Brevet FR2834299A1 — publié le 20030704

l PROCEDE DE FIXATION PAR ELECTRODEPOSITION DE REACTIFS SUR UNE FACE PLANE D'UN SUBSTRAT DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne un procédé de fixation par électrodéposition de réactifs sur une face plane d'un substrat. La micro-électronique classique est de plus en plus appelée à être un maillon de systèmes beaucoup plus complexes dans lesquels plusieurs fonctions sont intégrces. Ces systèmes ou micro-systèmes vont des applications capteurs physiques aux derniers développements de puces dites biologiques. Dans le premier cas, une cellule sensible capable de mesurer un phénomène physique est associée à un circuit intogré capable d' assurer le traitement de l' information et son exploitation (par exemple le dispositif appelé air-bag pour l'automobile). Dans le deuxième cas, un circuit intégré va subir une finition lui permettant d'être utilisé dans un milieu biologique (par exemple un mesureur de glucose intégré, une sonde de pression sanguine). Dans tous les cas, l' interface entre le milieu de la micro-électronique classique et celui de la partie capteur ou biologie est l'élément clef de ces micro-systèmes. L'analyse chimique ou biologique est en train de subir la révolution de la miniaturisation liée à l'utilisation des microtechnologies. Lorsque des tests multiples peuvent être regroupés sur un support de quelques mm2, les coûts sont réduits et une analyse B 13977.3 JL naguère exceptionnelle peut être réalisée de façon courante. La demande en des systèmes permettant l'analyse chimique ou biologique à très grand nombre de points est en émergence actuellement avec l' apparition du criblage ou "screening" en pharmacologie et des tests ADN en biologie. Dans le premier cas, il faut déterminer, sur un support comportant un grand nombre de cuvettes, remplies du même réactif, l'effet sur ce résatif de différentes moléaules qu'on dépose sélectivement dans chaque cuvette de façon séquentielle. Dans le deuxième cas, chaque cuvette est remplie d'un type de sonde ADN différente et l'analyLe dont on veut connaître la séquence génomique est mis en contact des cuvettes au moment de l'analyse. En chimie analytique également, la demande est forte pour la miniaturisation des cuvettes de réactions chimiques. Tant au point de vue réalisation des cuvettes, dépôt des liquides dans ces cuvettes que systèmes de lecture et d' acquisition des résultats, les efforts en recherche et développement sont importants. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE Dans le domaine de l'analyse biologique ou plus généralement des tests en pharmacologie de nouvelles molécules, la réduction de la taille de l'outil de test est extrêmement séduisante d'un point de vue économique. Plus précisément, on peut assimiler un micro-système d'analyse à un support, sur lequel des réactifs différents sont tout d'abord fixés puis mis en présence d'une solution à analyser, associé à une méthode permettant de mesurer la résativité absolue. B 13977.3 JL Eventuellement, un traitement de l' information obtenue peut être réalisé dans le micro-système lui-même. Il faut donc tout d'abord fixer des réactifs différents sur un support ou sur un substrat. Cette fixation peut être obtenue par différentes méthodes. Une première méthode consiste à activer des sites sur une face d'un substrat et ensuite à déposer et fixer sur ces sites les réactifs par des molécules chimiques diverses. C'est une technique principalement employée sur un substrat en verre. Les réactifs sont ensuite déposés par micro-pipetage ou par une technique du type jet d'encre. Parmi les molécules chimiques assurant l' interface entre le substrat et les réactifs on peut citer les silanes, les lysines, les thioles lorsque le substrat est préalablement recouvert d' or. Cette chimie est complexe, surtout lorsqu'il s'agit de maîtriser sa reproductibilité sur un substrat pouvant comporter quelques dizaines de centaines à quelques milliers de sites différents. Le brevet américain N 5 474 796 met en _uvre cette méthode à partir d'une surface de substrat structurée: les réactifs sont fixés sur un substrat présentant des zones hydrophiles et hydrophobes. Le matriçage obtenu est de ce fait très réqulier. Une deuxTème méthode concerne les puces