Brevet FR2848476A1 — publié le 20040618

Procédé de micro-dépôt. L'invention concerne un procédé de micro-dépôt pour la fabrication de structures de très petites tailles telles que par exemple les puces à ADN, puces à protéines, etc. La recherche de techniques nouvelles et performantes de gravure et de déposition à très petite échelle (de l'ordre du micron) représente un enjeu majeur dans la réalisation de micro- ou nano-structures. Le champ d'application 10 des procédés de nanolithographie intéresse en effet de nombreux domaines et notamment celui de la biologie ou des sciences du vivant qui a récemment vu la mise au point, par le développement simultané des techniques de biotechnologies, d'infotechnologies, de microélectroniques et des nanotechnologies, des puces à ADN ou biopuces dont l'immense potentiel en 15 matière de diagnostic biologique, de recherche de mutations génétiques et de développement de médicaments, intéresse l'ensemble de la communauté scientifique. A ce jour, un certain nombre de techniques de micro-dépôt sur micro20 structures ont été développées, permettant de déposer de façon localisée sur une surface donnée, des molécules de diverses natures à partir de liquides ou autres. Citons par exemple la projection à jet d'encre piézoélectrique. La résolution dans la dimension du dépôt est variable d'une technique à une autre: celle de la projection à jet d'encre piézoélectrique permet par exemple de 25 déposer une quarantaine de picolitres d'un liquide atteignant un diamètre de dépôt de l'ordre de 50 pm. Plus récemment, une technique appelée Dip Pen Nanolithography (DPN) est apparue. C'est actuellement le procédé de dépôt le plus résolutif (de l'ordre 30 de quelques nanomètres). Schématiquement, la technique de la DPN consiste à utiliser la pointe d'un microscope à force atomique en tant que stylo ("pen") pour transférer une composition moléculaire sur un substrat. La demande de brevet américaine US 2002/0063212 déposée par Mirkin Chad et al. expose cette technique. Il est ainsi notamment décrit, dans ce document, l'utilisation de la pointe d'un microscope de champ proche, par exemple de celle d'un microscope à force atomique, comme un "instrument 10 d'écriture" ou stylo, "l'encre" étant constituée par la composition moléculaire à déposer (protéines, peptides, ...) et le "papier" étant le substrat sur lequel la composition est déposée (film d'or, aluminium,...). Selon un mode de réalisation décrit, la pointe du microscope de champ 15 proche est trempée dans une solution comportant la composition à transférer et un solvant dans lequel la composition est le plus soluble. De façon connue et classique, ce solvant peut être constitué par de l'eau ou par un solvant organique choisi par exemple parmi les éthers ou les cétones. La solution est de préférence une solution saturée. Le temps de trempage de la pointe doit être 20 suffisamment long pour que les molécules en solution arrivent à la pointe et y adhèrent. Généralement, 30 secondes à 3 minutes sont nécessaires selon la nature de la composition et du solvant. De façon préférentielle, le trempage de la pointe dans la solution doit être 25 répété plusieurs fois, avec une étape de séchage de la pointe entre chaque trempage afin d'augmenter le recouvrement de celle-ci par les molécules. Le séchage est de préférence effectué par projection d'un gaz inerte tel que le tétrafluoride carbone ou le trichlorofluorométhane. Ce gaz doit avoir été préalablement purifié pour ne pas comporter de particules susceptibles de polluer le dépôt. Généralement, quelques secondes sont nécessaires à chaque séchage. Une fois la pointe recouverte des molécules à transférer, celle-ci est 5 dirigée au dessus du substrat sur lequel les molécules sont alors déposées par contact de la pointe avec le substrat. Ce transfert nécessite la présence d'un "transporteur" pour permettre le passage des molécules de la pointe au substrat. Ceci est en fait réalisé par un ménisque capillaire qui se forme entre la pointe et le substrat, par exemple un ménisque d'eau formé à partir du film 10 d'eau présent à la surface du substrat dans des conditions normales d'humidité ambiante. Là encore, un temps de transfert entre la pointe et le substrat est nécessaire pour que les molécules diffusent et soient déposées. Il faut ainsi plusieurs dizaines de secondes pour recouvrir une surface de lpm2. Par ailleurs, la taille du ménisque d'eau formé dépendant du degré d'humidité 15 environnant, la taille du ménisque affecte nécessairement la vitesse de transport de la composition moléculaire de la pointe au substrat. Enfin, cette vitesse dépend notamment du coefficient de diffusion des molécules. Si celui-ci est faible, le transfert est d'autant plus lent. Si plusieurs compositions moléculaires doivent être déposées sur un même substrat, le document précité propose: - Soit de changer la pointe du microscope ayant trempé dans la première solution et de la remplacer par une seconde qui a été trempée dans une seconde solution. Cette technique est 25 nécessairement longue et d'autant plus fastidieuse qu'il y a de compositions à déposer. - Soit de