Brevet FR2818263A1 — publié le 20020621

SUBSTRAT POUR MATERIAU A INSOLER DESCRIPTION Domaine technique La présente invention concerne un substrat présentant une surface de réception pour une couche de matériau à insoler. Elle s'applique en particulier à la réalisation de biopuces. Etat de la technique antérieure Le document"Light-generated oligonucleotide arrays for rapid DNA sequence analysis"de A. C Pease et al. paru dans Proceedings of the National Academy of Sciences USA, Vol. 91, pages 5022 à 5026, Mai 1994, divulgue une technique de synthèse in situ de sondes biologiques par une méthode de photodéprotection. Cette technique nécessite des doses d'insolation importantes : 4, 5 minutes d'exposition à 14, 5 mW/cm2 pour une longueur d'onde de la lumière d'insolation de 365 nm. L'énergie produite est alors de 4 J/cm2. Le document "The Efficiency of Light-Directed Synthesis of DNA Arrays on Glass Substrates"de G. H. McGall et al, paru dans J. Am. Chem. Soc., Vol 119, NO 22, pages 5081 à 5090, 1997, semble recommander une exposition pendant 2 minutes à 30 mW/cm2 à une longueur d'onde de 365 nm (un filtre coupant au-dessous de 340 nm) soit une énergie de 6 J/cm2. En fait, la vitesse de déprotection est proportionnelle à l'intensité lumineuse dans la gamme comprise entre 5 et 50 mW/cm2. Le document"Maskless fabrication of lightdirected oligonucleotide microarrays using a digital micromirror array"de S. Singh-Gasson et al. paru dans Nature Biotechnology, Vol. 17, Octobre 1999, divulgue une technique sans masque, utilisant des miroirs. L'insolation dure 4 minutes pour 20 mW/cm2 à 365 nm (un filtre coupe au-dessous de 340 nm et un autre est utilisé pour les infra-rouges). Ceci correspond à une intensité de 4,8 J/cm2. Les techniques divulguées par ces documents mettent en oeuvre des doses d'insolation importantes. Ces doses sont même si importantes que des précautions doivent être prises quant à l'absorption du substrat supportant le matériau à insoler et quant à l'échauffement qui en résulte. En effet, il peut en résulter une dilatation du substrat. Dans le cas d'une technologie de plus en plus intégrée, ce phénomène de dilatation lors de l'insolation peut se révéler un obstacle dans la voie de l'intégration. Une solution à ce problème consiste à utiliser des substrats en silice synthétique pour minimiser le phénomène de dilatation. Cependant, ces substrats sont très chers par rapport à des substrats de verre standard : environ 20 fois plus chers. Ce problème d'énergie élevée engendrée lors de l'insolation ne concerne pas seulement les puces à ADN. En fait, il se retrouve pour toutes les fonctionnalisations biologiques de dispositifs pilotés par la lumière à des doses pouvant être dommageables pour les dispositifs. Cette façon de fonctionnaliser des dispositifs est assez bien établie dans l'état de l'art. On peut citer à ce sujet les documents suivants : . "Using self-assembled monolayers to understand the interactions of man-made surfaces with proteins and cells"de M. Mrksich et al. paru dans Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct., 1996, Vol 25, pages 55 à 78. Ce document cite cette méthode comme l'une des méthodes les plus utilisées pour écrire des motifs biologiques sur une surface. "Light-dependent, covalent immobilization of biomolecules on inert surfaces"de H. Sigrist et al., paru dans Bio/Technology, Vol. 10, Septembre 1992, pages 1026 à 1028. Les doses d'insolation annoncées sont du même ordre de grandeur que celles vues cidessus pour les puces à ADN : ImW/cm2 pendant 20 minutes, soit 1,2 J/cm2, toujours vers 320-380 nm. 4 Z. P. Yang et A. Chilkoti au congrès Biosensors 2000, dans leur exposé"Light activated affinity micropatterning of proteins", citent l'immobilisation de protéines par photodéprotection ou photoactivation, toujours en utilisant les mêmes longueurs d'onde. Exposé de l'invention L'invention apporte une solution au problème exposé ci-dessus par la formation, à la surface concernée d'un substrat, d'un miroir fonctionnant à la longueur d'onde utilisée pour l'étape d'insolation. Un premier objet de l'invention consiste donc dans un substrat présentant une surface de réception pour une couche de matériau à insoler par une lumière d'insolation, caractérisé en ce que des moyens formant miroir sont disposés entre ladite surface de réception et la couche de matériau à insoler, ces moyens formant miroir fonctionnant pour la longueur d'onde de la lumière d'insolation. Eventuellement, les moyens formant miroir pour la longueur d'onde d'insolation sont en outre prévus pour assurer la transmission d'un faisceau lumineux d'exploitation de dispositifs réalisés sur le substrat. Ceci permet, lorsque les moyens formant miroir ne peuvent être enlevés après l'opération d'insolation, d'obtenir une fonction de transmission totale ou partielle (maîtrisée) à la longueur d'onde à laquelle le