001) образцов, погруженных в жидкой среде с низким числом импульсов и работать при умеренно низких плотностях энергии импульса, чтобы вызвать Si смачиваемость модификации. Вафли погружается до 4 часов в 0,01% H 2 / H 2 O раствора 2 O не показать измеримое изменение в их первоначальном углом контакта (CA) ~ 75 °. Тем не менее, 500-импульсный КгР и АРФ лазеры облучение таких пластин в микрокамеры заполнено с 0,01% H 2 O 2 / H решение 2 O при 250 и 65 мДж / см 2, соответственно, снизилась ЦС Рядом 15 °, что указывает на образование в superhydrophilic поверхности. Формирование ОН концевыми Si (001), без каких-либо измеримых изменений морфологии поверхности пластины, в имеетбыло подтверждено с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии и измерения атомно-силовой микроскопии. Селективное площадь облученных образцов были затем погружали в биотин-конъюгированные флуоресцеина наносфер окрашенных раствором в течение 2 ч, в результате чего успешно иммобилизации наносфер в необлученной области. Это иллюстрирует возможности метода селективного области biofunctionalization и изготовления усовершенствованных биодат- архитектур Si-основе. Мы также описать аналогичный протокол облучения пластин, погруженных в метаноле (CH 3 OH) с использованием ArF лазер работает при импульсном флюенса 65 мДж / см 2 и в формировании месте в сильно гидрофобной поверхности Si (001) с СА 103 °. Результаты показывают, XPS ArF лазер индуцированной формирование Si- (ОСН 3) х соединений, ответственных за наблюдаемую гидрофобности. Однако такие соединения не были найдены XPS на поверхности Si при облучении лазером KrF в метаноле, демонстрируянеспособность лазера KrF с фотодиссоциация метанола и создать -ОСН3 радикалы.

Введение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Замечательные электронные и химические свойства, а также его высокая механическая прочность сделали кремний (Si) является идеальным выбором для микроэлектронных устройств и биомедицинских чипов 1. Выборочный контроль площадь поверхности Si получил значительное внимание для приложений, связанных микрофлюидных и лаборатории-на-чипе устройства 2,3 .Это часто получают либо нано-модификации поверхности шероховатости или путем химической обработки поверхности 4. Поверхность шероховатости или рисунка, чтобы произвести беспорядочные или заказанные поверхностные структуры на поверхности Si включают фотолитографии 5, ионно-лучевая литография 6 и лазерные методы 7. По сравнению с этими методами, процесс текстурирования лазерная поверхность, как сообщается, менее сложной с потенциалом для получения микроструктур с высоким пространственным разрешением 8. Однако, как Si имеет повышенный порог текстурирования, требующий облучение импульсным флюенса кпобудить поверхности текстурирования превышает его абляции порога (~ 500 мДж / см 2) 9, текстурирования поверхности кремния часто помогали с использованием газовых атмосфер реактивные, такие как, что высокого давления SF 6 окружающей 4,7,8. Следовательно, для изменения смачиваемости поверхности Si, многочисленные произведения были сосредоточены на химической обработке путем нанесения органических и неорганических 10 фильмов 2, или с помощью плазмы или пучка электронов обработку поверхности 11,12. Он признал, что гидрофильность Si, происходящих из существования единственного и связанных с ними групп ОН на его поверхности может быть достигнуто путем кипячения его в Н решения 2 O 2 при 100 ° С в течение нескольких минут 13. Тем не менее, гидрофобные поверхностные состояния Si, большинство из которых связано с наличием Si-H или Si-O-СН 3 группы, может быть достигнуто путем мокрого химического травления с участием обработки раствором фтористоводородной кислоты или покрытия фоторезистом 13-15. Для достижения выборочный контроль области смачиваемости Si, сложные шаги паттерна, как правило, требуется, в том числе лечения в химических растворах 16. Высокая химическая активность УФ лазерного излучения также были использованы для селективного процесс площадь органической пленкой, покрытых твердых подложках и изменять их смачиваемость 17. Тем не менее, ограниченное количество данных доступно на лазерной помощь модификации Si смачиваемость облучения образцов, погруженных в различных химических растворов.

В нашем предыдущем исследовании, УФ лазерное облучение III-V полупроводников в воздухе 18-20 и NH 3 21 был успешно использован для изменения поверхности химический состав GaAs, InGaAs и InP. Мы установили, что УФ лазерное облучение III-V полупроводников в деионизированной (DI) воды снижается поверхностные оксиды и карбиды, в то время как вода адсорбируется на поверхности полупроводника увеличивается 22. Сильно гидрофобная поверхность Si (Калифорния ~ 103 °) был получен ArF лазерного облучения образцов Si в метаноле в нашей недавней работе 23. Как указано с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS), это, прежде всего, из-за способности АРФ лазера фотодиссоциация CH 3 OH. Мы также использовали KrF и АРФД лазеры для облучения Si (001) в 0,01% H 2 O 2 в деионизированной воде. Это позволило нам достичь селективного образования области superhydrophilic поверхности Si (001) характеризуются АС вблизи 15 °. Результаты XPS предполагают, что это из-за образования связей Si-OH в облучаемой поверхности 24.