à ADN (le réactif est une sonde ADN, par exemple un oligonucléotide d'une vingtaine de bases). Il a été proposé de construire la sonde base après base sur chaque site. La société Affymetrix par exemple utilise des masquages successifs pour faire cette synthèse in B 13977.3 JL situ: chaque site est recouvert d'une base photoprotégée. Le photomasquage permet ensuite de déprotoger les sites et d'accrocher chimiquement une base supplémentaire photoprotégée. L'opération est répétée jusqu'à l'obtention, sur chaque site, de la sonde voulue. Les derniers résultats publiés font rétérence à plusieurs dizaines ou centaines de milliers de sondes différentes sur un même substrat. Il s'agit d'une technique excellente mais qui ne permet pas d'obtenir des sondes à très grand nombre de bases (au maximum environ 20 bases). Il est également possible de fixer au départ une base protégée non plus par un radical photosensible mais par un radical chimiquement sensible. Il faut alors, par pipetage ou par une technique du type jet dencre, venir localement sur les sites choisis pour déprotoger la base existante et y accrocher une base supplémentaire. Une troisième méthode consiste à réaliser l'électrodéposition sur un site polarisé électriquement d'un polymère conducteur porteur de l'espèce réactive choisie. Le substrat est relié électriquement vers l'extérieur et est immergé dans une cuve contenant l'espèce chimique à déposer. Le site choisi est polarisé. La copolymérisation peut s'effectuer en moins d'une minute sous une tension inférieure à 1 V. Une autre solution porteuse d'un autre réactif est disposée dans la cuve, un autre site est polarisé pour une nouvelle copolymérisation. L'opération est recommencée autant de fois que nécessaire. Ainsi, des réactifs différents peuvent être fixés sur des zones différentes du substrat, permettant une analyse multipoint. Une B 13977.3 JL amélioration intéressante consiste à intégrer l'électronique d'adressage des sites dans le substrat lui-même. Les polymères conducteurs utilisés pour cette dernière méthode sont les polyanilines et les polypyrroles. L'utilisation de polypyrroles pour fixer les différents réactifs est divulguée dans les documents WO-A-94/22 889, FR-A-2 741 476 et FR-A-2 741 475. La technique de l'électrodéposition est intéressante car elle procure une fixation forte, reproductible et bien maîtrisoe. C' est une technique séquentielle: chaque site est polarisé successivement et le substrat est trempé à chaque passe dans une solution contenant le réactif. La principale limitation de la mise en _uvre de cette technique vient d'une part de la quantité de réactifs nécessaires à chaque passe pour fonctionnaliser les électrodes et, d'autre part, du temps nécessaire à la fonctionnarisation de milliers de puces traitées individuellement. Le document FR-A-2 741 476 divulgue l 'application du procédé à un substrat ou plaquette comportant un grand nombre de puces plutôt qu'au traitement individuel des puces. Ceci constitue un très grand progrès pour le temps de fonctionnarisation. Par ailleurs, l'électrochimie sur une plaquette semiconductrice complète est également employée en microélectronique, par exemple pour obtenir des électrodes par métallisation. On utilise généralement une cellule électrochimique classique B 13977.3 JL avec bain thermostaté, contre-électrode et électrode de référence externe. Le document FR-A-2 742 452 propose une autre amélioration consistant à intogrer sur le substrat la contre-électrode et également une électrode de référence. Cette amélioration permet de mieux maîtriser le processus d'électrochimie en délimitant très exactement sur le substrat les surfaces servant de contre-électrode et d'électrode de référence. Un problème demeure pour les biopuces et certains dépôts métalliques qui est celui du coût du réactif lui-même. Ce problème a trouvé partiellement une solution avec le document FR-A-2 781 886 qui propose un micro-système comportant une pluralité de cuvettes à deux électrodes et distribution localisce de réactif. La quantité de réactif nécessaire est réduite. Par contre, la distribution de réactif est séquentielle, ce qui conduit à une durée de fabrication , elevoe. EXPOSE DE L' INVENTION Pour remédier aux inconvénients de l'art antérieur, il