Brevet FR2845770A1 — publié le 20040416

Domaine de l'invention La présente invention concerne un dispositif et un procédé pour bloquer une cellule biologique contenue dans un liquide, avec au moins une ouverture dans un substrat. Etat de la technique Il est connu de façon générale d'utiliser des micropipettes pour analyser des liquides cellulaires de cellules biologiques. Pour cela on met en contact électrique le liquide cellulaire de la cellule à analyser. A cet effet, on utilise fréquemment des capillaires en verre ayant un diamètre de 1o quelques microns. Avec de tels capillaires en verre, on analyse la cellule ou le liquide cellulaire sous le microscope. Pour travailler avec la micropipette, on bloque les cellules avec un système de serrage par étiquette. Par l'intermédiaire d'un trou réalisé dans le système de serrage, avec un diamètre d'environ 10 y, on aspire la cellule à examiner et on bloque à une 15 position définie. Dans le procédé utilisé actuellement, l'unité de serrage de la pipette c'est-à-dire en particulier le tube capillaire est indépendant et l'ajustage de la pipette par rapport à une cellule bloquée ou par rapport au trou de l'unité de serrage demande beaucoup de temps sous le microscope. Exposé et avantage de l'invention La présente invention concerne un dispositif du type défini ci-dessus, caractérisé en ce qu'au moins dans une zone partielle de l'ouverture il y a du silicium poreux comme couche sacrifiée que l'on enlève par attaque chimique pour former l'ouverture. L'invention concerne également un procédé du type défini ci-dessus, le dispositif ayant un substrat, avec une zone partielle structurée de silicium poreux dans le substrat que l'on réalise par une face avant du substrat, un segment de recouvrement étant déposé au moins en partie sur la zone du silicium poreux, tandis que pour générer une ouverture, 30 on réalise une première cavité à partir de la face avant de la couche de recouvrement et une seconde cavité à partir d'une face arrière opposée à la face avant du substrat, chaque fois dans la zone partielle du silicium poreux et ensuite on enlève par attaque chimique la zone partielle du silicium poreux. Ainsi le dispositif et le procédé selon l'invention ont l'avantage vis-àvis de l'état de la technique de ne pas nécessiter d'ajustage très long. Par exemple l'unité de serrage se réalise avec un trou d'un diamètre par exemple de 10 Mm dans la surface de silicium ou dans une surface de dioxyde de silicium ou une surface de polyimide. La cellule est aspirée dans le trou par une dépression ou par un écoulement et ainsi la cellule est tenue dans une position fixée. Il est avantageux que les deux fonctions à savoir le blocage 5 de la cellule par l'unité de serrage et la capacité d'analyse du liquide de la cellule ou le travail de contact électrique de la cellule soit intégré à un dispositif notamment sous la forme d'une puce semi conductrice. Pour cela il est nécessaire de développer un dispositif respectant les tolérances requises même dans un procédé convenant pour de grandes séries et en parti1o culier les tolérances relatives au positionnement et aux dimensions de l'orifice d'aspiration et de la pipette. Selon l'invention il est notamment prévu de combiner une micro pipette pour réaliser le contact électrique des cellules biologiques ainsi qu'une unité de serrage pour bloquer la cellule. L'invention concerne 15 notamment la réalisation du dispositif en utilisant les techniques de la micro-mécanique de surface pour répondre aux conditions de précision très strictes des structures à fabriquer sur la surface d'une puce; du fait des passages à travers les puces, il n'y a plus de micro mécanique de surface. Selon l'invention, une partie du substrat semi conducteur no20 tamment prévu comme substrat de silicium, subit une attaque chimique poreuse par une opération d'anodisation de sorte qu'il est possible de réaliser des couches sacrifiées situées relativement profondément et qui seront enlevées au cours de l'étape de procédé suivante; on réalise ainsi des ouvertures ou des cavités dans le dispositif selon l'invention qui garantis25 sent la suite du fonctionnement du dispositif de l'invention. Selon une autre caractéristique de l'invention, on réalise des procédés d'attaque chimique profonde en particulier à partir du côté arrière du substrat pour obtenir les structures requises comme par exemple pour l'attaque chimique par voie humide, anisotropique, la réalisation 30 de tranchées et l'attaque à sec. Le dispositif et le procédé selon l'invention se caractérisent en ce que la géométrie de la pipette notamment pour le procédé d'attaque chimique à sec se choisissent