rincer la pointe ayant trempé dans la première solution dans un solvant approprié et de reprendre la phase de trempage dans la seconde solution. Cette technique est également assez longue à 30 mettre en oeuvre puisque le temps de trempage de 30 secondes à 3 minutes doit être respecté et que la répétition des phases de trempage et de séchage doit également être reprise. Dans ces conditions, on comprend que bien qu'intéressante au niveau 5 de la résolution des dépôts obtenus, la technique de la DPN reste assez lente. Le changement de molécules ralentit la réalisation d'un dépôt multicouches ou nécessitant une pluralité de molécules dont la localisation est différente sur le substrat. Ce facteur temps réduit ainsi considérablement les performances industrielles de cette technique qui ne peut par exemple pas être efficacement 10 utilisée pour la fabrication de puces à ADN pour laquelle il faut pouvoir effectuer sur un même substrat des milliers de dépôts de molécules différentes. En conséquence, au niveau industriel, les rendements de fabrication exigés ne permettent pas d'utiliser la technique de la DPN pour tous les micro15 dépôts que l'on souhaite réaliser et la nature des molécules que l'on peut transférer par cette technique s'en trouve donc limitée. La présente invention a donc pour but de résoudre les inconvénients exposés ci-dessus, tout en conservant une bonne résolution du micro-dépôt. 20 Elle présente également l'avantage de permettre rapidement et aisément le passage de la phase de micro-dépôts à celle de contrôle de ces derniers par les techniques connues d'imagerie par microscope à force atomique, et par pesée des quantités de solution prélevées et déposées. La présente invention a pour objet un procédé de micro-dépôt utilisant un microscope à force atomique pour déposer sur un substrat des molécules en solution dans un solvant approprié. Selon l'invention, les molécules à déposer sont dispersées dans une 30 solution dont la tension de vapeur saturante dans des conditions normales de température est très faible. De façon préférentielle quoique nullement limitative, les molécules sont mises en solution dans un solvant composé de glycérol additionné d'eau, de préférence dans des proportions de 2/3 de glycérol pour 1/3 d'eau. Bien entendu, si un dépôt distinct de différentes molécules doit être 5 réalisé sur une même surface, autant de solutions que de types de molécules seront préparées. La pointe du microscope à force atomique est trempée dans la ou dans une des solutions préparées puis est retirée, de préférence de façon brusque et 10 rapide pour forcer la solution à mouiller la pointe. Le prélèvement par la pointe du microscope de la solution contenant les molécules d'intérêt se fait ainsi dans un temps quasi instantané dès que la pointe du microscope est retirée de la solution, le temps d'immersion important peu. La quantité de molécules prélevées est notamment fonction de la concentration des molécules dans la 15 solution préalablement préparée. Elle est également fonction de la taille de la micro-goutte de solution prélevée et/ou déposée. Selon l'invention, la solution comportant les molécules à déposer est transportée au dessus du substrat par déplacement de la pointe du microscope 20 à laquelle elle adhère. Grâce à sa faible tension de vapeur, environ 1000 fois plus faible que celle de l'eau, la présence du glycérol comme solvant limite considérablement les phénomènes d'évaporation. La pointe reste ainsi mouillée par une micro-goutte de solution pendant les quelques secondes nécessaires au déplacement de la pointe au-dessus du substrat (ce qui n'est pas le cas par 25 exemple de l'eau pour laquelle une micro-goutte s'évaporerait en moins d'un dixième de seconde). Lorsque la pointe du microscope à force atomique est positionnée de façon suffisamment proche du substrat pour que la micro-goutte de solution 30 molécules-glycérol soit en contact avec celui-ci, la solution est transférée de façon quasi instantanée sur le substrat par capillarité. Aucun transporteur supplémentaire tel qu'un ménisque d'eau n'est nécessaire pour que les molécules soient transférées puisque le solvant (le glycérol) est lui-même le porteur. Après évaporation du solvant (quelques dizaines de secondes pour 5 une goutte de glycérol de quelques centaines d'atolitres), les molécules non volatiles telles que les molécules d'ADN restent sur le substrat et forment un film circulaire dont la surface correspond à l'interface de contact qui existait entre la micro-goutte et le substrat. L'épaisseur du film dépend de la concentration en molécules de la solution, concentration que l'on a pu 10 préalablement déterminée. Selon l'invention, lorsque plusieurs solutions moléculaires doivent être déposées de façon sélective sur un même substrat, la même pointe de microscope peut être utilisée. Une simple immersion de celle-ci dans un solvant 15 approprié entre deux trempages successifs dans deux solutions distinctes suffit. Dans ces conditions, on comprend alors que le temps de réalisation du ou des micro-dépôts est considérablement réduit, et donc le rendement de fabrication, d'autant