Soutenance mémoire
Structuration : techniques existantes et utilisées
La structuration de motifs à l’échelle micro ou nano est une étape clé dans de nombreux domaines de la science moderne. La sphère d’application s’étend de la production de circuits imprimés, la fabrication de Micro Systèmes Electromécaniques (MEMS), à la miniaturisation de capteurs, de dispositifs micro fluidiques en passant, bien sûr, par les biopuces. Il existe plusieurs techniques pour structurer une biopuce: lithographie, jet d’encre, robot de dépôt. Chacune comporte des avantages et des inconvénients qui seront développés et illustrés dans ce chapitre.
Lithographie avancée
La lithographie avancée est un domaine très vaste , comprenant diverses branches. Il est possible de structurer un substrat de bien des manières différentes, selon la taille des motifs ou selon le coût. Dans le paragraphe « lithographie avancée » nous ne développerons pas toutes les techniques de lithographie existantes, mais nous nous focaliserons sur deux techniques utilisées durant ces travaux de thèse : la photolithographie et la lithographie électronique (ebeam). De manière très simplifiée, le principe consiste tout d’abord en l’enduction de résine sur un substrat de silicium qui sera ensuite exposé, soit aux ultraviolets (photolithographie) soit aux électrons (e-beam).
Préparation du substrat
La première chose à faire lors de la structuration d’un échantillon en silicium par lithographie est de bien préparer le substrat. Une poussière ou une goutte d’eau peuvent durement toucher les motifs créés dans le substrat de silicium. Ce dernier doit donc subir divers traitements pour pouvoir être utilisé en lithographie. Il doit en premier lieu être nettoyé (généralement dans un mélange sulfochromique) puis rincé à grande eau. Le substrat est ensuite séché et placé dans une étuve afin d’évaporer toute trace d’eau. Une fois déshydraté, le substrat en silicium peut potentiellement être enduit d’un promoteur d’adhérence. Ce dernier a pour but de faciliter les liaisons entre la résine et le substrat en silicium. Il est à noter qu’il n’est pas obligatoire de déposer un promoteur d’adhérence (généralement de l’hexamethyldisilazane (HMDS)) sur la surface du substrat. Une fois ces étapes réalisées, le substrat est enduit de résine. Afin d’avoir une couche uniforme dont l’épaisseur est contrôlée, la résine est dispersée par enduction centrifuge ou « spin-coating ». La résine appliquée est sensible à un type de radiation qui modifie la structure des chaines de polymères qui la composent. Par exemple, la résine sera photosensible (sensible aux ultraviolets (UV)) dans le cas d’une utilisation en photolithographie, mais sera sensible aux électrons dans le cas d’une lithographie électronique. Les résines peuvent être classées en deux types de catégorie : positive et négative. Elles vont réagir en opposition lorsqu’elles seront exposées aux radiations. Les résines positives auront une grande solubilité (sur leurs parties irradiées) alors que les résines négatives en auront une plus faible. Autrement dit, la zone irradiée des résines positives sera dissoute dans le solvant alors que c’est la zone non irradiée qui sera dissoute dans le solvant dans le cas des résines négatives. (Figure 1.1 et 1.2). Immédiatement après enduction de la résine, le substrat est recuit (de 65° à 120 ° durant 30 à 60 secondes selon le type de résine) afin d’éliminer une partie des solvants. Le substrat est alors prêt à être insolé.
Photolithographie
La photolithographie est une technique permettant de projeter à l’aide d’une source lumineuse, l’image d’un masque sur un support photosensible afin de l’y imprimer . Nous ne détaillerons ici que la photolithographie par proximité utilisée pour ces travaux de thèse et pour laquelle aucun système d’imagerie n’est inséré entre le masque et l’échantillon. Pour cela, un masque de quartz avec des motifs en chrome (opaques aux UV) est placé au dessus du substrat préalablement préparé (voir I-1-1 a), permettant ainsi au rayonnement UV d’insoler seulement les zones voulues (Fig. 1.1b). L’étape suivante consiste à révéler la résine en trempant le substrat dans un solvant chimique (Fig 1.1c). La solubilité des zones insolées variant selon le type de résine, elles seront (résine positive) ou non (résine négative) dissoutes dans le solvant. La résine restante est ensuite utilisée comme masque, entre autre, pour la gravure chimique ou physique (Fig 1.1d). La gravure utilisée pour ces travaux de thèse était la gravure ionique réactive (RIE) gravure physique. La résine restante est ensuite retirée par traitement chimique (Fig 1.1e).