est proposé un procédé utilisant le principe du dépôt électro-chimique, avantageusement sur une plaquette complète à partir de laquelle on obtiendra une pluralité de micro-dispositifs, et utilisant une très faible épaisseur d'électrolyLe (inférieur à 500 m). Il s'agit d'un concept d'électrochimie en film mince. L' invention a donc pour objet un procédé de fixation par électrodéposition de résctifs sur une face plane d'un substrat, la face plane présentant une B 13977.3 JL pluralité de sites aptes à être polarisés électriquement, le procédé comprenant les étapes suivantes répétées autant de fois que nécessaire: mise en contact des sites avec un électrolyLe contenant une espèce chimique porteuse d'un réactif et destinée à être fixce par électrodéposition sur au moins un site, - polarisation dudit site et électrodéposition de ladite espèce chimique porteuse du réactif sur ledit site, - rinc,age de la face plane, caractérisé en ce que l'étape de mise en contact des sites avec l'électrolyLe consiste à réaliser le dépôt d'un film mince dudit électrolyLe sur ladite face plane. La polarisation du site peut être réalisée par des moyens externes au substrat (potentiostat, générateur de courant par exemple) ou encore par des moyens intégré s au subs t rat ( géné rateur de courant par exemple). Si le substrat est destiné à fournir plusieurs micro-dispositifs, la pluralité de sites de ladite face plane est répartie par zones correspondant aux micro-dispositifs désirés. Les sites du substrat étant constitués délectrodes reliées à des moyens de connexions électriques, l'étape de polarisation et d'électrodéposition peut comprendre la connexion desdites électrodes à des moyens électriques de contrôle de l'électrodéposition. B 13977.3 JL Le substrat posséJant des moyens conducteurs formant contre-électrode et reliés à des moyens de connexions électriques, l'étape de polarisation et d'électrodéposition peut comprendre la connexion des moyens conducteurs formant contre- électrode à des moyens électriques de contrôle de l'électrodéposition. Le substrat posséJant des moyens conducteurs formant électrode de référence et reliés à des moyens de connexions électriques, l'étape de polarisation et d'électrodéposition peut comprendre la connexion des moyens conducteurs formant électrode de référence à des moyens électriques de contrôle de l'électrodéposition. Selon une première variante, le dépôt du film mince d'électrolyLe est réalisé par la méthode dite à la tournette. La tournette peut comprendre des moyens de connexions électriques permettant de relier électriquement les sites, les moyens conducteurs formant contre électrode et les moyens conducteurs formant électrode de référence aux moyens électriques de contrôle de 1'électrodéposition. Selon une deuxième variante, le dépôt du film mince d'électrolyte est réalisé dans un film poreux disposé sur ladite face plane du substrat. Selon une troisième variante, le dépôt du film mince d'électrolyte est réalisé en déposant un volume déterminé d'électrolyLe sur ladite face plane du substrat et en écrasant ce volume déterminé d'électrolyLe par un capot jusqu'à obtenir le film mince d'électrolyLe désiré. Les sites du substrat étant B 13977.3 JL constitués d'électrodes relices à des moyens de connexions électriques, l'étape de polarisation et délectrodéposition peut comprendre la connexion desdites électrodes à des moyens électriques de contrôle de l'électrodéposition. Le substrat et/ou le capot possédant des moyens conducteurs formant contre- électrode et reliés à des moyens de connexions électriques, l'étape de polarisation et délectrodéposition peut comprendre la connexion des moyens conducteurs formant contre-électrode à des moyens de contrôle de l'électrodéposition. Le substrat et/ou le capot possédant des moyens conducteurs formant électrode de référence et reliés à des moyens de connexions électriques, l'étape de polarisation et l'électrodéposition peut comprendre la connexion des moyens conducteurs formant électrode de référence à des moyens électriques de contrôle de l'électrodéposition. Eventuellement, les moyens conducteurs formant électrode de référence sont disposés dans un trou du capot pour être en contact avec le film mince d'électrolyLe. Le capot peut être constitué par