Soutenance mémoire
Les progrès des décennies précédentes en microélectronique ont permis de mettre au point des outils de lithographies efficaces permettent de fabriquer des dispositifs comportant des motifs de quelques dizaines de nanomètres. Cette évolution naturelle des technologies suivant la célèbre loi de miniaturisation énoncée par Moore à conduit à une course pour diminuer de plus en plus la taille des dispositifs sans altérer irrémédiablement le coût unitaire des produits commerciaux finaux. Parallèlement à l’amélioration des méthodes de lithographie optique qui constituent l’essentiel des méthodes de production actuelles, un besoin de réduction des coûts et d’augmentation des cadences de fabrications à conduit à l’émergence d’une nouvelle catégorie de lithographie appelée « lithographie douce » (traduction de «soft- lithography », terme introduit par G. Whitesides en 1993). Cette nouvelle famille de procédés regroupe des technologies d’impression permettant de reproduire fidèlement, rapidement et à moindre coût, des moules réalisés par des méthodes plus lentes et onéreuses comme la lithographie électronique ; mais également le «Microcontact Printing » (µCP) permettant le dépôt de molécules sur une surface suivant des motifs contrôlés jusqu’à l’échelle nanométrique. Ces avancées technologiques basées sur l’amélioration des procédés de lithographie ont entraîné logiquement l’application de ces outils pour des secteurs différents de la microélectronique et en particulier pour ses héritiers légitimes que sont les nanotechnologies. Ce vaste domaine que constituent les nanotechnologies s’est dés lors inscrit dans une mouvance « More than Moore ». C’est à dire une ouverture affichée vers les autres domaines scientifiques tels la chimie et la biologie, créant de plus en plus de thèmes de recherche et d’applications interdisciplinaires. C’est dans cet esprit d’utilisation des technologies existantes mais appliquées à de nouveaux domaines, notamment vers les sciences du vivant que s’est déroulée cette thèse. En effet les besoins de nouvelles technologies sont énormes en biologie et plus particulièrement pour les biopuces qui conjuguent sur une surface solide les dernières avancées en matière de lithographie et de biologie moléculaire.
Deux débouchés des nanotechnologies dans ces domaines sont d’une part la «biodétection » et d’autre part le « biopatterning ». Le premier point passe évidemment par l’amélioration des dispositifs de détection déjà disponibles mais surtout par la recherche de nouveaux procédés innovants. La réduction des dimensions à l’échelle nanométrique des dispositifs de détection, engendre un accroissement significatif de la sensibilité. Des concentrations de l’ordre du fM sont désormais détectables à l’aide de nano-transistors. Le « biopatterning » peut être considéré comme le point subissant le plus d’évolutions durant cette décennie. La problématique consiste à déposer des molécules biologiques sondes qui vont être capables de détecter au sein d’une solution à analyser des molécules cibles en raison de leur interaction spécifique avec ces dernières. La recherche hautement parallélisée d’un très grand nombre de cibles biologiques potentielles, pour diagnostiquer une maladie par exemple, impose donc le dépôt d’un grand nombre de molécules sondes en des motifs de dimension réduite permettant l’intégration de ces biopuces sur des surfaces de quelques cm2 . De nombreux groupes de recherche essaient donc d’utiliser les méthodes de nanolithographie afin de réaliser ce « biopatterning ». Un des principaux défis est de rendre compatibles ces méthodes avec la fragilité des biomolécules. Dans cette perspective, la lithographie douce apparaît comme un candidat idéal capable de fixer les molécules sondes sur les surfaces suivant des motifs contrôlés et sans les dénaturer. C’est ce choix qui m’a guidé durant le travail de recherche que je présente dans ce mémoire. Outre, les innovations apportées par la lithographie douce en termes de réduction des coûts et de flexibilité d’utilisation, il est désormais envisageable d’influencer directement l’évolution des technologies de détection par le biais du patterning, en jouant sur la forme et la taille des motifs déposées.