librement. En outre la profondeur de l'orifice d'aspiration peut être plus ou moins grande par l'utilisation de silicium poreux. En outre on a l'avantage que pour la cou35 che de recouvrement du trou d'aspiration, la technique des couches sacrifiées en silicium poreux permette une réalisation très simple. Les tolérances d'ajustage en liaison avec le traitement d'un seul et même substrat semi conducteur à la fois par la face avant et par la face arrière peuvent être neutralisées par le procédé de l'invention. Le dispositif ou la puce selon l'invention permettent d'automatiser l'analyse des cellules par un serrage automatique du lot. En outre le procédé de fabrication du dispositif selon l'invention ou de la puce ou plaquette selon l'invention con5 vient également pour les grandes séries. Il est particulièrement avantageux que la pointe de la pipette se situe dans un plan avec la surface du trou d'aspiration ou que la pointe de la pipette se trouve en dessous du plan de la surface supérieure du trou d'aspiration. On peut ainsi contrôler une cellule d'une manière particulièrement simple et protégée. Il est particulièrement avantageux que le dispositif soit réalisé au moins en partie en micro mécanique de surface. Les tolérances peuvent être particulièrement réduites. Il est en outre avantageux que le dispositif conviennent pour l'analyse cellulaire automatique. Cela permet d'analyser un très grand nombre de cellules d'une manière automatique et 15 rapide, successivement. Dessins La présente invention sera décrite ci-après à l'aide d'un exemple de réalisation représenté dans les dessins annexés dans lesquels: - la figure i montre une première étape préalable du dispositif de l'invention; - la figure 2 montre une seconde étape préalable du dispositif selon l'invention; - la figure 3 montre une troisième étape préalable du dispositif selon 25 l'invention; - la figure 4 montre le dispositif selon l'invention; - la figure 5 est une vue de dessus du dispositif selon l'invention; - la figure 6 est une variante du premier stade du dispositif selon l'invention; et - la figure 7 montre un scénario d'application du dispositif selon l'invention. Description du mode de réalisation La figure 1 montre une première étape préalable pour le dispositif selon l'invention. Cette étape comprend un substrat 100 représenté en section. La face avant du substrat est représentée en haut à la figure 1 et la face inférieure du substrat 100 ou le côté arrière du substrat 100 est représenté en bas à la figure 1. Le côté arrière du substrat 100 est muni se- Ion l'invention, en option d'un dopage qui forme une première zone dopée 210. La première zone dopée 210 est prévue notamment comme dopage N, le substrat 100 ayant un léger dopage P; comme valeur des dopages on utilise de manière caractéristique des concentrations en dopant supérieu5 res à 1018 cm-3. Le substrat selon l'invention est notamment un substrat semi conducteur. Ici il s'agit d'un substrat de silicium. Selon l'invention dans le substrat de silicium 100 on a prévu deux zones portant la référence 130 à la figure 1. Ces zones sont mises en forme par une opération d'attaque chimique, dans une structure poreuse. Pour éviter que le sililO cium poreux ne soit développé dans des zones plus importantes que la seconde zone 130, prévue, dans certaines zones, le substrat 100 est couvert par une couche de recouvrement 110. Le recouvrement est réalisé par exemple avec un masque de nitrure de silicium 1 10. Selon l'invention il peut en outre être avantageux de prévoir des troisièmes zones de dopage 15 102 dopées selon l'invention. La première zone dopée 210 correspond à une couche auxiliaire en option qui améliore l'homogénéité des secondes zones 130 encore appelées couches anodisées. La première zone dopée 210 peut s'enlever au prix de l'homogénéité de la couche d'anodisation ou être enlevée également 20 postérieurement. Lors de la fabrication du silicium poreux dans les secondes zones 130 du substrat 100, la zone poreuse ne se développe pas dans la troisième zone dopée 102. Le procédé de formation du silicium poreux dans les secondes zones 130 est appelé procédé d'anodisation. Selon ce procédé on attaque le silicium à dopage positif c'est-à-dire qu'on le rend 25 poreux alors que le silicium à dopage négatif n'est pas attaqué par le procédé d'anodisation. Des zones à dopage N comme la troisième zone 102 constituent ainsi une barrière d'anodisation et délimite d'une manière exactement définie les zones anodisées qui sont les secondes zones 130 à la figure 1. La profondeur de l'attaque chimique des secondes zones 130 30 ainsi que le profil se définissent par les paramètres d'anodisation. Il