Fabrication des puces microfluidiques : obtention des

Le choix de la photolithographie douce repose sur trois raisons. Pre- mi`erement, cette m´ethode est rapide, peu coˆuteuse, et son efficience a ´et´e d´emontr´ee dans de nombreuses ´etudes (e.g. Shevkoplyas et al., 2003 ; Roman et al., 2012 ; Srivastav et al., 2012). Deuxi`emement, elle permet la gestion de multi-niveaux pour la fabrication de dispositifs comprenant des canaux de diff´erentes ´epaisseurs. Toutefois, seules des sections avec des angles droits sont obtenues, car l’insolation se fait avec des rayons ultra-violets dont l’incidence est orthogonale au moule. Troisi`emement, le rapport d’aspect de la section peut ˆetre ´egal `a 1, identique au rapport d’aspect d’une section circulaire. De plus, une section carr´ee de cot´e W poss`ede un diam`etre hydraulique ´egal `a W, tout comme une section circulaire de diam`etre W. Cette similitude entre les deux sections autorise une comparaison naturelle entre nos r´esultats exp´erimentaux et ceux, exp´erimentaux ou num´eriques, obtenus dans les canaux `a section circulaire (e.g. Fenton et al., 1985 ; Lei et al., 2013). La n´ecessit´e d’obtenir une section carr´ee porte uniquement sur nos canaux d’int´erˆets, c’est-`a-dire tous les canaux `a l’exception de ceux d’alimentation et de drainage.

Le principe de la photolithographie douce est le suivant. Une fois les g´eom´etries dessin´ees au moyen du logiciel CleWin4, elles sont report´ees sur des masques verre-chrome par photolithographie laser. Une couche de r´esine est ´etal´ee au moyen d’une tournette sur un disque en silicium. L’´epaisseur obtenue est fonction de la viscosit´e de la r´esine employ´ee, de la vitesse et du temps de rotation de la tournette. La r´esine est dite photo-sensible, car, lorsqu’expos´ee `a un rayonnement UV elle se r´eticule et durcit, ce qui lui permettra de rester intacte apr`es l’´etape de d´eveloppement (on parle de r´e- sine photosensible n´egative). Nous superposons donc au disque de silicium couvert de r´esine le masque verre-chrome contenant les dessins de nos g´eo- m´etries. Le masque est opaque aux ultra-violets, `a l’exception seulement des zones grav´ees par photolithographie laser. Ainsi, apr`es l’´etape d’insolation, les dessins des g´eom´etries contenus sur le masque verre-chrome sont pro- jet´es sur la r´esine. L’´etape suivante est le d´eveloppement. Identique `a un d´eveloppement photographique classique, celui-ci consiste `a d´ebarrasser le disque de silicium, au moyen d’un d´eveloppeur, le 1-Methoxy-2-propyl ace- tate, de toute la r´esine encore soluble qui n’a pas ´et´e insol´ee. En annexe A,

46 CHAPITRE 3. MAT ´ERIELS ET M ´ETHODES

nous pr´esentons un document fourni par le LAAS d´etaillant chaque ´etape de la photolithographie douce r´ealis´ee en salle blanche. Notons que depuis la th`ese de S. Roman, ce protocole a ´et´e am´elior´e, et une “recette” a ´et´e d´e- velopp´ee par le LAAS pour r´ealiser des canaux carr´es de section 5 × 5 µm2, de mani`ere reproductible. Finalement, afin de faciliter le d´ecollement du po- lym`ere utilis´e dans les ´etapes suivantes, le moule a subi un traitement de silanisation, qui consiste `a d´eposer, sous phase liquide, une couche d’octade- cyltrichlorosilane (OTS) `a sa surface. A l’exception de la photolithographie laser, qui a ´et´e mise en œuvre par les sp´ecialistes du Laboratoire d’Analyse et d’Architecture des Syst`eme (LAAS-CNRS, Toulouse) dans le cadre du r´eseau Renatech, nous avons effectu´e nous-mˆeme toutes les ´etapes que nous d´ecrivons dans cette section, dans la salle blanche du LAAS.

