FR2869599A1 - Microsysteme presentant une surface en silicium noir fonctionnalisee chimiquement ou biologiquement - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un microsystème (30) présentant une surface fonctionnalisée chimiquement ou biologiquement, caractérisé en ce que ladite surface est une surface en silicium traitée pour présenter une structuration aléatoire fine, dite surface en silicium noir (32).

Description

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MICROSYSTEME PRESENTANT UNE SURFACE EN SILICIUM NOIR

FONCTIONNALISEE CHIMIQUEMENT OU BIOLOGIQUEMENT

DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE

La présente invention se rapporte à un 5 microsystème présentant une surface fonctionnalisée chimiquement ou biologiquement.

Les applications visées dans le domaine de la chimie et de la biologie par la présente invention sont des réactions ou des interactions entre molécules, faisant appel à des composés chimiques ou biologiques greffés sur les surfaces (par exemple catalyse hétérogène gaz-solide, chromatographie sur support solide, réaction biologique avec des enzymes greffées sur support solide).

ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE L'utilisation de microsystèmes pour la chimie et la biologie présente des avantages reconnus (augmentation du rapport surface/volume, sécurité, contrôle de la température). Certaines applications nécessitent la présence de composés greffés sur la surface utile des microsystèmes. Cette surface est alors appelée surface active ou surface fonctionnalisée. Cette surface active est limitée aux parois du microsystème et elle s'avère souvent trop réduite pour assurer une production suffisante.

Des solutions ont déjà été apportées afin d'augmenter la surface active sans changer la taille globale du système. Ainsi, dans le cas de la catalyse hétérogène (réaction chimique s'effectuant grâce à un catalyseur solide greffé sur la surface tandis que les réactifs et produits sont en phase fluide), des matériaux poreux sont couramment utilisés pour augmenter la surface active: par exemple des billes poreuses d'oxydes métalliques contenant des métaux déposés dans la porosité. On peut se référer à ce sujet au document Microfabricated Packed-Bed Reactor for Phosgene Synthesis de S. K. AJMERA et al., AIChE Journal, Vol. 47, N 7, juillet 2001, pages 1639 à 1647. Ces matériaux poreux (comme l'alumine) peuvent aussi être déposés sur des surfaces planes à partir de solutions liquides par enduction, comme le divulgue le document Detailed Characterization of Various Porous Alumina-Based Catalyst Coatings within Microchannels and their Testing for Methanol Steam Reforming de R. ZAPF et al., Trans IChemE, Vol. 81, Part A, août 2003, pages 721 à 728. Cependant, travailler à des dimensions micrométriques pose des problèmes compliqués en raison des faibles échelles de taille: remplissage des cavités, homogénéité du dépôt. Les mêmes problématiques sont rencontrées dans le cas des réactions biologiques faisant intervenir une espèce greffée à la surface d'un microsystème.

Par ailleurs, on connaît dans un autre domaine technique l'utilisation de substrats en silicium dont la surface présente une structuration aléatoire fine, ce silicium étant dénommé par l'homme de l'art concerné silicium noir .

Les applications potentielles du silicium noir se trouvent aujourd'hui dans le domaine des traitements de surface afin de générer des surfaces extrêmement hydrophobes (voir le document Nanostructured surfaces for dramatic reduction of flow resistance in droplet-based microfluidics de J. KIM et al., IEEE Conf. MEMS, Las Vegas, NV, janvier 2002, pages 479 à 482) et dans le domaine de l'énergie solaire pour lequel la capacité à absorber la lumière est utilisée (voir le document Plasma surface texturization for multicrystalline silicon solar cells de M. SCHNELL et al., 28th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, Anchorage, 19-22 septembre 2000, pages 367 à 370).

Le silicium noir peut être obtenu par traitement d'une surface d'un substrat de silicium au moyen d'une gravure ionique dans un réacteur à plasma dans des conditions spécifiques comme le divulguent le document The black silicon method: a universal method for determining the parameter setting of a fluorine-reactive ion etcher in deep silicon trench etching with profile control de H. JANSEN et al., J. Micromech. Microeng. 5 (1995), pages 115 à 120, et le document Deep reactive ion etching characteristics of a macromachined chemical reactor de R. S. BESSER et al., J. Vac. Sci. Technol. B 21(2), mars/avril 2003, pages 912 à 915. Selon cette méthode, la structuration se présente sous l'aspect de pics ayant une hauteur voisine du micromètre et une largeur inférieure au micromètre, avec un rapport d'aspect minimal (hauteur/diamètre) de 5. Une autre methode utilisant des impulsions laser avec des durées voisines de la femtoseconde peut aussi être employée pour obtenir du silicium noir, comme le décrit le document Microstructuring of silicon with femtosecond laser pulses de Tsing- Hua HER et al., Appl. Phys. Lett., Vol. 73, N 12, 21 septembre 1998, pages 1673 à 1675.

EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention permet d'augmenter la surface active d'un microsystème présentant une surface fonctionnalisée chimiquement ou biologiquement en proposant une solution plus simple à mettre en oeuvre que les solutions de l'art antérieur. Cette solution consiste à augmenter la surface active par une structuration aléatoire fine des parois du microsystème. Un avantage particulier de cette invention est que cette structuration peut être obtenue directement au cours de la fabrication du microsystème grâce à un procédé bien connu par l'homme de l'art de la microélectronique.

L'invention a donc pour objet un microsystème présentant au moins une surface fonctionnalisée chimiquement ou biologiquement, caractérisé en ce que ladite surface est tout ou partie d'une surface en silicium traitée pour présenter une structuration aléatoire fine, dite surface en silicium noir.

Ladite surface peut être la surface d'au moins un canal réalisé dans un substrat, par exemple un substrat en silicium massif ou un substrat du type SOI. Le canal peut comprendre au moins un pilier présentant également une structuration aléatoire fine.

Selon une variante de réalisation, ladite surface peut comprendre la surface d'au moins un 30 premier canal réalisé dans un premier substrat et la surface d'au moins un deuxième canal réalisé dans un deuxième substrat, le premier et le deuxième substrat étant assemblés l'un contre l'autre, le premier canal étant placé en vis-à-vis du deuxième canal pour obtenir un microsystème fermé.

Le microsystème peut comprendre une couche de métal possédant une activité en catalyse déposée sur ladite surface en silicium noir afin de fonctionnaliser ladite surface.

Il peut comprendre une couche superficielle de silice (ou oxyde de silicium) formée sur ladite surface en silicium noir et un complexe organométallique avec un métal possédant une activité en catalyse, déposé sur la couche superficielle de silice, afin de fonctionnaliser ladite surface Il peut comprendre une couche superficielle de silice formée sur ladite surface en silicium noir, un support de catalyseur déposé sur la couche superficielle de silice et un métal possédant une activité en catalyse et imprégnant le support de catalyseur. Le support de catalyseur peut être de l'alumine.

Le métal possédant une activité en catalyse 25 peut être choisi parmi Pt, Pd, Ni, Rh, Ru.

Le microsystème peut aussi comprendre des molécules biologiques greffées sur ladite surface en silicium noir. Ces molécules biologiques peuvent être choisies parmi les enzymes, les protéines, les acides nucléiques et les oligonucléotides.

Le microsystème peut aussi comprendre une couche superficielle de silice formée sur ladite surface en silicium noir, des molécules biologiques étant greffées sur ladite surface en silicium noir. Ces molécules biologiques peuvent être choisies parmi les enzymes, les protéines, les acides nucléiques et les oligonucléotides.

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 en coupe transversale d'un premier substrat possédant une surface en silicium traitée pour présenter une structuration aléatoire fine, selon l'invention; - la figure 2 est une vue en coupe transversale d'un deuxième substrat possédant une surface en silicium traitée pour présenter une structuration aléatoire fine selon l'invention; - la figure 3 est une vue en coupe transversale d'un troisième substrat possédant une surface en 25 structuration silicium aléatoire - la figure un test comparatif de monoxyde de carbone en de la température traitée pour présenter une fine, selon l'invention; 4 est un diagramme représentant variation de la conversion de dioxyde de carbone en fonction l'art pour un microsystème de antérieur et un microsystème selon l'invention; - la figure 5 est diagramme représentant un test comparatif de la densité optique UV en fonction du temps pour un microsystème de l'art antérieur et un microsystème selon l'invention.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Les figures 1 à 3 sont des vues en coupe transversale de différents microsystèmes ouverts selon la présente invention.

Le microsystème de la figure 1 est réalisé à partir d'un substrat 10 en silicium. La surface 11 du substrat 10 est une face plane traitée par l'une des techniques connues de l'homme de l'art pour y former une structuration aléatoire fine (silicium noir) référencée 12.

Le microsystème de la figure 2 est réalisé à partir d'un substrat 20 en silicium. Le substrat possède un canal 23, obtenu par exemple par gravure, dont les parois ont été traitées pour obtenir une surface 21 présentant une structuration aléatoire fine référencée 22.

