 Dépôt et gravure d’oxydes pour les micro et nanotechnologies |
Gravure de verres de silice pour dispositifs microfluidiques d’analyse biologique  |
Participants:
- Christophe CARDINAUD (DR)
- Marie-Claude FERNANDEZ-PEIGNON (MC)
- Ahmed RHALLABI (MC)
- Ludovic LALLEMENT (thèse)
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Dans ces dispositifs, la séparation des molécules (brins d’ADN, génotypes bactériens…) est obtenue par le temps qu’elles mettent à franchir un réseau de nanostructures obstruant partiellement un canal, permettant ainsi des temps d’analyse réduits (~1 h comparé à 24 h pour une électrophorèse classique sur gel) et ne nécessitant qu’un faible volume d’échantillon. Le mécanisme est dit “à résorption d’hernie”. Plus il y a de fentes, plus le nombre d’hernies est grand et donc plus la séparation est efficace (Figure 1). Afin de pouvoir engager entre les obstacles une boucle de longueur de persistance 50 nm il est nécessaire de réaliser des ouvertures d’environ 100 nm, espacées de 100 nm. (Figure 2). La grande latitude avec laquelle des obstacles de taille et forme variées peuvent être réalisés par gravure plasma permet d’envisager un excellent contrôle du processus d’électrophorèse et une augmentation conséquente de la résolution et de la vitesse d’analyse. Typiquement, les structures à réaliser ont une dimension (largeur ou diamètre) de 100 nm à 2 µm et une hauteur de 2 µm à 40 µm, il s’agit donc dans tous les cas de structures au facteur de forme élevé (~ 20).
Le matériau de choix pour cette application est le verre, pour de multiples raisons : transparence dans le visible, bon diélectrique, bio-compatiblité, résistance aux solvants et aux solutions corrosives et enfin faible coût. En effet le dispositif doit rester bon marché : la cellule d’électrophorèse est en principe à usage unique.
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 Figure 1 : Mécanisme de migration sous champ électrique et filtrage par résorption d’hernies. Représentation schématique du passage d’un peigne par une pelote polymérique.
Figure 2 : Structure peigne gravée dans la silice SiO2 en plasma dense CHF3. Largeur des murs 100 nm, hauteur 800 nm |
| Présentation et objectifs
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| La réalisation de structures à fort facteur de forme dans le verre requiert une étude approfondie des mécanismes de gravure. En effet la gravure des verres, comparativement au quartz ou la silice, est rendue complexe par la nature et la concentration des oxydes métalliques qui s’y trouvent, conduisant à une faible vitesse de gravure et à une importante texturation de la surface (Figure 3). L’objectif est de comprendre comment la composition du verre influe sur les mécanismes physique et chimique d’attaque par le plasma et d’identifier comment les paramètres du procédé (composition du gaz, pression, puissance d’excitation du plasma, polarisation du porte-substrat) peuvent être optimisés, en tenant compte de la composition des verres, pour conduire à une gravure efficace et produire les structures de géométrie souhaitée. |
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Le sujet est traité selon une double approche, expérimentale et de modélisation.
La partie expérimentale porte sur l’acquisition de données caractéristiques des plasmas fluorocarbonés. On s’intéresse ainsi à caractériser les espèces chimiques présentes (molécules, atomes, radicaux et ions), à déterminer leur concentration et à quantifier le flux des espèces sur la surface ; les techniques mises en œuvre sont la spectrométrie de masse et la spectrométrie optique en émission. Les grandeurs électriques du plasma, telles que le potentiel plasma, la distribution en énergie des électrons, la mesure du flux d’ions parvenant à la surface sont déterminées par les techniques de sondes électrostatiques. La physico-chimie de la surface est étudiée par analyse XPS quasi in-situ. La gravure de structures test dans différents verres et l’optimisation du procédé est développé en partenariat avec le LPN (Marcoussis).
Un gain de temps précieux dans l’optimisation de ce type de procédés est possible si des simulations numériques permettent de prédire a priori les tendances et les effets de variations des conditions de gravure pour une géométrie de motifs donnée. Cette partie modélisation consiste à développer une approche multi-échelle pour simuler le procédé de gravure en plasma dense fluorocarboné. Les données expérimentales du plasma servent ainsi à mettre au point des modules décrivant le plasma : “couplage électromagnétique”, “transport des espèces chargées”, et “cinétique chimique”, en collaboration avec le CFP (Lisbonne). Enfin un module “surface” couplant les données résultant des modules plasma et cinétique chimique est construit pour décrire l’interaction des différentes espèces avec la surface et l’évolution de celle-ci au cours du procédé. Ces simulations visent à prédire la morphologie et l’état de surface des structures gravées en fonction des paramètres externes du procédé |
| Collaborations
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Laboratoire de Photonique et des Nanostructures, Marcoussis
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Centro de Fisica dos Plasmas, Instituto Superior Technico, Lisbonne
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Laboratoire d’Ecologie et Evolution des Microorganismes, Paris
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