Impression de Biomolécules par Lithographie douce, applications pour les Biopuces

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 . 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 7 Chapitre I 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. La figure 2 montre une variété d’assemblage sur structures topographiques de billes de polystyrène de 500 nm .