composant finalement réalisé est ensuite utilisé (lecture par mesure de fluorescence par exemple). Si le substrat est apte à transmettre un signal de luminescence, les moyens formant miroir peuvent posséder un indice de réfraction supérieur à l'indice de réfraction du substrat et peuvent posséder une épaisseur choisie pour transmettre tout ou partie du signal de luminescence qui est ainsi amplifié. Avantageusement, les moyens formant miroir comprennent une ou plusieurs couches optiques. Ils peuvent comprendre plusieurs couches optiques constituant un empilement du type structure de Bragg. Dans ce cas, chaque couche optique de l'empilement peut posséder une épaisseur optique (c'est-à-dire le produit de l'indice de réfraction d'une couche par son épaisseur mécanique) égale au quart de la longueur d'onde de la lumière d'insolation. L'épaisseur de chaque couche optique de l'empilement peut être calculée de façon que les moyens formant miroir réfléchissent au moins 95% de la lumière d'insolation et transmettent la plus grande part d'un faisceau lumineux d'exploitation, environ 8% de ce faisceau lumineux d'exploitation étant réfléchi. L'empilement peut être constitué d'une alternance de couches de Hf02 et de Si02. Il peut être terminé, du côté opposé au substrat, par une couche de Si02- Les moyens formant miroir peuvent être constitués à partir d'un ou de plusieurs matériaux choisis parmi TiO2, Hf02, Ta2Og, SiO2, SiC, Si amorphe, YF3, MgF2 et LiF. Le substrat peut être constitué d'un support en silicium, en borosilicate, en polymère (s), en verre borosilicaté ou non, ou en silice supportant les moyens formant miroir. Un deuxième objet de l'invention consiste en un dispositif microélectronique réalisé sur un tel substrat. Un troisième objet de l'invention consiste en un dispositif microtechnologique réalisé sur un tel substrat. Un quatrième objet de l'invention consiste en une biopuce réalisée sur un tel substrat. Un cinquième objet de l'invention consiste en un procédé de réalisation d'un dispositif microélectronique ou microtechnologique ou d'une biopuce à partir d'un substrat, le procédé comprenant la formation d'une couche de matériau à insoler sur une surface de réception du substrat, le procédé comprenant aussi, après l'insolation de ladite couche, des étapes postérieures de réalisation du dispositif microélectronique ou microtechnologique ou de la biopuce, caractérisé en ce que, avant la formation de la couche de matériau à insoler, le procédé comprend la formation au niveau de ladite surface de réception de moyens formant miroir qui fonctionnent pour la longueur d'onde de la lumière d'insolation de la couche à insoler. La couche à insoler peut être une résine photosensible ou une couche comportant des molécules photosensibles intervenant dans les procédures de photodéprotection ou de photoactivation du traitement ou de l'utilisation d'une biopuce. Le procédé peut comprendre, après l'insolation de ladite couche de matériau, une étape consistant à éliminer tout ou partie des moyens formant miroir. L'élimination de tout ou partie des moyens formant miroir peut être réalisée au cours des étapes postérieures de réalisation du dispositif microélectronique ou microtechnologique ou de la biopuce. Les moyens formant miroir peuvent être formés par dépôt de couches superposées sur un'support, la face libre des couches superposées constituant la surface de réception du substrat. Par dispositif microtechnologique on entend des dispositifs réalisés en utilisant les microtechnologies : micro-accélérateur, micro-capteur de pression ou d'autres paramètres physiques, microguide, microdispositif d'optique. Ces dispositifs peuvent être réalisés sur le substrat avant ou après le dépôt de la couche d'insolation. A titre d'exemple, le document FR-A-2 700 003 décrit la fabrication d'un capteur de pression utilisant la technologie silicium sur isolant et le document FR-A-2 700 012 divulgue un accéléromètre intégré. Brève description des dessins L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages et particularités apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, accompagnée des dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1 est une vue de côté d'un substrat pour matériau à insoler selon la présente invention, - la figure 2 est un diagramme représentant la réflexion en incidence normale en fonction de la longueur d'onde d'un faisceau lumineux incident pour un premier substrat selon l'invention, - la figure 3 est un diagramme représentant la réflexion en incidence normale en fonction de la longueur d'onde d'un faisceau lumineux incident pour un deuxième substrat selon l'invention. Description détaillée de modes de réalisation de l'invention La figure 1 représente un substrat 1 selon l'invention. Le substrat 1 est constitué d'un support 2 supportant sur l'une de ses faces principales, appelée face de réception 