La taille minimale des motifs est limitée par le phénomène de diffraction de la lumière par les motifs du masque. Plus le masque sera proche du substrat, plus la tâche de diffraction projetée sur l’échantillon sera réduite et donc plus grande sera la résolution. Cependant, malgré l’utilisation d’un système sous vide élaboré afin de mettre le masque et le substrat en contact, il est toujours difficile en pratique de réduire la distance entre un masque et un substrat conventionnel à moins de 1 micron sur des surfaces larges (une galette de silicium de 4 pouces par exemple). La résolution est donc limitée, dans nos conditions d’utilisation, autour de 2 µm. Le deuxième inconvénient dans l’utilisation de la photolithographie est qu’elle n’est pas utilisable avec beaucoup de matériaux organiques ou biologiques, en raison de l’incompatibilité des solvants utilisés .
Afin d’obtenir des motifs à l’échelle nanométrique, il est possible d’utiliser la lithographie électronique, plus précisément, la lithographie par faisceau d’électrons localisés (e-beam).
Lithographie électronique
Le principe de cette technique est le suivant : un faisceau d’électrons, focalisé dans une sonde de dimension nanométrique, balaye le substrat (Fig. 1.2b) préalablement préparé (I1-1-a) en suivant un motif précis et préalablement dessiné avec un logiciel adapté. Ce dessin est transformé en une séquence de tensions analogiques qui vont piloter le faisceau d’électrons à l’aide des bobines de balayage du système de lithographie. L’interaction du faisceau d’électrons avec la résine induit un changement local dans la solubilité de la résine. Cette solubilité est due à une modification des liaisons du polymère qui compose la résine, ce qui permet de créer les motifs insolés (résine positive) ou leur inverse (résine négative) (Fig. 1.2c). Après révélation, sur le même principe qu’une photolithographie, le substrat est gravé chimiquement ou physiquement (Fig 1.2d) puis délaqué : c’est-à-dire nettoyé de sa résine restante.
La faible longueur d’onde associée à la grande énergie du faisceau d’électron permet d’avoir une très haute résolution ainsi qu’une très grande précision d’écriture. Grâce à l’ebeam, il est donc possible d’obtenir des motifs de géométrie variée pouvant descendre jusqu’à quelques nanomètres. Cependant, l’écriture reste assez lente car utilisant une méthode en série (motifs insolés les uns après les autres par opposition à la photolithographie : insolation en parallèle), et le coût d’utilisation d’un tel procédé demeure élevé.
La lithographie pouvant seulement être appliquée à la structuration d’un nombre restreint de matériaux (comme les résines photosensibles ou électro-sensibles), son emploi s’en trouve forcément limité. Les techniques utilisées, relativement lentes et onéreuses, rendent la lithographie avancée, notamment la lithographie électronique, pratique pour faire quelques copies de l’échantillon original mais l’élimine de la production de masse. Cependant, les originaux créés peuvent être ensuite utilisés comme moules dans un procédé de reproduction afin de transférer les motifs rapidement, pour concevoir, à bas coût et avec une haute précision, des réplicas dans d’autres matériaux. L’association d’une écriture « haute résolution» avec une réplication du moule mère à bas coût semble fournir la technique la plus facile et la mieux adaptée à la fabrication en masse de nanostructures.
Lithographie douce ou « soft-Lithography »
La lithographie douce englobe de nombreuses techniques : micro contact printing (µCP), micro transfert molding (µTm), Nano imprint lithography (NIL) , edge printing , Micromolding in capillaries (MIMIC) etc. Par souci de concision toutes ces techniques ne seront pas développées dans ce manuscrit. Nous nous focaliserons sur les méthodes les plus proches de celles utilisées dans ces travaux de thèse, qui sont des techniques adaptées à l’utilisation de molécules biologiques délicates.
Principe de la Lithographie douce
La lithographie douce est un domaine très vaste comprenant nombre de techniques qui répondent aux critères suivant : simplicité, rapidité et faible coût. Introduite par Whitesides et al dans les années 90, la lithographie douce a depuis été largement développée . La majorité des techniques rassemblées sous la bannière «lithographie douce » font appel à un concept identique : un timbre en élastomère, formé à partir d’un moule mère (générée par photolithographie ou e-beam), est utilisé pour structurer un matériau. Grace à ce procédé de fabrication, il est possible d’obtenir de multiples copies d’un moule mère originel d’une manière rapide et économique.