Подробное описание этой новой техники с использованием KrF и АРФД лазеры для селективной области в модификации месте гидрофильного / гидрофобного поверхности Si поверхности в низкой концентрации H 2 O 2 / H 2 O и метанола решений показано в этой статье. Подробности, приведенные здесь, должно быть достаточнымчтобы подобные эксперименты должны быть выполнены заинтересованными исследователями.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Подготовка образцов

  1. Используйте diamode писца расщеплять п-типа (Р-легированных) с одной стороны полированной кремниевой пластины (удельное сопротивление 3,1 ~ 4,8 Ω.m), который находится в 3 дюйма в диаметре, 380 мкм, в образцах 12 мм х 6 мм; очистить образцы в OptiClear, ацетона и изопропилового спирта (5 мин для каждого шага).
  2. Etch образцы в ~ 0,9% HF решения от 1 мин до стравливают исходного оксида; промыть в дистиллированной водой и сушат в высокой чистоты (99,999%) азота (N 2).
  3. Храните подготовленные образцы в Н 2 сумки, чтобы обуздать их окисление в воздухе.

2. облучать образцы АРФ (λ = 193 нм) и KrF (λ = 248 нм) лазеров.

  1. Образцы Место в 0,74 мм высотой камеры, а затем запечатать камеру с плавленого кварцевого окна, что имеет высокую передачу в УФ (≥90%). Заполните камеру с H 2 O 2 / H 2 O решение в диапазоне 0,01-0,2% или с дегазированной Метанол, используя микрожидкостных канал.
  2. Облучают образцы с гомогенизированных ArF KrF лазеров или на уменьшения, 2,6 и 1,8, соответственно. Облучают только 2 сайтов в каждом образце путем увеличения лазерных импульсов от 100 до 600 на шаге 100 импульсов через круглое маски (4 мм в диаметре). Облучать образцы таким же образом, с "кленового листа" (9 мм х 7,2 мм) маски.
  3. Промыть образцы в дистиллированной водой, насухо N 2; флеша разместить образцы в герметичном контейнере, а затем быстро заполнить этот контейнер с N 2, с тем чтобы избежать воздействия воздуха до дальнейших экспериментов.

3. Иммобилизация Bio-сопряженные Наносферы

  1. Развести наносферы 40 нм диаметра биотин-конъюгированные и флуоресцеина окрашивали в рН 7,4 фосфатным буферным солевым раствором (PBS, 1X) раствор 10 12 частиц / мл при комнатной температуре (~ 25 ° С). Погрузитесь лазерные облученных образцов ArF KrF или для 2-# 160; ч в этот раствор при комнатной температуре.
  2. Образцы Вымойте с PBS, чтобы устранить физически связанные флуоресцеина окрашенных наносферы на поверхности.

4. Характеристика поверхности

  1. Угол Контактная информация (Калифорния) измерение
    1. Провести измерения статических CA гониометром в среде РТ и влажности окружающей среды.
    2. Применять высокой чистоты DI воды (удельное сопротивление 17.95 МОм · см) в микро-шприца; генерируют аналогичного объема (~ 5 мкл) падает на поверхность образца за счет снижения микро-шприц с аналогичной высоты для каждого измерения.
    3. Захват и сохранение капли воды профильное изображения от камеры CCD с программным обеспечением. Измерьте самостоятельно 4 различных сайтов с тех же условиях облучения.
    4. Оценка и средние значения CA в модуле анализа раскрывающемся от программного обеспечения ImageJ; загрузить изображение и изменить его в оттенках серого; запустить плагин Dropsnake; разместить примерно несколько узлов на раскрывающемся контура (~ 10 узлов) слеваПраво инициализации змею; принять кривую, соединяющую эти узлы и развиваться кривую, нажав на кнопку змея. Примечание: углы контактные отображаются на изображении и в таблице.
  2. Измерение XPS
    1. Исследовать поверхности химическую модификацию с XPS-спектрометра (базовый давления 1x10 -9 Торр), оснащенного источником Аль Kα, работающих на 150 Вт:
      1. Загрузка образцов в вакуумную камеру.
      2. Приобретать данные обследования поверхности в постоянных режимах энергии 50 эВ энергии переходить от области 220 мкм х 220 мкм.
      3. Приобретать высокие данные сканы разрешения из той же анализируемой области на 20 эВ пройти энергию.
    2. Процесс XPS спектры со спектрами данных XPS количественного программного обеспечения, как указано 25,26.
  3. Микроскоп флуоресценции
    1. Excite образцы, которые были облучены через "кленовый лист" маски и открытых флуоресцеина окрашенных наносферы, используясиний источник света (λ = 450 ~ 490 нм).
    2. Заметим, флуоресцентные изображения, излучающий на 515 нм, с помощью флуоресцентного микроскопа в перевернутом увеличении 4X.
    3. Охарактеризуйте морфологии поверхности этих образцов с AFM, как указано 27.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Эти представительные результаты были представлены в нашей предыдущей работе, опубликованной 23,24. Рисунок 1 показывает CA против N (количество импульсов) на сайтах облученного KrF лазера на 250 мДж / см 2 в DI H 2 O при разных концентрациях Н 2 О 2 / H 2 O растворы (например., 0,01, 0,02, 0,05 и 0,2%). СА уменьшается с увеличением числа импульсов для всех H 2 O 2 решения. Минимальная Калифорния (~ 15 °) для H