s'agit notamment de la concentration de la solution d'attaque chimique en particulier de l'acide fluorhydrique et de la densité du courant utilisé. La figure 2 montre une seconde étape préalable du dispositif selon l'invention. Dans ce cas également le substrat 100, la première 35 zone 210 du substrat qui se trouve sur le côté arrière du substrat comme zone de dopage 210 et la seconde et la troisième zone de substrat 130, 102 apparaissent à la figure. La première étape préalable du dispositif se- Ion l'invention représentée à la figure 1 est déjà anodisée dans ces secondes zones 130 c'est-à-dire qu'elle est prévue poreuse dans ces zones. A la figure 2 on dépose une autre couche sur ces secondes zones poreuses 130. Cette seconde couche est de préférence une couche 5 de silicium poly cristallin ou de silicium mono cristallin ou une couche d'oxyde de silicium ou encore une couche de nitrure de silicium. Lors de l'enlèvement ultérieur de la couche sacrifiée de la couche de silicium poreux dans les secondes zones 130, cette couche c'est-à-dire la couche de silicium poreux oxydée dans les secondes zones 130. L'autre couche dépoi0 sée au moins en partie sur la zone poreuse portant la référence 130 c'està-dire la seconde zone 130 forme sur la couche déposée dans la première étape préalable du dispositif de l'invention, une quatrième zone portant la référence 140 à la figure 2. En outre, par un masquage du côté arrière du substrat 100 non représenté à la figure 2, on réalise des cavités dans le 15 substrat et la seconde cavité 220 est avancée dans la seconde zone poreuse 130 et la troisième cavité 221 ne touche pas la seconde zone 130. La seconde et la troisième cavités 220, 221 seront appelées ci-après seconde et troisième cavernes 220, 221. La seconde cavité 220 sert à brancher le canal d'aspiration décrit ci-après et la troisième cavité 221 sert à branche 20 la pipette de mesure qui sera décrite ensuite. Les cavernes 220, 221 peuvent être réalisées en particulier par une attaque chimique anisotropique dans de la lessive, par exemple KOH ou par un procédé d'attaque à sec. La profondeur des cavernes peut être réalisée par une procédure d'attaque chimique en deux étapes de sorte que les cavernes 220, 221 présentent 25 des profondeurs différentes. Le silicium poreux dans la seconde zone 130 engendré par le procédé d'anodisation peut alors être oxydé pour servir de couche d'arrêt d'attaque chimique pour les autres procédés d'attaque chimique du silicium, qui peuvent se faire à la fois par voie chimique humide que par voie chimique sèche. Pour cela on prévoit notamment un 30 traitement thermique du silicium dans les secondes zones 130 qui sont poreuses. La figure 3 montre une troisième étape préalable du dispositif selon l'invention. cette troisième étape préalable du dispositif selon l'invention comprend de nouveau le substrat 100, la seconde zone de 35 substrat 130 prévue comme silicium poreux, la troisième zone de substrat 102 prévue comme barrière à dopage négatif contre une poursuite de l'extension de la seconde zone 130, la quatrième zone 140 qui est notamment une couche de silicium poly-cristallin, une couche de silicium mono- cristallin ou une couche de nitrure de silicium selon l'invention ainsi que la seconde et la troisième cavité 220, 221. En outre à partir du côté avant du substrat 100 c'est-à-dire au dessus selon la figure 3, on a une première cavité 120. Cette première cavité est prévue selon l'invention no5 tamment comme cavité annulaire réalisée dans la face supérieure du substrat 100 et c'est pourquoi la vue en coupe des figures 1 à 4 ne donne à la figure 3 que deux " cavités " 120 qui constituent toutefois globalement la première cavité 120. La première cavité 120 délimite au moins d'un côté la seconde zone 130; elle est continue à travers la quatrième zone 140. i0 Pour former la première cavité 120 qui peut également être appelée première caverne 120, on utilise un masque d'attaque chimique notamment en photo verni ou oxyde toutefois non représenté à la figure 3. Pour réaliser la première cavité 120, on applique en particulier un procédé d'attaque chimique à sec à partir de la face avant de la plaquette c'est-à-dire de la l5 face avant du substrat 100. Selon l'invention il est prévu à cet effet du côté arrière de la plaquette, de déposer un oxyde servant alors d'arrêt d'attaque chimique pour l'étape d'attaque chimique à sec. Une quatrième cavité 121 est prévue selon l'invention également à partir de la face avant et en particulier la 20 quatrième cavité 121 selon l'invention se trouve au centre de l'anneau de la première cavité 120. La quatrième cavité 121 est réalisée à partir de la