Objectifs du projet

Le premier objectif de ce projet est d’ordre technologique. Il concerne la fabrica- tion de dispositifs d’adressage bas´es sur des r´eseaux de nano´electrodes planaires. Cette ´etude sera d´ecrite dans le chapitre 2 de ce manuscrit. Nous aborderons en particulier la mise au point des param`etres technologiques permettant la fabrication de r´eseaux de nano´electrodes interdigit´ees en utilisant la lithographie ´electronique `a partir d’un ´equipement sp´ecifique bas´e sur un microscope TEM/STEM . Comme nous le verrons, la lithographie pr´esente, malgr´e ses performances en terme de r´esolution, de nombreuses contraintes li´ees au rendement et au coˆut de fabrication. Une technique de lithographie alternative sera pr´esent´ee en Annexe D.3 comme une solution possible `a la r´eplication de nanodispositifs fabriqu´es par lithographie ´electronique.

Dans un deuxi`eme temps, il conviendra de v´erifier la validit´e du sch´ema de d´etection que nous avons d´evelopp´e `a partir des r´eseaux d’´electrodes interdigit´ees d´ecrits au Cha- pitre 2. Avant de nous int´eresser `a l’utilisation de ces dispositifs pour une application biologique telle que l’immunod´etection, nous nous int´eresserons donc, dans le chapitre 3, `a l’´etude de la r´eponse des ´electrodes au greffage direct de nanoparticules sur la surface des dispositifs. En particulier, il sera important de v´erifier si le greffage de particules conduit effectivement au pontage des ´electrodes par des nanoparticules m´etalliques et `a une variation mesurable de conductivit´e. Une partie importante sera consacr´ee `a l’´etude de la sensibilit´e de ce sch´ema de d´etection li´e en grande partie `a la nature des contacts entre les ´electrodes et les particules.

Le chapitre 4 concernera enfin l’application du sch´ema de d´etection que nous venons de d´ecrire `a un proc´ed´e d’immunod´etection. Notre objectif sera de d´emontrer d’une part que le proc´ed´e de d´etection permet toujours le greffage de nanoparticules sur la

surface des ´electrodes et d’autre part qu’il se traduit par une variation de conductivit´e du dispositif. Une attention particuli`ere sera attach´ee au protocole d’immobilisation des anticorps qui devra permettre de conserver leur activit´e biologique. Ce dernier point sera v´erifi´e au travers de l’´etude de la s´electivit´e du greffage des particules et de la corr´elation de la r´eponse ´electrique `a la densit´e de greffage. Nous conclurons enfin sur la possibilit´e de traduire l’interaction entre les anticorps en un signal ´electrique directement mesurable `a partir des ´electrodes.

Dans les chapitres 3 et 4, nous aborderons un aspect plus ”th´eorique” de ces re- cherches en nous int´eressant en particulier `a l’interpr´etation de la localisation du d´epˆot des particules ainsi que des m´ecanismes de transport ´electrique que nous avons pu iden- tifier au travers des mesures des caract´eristiques ´electriques des dispositifs.

Enfin, nous envisagerons en conclusion les perspectives de d´eveloppement de ce pro- c´ed´e de d´etection. Nous engagerons une discussion autour de la possibilit´e de r´eduire les dimensions des particules et des ´electrodes pour am´eliorer la sensibilit´e et les capacit´es de d´etection. Nous nous int´eresserons ´egalement aux possibilit´es offertes par l’utilisation de dispositifs microfluidiques pour permettre des mesures directes en solution, premier pas vers le d´eveloppement d’un proc´ed´e int´egr´e d’immunod´etection et plus g´en´eralement de biod´etection.

R´ealisation de nano´electrodes par

lithographie ´electronique

Sommaire

2.1 Introduction . . . 46 2.2 Lithographie ´electronique dans une r´esine organique . . . 47 2.2.1 Principe . . . 47 2.2.2 La lithographie ´electronique dans une r´esine organique : le PMMA . . . 48 2.2.2.1 D´egradation du PMMA sous faisceau d’´electrons . . . 49 2.2.2.2 D´eveloppement . . . 50 2.2.3 Description du syst`eme de lithographie utilis´e . . . 51 2.2.3.1 Description des modules d´edi´es `a la lithographie . . . 52 2.2.3.2 Le syst`eme NPGS . . . 52 2.2.3.3 Gestion de l’insolation . . . 52 2.2.3.4 Principales limitations de l’´equipement . . . 53 2.2.3.5 Synth`ese . . . 56 2.3 Proc´ed´e technologique . . . 56 2.3.1 R´ealisation des motifs de connexion . . . 57 2.3.1.1 Description des structures r´ealis´ees . . . 57 2.3.1.2 Protocole exp´erimental . . . 58 2.3.2 R´ealisation des nanoelectrodes . . . 60 2.4 Etude des param`etres de fabrication des nano ´electrodes . . . 63 2.4.1 Pr´eparation des dessins des structures . . . 64 2.4.2 Choix de l’´epaisseur de r´esine . . . 66 2.4.2.1 Influence sur tenue m´ecanique des structures r´ev´el´ees . . . 66 2.4.2.2 Influence sur le lift-off . . . 69 2.4.2.3 Synth`ese . . . 71 2.4.3 Effets de proximit´e . . . 72 2.4.3.1 G´en´eralit´es . . . 72 2.4.3.2 Influence de la dose et des effets de proximit´e . . . 77 2.4.4 Choix de l’´epaisseur et de la nature du m´etal d´epos´e . . . 81 2.4.5 Influence du proc´ed´e de d´eveloppement . . . 81 2.4.6 Synth`ese . . . 83 2.5 Caract´erisation ´electrique des dispositifs vierges . . . 85 2.6 Conclusion . . . 86

