Brevet FR2889516A1 — publié le 20070209

Stolmâr É Scheele É Hinkelmann 32754-CEA-P-FR Procédé de fonctionnalisation successive d'un substrat et mi-crostructure obtenue par ce procédé L'invention est relative à un procédé de fonctionnalisation successive d'un substrat et à la micro-structure obtenue par ce procédé. Le mot fonctionnalisation définit l'action d'attacher ou de greffer une molécule chimique sur un support. Cette fonctionnalisation a pour but de conférer des propriétés particulières au dit support (mouillabilité, adsorption, surface neutre ou chargée, réactivité chimique pour le greffage de molécules chimiques ou biologiques. En particulier, l'invention est relative à un procédé de fonctionnalisation successive d'un substrat, à la surface duquel se trouvent au moins deux zones constituées de matériaux différents, avec au moins une substance chimique sans masquage. Conférer des propriétés de surfaces bien particulières à la surface d'un microsystème (microstructure) est une probléma- tique importante dans le domaine des microtechnologies. Il est encore plus important de pouvoir disposer de ces différentes propriétés sur un même support constitué de différentes zones. Chaque zone peut ainsi conduire à des propriétés différentes. Actuellement, la technique la plus utilisée utilise l'enchaînement des étapes suivantes (Figure 1) . - masquage de la zone 2, fonctionnalisation de la zone 1, - démasquage de la zone 2, éventuellement, masquage de la zone 1, - fonctionnalisation de la zone 2, - si la zone 1 a été masquée, démasquage de cette zone Stolmâr É Scheele É Hinkelmann 32754-CEA-P-FR - 2 - La fonctionnalisation de surface est souvent assurée par la réaction d'un silane organique sur une couche d'oxyde par exemple SiO2. On notera de nombreux exemples concernant la réalisation de surfaces comportant des zones hydrophiles et hy- drophobes réalisés suivant le schéma indiqué en Figure 1. L'application de la couche organique peut être réalisée par exemple par trempage en phase liquide (cf. "Nanoliter liquid metering in microchannels using hydrophobic patterns" Anal. Chem. 2000, 72, 4100-4109), en phase gazeuse, par embossing (cf. "Chemical nano-patterning using hot embossing lithography", Microelectronics Engineering 2002, 61-62, 423-428), par depôt, par spin coating (cf. "Automatic transportation of a droplet on a wettability gradient surface", 7th International Conference on miniaturized Chemical and Biochemical analysis systems, October 5-9 2003, Sqaw Valley, CA (USA)). L'ordre de ces étapes peut aussi être classiquement le suivant (Figure 2) . - fonctionnalisation de l'ensemble de la surface, - masquage de la zone 1 (fonctionnalisation à conserver), - dégradation de la couche de fonctionnalisation chimique sur la zone 2, par exemple par plasma 02, fonctionnalisation de la zone 2, - démasquage de la zone 1. WO--A-02/16023 décrit par exemple ces deux types d'approche. Dans tous ces procédés, certains inconvénients apparaissent: En général, le masquage des zones est effectué par un polymère. La présence simultanée des substances sous-moléculaires [au lieu de "la chimie ] (notamment solvants) et de ce poly- Stolmâr Scheele Hinkelmann 32754-CEA-P-FR - 3 - mère (photosensible ou non) entraîne des problèmes de compatibilité Pour contourner ce problème, la résine peut éventuellement être remplacée par un dépôt métallique, mais il s'agit d'une part d'une technologie plus lourde (dépôt métal- lique, dépôt résine, photolithographie pour ouvrir des zones réactives, gravure), d'autre part les métaux sont également attaqués par les acides forts. Dans le deuxième cas de figure (fig. 2), la résine recouvre directement la surface fonctionnalisée qui peut alors être contaminée. Il est en effet assez difficile de nettoyer parfaitement ce type de surfaces sans endommager la couche de fonctionnalisation. Afin de contourner ces problèmes, des solutions ont été pro-posées dans des cas particuliers. On notera en particulier les brevets déposés par Alchimer (publié comme WO-A-2004/019385, WO-A-2004/018349) qui concernent tous l'électrogreffage de polymères organiques sur matériaux semiconducteurs et conducteurs. La localisation de la fonctionnalisation est alors assurée par un adressage électrique des zones. Mais il est difficile d'adresser exactement des locations par voie électrique. L'inconvénient de cette méthode est qu'elle nécessite la présence de contacts électriques qui peuvent complexifier et augmenter le coût des objets pro-duits. De plus, cette technologie impose obligatoirement la présence d'un gap entre les électrodes qui ne peuvent donc pas être parfaitement contiguës. L'objectif de la présente invention est donc d'éviter les problèmes de l'art antérieur et de proposer un procédé convenable pour la fonctionnalisation des microstructures. Stolmâr Scheele Hinkelmann 32754-CEA-P-FR - 4 - La présente invention concerne donc un procédé de fonctionnalisation successif d'un substrat, à la surface duquel se trouvent au moins deux zones constituées de matériaux différents, avec au moins une substance chimique, caractérisé en ce que la fonctionnalisation s'effectue sans masquage et en ce qu'il comprend les étapes (a) fonctionnalisation d'une première zone sans masquage de la seconde zone ou des zones suivantes éventuelles grâce à la transformation du substrat par une substance chimique X1, où le matériau de la première zone a une réactivité plus élevée par rapport à la substance X1 que les matériaux des zones suivantes éventuelles, et (b1) traitement de la seconde zone et/ou des zones suivantes éventuelles avec une substance chimique Y1 pour nettoyer ces zones de la substance X1 et/ou de ses pro-duits de réaction, qui se sont déposés sur ces zones pendant la fonctionnalisation de la première zone, sans que la surface fonctionnalisée de la première zone ne soit endommagée. La présente invention concerne également une microstructure contenant des zones qui consistent en matériaux différents, où au moins une zone est fonctionnalisée grâce à une liaison chimique, réalisable par un procédé selon le procédé de la présente invention. Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, en référence aux figures des dessins annexés. Les exemples de réalisation dé- Stolmâr É Scheele É Hinkelmann 32754-CEAP-FR - 5 - crits avec référence aux dessins ci-annexés ne sont nullement limitatifs. La figure 1 illustre le procédé classique de localisation (fonctionnalisation) selon l'état de la technique. La figure 2 illustre un autre procédé classique de localisation (fonctionnalisation) selon l'état de la technique. La figure 3 illustre le procédé selon un exemple de réalisation de la présente invention. La figure 4 illustre l'hybridation sur un substrat Si / SiO2 doublement fonctionnalisé. La figure 1 illustre le procédé de fonctionnalisation selon l'état de la technique sur un support 3 d'une micro-structure. Une zone 2 est masquée dans une première étape 5. Ensuite, la zone 1 est fonctionnalisée dans une deuxième étape 6 et après, la zone 2 est démasquée. Si la zone 1 est masquée dans une étape 5, il s'ensuit une étape de fonctionnalisation 6 de la zone 2 et une démasquage 7 de la zone 1. Alternativement, la zone 2 pourrait fonctionnalisée directe-ment après la démasquage de la zone 2. La figure 2 illustre un autre procédé de fonctionnalisation selon l'état technique. L'ordre de ces étapes est ici le suivant: -fonctionnalisation 6 de l'ensemble de la surface, - masquage 5 de la zone 1 (fonctionnalisation à conserver), - dégradation 8 de la couche chimique sur la zone 2, par exemple par plasma 02, Stolmâr É Scheele É Hinkelmann 32754-CEA-P-FR - 6 fonctionnalisation 6 de la zone 2, - démasquage 7 de la zone 1. La figure 3 illustre le procédé selon un exemple de réalisa- tion de la présente invention. Sur un substrat 3, il existe deux zones 1 et 2. Dans une première étape 6, la zone 1 est fonctionnalisée par réaction grâce à la transformation du substrat par une substance chimique. Quelques parties de