Le microsystème de la figure 3 est réalisé à partir d'un substrat 30 en silicium. Le substrat possède un canal 33 dont le fond est hérissé de piliers 34, obtenus par exemple par gravure. Les parois présentées par le canal et les piliers ont été traitées pour obtenir une surface 31 présentant une structuration aléatoire fine référencée 32.

En variante, ces microsystèmes peuvent être fermés par exemple par assemblage sur l'un des microsystèmes représentés aux figures 2 et 3 d'un substrat ou couvercle venant fermer les canaux 23 (voir la figure 2) ou 33 (voir la figure 3). La fermeture peut aussi être obtenue par assemblage de deux microsystèmes identiques dont les canaux sont placés en vis-à-vis. Cet assemblage peut être réalisé par adhésion moléculaire.

La formation de silicium noir dans des canaux contenant des piliers peut être obtenue de la manière suivante.

A partir d'un substrat plan de silicium, les étapes suivantes (très bien connues de l'homme de l'art de la microélectronique) sont réalisées: Etalement d'une résine photosensible.

Définition de motifs par photolithographie dans cette résine.

- Etape de gravure profonde de 60 pm dans un réacteur à plasma sur les zones ouvertes dans la résine, suivant un procédé classique de microfabrication (gravure DRIE pour Deep Reactive Ion Etching ). Des canaux sont formés sur le substrat avec des piliers en leur centre.

- Gravure des surfaces exposées avec des conditions spécifiques pour une machine donnée de gravure ionique réactive, afin d'obtenir du silicium noir formant la structuration aléatoire fine.

Cette surface de silicium noir peut ensuite être fonctionnalisée par exemple de la manière suivante: - Dépôt de platine par pulvérisation cathodique.

- Elimination de la résine par passage du substrat dans un bain d'acétone.

Il est ainsi possible de former une structuration aléatoire fine à la fois sur les parois et dans le fond de canaux gravés en profondeur dans le silicium.

Il est ensuite possible de fonctionnaliser ces structurations pour leur donner une activité chimique ou biologique, avec des protocoles identiques à ceux utilisés sur des surfaces planes et bien connus de l'homme de l'art: - dépôt de métaux possédant une activité en catalyse (tels que Pt, Pd, Ni, Rh, Ru...) ; - formation d'une couche superficielle de silice et dépôt d'un complexe organométallique avec un métal possédant une activité en catalyse (métaux nobles tels que Pt, Pd, Ni, Rh, Ru...) ; - formation d'une couche superficielle de silice, dépôt d'un support de catalyseur tel que l'alumine puis imprégnation de ce support avec un métal possédant une activité en catalyse (tels que Pt, Pd, Ni, Rh, Ru...) ; - greffage de molécules biologiques telles que des enzymes, des protéines, des acides nucléiques, des oligonucléotides; - formation d'une couche superficielle de silice et greffage de molécules biologiques.

L'activité chimique ou biologique obtenue avec cette structuration aléatoire fine peut être augmentée d'un facteur proche de 10 par rapport à celle observée sur une surface plane.

Afin de comparer les avantages apportés par l'invention, un microsystème selon l'invention et un microsystème selon l'art connu ont été réalisés.

A partir d'un substrat plan de silicium, une structuration aléatoire fine de la surface exposée est réalisée dans des conditions spécifiques pour une machine donnée (bien connues de l'homme de l'art de la microélectronique), afin d'obtenir du silicium noir avec des pics d'environ 1}gym de hauteur. Du platine est ensuite directement déposée par pulvérisation cathodique sur ce substrat avec une épaisseur de 200 nm. Le substrat est ensuite découpé de manière à obtenir des puces carrées (puce 1) au format 1 cm x 1 cm.

En parallèle, du platine est déposé, avec une épaisseur de 200 nm, par pulvérisation cathodique sur un autre substrat plan de silicium n'ayant subi aucun traitement. Ce substrat est ensuite découpé de manière à obtenir des puces carrées (puce 2) au format 1 cm x 1 cm.

Ces puces sont ensuite testées une par une sur un support poreux dans un réacteur tubulaire en verre placé verticalement dans une enceinte chauffante. Un débit de 50 cm3/min d'un mélange constitué par de l'air et du monoxyde de carbone (CO) à 300 ppm de CO est imposé. La concentration en dioxyde de carbone (CO2) est mesuré à la sortie par un détecteur infrarouge de manière à évaluer la conversion du CO en 002 par réaction d'oxydation directe du CO par l'oxygène (on définit la conversion comme le pourcentage de CO ayant réagi et converti en 002).