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Table des matières
Introduction
Chapitre I : Etat de l’art : Biopuce et criblage : de la structuration à la détection
I‐1 : Structuration : techniques existantes et utilisées
I‐1‐1 : Lithographie avancée
I‐1‐1‐a : Préparation du substrat
I‐1‐1‐b : Photolithographie
I‐1‐1‐c : Lithographie électronique
I‐1‐2 : Lithographie douce ou « soft‐Lithography »
I‐1‐2‐a : Principe de la Lithographie douce
I‐1‐2‐b : Les différentes lithographies douces
I‐1‐3 : Jet d’encre
I‐1‐4 : Robot de dépôt
I‐2 : Présentation biopuce/biocapteur
I‐2‐1 Les différents types de puces
I‐2‐1‐a : Puce à ADN
I‐2‐1‐b : Puce à protéine
I‐2‐2 : Les différentes voies de synthèse
I‐2‐2‐a : In situ
I‐2‐2‐a‐1 : La photolithographie
I‐2‐2‐a‐2 : Jet d’encre
I‐2‐2‐b : Ex situ
I‐2‐3 : Les différents supports
I‐2‐3‐a : Lame de verre
I‐2‐3‐b : Micros puits
I‐3 : Criblage pharmaceutique
I‐4 : Détection d’interactions
I‐4‐1 : Présentation générale des différents types de détection
I‐4‐1‐a : Transducteur mécanique
I‐4‐1‐b : Electrochimique
I‐4‐1‐c : Optique
I‐4‐2 : Présentation détaillée de la détection optique
I‐4‐2‐a : Détection optique avec marquage : la fluorescence
I‐4‐2‐b : Détection optique sans marquage
I‐4‐2‐b‐1 : Résonance de plasmons de surface : SPR174‐180
I‐4‐2‐b‐2 : Diffraction
I‐5 : Conclusion et mise en place du problème
I‐5‐1 : Contexte de la thèse
I‐5‐2 : Couplage industriel
I‐5‐3 : Travail de fond (simulation de la diffraction)
I‐5‐4 : Enjeux biopuce et criblage
Références
Chapitre 2 : Fabrication des biopuces
II‐1 : Fabrication des moules
II‐1‐1 : Moules à motifs nanométriques
II‐1‐2 : Traitement antiadhésif en phase liquide
II‐2 : Les timbres
II‐2‐1 : Propriétés du PDMS
II‐2‐1‐a : Propriétés générales
II‐2‐1‐b : Etude de l’effet du traitement plasma sur le PDMS
II‐2‐2 : Les timbres classiques
II‐2‐2‐a : Présentation du timbre : propriétés mécaniques
II‐2‐2‐b : Utilisation du timbre
II‐2‐3 : Le Macrotimbre
II‐2‐3‐a : Présentation du macrotimbre
II‐2‐3‐b : Fabrication du Macrotimbre
II‐2‐3‐c : Dépôts et tests réalisés avec le macrotimbre
II‐3 : Chimie de surface
II‐3‐1 : Chimie de surface pour ADN
II‐3‐2 : Chimie de surface pour peptide
II‐4 : Les dépôts de molécules
II‐4‐1 : Streptavidine
II‐4‐2 : Dendrimères
II‐4‐2‐a : Timbre hydrophobe
II‐4‐2‐b : Timbre hydrophile
II‐4‐3 : ADN
II‐5 : Conclusion
Références
Chapitre 3 : Diffraction
III‐1 : Rappel du principe de diffraction
III‐1‐1 : Diffraction d’un réseau en transmission
III‐1‐2 : Diffraction d’un réseau en réflexion
III‐1‐2 : Simulation de la réponse d’un réseau
III‐2 : Présentation du système expérimental : le banc de diffraction
III‐3 : Présentation des résultats
III‐3‐1 : Détection d’une interaction protéine ‐ Anticorps
III‐3‐2 : Détection d’une interaction entre deux brins d’ADN complémentaires
III‐4 : Conclusion
Références
Chapitre 4 : Améliorations et ouvertures possibles
IV‐1 : Le dépôt structuré à l’échelle nanométrique sans lithographie avancée
IV‐1‐1 : Déformation du PDMS par traitement plasma Oxygène
IV‐1‐2 : Le transfert de dendrimères par lithographie douce
IV‐1‐3 : Possibilités offertes
IV‐2 : Une autre possibilité : les Polymères à Empreintes Moléculaires
IV‐2‐1 : Présentation des MIP
IV‐2‐2 : Structuration de MIP par lithographie douce
IV‐2‐3 : Aspect applicatif : reconnaissance spécifique de la molécule cible
IV‐3 : Conclusion
Références
Conclusion