cette substance chimiques X1 réagissent aussi avec la zone 2. En conséquence, la zone 2 est traitée avec une substance chimique Y1 pour nettoyer ces zones de la substance X1 et/ou de ses produits de réaction, qui se sont déposés sur ces zones pendant la fonctionnalisation de la première zone, sans que la surface fonctionnalisée de la première zone ne soit endom- magée. Après le nettoyage, la zone 2 est activée par activation chimique ou physique (étape 9) et ensuite fonctionnalisée (étape 6). Dans le procédé de la présente invention, il est avantageux de réaliser aussi l'étape (c) fonctionnalisation d'une seconde zone sans masquage des zones suivantes grâce à la transformation du substrat par une substance chimique X2 différente de X', où le matériau de la seconde zone a une réactivité plus éle- vée par rapport à la substance X2 que les autres matériaux; supprimer de la troisième zone ou des zones suivantes éventuelles, dans le cas où ces zones sont présentes. En outre, il est préférable dans la présente invention de réaliser avant la fonctionnalisation l'étape (b2) activation chimique ou physique de la seconde zone et des zones suivantes éventuelles en vue d'une fonctionStolmâr É Scheele É Hinkelmann 32754-CEA-P-FR - 7 - nalisation, grâce au traitement par une substance chimique Y2 différente des substances chimiques X1 et X2. Les étapes (b1), (b2) et/ou (c) pourraient être répétées une ou plusieurs fois, en pouvant utiliser dans les étapes (a) et (c) des substances chimiques X différentes de X1 et X2 et dans les étapes (b1) et/ou (b2) des substances chimiques Y différemment de Y1 et de Y2. Il est en outre préférable que l'étape (b1) et/ou l'étape (b2) soit réalisée en milieu acide ou basique. Dans une une utilisation préférable, il existe au moins une zone 1 consistant en matériaux conducteurs ou semi- conducteurs ou des isolants dopés et pouvant réagir de manière thermique, photochimique, mécanochimique ("scribing") avec des substances chimiques X1, X2 ou X dont les molécules possèdent une liaison chimique réactive vis-à-vis de ces matériaux. Molécules X1 préférées possédant des groupements de type al-cène, alcyne, halogène, diazo, thio, atome de phosphore di ou tri-coordiné (phosphine, phosphinine), aldéhyde, alcool. Molécules X2 préférées possédant des groupements de type si- lave, siloxane, atome de phosphore pentacoordiné (phosphate, phosphonate). Avantageusement, les matériaux conducteurs ou semi-conducteurs sont sélectionnés parmi ceux du groupe comprenant le silicium, le carbone cristallin ou amorphe, éventuellement dopé n ou p et les métaux. Les métaux préférés sont or, argent, cuivre, nickel, aluminium. Les matériaux preférables sont silicium, germanium, carbone sous forme cristalline ou Stolmâr É Scheele É Hinkelmann 32754-CEA-P-FR - 8 - amorphe, dope (graphite, nanotubes e carbone, diamant mono ou polycristallin. Associations préférables de matériaux de différentes zones sont or/oxyde, Si/oxyde de Si, aluminium/oxyde de Si, Si/nitrure de Si, or/oxyde de Si/Si. Dans une autre utilisation préférable de la présente invention, il existe au moins une zone 2 consistant en un matériau sélectionné parmi ceux du groupe comprenant les oxydes (verre, quartz, pyrex, SiO2, TiO2, ...) ou les nitrures métalliques ou semi-métalliques (Si3N4, ...) ou un mélange de ces matériaux, et des polymères (PDMS, PMMA, ...) . Avantageusement les substances chimiques Y1, Y2 ou Y ont au moins une liaison choisie parmi celles du groupe comportant les substances chimiques HF, H2SO4, H20, HNO3 ou du groupe comportant les substances chimiques NaOH et KOH. Des étapes de nettoyage et d'activation pourraient donc être réalisées en milieu acide ou basique (HF à différentes dilutions et éventuellement tamponné, un mélange H2SO4 / H2O2 dans des proportions variables, HNO3, bases fortes telles que NaOH, KOH, ...) Les zones fonctionnalisées pourraient être modifiées au moyen de liens chimiques ou d'un traitement physique. A la surface du substrat utilisé dans la