face avant à travers la quatrième zone et une partie de la troisième zone de substrat 103 jusque dans la troisième cavité 221 réalisée par le côté arrière dans le substrat 100 ce qui donne une ouverture continue à tra25 vers le substrat 100, au centre d'un anneau formé par la première cavité 120. La réalisation de la première et la quatrième cavité 120, 121 se fait selon l'invention en particulier par une étape d'attaque à sec et peut être exécutée selon l'invention par deux étapes d'attaque chimique à sec pour que la profondeur de la quatrième cavité 121 soit plus profonde que la 30 profondeur d'attaque chimique de la première cavité 120. Selon l'invention il est notamment prévu à cet effet de réaliser la quatrième cavité 121 avant la première cavité 120. Il est prévu selon l'invention en particulier de réaliser la quatrième cavité 121 avant la première cavité 120. A titre d'exemple on réalise tout d'abord complètement la quatrième cavité 121 35 puis à l'aide d'une couche de passivation, par exemple d'une couche de vernis on passive et ensuite à travers l'ouverture d'une zone pour réaliser l'attaque chimique de la première cavité 120 suivi de l'action de corrosion, on forme cette cavité. En variante à cette réalisation séquentielle des ca- vités 120, 121 il est également prévu selon l'invention d'effectuer tout d'abord dans la zone de la quatrième cavité 121, une attaque chimique partielle jusqu'à une certaine profondeur et ensuite à l'aide d'une ouverture des zones de surface pour la première ouverture 120 on effectue une 5 attaque chimique commune ou on poursuit l'attaque chimique à la fois de la première ouverture 120 et de la quatrième ouverture 121. Cette première ouverture ou cavité 120 sera appelée ci-après notamment comme trou annulaire. La quatrième cavité 121 sera appelée ci-après orifice de pipette 121 relié à la troisième cavité 221 en formant en commun avec 10 celle-ci l'orifice à pipette 121. Cette situation est représentée à la figure 4. On a ainsi une fermeture garantie de l'ouverture de pipette 121 dans la caverne du côté arrière c'est-à-dire de la troisième cavité 221. La figure 4 montre le dispositif selon l'invention; par rapport à la troisième étape préalable du dispositif selon l'invention on aura 15 seulement enlevé la seconde couche poreuse 130 constituant une couche sacrifiée selon l'invention. Le silicium poreux ou le silicium poreux oxydé dans la seconde zone 130 du substrat 100 peut s'enlever par exemple avec de la potasse diluée KOH ou un milieu contenant de l'acide fluorhydrique, par un enlèvement sélectif du silicium. Le cas échéant on peut avoir une 20 passivation de fermeture de l'ensemble du dispositif c'est-à-dire que l'ensemble du substrat 100 peut être envisagé avec une couche d'oxyde et une couche de nitrure. Cela n'est toutefois pas représenté à la figure 4. En enlevant la couche sacrifiée dans la seconde zone 130 du substrat 100, on fait communiquer la première cavité 120 et la seconde cavité 220. Ainsi la 25 première cavité 120, annulaire, réalisée dans la face avant du substrat est reliée à une ouverture du côté arrière du substrat 100. Ces cavités forment en commun avec la seconde zone dégagée 130 du substrat 100, une ouverture 125 selon l'invention dans le substrat 100. A travers cette ouverture, la cellule qui se trouve sur le côté avant du substrat 100 (cette 30 cellule n'est pas représentée à la figure 4) peut être bloquée contre le substrat 100 en réalisant une dépression dans l'ouverture 125. La seconde zone 30 fait partie de l'ouverture 125. C'est pourquoi la seconde zone 130 sera appelée ci-après également zone partielle 130 de l'ouverture 125. A l'aide de l'ouverture de pipette 121, il est ainsi possible d'effectuer 35 sur la cellule bloquée, des examens comme par exemple la membrane de la cellule ou le plasma de la cellule. L'orifice de pipette 121 qui traverse le substrat 100 est accessible ici à travers la zone de membrane correspondante ou la cellule à savoir à partir du côté arrière du substrat 100. Sur le côté supérieur ou la face avant du substrat 100 on peut ainsi distinguer plusieurs surfaces. Au milieu ou au centre du dispositif selon l'invention on a l'ouverture de pipette 121 qui établit la liaison avec le côté arrière de la plaquette ou du substrat 100. Autour de l'ouverture de pipette 121 on a 5 une première zone de surface 160 annulaire et notamment concentrique à l'ouverture de pipette 121. Radialement vers l'extérieur de l'ouverture de pipette 121, la première zone de surface supérieure 160 se poursuit par l'ouverture 125 annulaire vue du côté avant du substrat. Radialement vers l'extérieur, l'ouverture 125 se poursuit par