1.2.1 Fabrication des moules `a ´epaisseur unique de r´esine

Pour obtenir des canaux de section carr´ee, l’´epaisseur d´esir´ee de r´esine n´egative SU-8 doit ˆetre ´egale `a la largeur, W, des canaux d’int´erˆets. Nous adaptons donc le choix de la viscosit´e de la r´esine, de la vitesse et du temps de rotation de la tournette en fonction de l’´epaisseur `a atteindre. Apr`es d´eve- loppement, ne reste plus que le relief positif de nos micro-canaux. L’´epaisseur des canaux obtenus est unique sur tout le moule de silicium. Nous v´erifions que celle-ci est bien ´egale `a W, au moyen d’un profilom`etre de contact. Pour v´erifier que la largeur des canaux est elle aussi celle souhait´ee, nous nous en remettons `a la calibration r´ealis´ee par le personnel de la plate-forme de caract´erisation du LAAS. Chaque processus de photo-lithographie donne la valeur souhait´ee `a 10% pr`es. La largeur et l’´epaisseur sont donc dans cette gamme d’incertitude.

1.2.2 Fabrication des moules `a deux ´epaisseurs de r´esine

La photolithographie permet aussi la micro-fabrication de moules com- portant deux ´epaisseurs (ou plus) de r´esine. Pour cela, CleWin 4 int`egre la gestion de multi-niveaux, qui s’utilise comme suit. Supposons que nous sou- haitions dessiner une bifurcation 20 − 20 − 10. En pratique, un masque, que nous appelons A, contient toute la g´eom´etrie, lorsque le deuxi`eme, appel´e B, n’a que la partie de la g´eom´etrie `a 20 microns d’´epaisseur.

En salle blanche, pour obtenir plusieurs niveaux, nous commen¸cons par ´etaler la couche de 10 microns et effectuons le processus d´edi´e `a l’obtention de moule `a ´epaisseur unique de r´esine, en utilisant le masque A, jusqu’au d´eveloppement. A la fin de cette premi`ere ´etape, nous obtenons des canaux d’int´erˆets de sections (largeur × hauteur) 10 × 10 µm2 et 20 × 10 µm2. Dans un deuxi`eme temps, nous recouvrons le moule d’une couche de r´esine de 20 µm d’´epaisseur, mais choisissons l’insolation adapt´ee `a une couche de r´e- sine d’´epaisseur 10 microns, effectu´ee `a travers le masque B. L’´etape d’inso-

1.. DU DESIGN `A LA PUCE PDMS/VERRE 47 G H J I E F C D B A L K A' K' K''

Figure 3.2 – Bifurcation 10 − 10 − 10 − 180 en haut, et r´eseau W = 5, en bas. Les canaux d’alimentation et de drainage sont aussi montr´es et sont les canaux ha- chur´es. Cotations (en microns) : AB=4460, AA’=BC=500, CD=100, EF=IJ=300, GH=660, KL=2000, IE=3000, EC=2740. La structure K’KK”L est la bifurcation `

a proprement parler. KL est la branche m`ere, quand KK’ et KK” sont les branches filles. La zone EFHJIG est la zone du canal d’alimentation dont les dimensions ont ´et´e agrandies par rapport au dispositif de S. Roman.

lation est ici critique, car elle requiert d’aligner le mieux possible le deuxi`eme masque avec les structures d´ej`a insol´ees, mais noy´ees sous la nouvelle couche de r´esine. Des mires d’alignements sont pr´evues `a cet effet. Un mauvais ali- gnement r´esulte en une d´eviation `a la section carr´ee d´esir´ee plus ou moins

48 CHAPITRE 3. MAT ´ERIELS ET M ´ETHODES

importante. Il convient donc d’ˆetre attentif `a ce point lors du contrˆole du r´esultat final par visualisation du moule par un microscope `a r´eflexion pos- s´edant des objectifs `a fort grossissement.

1.3 Fabrication des puces microfluidiques : du moule sili-