plus si le dépôt distinct de plusieurs molécules doit être 20 effectué, ce qui est notamment le cas pour la fabrication de puces à ADN. A l'heure actuelle, ce procédé permet de déposer des volumes de l'ordre de 200.10-18 litres (1/5 pm3) et de réaliser un dépôt d'oligonucléotides sur mica de 1 micron de diamètre et de 1 nm d'épaisseur. La présente invention permet également de façon avantageuse de passer rapidement et aisément de la phase de réalisation des micro-dépôts à la phase de contrôle desdits dépôts grâce aux procédés connus d'imagerie permis par les microscopes à force atomique, et par pesée des quantités de solution 30 prélevées et/ou déposées à l'aide de la pointe desdits microscopes. En effet, les procédés connus d'imagerie à partir de microscopes à force atomique utilisent la pointe de ceux-ci pour réaliser une "image" du dépôt. La pointe doit donc être "propre", c'est-à-dire débarrassée de toute impureté ou 5 élément non désirable susceptible d'affecter la transcription de la représentation du dépôt ou d'être déposé sur le substrat lors de l'imagerie. Selon la présente invention, la pointe employée pour effectuer les micro-dépôts est immédiatement réutilisable après le dépôt de la micro-goutte sur le substrat pour réaliser un contrôle du dépôt par imagerie. Il n'est donc pas nécessaire de 10 la rincer ou de procéder à son changement. Le passage de la phase de dépôt à celle de contrôle par imagerie est ainsi simple et rapide. Enfin, la présente invention permet d'effectuer un contrôle par pesée, en temps réel, des quantités de solution prélevées et/ou déposées. 15 De façon connue, la pointe du microscope à force atomique est portée par un bras levier dont les mouvements et les vibrations peuvent être mesurés. Lors des phases de prélèvement et de dépôts de solutions selon la présente invention, de telles mesures peuvent à tout moment être effectuées et 20 transmettre ainsi des informations notamment sur la variation de masse de la pointe. On mesure de cette façon la fréquence de résonance des vibrations du bras levier porteur de la pointe chargée ou non de la solution à transférer. Ces mesures donnent ainsi des indications sur la masse portée par le bras levier et donc sur la quantité de solution prélevée et/ou déposée. REVENDICATIONS 1. Procédé de micro-dépôt de molécules sur un substrat, utilisant une pointe 5 de microscope à force atomique permettant le prélèvement et le transfert de molécules sur un substrat ainsi que le contrôle du micro-dépôt effectué, caractérisé en ce que les molécules à déposer sont dispersées dans une solution dont la tension de vapeur saturante dans des conditions normales de température est au moins 1000 fois plus faible que celle de l'eau. 2. Procédé de micro-dépôt selon la revendication 1 caractérisé en ce que la solution est constituée par du glycérol et de l'eau 3. Procédé de micro-dépôt selon la revendication 2 caractérisé en ce que la 15 solution est constituée par du glycérol et de l'eau dans des proportions de 2/3 de glycérol pour 1/3 d'eau 4. Procédé de micro-dépôt selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que la pointe du microscope à force atomique est 20 trempée dans la solution comportant les molécules à déposer puis retirée 5. Procédé de micro-dépôt selon la revendication 4 caractérisé en ce que la pointe du microscope à force atomique est retirée de façon brusque et rapide de la solution comportant les molécules à déposer 6. Procédé de micro-dépôt selon les revendications 4 ou 5 caractérisé en ce que la pointe du microscope à force atomique chargée d'une micro-goutte de la solution comportant les molécules à déposer est amenée de façon suffisamment proche du substrat pour que la micro-goutte soit en contact avec celui-ci et soit transférée par capillarité sur celui-ci avec les molécules 7. Procédé de micro-dépôt selon la revendication 6 caractérisé en ce 5 qu'après évaporation de la solution déposée sur le substrat, les molécules non volatiles contenues dans la solution restent sur celui-ci, formant un film circulaire dont la surface correspond à l'interface de contact qui existait entre la micro-goutte et le substrat, et en ce qu'on détermine l'épaisseur du film par la concentration en molécules de la solution 8. Procédé de micro-dépôt selon l'une quelconque des revendications 4 à 7 caractérisé en ce que la pointe du microscope atomique est trempée dans un solvant approprié entre deux trempages dans des solutions moléculaires distinctes pour le dépôt sélectif de celles-ci sur un même 15 substrat. 9. Procédé de micro-dépôt selon l'une quelconque des revendications 6 à 8 caractérisé en ce que le micro-dépôt effectué est contrôlé par les techniques d'imagerie connues, en utilisant la pointe du microscope à 20 force atomique immédiatement après le dépôt de la micro-goutte sur le substrat. 10. Procédé de micro-dépôt selon l'une quelconque des revendications 6 à 9 caractérisé en ce que la quantité de molécules déposées est contrôlée par 25 pesée en mesurant la fréquence de résonance des vibrations du bras levier porteur de la pointe chargée ou non de la solution à transférer.