une seconde zone de sur1o face supérieure 170. La figure 5 est une vue de dessus du dispositif selon l'invention. L'ouverture de pipette 121 apparaît au centre du dispositif; la première zone de surface 160 est radialement à l'extérieur de l'ouverture de pipette 121 puis l'ouverture 125 encore appelée ouverture d'aspiration 15 125. En vue de dessus sur la face avant du substrat 100 selon l'invention cette ouverture a une forme annulaire et ensuite on a la seconde zone de surface 120 du substrat 100. La figure 6 montre une variante de structure de substrat pour la réalisation d'un dispositif selon l'invention. Dans ce cas, le subs20 trat 100 comporte en variante des troisième zone sous la forme de troisième zone 102 fortement dopées en N, situées plus bas. Dans ce cas les troisièmes zones 102 servent de couche d'arrêt pour l'opération d'anodisation. Le cas échéant on peut réaliser la profondeur de la zone à dopage N par une couche épitaxiale appliquée à la surface du substrat 25 100 et portant la référence 101 à la figure 6, cette couche étant notamment en silicium à dopage positif et pour réaliser ou étendre les troisièmes zones 102, la couche épitaxiale comporte d'autres zones à dopage N munies de la référence 103 à la figure 6. La figure 7 montre une application du dispositif selon 30 l'invention pour bloquer une cellule biologique d'un liquide. Pour le blocage d'une cellule portant la référence 11 au dispositif selon l'invention représenté sous la référence 10, avec une flèche, il est prévu selon l'invention notamment un canal d'écoulement 16. Ce canal contient un liquide 14 dans lequel il y a des cellules 11. Pour bloquer une cellule 11 35 sur le dispositif 10 on aspire dans la zone d'aspiration portant à la figure 7 la référence 125 et qui correspond à l'ouverture 125 selon la figure 4. Puis à l'aide de l'ouverture de pipette 121, on peut examiner la cellule 11. Par exemple à l'aide de l'ouverture de pipette 121 on peut perforer la mem- brane de la cellule portant la référence 9 et examiner le plasma de la cellule; toutefois ni l'enfoncement de la pointe ni un outil approprié ne sont représentés ici à la figure 7. L'ouverture de pipette 121 a selon l'invention une largeur de 5 quelques ptm par exemple 1 à 2 gm. Les orifices d'aspiration 125 sont par exemple plus larges de 10 mm et ont une forme annulaire. Selon l'invention il est nécessaire de développer un procédé de fabrication ayant une résistance suffisante pour réaliser de telles dimensions de façon précise et en grande série si possible, en veillant à ce qu'à la fois les ouvertu1o res du côté latéral du substrat 120 ainsi que les ouvertures du côté arrière du substrat 120 soient prévues et en outre ces ouvertures doivent correspondre entre la face avant et la face arrière du substrat 100 ou être reliées. Selon l'invention, l'utilisation de silicium poreux dans la seconde zone 125 du substrat 140 facilite le remplissage de ces conditions. Les to15 lérances de la puce ou plaquette comme par exemple, la forme de coin ou coefficient VET (variation d'épaisseur totale) s'opposent à une reproduction précise de ces dimensions. REVENDICATIONS 1 ) Dispositif pour bloquer une cellule biologique (11) contenue dans un liquide (14) et comportant un substrat avec au moins une ouverture (125), caractérisé en ce qu' au moins dans une zone partielle (130) de l'ouverture (125) il y a du silicium poreux comme couche sacrifiée que l'on enlève par attaque chimique pour former l'ouverture (125). ) Dispositif selon la revendication 1, 10 caractérisé en ce qu' il est au moins en partie fabriqué en micro-mécanique de surface. 3 ) Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le dispositif convient pour une analyse cellulaire automatisée. 4 ) Procédé de fabrication d'un dispositif pour bloquer une cellule biologique (11) contenue dans un liquide (14), le dispositif ayant un substrat (100), avec une zone partielle structurée 20 (130) de silicium poreux dans le substrat (100) que l'on réalise par une face avant du substrat (100), un segment de recouvrement (140) étant déposé au moins en partie sur la zone (130) du silicium poreux, tandis que pour générer une ouverture (125), on réalise une première cavité (120) à partir de la face avant de la couche de recouvrement (140) et une seconde 25 cavité (220) à partir d'une face arrière opposée à la face avant du substrat (100), chaque fois dans la zone partielle (130) du silicium poreux et ensuite on enlève par attaque chimique la zone partielle (130) du silicium poreux. 5 ) Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu' on applique un procédé d'attaque chimique à sec pour réaliser la première cavité (120).