présente invention, il se trouve au moins deux zones constituées de matériaux différents. Le substrat est donc structuré en différentes zones (différents matériaux). Cette structuration peut être effectuée par les techniques de microtechnologie (masquage, photolithographie, gravure ou dépôt, démasquage). Stolmâr É Scheele É Hinkelmann 32754-CEA-P-FR - 9 - Les zones peuvent se différencier par exemple au niveau de l'hydrophilie. Les zones peuvent ici dériver d'un seul matériau, qui peut être par la suite modifié chimiquement. La modification chimique peut aussi être, par exemple, la transformation en 2 étapes d'une fonction époxyde en fonction aldéhyde pour y greffer des molécules munies de groupements de type amine. De même une fonction ester peut être transformée en fonction acide pour conduire à des surfaces hydrophi- les et également réactives vis-à-vis des fonctions NH2. Le procédé de la présente invention comprend en outre un fonctionnalisation successive avec au moins une substance chimique. La fonctionnalisation d'une première zone pourrait "polluer" également une seconde zone ou des zones suivantes par adsorption non spécifique de réactifs utilisés pour cette fonctionnalisation. Il est donc nécessaire selon la présente invention de faire (b1) un traitement de la seconde zone et des zones suivantes éventuelles avec une substance chimique Y1 pour nettoyer ces zones de la substance X1 et/ou de ses pro-duits de réaction, qui se sont déposés sur ces zones pendant la fonctionnalisation de la première zone, sans que la surface fonctionnalisée de la première zone ne soit endommagée. Il n'est pas exclu que les étapes de nettoyage (b1) et d'activation (b2) citées ci-dessus soient confondues (même réac- tif utilisé). Le procédé de la présente invention pourrait être utilisée pour la préparation de capteurs chimiques et biologiques, dans le cadre de la réalisation de puces à ADN, à protéines, Stolmâr É Scheele É Hinkelmann 32754-CEA-P-FR - 10 - à sucres, à peptides, à petites molécules organiques à visée thérapeutique, et aussi pour la préparation de microsystèmes fluidiques nécessitant une fonctionnalisation de leurs parois. En outre, le procédé de la présente invention pourrait être utilisé pour la préparation de tout dispositif de microélectronique où il est nécessaire de conférer des propriétés mécaniques ou chimiques aux surfaces de ce dispositif. Cette invention permet de fonctionnaliser différemment deux zones d'un support structuré ou non (verre, polymères, silicium, couches d'oxydes minéraux,...) sans protection de l'une quelconque des zones au cours du procédé chimique. En effet, la présente invention propose une approche dont le principal intérêt est de pouvoir dissocier complètement les étapes de technologie (masquage, gravure, photolithographie, ...) et de fonctionnalisation chimique (cf. figure 3). L'exemple suivant illustre en outre la présente invention. Cet exemple est donné en illustration et ne saurait être considéré comme limitatif. Exemple de réalisation Le protocole décrit est un exemple du procédé de la présente invention. Il intègre: la fonctionnalisation de la zone A, le nettoyage et l'activation de la zone B (simultané-ment), - la fonctionnalisation de la zone B, - la modification chimique des fonctions de la zone B. Stolmâr É Scheele É Hinkelmann 32754-CEA-P-FR - 11 - Un substrat constitué de 2 zones A et B est utilisé : - zone A: silicium, zone B: SiO2 (500 nm) obtenu par oxydation thermique du silicium Les résultats obtenus seront discutés en terme d'angle de contact. Lorsque les 2 chimies décrites ci-après sur des substrats sé-10 parés et sans étapes de nettoyage (non nécessaire alors), les angles de contact suivants sont obtenus: - 103 sur la zone A - 65-70 sur la zone B au stade époxyde - 55-60 sur la zone B au stade diol. Fonctionnalisation de la zone 1: Une surface de silicium non oxydé est régénérée sur la zone 1 par trempage du substrat dans du HF dilué (1%) pendant un temps court (quelques dizaines de