un autre substrat possédant une face plane présentant une pluralité de sites aptes à être polarisés électriquement, lesdites faces planes étant disposées en regard l'une de l'autre pour être soumises auxdites étapes du procédé. BRÉVE 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 B 13977.3 JL d'exemple non limitatif, accompagnée des dessins annexés parmi lesquels: la figure 1 illustre l'application du procédé selon l 'invention à un substrat dont une face plane pourvue d'électrodes est recouverte d'un film mince d'électrolyLe, - la figure 2 illustre l'application du procédé selon l' invention à un substrat dont une face plane pourvue d' électrodes est recouverte d' un film poreux contenant l'électrolyte, - la figure 3 illustre l'application du procédé selon l' invention à un substrat dont une face plane pourvue d'électrodes est recouverte d'un film mince d'électrolyte et d'un capot, - les figures 4A à 4E représentent différentes étapes du procédé selon l' invention appliquce à un substrat dont une face plane pourvue d'électrodes est recouverte d'un film mince d'électrolyLe et d'un capot. DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE MODES DE RÉALISATION DE L' INVENTION La figure 1 montre, vu en coupe traneversale, un substrat 10, par exemple en silicium, posséJant une face plane 11. La face plane 11 présente une pluralité d'électrodes 12 constituant autant de sites de fixation de réactifs. La face plane 11 présente également une contre-électrode 13 et une électrode de référence 14. Les électrodes 12, la contre-électrode 13 et l'électrode de référence 14 sont relices électriquement par des liaisons non représentées, à un connecteur 15 connecté au substrat B 13977.3 JL 10. La liaison des électrodes 12 au connecteur 15 se fait par l'intermédiaire d'un système de multiplexage non représenté. Le système de multiplexage permet de sélectionner les électrodes à polariser en fonction des réactifs à y fixer. Le connecteur 15 est relié à un potentiostat 16 fournissant les potentiels appropriés aux différentes électrodes présentes sur la face plane 11. La référence 17 désigne un film mince d'électrolyLe contenant un réactif à fixer sur une ou sur plusieurs électrodes. On obtient ainsi une cellule électrochimique. L' épaisseur du film mince d' électrolyte peut être contrôlée de façon précise, ce qui permet par conséquent un bon contrôle des réactifs à déposer. Le film mince d'électrolyte peut être obtenu par la méthode dite à la tournette. Dans ce cas, le substrat est fixé sur la tournette et celle-ci peut être équipée d'un connocteur permettant la reprise des liaisons électriques nocessaires. Le substrat peut être fixé sur la tournette par aspiration. L'électrolyte est déposé sous la forme d'une gouLte au centre du substrat. Le film mince est obtenu par rotation de la tournette supportant le substrat. La figure 2 montre, vu en coupe transvereale, un substrat 20 similaire au substrat de la figure 1. Il possède une face plane 21 présentant une pluralité d'électrodes 22 constituant des sites de fixation de réactifs, une contre-électrode 23 et une électrode de référence 24. Un potentiostat 26 fournit, B 13977.3 JL par l'intermédiaire du connecteur 25, les potentiels appropriés aux différentes électrodes du substrat 20. La différence par rapport à la figure 1 est la présence d'un film poreux 27 sur la face plane du substrat présentant les différentes électrodes. Par trempage ou dépôt localisé d'électrolyLe contenant le réactif, le film poreux est imbibé d'électrolyLe avec un contrôle de l'épaisseur du film. La figure 3 montre, vu en coupe traneversale, un substrat 30, par exemple en silicium, associé à un capot 38. Le substrat 30 possède une face plane 31 présentant une pluralité d'électrodes 32 constituant autant de sites de fixation de résatifs. La face plane 31 comporte aussi, sur l'un de ses bords, un contact global 35 pour lapplication d'un potentiel de polarisation aux électrodes 32 par l'intermédiaire d'un système de multiplexage non représenté. La référence 38 désigne un capot mobile ou contre-plaque. La face du capot 38 située côté électrodes 32 supporte une contre-électrode 33. Le capot est percé d'un trou central 39, de même que la contre-électrode 33, pour y loger une électrode de référence 