Micro et nanotechnologie
Les méthodes de lithographies
Toute construction de structures complexes fait appel à la lithographie. Il existe de nombreuses méthodes, toutes comportent avantages et inconvénients. A titre d’exemple des capacités de fabrication des technologies de lithographie classique et douce, en terme de gamme de résolution et vitesse d’écriture, la figure 1 nous en brosse un bref Récapitulatif. Ce graphique nous démontre bien qu’il est difficile de coupler une bonne résolution avec une grande vitesse d’écriture. C’est une des raisons pour laquelle la lithographie douce est apparue. En effet elle permet de coupler les technologies plus classiques et matures ayant de bonnes résolutions avec de nouveaux procédés, permettant une écriture rapide et a faible coût. Le cahier des charges qui nous est fixé pour répondre aux besoins en matière de fabrication de biopuces est difficile à remplir. Nous devons être capables à la fois de pouvoir fabriquer des microstructures mais aussi des nanostructures. De plus cette technologie doit être polyvalente car de nombreuses molécules très différentes les unes des autres devront être structurées. Le coût et la rapidité de fabrication des structures doivent être aussi au rendezvous. C’est pour l’ensemble de ces raisons que nous avons été amenés à choisir les méthodes de lithographie douce et notamment le µCP.
Les différentes approches de la lithographie
Approche Top down
L’expression méthode de fabrication Top-down peut être caractérisée par un ensemble de processus qui, à partir d’un apport de matière première brute, visent à forger celle-ci, à la transformer par étapes souvent en lui enlevant des parties indésirables. L’élaboration de circuits intégrés repose sur cette approche. Pour donner un exemple moins scientifique un artiste sculptant de la pierre utilise aussi une technologie Top-down. La tendance dans la fabrication de composants électroniques est de diminuer la taille des structures de plus en plus [1]. Cela conduit à augmenter la densité et les performances de ces composants et dans le même temps de diminuer la consommation en énergie et le coût de ceux-ci. La méthode la plus utilisée et qui sera décrite par la suite est la photolithographie par proximité. La dimension typique des structures fabriquées par ces méthodes de microfabrication est entre 1 et 100 µm. Ces technologies sont de plus en plus utilisés en dehors du cadre traditionnel de la microélectronique, incluant la microfluidique, les systèmes microelectromécaniques (MEMS), comme les microdétécteurs, les microactuateurs et les systèmes optiques. La majorité des recherche dans ces domaines sont basé sur le silicium, mais de plus en plus de nouveaux matériaux comme les polymères apparaissent en même temps que les nouveaux domaines d’applications. L’approche Top-down en nanofabrication est la suite logique des technologies de microfabrication, mais cette fois pour des dimensions de structures comprises entre quelques dizaines et la centaine de nanomètres. Le FIB (Focus Ion Beam), la Deep UV lithographie et la lithographie électronique sont des exemples de technologies couramment utilisé pour réaliser des structures nanométriques. Les technologies de lithographie douces sont quant à elles pour la plupart des approches top-down, que ce soit à l’échelle micrométrique ou bien nanométrique. Une différence notable par rapport aux technologies classiques réside dans leur possible couplage avec des approches Bottom-up comme nous le verrons par la suite.