secondes) afin de limiter la consommation de la couche de SiO2 (zone 2). Après un rinçage éventuel à l'eau désionisée, le substrat est séché sous flux d'azote puis introduit en réaction avec le 1-octadécène. La réaction a lieu sous argon à 150 C pendant 12 heures. Le substrat est alors rincé successivement par divers solvants (heptane, dichlorométhane, acétone, éthanol, eau). La mesure d'angle de contact indique que la zone A est fonctionnalisée (angle de contact de 102 proche des 105 théoriques pour une surface parfaitement organisée, Tableau 1) tandis que la zone B est polluée par des molécules organiques (86 ). Nettoyage / activation de la zone B: L'étape suivante (HF 1 %, 30 s) permet de nettoyer cette zone B et de l'activer en créant des groupements silanols (angle Stolmâr É Scheele Hinkelmann 32754-CEA-P-FR -12 - de contact de 13 ) sans dégrader de manière notable la zone A (angle de contact passant de 102 à 100 ). Fonctionnalisation de la zone B: La zone B est ensuite fonctionnalisée par un silane portant une fonction époxyde suivant un procédé décrit dans le brevet N EN 0016940. L'angle de contact obtenu (66 ) est caractéristique de ce type de surface. Il est obtenu en conservant presque intégralement les propriétés de surface de la zone A (passage de 100 à 90 ). Modification chimique des fonctions de la zone B: La transformation chimique de la fonction époxyde en diol sur la zone B s'effectue par un traitement acide (HC1 0,2N pendant 3 heu- res à température ambiante; angle de contact = 56 ) sans dé-grader la zone A (conservation d'un angle de contact de 90 ). On a ainsi pu localiser deux fonctionnalisations chimiques différentes sur un même support sans protection d'une quelconque des zones au cours du procédé chimique. Etapes Zone A Zone B (Si) (SiO2) après chimie sur zone A 102 86 après nettoyage activa- 100 13 tion HF après chimie sur zone B 90 66 stade époxyde après chimie sur zone B 90 56 stade diol Tableau 1: Angles de contact de la surface Stolmâr É Scheele É Hinkelmann 32754--CEA-P-FR - 13 - Suite de l'exemple par spotting des sondes de brins d'ADN. Spotting des sondes de brins d'ADN: Une solution d'oligomère (10 pM, tampon phosphate) de 20 mers modifiés par une function NH2 réactive des functions aldéhyde de la surface (5' NH2 TT TTT TCG GAT ACC CAA GGA 3') sont dé-posés sur cette surface à l'aide d'un robot muni de têtes piézoélectriques qui éjectent des gouttes de 330 pL. Après 12 heures de réaction à température ambiante, un post traitement réducteur est réalisé (NaBH4 0,1M) puis le substrat est rincé au SDS 0,2% et à l'eau désionisée. Hybridation avec une séquence complémentaire: Le substrat est alors immergé dans une solution de cible complémentaire (5' GTC TCC TTG GGT ATC CGA TGT 3') marqué par un fluorophore CY3. Après 1 h d'incubation à 50 C dans un tampon Tris-EDTA, NaCl (pH = 8,5), les puces sont rincées dans différantes solutions salines, séchées sous Argon puis lues au scanner à fluorescence (longueur d'onde d'excitation = 532 nm). On obtient l'image illustrée Figure 4. Ainsi, une puce à ADN a été réalisée sur un substrat bifonctionnalisé: fonction hydrophobe en dehors des plots (zone A, chaîne alkyle C18) fonction réactive vis-à-vis des molécules biologiques (zone B, aldéhyde) A partir d'une surface inorganique comportant 2 matériaux différents (Si et SiO2), une biopuce a été entièrement fabri-Stolmâr É Scheele É Hinkelmann 32754-CEA-P-FR - 14 - quée (fonctionnalisation chimiques, dépôt des sondes biologiques) et utilisée (hybridation par des cibles fluorescents) sans masquage d'une quelconque des zones de la surface. Cette technologie nous a permis d'obtenir des spots d'excellentes qualité, notamment en terme de taille et d'alignement (conditionnée par le design des matériaux inorganiques sous-jacents) mais aussi en terme d'homogénéité au sein d'un spot. Exemples de stratégies utilisables: Surface Or/SiO2; X1=thiol; X2 = silane, siloxane, P5; Y1=Y2=Y=HF Surface Or/SiO2/Si; X1= alcène, alcyne, halogéne, Y = HF, H2SO4; X2=thiol; Y=HF; X3 = silane, siloxane, P5 Stolmâr É Scheele É Hinkelmann 32754-CEA-P-FR - 15 - Revendications 1. Procédé de fonctionnalisation successive d'un substrat, à la surface duquel se trouvent au moins deux zones (1,2) constituées de matériaux différents, avec au moins une substance chimique, caractérisé en ce que la fonctionnalisation s'effectue sans masquage et en ce qu'il comprend les étapes (a) fonctionnalisation d'une première zone (1) sans masquage de la seconde zone (2) ou des zones suivantes éventuel-les grâce à la transformation du substrat par une substance chimique X1, où le matériau de la première zone a une réactivité plus élevée par rapport à la substance X1 que les matériaux des zones suivantes éventuelles, et (b1) traitement de la seconde zone (2) ou/et des zones suivantes éventuelles avec une substance chimique Y1 pour nettoyer ces zones de la substance X1 et/ou de ses produits de réaction, qui se sont déposés sur ces zones pendant la fonctionnalisation de la première zone, sans que la surface fonctionnalisée de la première zone ne soit endommagée. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'est réalisée de surcroît l'étape (c) fonctionnalisation d'une seconde zone sans masquage des zones suivantes grâce à la transformation du substrat par une substance chimique X2 différente de X1, où le matériau de la seconde zone a une réactivité plus élevée par rapport à la substance X2 que les autres matériaux; supprimer de la troisième zone ou des zones suivantes éventuelles, dans le cas où ces zones sont présentes. Stolmâr Scheele Hinkelmann 32754-CEA-P-FR - 16 - 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'est réalisée avant la fonctionnalisation l'étape (b2) activation chimique ou physique de la seconde zone (2) et des zones suivantes éventuelles en vue d'une fonctionnalisation, grâce au traitement par une substance chimique Y2 différente des substances chimiques X1 et X2. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les étapes (b1), (b2) et/ou (c) sont répétées une ou plusieurs fois, en pouvant utiliser dans les étapes (a) et (c) des substances chimiques X différentes de X1 et X2 et dans les étapes (b1) et/ou (b2) des substances chimiques Y différentes de Y1 et de Y2. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que Y1 est identique à Y2. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'étape (b1) et/ou l'étape (b2) est réalisée en milieu acide ou basique. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractéri- sé en ce qu'il existe au moins une zone (1) consistant en matériaux conducteurs ou semi-conducteurs et pouvant réagir de manière thermique, photochimique, mécanochimique avec des substances chimiques X1, X2 ou X dont leurs molécules possèdent une liaison chimique réactive vis-à- vis de ces matériaux. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que les matériaux conducteurs ou semi-conducteurs sont sé- Stolmâr Scheele É Hinkelmann 32754-CEA-P-FR - 17 - lectionnés parmi ceux du groupe comprenant le silicium, le carbone cristallin ou amorphe et les métaux. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractéri- sé en ce qu'il existe au moins une zone (2) consistant en un matériau sélectionné parmi ceux du groupe comprenant les oxydes ou les nitrures métalliques ou semimétalliques ou un mélange de ces matériaux, et des polymères. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les substances chimiques Y1, Y2 ou Y ont au moins une liaison choisie parmi celles du groupe comportant les substances chimiques HF, H2SO4, H20, HNO3 ou du groupe comportant les substances chimiques NaOH et KOH. 11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les zones fonctionnalisées sont modifiées au moyen de liens chimiques ou d'un traitement physique. 12. Micro-structure contenant des zones qui consistent en différents matériaux, où au moins une zone est fonctionnalisée grâce à une liaison chimique, réalisable par un procédé selon l'une des revendications précédentes.