34. Le film mince d'électrolyLe 37 est pris en sandwich entre la face plane 31 du substrat 30 et le capot 38. Le trou 39 est rempli également d'électrolyLe afin d' assurer un contact avec l'électrode de référence 34. Le contact 35, la contre-électrode 33 et l ' électrode de référence 34 sont reliés électriquement au potentiostat 36. B 13977.3 JL Les figures 4A à 4E représentent différentes étapes du procédé selon l' invention pour le cas o un capot est associé à un substrat. La figure 4A montre un substrat 40 disposé sur un porte-substrat 42. Le substrat 40 est du type montré à la figure 3. La face plane du substrat 40 supportant les sites de fixation de réactifs (référencée 41 sur la figure 4B) est en contact, sur la figure 4A, avec le porte-substrat 42. Un support aspirant 43 vient au contact de la face 44 (opposce à la face 41) du substrat 40 et prélève le substrat par aspiration. La figure 4B montre, après retournement du support aspirant 43, la face plane 41 du substrat. Les électrodes et le contact global situés sur la face plane 41 n'ont pas été représentés. Une pipette 50 vient alors déposer, au centre du substrat 40, une gouLte 51 d'un électrolyte contenant un réactif. Le volume d'électrolyLe déposé est calaulé pour que le film mince d'électrolyte désiré s'étende sur la face plane 41 sans débordement. L'électrolyte se stabilise sur le bord du substrat grâce aux forces de capillarité. Un caleul simple permet de déterminer le volume V d'électrolyte à déposer en fonction du rayon r du substrat et de l'épaisseur e désirce pour le film mince: V = 7:r2e. La figure C montre un ensemble support aspirant 43 - substrat 40 recouvert d'un film mince délectrolyte 47 - capot 48 prêt à être soumis - à l'étape d'électrodéposition. Le capot 48 est par s 13977.3 JL exemple du type représenté à la figure 3, c'est-à-dire avec contre-électrode et électrode de référence (non représentée sur la figure 4C). La face plane du substrat est ensuite rincée. C'est ce que montre la figure 4D o l' ensemble support aspirant 43 - substrat 40 - capot 48 est descendu dans un récipient circulaire 52. Le rinçage peut se faire par une buse ou un jet tournant non représenté. Après un temps d'égouLtage, les liquides sont réaupérés par gravité. La face plane du substrat est ensuite séchée. C'est ce que montre la figure 4E o la face plane 41 du substrat 40 est déplacée au-dessus d'une buse 53 soufflant une lame d'air. Après séchage, la face plane du substrat peut être soumise à nouveau aux étapes du procédé selon l' invention pour une nouvelle fixation de réactifs. Si le substrat comporte, en plus des électrodes formant sites de fixation de réactifs, l'électrode de référence, le capot est alors simplement métallisé sur sa face interne pour assurer la fonction de contre-électrode. Si le substrat supporte toutes les électrodes, comme les substrats des figures 1 et 2, le capot n'a plus alors qu'une fonction de confinement du film mince d'électrolyte. La fonction capot peut aussi être assurce par un autre substrat présentant également des sites de fixation de réactifs formés d'électrodes. Les faces planes des substrats munies des électrodes sont alors disposées en vis-à-vis. Le film mince est pris en B 13977.3 JL sandwich enLre les deux substraLs eL l'AlecLrodposiLion peuL glue ettecLue GimulLandenL sur les lecLrodes prAsenLes par lea deux faces planes. AinGi on n'uLilise qu'un seal volume d'@IecLrolyLe pour la fixation de racLifs sur deux subGLraL s. B 13977.3 AL REVENDICATIONS 1. Procédé de fixation par électrodéposition de réactifs sur une face plane (11, 21, 31, 41) d'un substrat (10, 20, 30, 40), la face plane présentant une pluralité de sites aptes à être polarisés électriquement, le procédé comprenant les étapes suivantes répétées autant de fois que . nscessa1re: - mise en contact des sites avec un électrolyLe contenant une espèce chimique porteuse d'un réactif et destinée à être fixée par électrodéposition sur au moins un site, - polarisation dudit site et électrodéposition de ladite espèce chimique porteuse du réactif sur ledit site, - rinçage de la face plane, caractérisé en ce que l'étape de mise en contact des sites avec l'électrolyLe consiste à réaliser le dépôt d'un film mince (17, 27, 37, 47) dudit électrolyLe sur ladite face plane. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la polarisation dudit site est réalisée par des moyens externes au substrat ou par des moyens intégrés au substrat. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le substrat (10, 20, 30, 40) étant destiné à fournir plusieurs microdispositifs, la pluralité de sites de B 13977.3 JL ladite face plane est répartie par zones correspondant aux micro-dispositifs désirés. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les sites du substrat étant constitués d'électrodes (12, 22, 32) reliées à des moyens de connexions électriques (15, 25, ), l'étape de polarisation et d'électrodéposition comprend la connexion desdites électrodes à des moyens électriques de contrôle de l'électrodéposition (16, 26, 36) 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le substrat posséJant des moyens conducteurs formant contre- électrode (13, 23) et reliés à des moyens de connexions électriques (15, 25), l'étape de polarisation et d'électrodéposition comprend la connexion des moyens conducteurs formant contre-électrode à des moyens électriques de contrôle de l'électrodéposition (16, 26). 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le substrat posséJant des moyens conducteurs formant électrode de référence (14, 24) et reliés à des moyens de connexions électriques (15, 25), l'étape de polarisation et d'électrodéposition comprend la connexion des moyens conducteurs formant électrode de référence à des moyens électriques de contrôle de l'électrodéposition (16, 26). B 13977.3 JL 7. Procédé selon l'une quelcouque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le dépôt du film mince d'électrolyte (17, 27) est réalisé par la méthode dite à la tournette. 8. Procédé selon les revendications 4 à 7 prises ensemble, caractérisé en ce que la tournette comprend des moyens de connexions électriques permettant de relier électriquement les sites, les moyens conducteurs formant contre-électrode et les moyens conducteurs formant électrode de référence aux moyens électriques de contrôle de l'électrodéposition. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le dépôt du film mince d'électrolyte est réalisé dans un film poreux (27) disposé sur ladite face plane (21) du substrat (20). 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le dépôt du film mince d'électrolyLe est réalisé en déposant un volume déterminé d'électrolyLe (51) sur ladite face plane (31, 41) du substrat (30, 40) et en écrasant ce volume déterminé d'électrolyte par un capot (38, 48) jusqu'à obtenir le film mince d'électrolyLe (37, 47) ., deslre. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que les sites du substrat (30) étant B 13977.3 JL constitués d'électrodes (32) reliées à des moyens de connexions électriques (35), l ' étape de polarisation et d'électrodéposition comprend la connexion desdites électrodes à des moyens électriques de contrôle de l'électrodéposition ( 36). 12. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que le substrat (30) et/ou le capot (38) possédant des moyens conducteurs formant contre électrode (33) et reliés à des moyens de connexions électriques, l'étape de polarisation et d'électrodéposition comprend la connexion des moyens conducteurs formant contre-électrode à des moyens de contrôle de l'électrodéposition (36). 13. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que le substrat (30) et/ou le capot (38) posséJant des moyens conducteurs formant électrode de référence (34) et reliés à des moyens de connexions électriques, l'étape de polarisation et d'électrodéposition comprend la connexion des moyens conducteurs formant électrode de référence à des moyens électriques de contrôle de l'électrodéposition (36). 14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que les moyens conducteurs formant électrode de référence (34) sont disposés dans un trou (39) du capot (38) pour être en contact avec le film mince d'électrolyLe ( 37). B 13977.3 JL 15. Proceeds salon la revendicaLion 10, caracL@cis en ce que le capoL eat constiEn par us autre substrat posGAdant une face plane prsentant une plurality de Gites aptes Tare Polaroids Alectriguement, lesdites faces planes Plant disposes en regard l'une de l'auLre pour atre soumises auxdites Tapes du procAd6.