Approche Bottom-up
Les approches Bottom-up, en revanche, sont philosophiquement complètement opposées aux approches Top-down. Elles emploient les propriétés chimiques de nano-objets pour réaliser un auto-assemblage dans une conformation utile d’une grande quantité de molécules. Dans un premier temps, le phénomène d’auto-assemblage a surtout été utilisé dans le domaine des semi-conducteurs (boîtes quantiques – optoélectronique) puis s’est étendu à d’autres domaines. Dans ces derniers, c’est principalement la croissance auto-organisée de structure nanométrique des atomes [2] (mûrissement d’Oswald, croissance tridimensionnelle…) à la surface d’un substrat qui a été utilisé. L’approche Bottom-up se situe à la jonction entre la physique et la chimie. Parallèlement au phénomène d’auto-assemblage de nanostructures obtenues par croissance, la chimie permet de synthétiser des nano-particules avec des qualités remarquables (cristal, forme régulière, faible dispersion en taille. . .) puis de les déposer sur un substrat de manière à ce qu’elles s’auto-assemblent. On obtient ainsi une assemblée de nano particules avec un ordre à courte distance. Les phénomènes physiques utilisés pour contrôler l’assemblage de particules sur une surface sont principalement l’assemblage capillaire et l’auto-assemblage moléculaire, mais il en existe de nombreux autres (Champ électrique ou magnétique, gravité…). Ce dernier utilise les capacités naturelles de certaines molécules à s’autoassembler sur une surface. L’assemblage capillaire lui « force » les molécules, soit par des structures topographiques soit chimiques à s’auto-assembler.
De nombreux types d’assembleurs capillaires existent, ils fonctionnent sur un principe inspiré des techniques de Langmuir-Blodget [4]. Un film mince de solution contenant les particules à assembler est étiré par mouvement mécanique du substrat (ou d’une lame comprimant la solution sur le substrat). L’évaporation du solvant a l’interface air-liquide entraîne la migration des particules vers cette zone du film qui devient de plus en plus mince en raison du tirage mécanique. Dans cette zone les particules sont fortement attirées par les zones chimiquement modifiées ou/et les motifs topologiques (figure 2a)) et en raison du piégeage du ménisque sur ces motifs. Lorsque le film de solution est trop contraint, il se retire brusquement laissant les particules piégées sur les motifs. Suivant le motif choisi on peut par exemple obtenir un cristal de nanoparticules (figure 2b)) ou bien un ensemble de particules aligné (figure2c)).
Les technologies classiques de lithographie
Les technologies de lithographies classiques ou Top-down ont besoin d’équipements en salle blanche, où l’air est filtré pour diminuer la contamination des substrats et/où la température et l’humidité sont stables. Ceci entraîne des frais financiers élevés mais nécessaires pour atteindre des résolutions nanométriques et une uniformité des procédés.
Nous allons décrire dans les paragraphes suivant deux des technologies Top-down les plus utilisés dans cette thèse et dans la plupart des procédés de fabrication à ces échelles: La photolithographie et la lithographie électronique. Ces méthodes conventionnelles de fabrication de structures micro ou nanométriques consistent à enduire un substrat de silicium dans la majorité des cas, avec une résine sensible à un type de radiation qui modifie la structure des chaînes de polymères. Ce changement de structure se traduit soit par une plus grande solubilité dans un solvant (cas des résines positives) soit par une solubilité diminuée (cas des résines négatives).
Photolithographie par proximité
Principe
Comme décrit précédemment, la photolithographie consiste premièrement à enduire par enduction centrifuge ou « spin-coating » un substrat avec une résine photosensible (figure 5a). Un masque de quartz avec des motifs en chrome (opaque aux rayonnements UV) est placé au dessus du substrat permettant ainsi le rayonnement UV d’insoler seulement les zones voulues (figure 5b). La solubilité des zones insolées change suivant la nature de la résine, le substrat est plongé dans un solvant chimique qui révèle ainsi les motifs (figure 5c). La résine restante est maintenant utilisée comme masque pour la gravure chimique ou physique (figure 5d) ou pour un dépôt métallique. Finalement la résine est retirée par traitement chimique (figure 5e), dans le cas où un dépôt métallique a eu lieu cette étape appelée lift-off, nécessite quelquefois l’emploi d’un bain d’ultrasons et une température du solvant plus élevée pour faciliter l’enlèvement du métal déposé sur la résine.