La température est augmentée par incrément régulier à partir de 500C et le réacteur est placé sous un débit d'air de 50 cm3/min pendant 20 minutes entre chaque changement de température. L'évolution de la conversion est suivie en fonction de l'augmentation de température.

Un phénomène classique de light-off est observé lorsque la conversion augmente brusquement à partir d'une température donnée. Plus la surface active est importante, plus cette température de light-off est faible. Ainsi, en considérant que la réaction s'effectue de la même manière sur les deux types de puce et que seule varie la surface active, le rapport de la surface active de la puce 1 sur celle de la puce 2 peut être estimé à 13 à partir de la différence des températures pour une conversion de 50 % et avec une énergie d'activation de la réaction de 80 kJ/mol.

Le diagramme de la figure 4 représente la variation de la conversion C du monoxyde de carbone en dioxyde de carbone en fonction de la température T. La courbe 41 correspond à la puce 1 (selon l'invention) et la courbe 42 correspond à la puce 2 (selon l'art antérieur).

On va maintenant comparer l'activité biologique de deux surfaces actives formées par de la trypsine greffée sur une surface plane et sur une surface structurée avec du silicium noir.

A partir d'un substrat plan de silicium, une structuration aléatoire fine de la surface exposée est réalisée dans des conditions spécifiques pour une machine donnée (bien connues de l'homme de l'art de la microélectronique), afin d'obtenir du silicium noir avec des pics d'environ 1 gm de hauteur. Ce substrat est ensuite nettoyé dans un bain d'acide fluorhydrique, puis une couche d'oxyde de 100 nm d'épaisseur est formée en surface par traitement thermique dans un four à 1000 C sous flux d'oxygène. Le substrat est ensuite découpé de manière à obtenir des puces carrées (puce 3) au format 2 cm x 2 cm.

En parallèle, une couche d'oxyde de 100 nm d'épaisseur est formée en surface d'un autre substrat plan de silicium (n'ayant subit aucun traitement préalable) par traitement thermique dans un four à 1000 C sous flux d'oxygène. Ce substrat est ensuite découpé de manière à obtenir des puces carrées (puce 4) au format 2 cm x 2cm.

Les deux puces sont traitées afin de greffer de la trypsine à la surface (tous les produits utilisés sont des produits très courants en chimie, seuls les produits plus spécifiques à l'application sont référencés) : Réhydratation en milieu basique (Hydroxyde de sodium 1 g/Ethanol 4 ml/Eau 3 ml) - Lavage à l'eau et séchage sous flux d' azote - Silanisation dans une solution formée par 20 ml de toluène, 100 pl de diisopropyléthylamine et 50 pl de 5,6-époxyhexyltriéthoxysilane à température ambiante pendant 24 heures - Rinçage à l'éthanol puis à l'eau et 30 séchage sous flux d'azote - Séchage complet en étuve à 100 C pendant - Traitement acide dans une solution d'eau à 0,2 mol/1 d'acide chlorhydrique pendant 3 heures à 5 température ambiante - Lavage abondant à l'eau et séchage sous flux d'azote - Oxydation dans une solution formée par 10 ml d'eau et 220 mg de periodate de sodium pendant 1 10 heure à température ambiante - Lavage abondant à l'eau et séchage sous 3 heures flux d'azote - Immobilisation de la trypsine par bain dans une solution formée par 4,5 ml d'eau, 2,25 ml d'une solution d'eau à 0,1 mol/1 d'hydrophosphate de sodium, 2,25 ml d'une solution d'eau à 0,05 mol/1 de cyanoborohydrure de sodium et 11 mg de trypsine (trypsine de type I issue de pancréas de bovin obtenue de Sigma Aldrich sous référence T 8003) à 4 C pendant 20 heures - Rinçage dans une solution formée par 450 ml d'une solution de PBS (solution formée à partir d'un sachet de tampon PBS obtenu de Sigma Aldrich sous référence 1000-3 et dissous dans 1 1 d'eau), 50 ml d'une solution d'eau à 0,5 mol/1 de NaCl et 250 p1 de Tween 20 (obtenu de Sigma Aldrich sous référence P7949) Rinçage dans une solution de PBS (solution formée à partir d'un sachet de tampon PBS obtenu de Sigma Aldrich sous référence 1000-3 dissous dans 1 1 d'eau) - Stockage à 4 C dans une solution de PBS.