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Мы предложили протокол УФ лазерного облучения кремниевой пластины в микрожидкостных камере, наполненной низкой концентрации H 2 O 2 решения, чтобы вызвать superhydrophilic Si поверхность, которая в основном за счет генерации Si-ОН. УФ лазерного фотолиза Н 2 О 2 должен был сформировать отрицательно заряженные ОН - радикалы. Кроме того, УФ-лазера фотоэффект приводит к образованию положительно заряженной поверхности 37. Таким образом, взаимодействие этих нег...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Эта работа была поддержана Советом по естественным наукам и инженерным исследованиям Канады (грант на открытие No 122795-2010) и программой Канадской исследовательской кафедры квантовых полупроводников (JJD). Мы высоко ценим помощь, оказанную Сяохуань Сюаном, Мохамедом Валидом Хассеном и техническую помощь Сони Блейс из Шербрукского центра компьютеризации материалов (CCM) в сборе данных XPS. NL выражает признательность Merit Scholarship Program for Foreign Student, Fonds de recherche du Québec - Nature et technologies, за предоставление стипендии для аспирантов.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
окрашенные флуоресцеином наносферыInvitrogenF8795
OptiClearNational DiagnosticsOE-101
ArF лазер (λ=193 нм)Lumonicspulse master 800
KrF laser (λ=248 нм)Lumonicspulse master 800
XPSKratos AnalyticalAXIS Ultra DLD
Флуоресцентный микроскопOlympusIX71
XPS программное обеспечение для количественной оценкиCasaXPS2.3.15

Ссылки

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Zorba, V., et al. Making silicon hydrophobic: wettability control by two-lengthscale simultaneous patterning with femtosecond laser irradiation. Nanotechnology. 17, 3234(2006).
  9. 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).
  10. 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).
  11. Chasse, M., Ross, G. Effect of aging on wettability of silicon surfaces modified by Ar implantation. J. Appl. Phys. 92, 5872-5877 (2002).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. Li, Y., et al. Selective surface modification in silicon microfluidic channels for micromanipulation of biological macromolecules. Biomed. Microdevices. 3, 239-244 (2001).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. Mizuno, K., Maeda, S., Suzuki, K. Photoelectron emission from silicon wafer surface with adsorption of organic molecules. Anal. Sci. 7, 345(1991).
  26. Swift, J. L., Cramb, D. T. Nanoparticles as Fluorescence Labels: Is Size All that Matters? Biophys. J. 95, 865-876 (2008).
  27. 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).
  28. 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).
  29. Heo, J., Kim, H. J. Effects of annealing condition on low-k a-SiOC: H thin films. Electrochem. Solid-st. 10, G11(2007).
  30. 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).
  31. 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).
  32. 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).
  33. Westwater, J. W., Santangelo, J. G. Photographic Study of Boiling. Ind. Eng. Chem. 47, 1605-1610 (1955).
  34. 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).
  35. 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).
  36. 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).
  37. 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).
  38. Rice, F., Reiff, O. The thermal decomposition of hydrogen peroxide. J. Phys. Chem. 31, 1352-1356 (1927).
  39. Quickenden, T. I., Irvin, J. A. The ultraviolet absorption spectrum of liquid water. J. Chem. Phys. 72, 4416-4428 (1980).
  40. Andre, T. Product pair correlation in CH3OH photodissociation at 157 nm: the OH+ CH3 channel. Phys. Chem. Chem. Phys. 13, 2350-2355 (2011).
  41. 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).
  42. Schiffman, A., Nelson, D. D. Jr, 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).
  43. Nishino, T., Meguro, M., Nakamae, K., Matsushita, M., Ueda, Y. The Lowest Surface Free Energy Based on -CF3 Alignment. Langmuir. 15, 4321-4323 (1999).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Silicon Surface WettabilityPulsed UV Laser IrradiationContact Angle ModificationHydrophilic Hydrophobic SurfacesX ray Photoelectron SpectroscopyAtomic Force MicroscopySelective Area BiofunctionalizationHydrogen Peroxide SolutionMethanol ImmersionNanosphere Immobilization

Похожие статьи