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Table des matières
Introduction
Chapitre I : Micro et nanotechnologie
1-LES METHODES DE LITHOGRAPHIES
1-1-LES DIFFERENTES APPROCHES DE LA LITHOGRAPHIE
1-1-1-Approche Top down
1-1-2-Approche Bottom-up
1-2-LES TECHNOLOGIES CLASSIQUES DE LITHOGRAPHIE
1-2-1-Photolithographie par proximité
1-2-2-Lithographie par Balayage de faisceau d’électrons/ions
1-3-LES TECHNOLOGIES DE LITHOGRAPHIE DOUCE
1-3-1-Technologies d’“Embossing” et de Molding
1-3-2-Technologies de « contact printing »
2-BIOPUCES A ADN
2-1-GENERALITES
2-1-1-Le marché des Biopuces
2-1-1-ADN et hybridation
2-1-2-Systèmes de détection par fluorescence
2-2-MICROARRAYS
2-2-1-La problématique et les solutions existantes
2-2-2-« Microarray » obtenus par dépôt robotisé de gouttes
2-2-3-Puce in-situ
2-3- MOLECULES UNIQUES
2-3-1-Peignage moléculaire
2-3-2-Suivi de molécules uniques
3-VERS LA FABRICATION DE BIOPUCES PAR LITHOGRAPHIE DOUCE5
REFERENCES
Chapitre II : Moules et Timbres pour la lithographie douce
1-MOULES
1-1-FABRICATION DES MOULES
1-2-TRAITEMENTS DE SURFACE
1-2-1-Les différentes méthodes
1-2-2-Le traitement en phase liquide
2-TIMBRES
2-1-PDMS
2-1-1-Une formulation commerciale: Sylgard 184
2-1-2-Hard PDMS
2-1-3-Timbre hybride
2-2-POLLUTION OCCASIONNEE LORS DU CONTACT PAR LE TIMBRE DE PDMS
2-2-1- Caractérisation du procédé de contamination
2-2-2-Influence des conditions de réticulation sur le degré de contamination
2-2-3-Influence de la composition du PDMS
2-2-4-Nettoyage des timbres de PDMS
2-3-PROPRIETES MECANIQUES DU TIMBRE EN PDMS
2-3-1-Conformation du timbre sur le substrat
2-3-2-Effondrement du timbre
2-3-3-« Retrait thermochimique » du PDMS
REFERENCES
Chapitre III : Encrage des timbres
1-PREPARATION DES SURFACES
1-1-PLASMA
1-1-1-Impact du processus de nettoyage sur la persistance du traitement de surface par plasma O2 des timbres de PDMS
1-1-2-Effet du plasma sur le PDMS
1-2-TRAITEMENTS CHIMIQUES
2-ENCRE MOLECULAIRE
2-1-MOLECULES BIOLOGIQUES (SOLVANTS PROTIQUES)
2-1-1-Adsorption de l’ADN sur un timbre de PDMS
2-1-2-Impact du processus de nettoyage du PDMS sur l’encrage des molécules d’ADN
2-1-3-Adsorption des protéines sur un timbre de PDMS
2-2-MOLECULES SYNTHETIQUES (SOLVANTS POLAIRES APROTIQUES)
2-2-1-Molécules inférieures au nm
2-2-2-Molécules synthétiques hydrophiles
2-2-3-Molécules synthétiques hydrophobes
3-SUBSTRATS
3-1-SILANES
3-2-DENDRILAMES
REFERENCES
CHAPITRE IV : BIOPUCES
1-DENDRIMERES
1-1-PRINCIPE DU DEPOT
1-2-LES DIFFERENTS REGIMES DE DEPOT
1-2-1-Régime d’excès
1-2-2-Régime de déficit
1-3-HAUTE RESOLUTION
2-BIOPUCES A ADN
2-1-ETUDE DU NOMBRE ET DU TEMPS DE CONTACT
2-2-COMPARAISON ENTRE LE SPOTTER ET LE µCP
2-3-FABRICATION DE BIOPUCES POUR LA DETECTION DE MUTATION, MULTIPLEXAGE
3-BIOPUCES A MOLECULES UNIQUES : PERSPECTIVES
3-1-OBJECTIFS ET CONTEXTE
3-2-PEIGNAGE D’ADN
REFERENCES
Conclusion
Annexes