Le test biologique de présence de la trypsine à la surface est une réaction enzymatique permettant l'hydrolyse du chlorhydrate de a-NBenzoyl-L-Arginine éthylester (acronyme: BAEE/obtenue de Sigma Aldrich sous référence B 12253) en a-N-Benzoyl-LArginine (BA) et en éthanol.

Une solution de BAEE à 0,4.10-3 mol/1 est préparée à partir d'une solution-mère de 58.10-3 mol/1, soit 240 pl de BAEE à 58.10-3 mol/1 dans 36 ml d'une solution d'eau distillée contenant 25.10-3 mol/1 de NH4HCO3 (obtenue de Fluka sous référence 09830). Un volume de 17 ml de cette solution est versé dans une boîte de Petri. Le substrat à tester est alors placé dans cette solution sous agitation constante et à température ambiante. Des prélèvements de 500 pl sont réalisés à intervalles réguliers. La concentration de BA est mesurée par dosage au spectrophotomètre UV/visible à 253 nm. La figure 5 est un diagramme illustrant cette concentration. L'axe des ordonnées représente la densité optique UV (D) et l'axe des abscisses représente le temps (t). La courbe 51 correspond à la puce 3 (selon l'invention) et la courbe 52 correspond à la puce 4 (selon l'art antérieur).

La vitesse de production de BA peut être représentée par une réaction avec une cinétique du premier ordre par rapport à la concentration de substrat (BAEE). En considérant que la réaction s'effectue de la même manière sur les deux types de puce et que seule varie la surface active, il est possible d'estimer un rapport de 7 entre la surface active de la puce 3 et celle de la puce 4.

Claims (15)

REVENDICATIONS

1- Microsystème (10, 20, 30) présentant au moins une surface fonctionnalisée chimiquement ou biologiquement, caractérisé en ce que ladite surface est tout ou partie d'une surface en silicium traitée pour présenter une structuration aléatoire fine, dite surface en silicium noir (12, 22, 32).

2- Microsystème selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite surface est la surface d'au moins un canal (23) réalisé dans un substrat.

3- Microsystème selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit canal (33) comprend au moins un pilier (34) présentant également une structuration aléatoire fine.

4- Microsystème selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que ladite surface comprend la surface d'au moins un premier canal réalisé dans un premier substrat et la surface d'au moins un deuxième canal réalisé dans un deuxième substrat, le premier et le deuxième substrat étant assemblés l'un contre l'autre, le premier canal étant placé en vis-à-vis du deuxième canal pour obtenir un microsystème fermé.

5- Microsystème selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend une couche de métal possédant une activité en catalyse déposée sur ladite surface en silicium noir afin de fonctionnaliser ladite surface.

6- Microsystème selon la revendication 5, caractérisé en ce que le métal de ladite couche de métal est choisi parmi Pt, Pd, Ni, Rh et Ru.

7- Microsystème selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend une couche superficielle de silice formée sur ladite surface en silicium noir et un complexe organométallique avec un métal possédant une activité en catalyse, déposé sur la couche superficielle de silice, afin de fonctionnaliser ladite surface.

8- Microsystème selon la revendication 7, caractérisé en ce que le métal possédant une activité en catalyse est choisi parmi Pt, Pd, Ni, Rh et Ru.

9- Microsystème selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend une couche superficielle de silice formée sur ladite surface en silicium noir, un support de catalyseur déposé sur la couche superficielle de silice et un métal possédant une activité en catalyse et imprégnant le support de catalyseur.

10- Microsystème selon la revendication 9, caractérisé en ce que le support de catalyseur est de l'alumine.

11- Microsystème selon l'une quelconque des revendications 9 ou 10, caractérisé en ce que le métal possédant une activité en catalyse est choisi parmi Pt, Pd, Ni, Rh et Ru.

12- Microsystème selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend 30 des molécules biologiques greffées sur ladite surface en silicium noir.

13- Microsystème selon la revendication 12, caractérisé en ce que lesdites molécules biologiques sont choisies parmi les enzymes, les protéines, les acides nucléiques et les oligonucléotides.

14- Microsystème selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend une couche superficielle de silice formée sur ladite surface en silicium noir, des molécules biologiques étant greffées sur ladite surface en silicium noir.

15- Microsystème selon la revendication 14, caractérisé en ce que lesdites molécules biologiques sont choisies parmi les enzymes, les protéines, les acides nucléiques et les oligonucléotides.