[发明专利]处理表面以促进感兴趣的分子结合的方法、由其形成的涂层和器件

说明书

技术领域

本发明总体上涉及处理衬底表面的方法，以及该方法和由其形成所得到的膜、涂层和器件在各种应用，包括但不限于电子设备制造、印刷电路板制造、金属电镀，表面抗化学侵蚀保护、局部化(localized)导电涂层的生产、化学传感器的生产(例如在化学和分子生物学领域内)、生物医学设备的生产等中的用途。

背景技术

现有技术已经公开了许多用于化学改性表面的技术。其中分子连接(附着，attach)至表面上而使分子在表面上保留其所有的或一些性质的方式称为分子连接(molecule attachment)。因为感兴趣的分子通常是有机或有机金属分子，所以通常采用的工艺依赖于非常庞大的分别由在表面和感兴趣的分子上的特定官能团介导的有机化学反应库，这些官能团是相容的，即易于且如果可能就迅速地一起发生反应。例如，当含有羟基基团-OH或胺基-NH的表面是可利用的，则可以通过向感兴趣的分子提供异氰酸酯、硅氧烷、酰氯等而进行官能化。当感兴趣的分子不包含任何直接与表面官能团相容的官能团时，这种表面可以采用双官能中间体有机分子进行预官能化(prefunctionalized)，其中官能团之一与该表面的官能团相容，而另一个官能团与期望连接的分子相容。从这个观点而言，可以发现，表面的分子连接是有机化学反应的一种特定情形，其中两种反应物之一是在表面上的而不是溶液中的分子。

与溶液和表面之间的多相反应有关的动力学，基本上不同于在均相中的类似反应，但是反应机制在原理上是相同。在某些情况下，表面通过预处理进行活化而使其上产生具有更高反应活性的官能团，以便获得更快速的反应。这些可以特别是不稳定的官能团，短暂地形成，例如由表面强烈氧化(化学的或经由辐射)而形成的自由基。在这些技术中，表面或感兴趣的分子都经过了改性，使得一旦改性，则在两物种之间的连接相当于是在有机化学反应库中其它地方所知的反应。

尽管巨大的信息库有助于识别可能的候选反应和/或机理，但是仍需要大量的工作以确定反应是否可行。另外，在许多情况下，如为了实现反应而必须对表面或感兴趣的分子进行改性，这样的改性方法需要相对复杂和成本高昂的预处理，如用于等离子体方法，如化学气相沉积(CVD)的真空设备的使用、等离子体辅助化学气相沉积(PACVD)的技术、辐射等，此外，这些都不是必须保持前体的化学完整性。

这些方法仅仅在待处理表面具有类似于绝缘体的电子结构的范围内才真正意义上是可操作的：以物理学家的话说，这可以表述为表面需要具有(量子)定域状态。以化学家的话说，这可以表述为表面需要具有(包含，contain)官能团。对于金属，例如，反应性沉积处理(CVD，PACVD，等离子体等)允许沉积物更好地连接至氧化物层或至少连接至基本绝缘的隔离层(segragation layer)。

然而，当表面是导体或未掺杂的半导体时，这样的定域状态并不存在：表面的电子状态处于离域状态。因此，使用相同的化学反应使感兴趣的有机分子连接到金属性表面将是更加困难的。确实存在几个实例：所描述是在金属表面上，并且尤其是在金表面上的硫醇、以及异腈的自发化学反应。然而，并不能在所有情况下利用这些反应。具体而言，例如，硫醇产生弱的硫/金属键。例如当金属随后进行阴极或阳极极化时，这些键就会断裂而分别形成硫醇盐和磺酸盐，这能够导致分子从该表面发生解吸。