2.1

Introduction

Ce chapitre est d´edi´e `a la pr´esentation de la proc´edure de fabrication des nano´elec- trodes dont nous avons pr´esent´e les caract´eristiques essentielles dans le chapitre pr´ec´e- dent. Les solutions que nous avons retenues sont bas´ees sur la r´ealisation de r´eseaux d’´electrodes planaires sur substrat silicium pr´esentant de faibles espaces inter-´electrodes typiquement inf´erieur `a 100nm . La r´ealisation de telles structures pose naturellement le probl`eme du choix d’une proc´edure de fabrication, ou plus exactement d’une technique d’´ecriture, compatible avec de telles r´esolutions.

La lithographie ´electronique reste une technique de choix pour la r´ealisation de nano-structures. Elle offre encore `a ce jour les plus fortes r´esolutions atteintes dans une approche ”top-down” et pr´esente de nombreux avantages en particulier de part sa souplesse et sa versatilit´e. Le moyen de lithographie ´electronique dont dispose le LAAS repose sur un ´equipement tr`es sp´ecifique, un microscope `a transmission et `a balayage (TEM/STEM) travaillant `a 200kV. Bien qu’il ne s’agisse pas d’un syst`eme initialement con¸cu pour la lithographie, ce microscope permet d’atteindre des r´esolutions d’environ 3 `a 5nm. Toutefois, mˆeme sur un ´equipement aussi performant, la r´ealisation de struc- tures denses dans des gammes de dimensions bien inf´erieures `a 100nm reste d´elicate et n´ecessite la prise en compte et l’optimisation de nombreux param`etres technologiques.

L’utilisation d’un tel ´equipement reste bien plus contraignante en comparaison avec un syst`eme d´edi´e de type masqueur ´electronique. Aussi, de nombreux param`etres sont li´es `a la sp´ecificit´e de notre ´equipement. Toutefois, notre objectif ne sera pas de d´ecrire en d´etail le protocole mis en place au laboratoire mais de d´egager les tendances g´en´e- rales, les param`etres communs `a tout syst`eme de lithographie pour rendre ces r´esultats exploitables sur la majorit´e des syst`emes existants.

Le chapitre sera divis´e en trois parties. La premi`ere partie concerne des rappels g´en´eraux du principe et des param`etres principaux de la technique de lithographie ´elec- tronique. Cette partie comprendra ´egalement une description d´etaill´ee de l’´equipement utilis´e dans le cadre de nos exp´eriences pour la lithographie ´electronique haute r´esolu- tion. Dans un deuxi`eme temps, nous d´ecrirons le protocole exp´erimental mis au point au regard des diff´erentes contraintes sp´ecifiques impos´ees par cet ´equipement. Enfin, nous ´etudierons l’influence de chacun de ces param`etres sur la r´ealisation de nano´electrodes en nous int´eressant plus particuli`erement `a la fabrication de r´eseaux de nano´electrodes interdigit´ees. Cette derni`ere partie aura pour objectif l’optimisation des param`etres de fabrication et nous permettra ´egalement d’´evaluer les limites de dimensions et de den- sit´es d’int´egration accessibles par lithographie ´electronique haute r´esolution.

Comme nous allons le voir tout au long de la description du proc´ed´e de fabrication, l’ensemble des param`etres technologiques sont interd´ependants et souvent antagonistes. En cons´equence, la mise au point d’un proc´ed´e de fabrication passe in´evitablement par la recherche de compromis. Aussi, nous avons pr´ef´er´e ´etudier les r´epercussions des param`etres technologiques sur le r´esultat final plutˆot que de donner une description de leur influence sur chacune des ´etapes de fabrication. Cette approche nous est apparue plus coh´erente car, selon nous, elle correspond mieux `a la r´ealit´e du travail exp´erimental que nous avons d´evelopp´e pour la r´ealisation des dispositifs.

2.2

Lithographie ´electronique dans une r´esine orga-