4, un miroir 3. Le support 2 est par exemple en silice, en borosilicate, en plastique ou en verre. Son indice de réfraction est compris entre 1,4 et 1,6. Le miroir 3 est dans cet exemple de réalisation un empilement de couches diélectriques du type structure de Bragg sur la base du couple HfO2/SiO2, les couches étant empilées et alternées. Hic) 2 est un oxyde de haut indice de réfraction (noté H) dans le domaine du visible et la silice SiO2 présente un indice de réfraction faible (noté B). En réalisant un empilement de couches de ces deux matériaux dont les épaisseurs optiques sont égales au quart de la longueur d'onde de 365 nm dite aussi longueur d'onde de centrage du miroir, on atteint sans difficulté la valeur de 95 % comme pouvoir de réflexion du miroir à cette longueur d'onde. On entend par l'expression "épaisseur optique" le produit de l'indice de réfraction n avec l'épaisseur mécanique de la couche mince pour la longueur d'onde considérée. Pour ces empilements, plusieurs techniques d'élaboration sont envisageables : l'évaporation par canon à électrons, la pulvérisation radio-fréquence réactive, la pulvérisation par faisceau d'ions, le dépôt en phase liquide par sol-gel.... Pour la longueur d'onde d'insolation de 365 nm et pour la technique de dépôt par pulvérisation par faisceaux d'ions (IBS), les indices de réfraction obtenus sont de 2,25 pour HfOz et 1,51 pour Si02. Dans ces conditions, les épaisseurs mécaniques pour les couches minces sont de 41 nm pour une couche de Hf O2 et 61 nm pour une couche de Si02. Pour un empilement constitué de six fois la séquence de base (41 nm de Hf02 et 61 nm de Si02) on obtient une réflexion spéculaire de 95 %). Le diagramme de la figure 2 donne l'allure de la réflexion R en incidence normale en fonction de la longueur d'onde À. La courbe 10 se rapporte à une réflexion en milieu liquide tandis que la courbe 11 concerne une réflexion dans l'air. On peut noter que, dans le cas d'une utilisation en milieu liquide, les propriétés optiques sont pratiquement inchangées par le changement du support (borosilicate ou silice). Pour des raisons de comptabilité biologique (greffage de sondes d'oligonucléotides), il peut être intéressant de terminer l'empilement par une couche mince de Si02. Cependant, il est toujours possible de terminer l'empilement par une couche de Hf O2 sans que cela n'entraîne une variation sensible des propriétés optiques de l'empilement. Pour certaines applications d'une biopuce, il peut être possible de garantir une réflexion résiduelle de l'ordre de 8 % dans la gamme d'absorption d'un fluorophore. Cette réflexion résiduelle est définie dans le mode de fonctionnement de la biopuce à savoir en milieu liquide. Le fluorophore utilisé peut être le CY5 dont la bande d'absorption se situe approximativement autour de 650 nm. Dans le cas du miroir de Bragg précédemment décrit, on constate sur le diagramme de la figure 2 que la réflexion à 650 nm se situe sur une frange d'interférence, donc hors d'un extremum. Ceci peut poser des problèmes de"robustesse"technologique et il est préférable de travailler sur un extremum d'interférences. En utilisant une méthode d'optimisation mathématique, il est possible de placer l'extremum à 650 nm. Avec cette démarche, l'empilement suivant a été obtenu : substrat/37H 63B 46H 56B 43H 61B 35H 61B 44H 69B 40H 8GB/air ou eau. Les nombres indiquent l'épaisseur des couches notées H ou B (définies plus haut) en nm. Avec cet empilement, on obtient les propriétés optiques décrites par le diagramme de la figure 3. La courbe 20 se rapporte à une réflexion en milieu liquide tandis que la courbe 21 se rapporte à une réflexion dans l'air. Grâce à l'optimisation de la réflexion résiduelle à la longueur d'onde d'absorption du fluorophore, il est possible d'envisager simultanément le renforcement de la fluorescence en transmission. Ainsi, on peut combiner le renforcement de la fluorescence, l'optimisation de la réflexion à la longueur d'onde de la lumière d'insolation avec en plus la garantie d'une réflexion d'environ 8 % pour la longueur d'onde d'absorption du fluorophore. L'invention permet de relâcher les spécifications d'absorption et de dilatation dans les matériaux utilisés comme substrats. Ces spécifications peuvent se révéler très contraignantes dans le cas du verre : réflexion de l'interface air-verre 4 %, 96 % de l'énergie d'insolation non absorbée par la résine (matériau à insoler) passe dans le substrat. Le problème de la réflexion sur la face arrière du substrat est éliminé. Cette réflexion parasite peut diminuer la résolution de la photolithographie. La réalisation d'un miroir en surface du substrat peut aussi permettre de diminuer les doses d'insolation lors de la photolithographie et ainsi de préserver les équipements nécessaires à cette étape (durée de vie des lampes, tenue au flux des optiques). En relâchant les spécifications des matériaux du substrat, les coûts d'approvisionnement sont diminués, ce qui ouvre la voie à l'utilisation de nouveaux matériaux (plastique par exemple). REVENDICATIONS 1. Substrat (1) présentant une surface de réception (4) pour une couche de matériau à insoler par une lumière d'insolation, caractérisé en ce que des moyens formant miroir (3) sont disposés entre ladite surface de réception (4) et la couche de matériau à insoler, ces moyens formant miroir (3) fonctionnant pour la longueur d'onde de la lumière d'insolation. 2. Substrat selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens formant miroir (3) pour la longueur d'onde d'insolation sont en outre prévus pour assurer la transmission d'un faisceau lumineux d'exploitation de dispositifs réalisés sur le substrat. 3. Substrat selon la revendication 2, caractérisé en ce que le substrat (1) étant apte à transmettre un signal de luminescence, les moyens formant miroir (3) possèdent un indice de réfraction supérieur à l'indice de réfraction du substrat et possèdent une épaisseur choisie pour transmettre tout ou partie du signal de luminescence qui est ainsi amplifié. 4. Substrat selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens formant miroir (3) comprennent une ou plusieurs couches optiques. 5. Substrat selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens formant miroir (3) comprennent plusieurs couches optiques constituant un empilement du type structure de Bragg. 6. Substrat selon la revendication 5, caractérisé en ce que chaque couche optique de l'empilement possède une épaisseur optique (c'est-àdire le produit de l'indice de réfraction d'une couche par son épaisseur mécanique) égale au quart de la longueur d'onde de la lumière d'insolation. 7. Substrat selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'épaisseur de chaque couche optique de l'empilement est calculée de façon que les moyens formant miroir réfléchissent au moins 95% de la lumière d'insolation et transmettent la plus grande part d'un faisceau lumineux d'exploitation, environ 8% de ce faisceau lumineux d'exploitation étant réfléchi. 8. Substrat selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les moyens formant miroir sont constitués à partir d'un ou de plusieurs matériaux choisis parmi Trio2, HfOs, TasO, SiO2, SiC, Si amorphe, YF3, MgF2 et LiF. 9. Substrat selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit empilement est constitué d'une alternance de couches de Hf02 et de Si02- 10. Substrat selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'empilement est terminé, du côté opposé au substrat par une couche de Si02. 11. Substrat selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est constitué d'un support en silicium, en borosilicate, en polymère (s), en verre borosilicaté ou non, ou en silice supportant les moyens formant miroir. 12. Dispositif microélectronique, caractérisé en ce qu'il est réalisé sur un substrat selon l'une quelconque des revendications précédentes. 13. Dispositif microtechnologique, caractérisé en ce qu'il est réalisé sur un substrat selon l'une quelconque des revendications 1 à 11. 14. Biopuce, caractérisée en ce qu'elle est réalisée sur un substrat selon l'une quelconque des revendications 1 à 11. 15. Procédé de réalisation d'un dispositif microélectronique ou microtechnologique ou d'une biopuce à partir d'un substrat, le procédé comprenant la formation d'une couche de matériau à insoler sur une surface de réception du substrat, le procédé comprenant aussi, après l'insolation de ladite couche, des étapes postérieures de réalisation du dispositif microélectronique ou microtechnologique ou de la biopuce, caractérisé en ce que, avant la formation de la couche de matériau à insoler, le procédé comprend la formation au niveau de ladite surface de réception de moyens formant miroir qui fonctionnent pour la longueur d'onde de la lumière d'insolation de la couche à insoler. 16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que la couche à insoler est une résine photosensible ou une couche comportant des molécules photosensibles intervenant dans les procédures de photodéprotection ou de photoactivation du traitement ou de l'utilisation d'une biopuce. 17. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il comprend, après l'insolation de ladite couche de matériau, une étape consistant à éliminer tout ou partie des moyens formant miroir. 18. Procédé selon la revendication 17, caractérisé en ce que l'élimination de tout ou partie des moyens formant miroir est réalisée au cours des étapes postérieures de réalisation du dispositif microélectronique ou microtechnologique ou de la biopuce. 19. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que les moyens formant miroir sont formés par dépôt de couches superposées sur un support, la face libre des couches superposées constituant la surface de réception du substrat.