Technologie de fabrication des pointes AFM et leur utilisation sur des systèmes biologiques Gilbert GILLMANN NanoAndMore France

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1 Technologie de fabrication des pointes AFM et leur utilisation sur des systèmes biologiques Gilbert GILLMANN NanoAndMore France Initiation à la Microscopie à force atomique - Spécialisation Biomédicale 12 Mars

2 Sommaire Principe d un d AFM Ordres de grandeur en AFM Introduction aux différentes problématiques en biologie Principe du senseur pointe levier (Cantilever) Principes et étapes de fabrication d un d cantilever Silicium Principe de Fabrication d un d cantilever Nitrure de Silicium Contrainte technologique dans le choix du Cantilever selon la nature du système biologique Conclusion 2

3 Principe d un d AFM courtesy of Veeco Europe 3

4 Principe d un d AFM Construction minimaliste faible masse inertielle Déplacements et excitations assurés s par des tubes piézo zo-électriques Problème de non linéarit arité de ces éléments Donc Cantilever à faible masse inertielle 4

5 Ordres de grandeur mis en jeu Longueur de balayage de l ordre l de 100µmx100 mx100µm maximum Amplitude en z de l ordre l de quelques µm Forces mises en jeu: quelques pico Newton! Système homogène dans les 3 axes x y z Sensibilité sub nanométrique dans le meilleur des cas, mais souvent pas en biologie! 5

6 différentes problématiques en biologie Le milieu biologique est: Dispersé (par opposition à des systèmes périodiques) p Mou En milieu humide (liquide nutritif, eau désionisd sionisée e etc. ) En immersion complète, incluant l immersion l du senseur Chimiquement actif (stable ou instable) ou biologiquement actif (récepteur/ cepteur/émetteur) En milieu environnemental contrôlé (humidité,, ph, PK, Température, pression etc ) Une combinaison de certaines ou toutes ces problématiques Plus les critères res sont combinés, plus le problème instrumental, et le choix du senseur est difficile 6

7 différentes problématiques en biologie Une réponse r en terme de choix de senseur pour chaque problématique prise individuellement Une stratégie de compromis lors de problématiques multiples et sévèress 7

8 Principe du senseur pointe levier (Cantilever) Cantilever (poutre rectangulaire dans la direction (110)) Force constant range: 0.01 to 50 N/m Resonance frequency: 1 khz to 1 MHz Typical geometry Length: 100 to 500 µm Width: 30 to 50 µm Thickness: 1 to 8 µm Tip Small radius < 10nm Tip height µm High aspect ratio Holder Macroscopic dimensions: 1.6 x 3.4 mm2 Monolithic design to avoid intrinsic for easy handling and mounting into the AFM stress and uncontrolled bending Conductivity to avoid electrostatic charging Chemical inertness for operation in fluids 8

9 Principe du senseur pointe levier (Cantilever) Pointprobe NCH, NanoWorld AG Pointes pyramidales à 3 ou 4 facettes Demi-angle macroscopique de 20 à 25 dans la direction du cantilever 25 à 30 perpendiculairement au cantilever Virtuellement zero à l extrémité de la pointe Rayon de pointe typiquement moins de 10 nm Demi-angle à l apex moins de 10 Hauteur de pyramide de l ordre l de µm 9

10 Principe du senseur pointe levier (Cantilever) 10

11 Principe du senseur pointe levier (Cantilever) Multi chip Cantilever poutre rectangulaire Cantilever poutre triangulaire 11

12 Principe du senseur pointe levier Matériaux utilisés Silicium, (Cantilever) Forte raideur de poutre Hydrophile Très s grande finesse de pointe Technologie très s bien maîtris trisée, avec possibilité d anoblir la pointe par action spécifique Nitrure de Silicium Faible raideur de poutre Hydrophobe Technologie hybride, Nitrure sur Pyrex, plus délicated Finesse de pointes plus difficile à atteindre, formation de double pointe 12

13 Principe du senseur pointe levier Forme de poutre Poutre rectangulaire Facile à modéliser La plus utilisée! Poutre triangulaire (Cantilever) Souvent utilisé sur les Cantilever Nitrure! Pas de consensus rectangulaire versus triangulaire Aucune justification physique en terme de stabilité en Torsion! Susceptibility of atomic force microscope cantilevers to lateral forces Rev. Sci. Instrum. 74, 2438 (2003); DOI: / , John Sader 13

14 Etape de fabrication d un cantilever AFM 14

15 Etape de fabrication d un d cantilever AFM Wafer 4 <100> Si Wafer 15

16 Etape de fabrication d un d cantilever AFM 1) Oxydation SiO 2 Si Wafer SiO 2 16

17 Etape de fabrication d un d cantilever AFM 2) Dépôt d une couche de résine photosensible sur le back side SiO 2 Si Wafer Résine SiO 2 17

18 Etape de fabrication d un d cantilever AFM 3) Photolithographie (exposition de la résine photosensible à travers un masque chrome/quartz) SiO 2 Si Wafer Résine SiO 2 18

19 Etape de fabrication d un d cantilever AFM 4) Développement de la résine photosensible exposée SiO 2 Si Wafer Résine SiO 2 19

20 Etape de fabrication d un d cantilever AFM 5) Dépôt d une couche de résine photosensible sur le front side Résine SiO 2 Si Wafer Résine SiO 2 20

21 Etape de fabrication d un d cantilever AFM 6) Photolithographie (exposition de la résine photosensible à travers un masque chrome/quartz) Résine SiO 2 Si Wafer Résine SiO 2 21

22 Etape de fabrication d un d cantilever AFM 7) Développement de la résine photosensible exposée Résine SiO 2 Si Wafer Résine SiO 2 22

23 Etape de fabrication d un d cantilever AFM 8) Attaque humide isotrope de l oxyde de Silicium dans du BHF Résine SiO 2 Si Wafer Résine SiO 2 23

24 Etape de fabrication d un d cantilever AFM 9) Dissolution de la résine photosensible dans de l Acétone SiO 2 Si Wafer SiO 2 24

25 Etape de fabrication d un d cantilever AFM 10) Attaque humide anisotrope du Silicium dans du KOH Cette étape relativement critique est réalisée en plusieurs fois SiO 2 Si Wafer SiO 2 25

26 Etape de fabrication d un d cantilever AFM 10) Attaque humide anisotrope du Silicium dans du KOH La formation de la pointe est terminée lorsque le chapeau d oxyde se détache SiO 2 Si Wafer SiO 2 26

27 Etape de fabrication d un d cantilever AFM 11) Attaque humide isotrope de l oxyde de Silicium dans du BHF Si Wafer 27

28 Etape de fabrication d un d cantilever AFM 12) Dépôt d une couche de Nitrure de Silicium protégeant les pointes Si 3 N 4 Si Wafer 28

29 Etape de fabrication d un d cantilever AFM 13) Attaque humide anisotrope du Silicium dans du KOH L épaisseur du levier est déterminée lors de cette attaque Si 3 N 4 Si Wafer 29

30 Etape de fabrication d un d cantilever AFM 14) Attaque humide isotrope du Nitrure de Silicium dans du H 3 PO 4 Si Wafer 30

31 Fabrication d un d cantilever Nitrure de Silicium Pourquoi le Nitrure de Silicium? Module de Young plus faible ( valeur dépendant du mode et des conditions de dépôt) et donc raideur plus faible pour une géométrie de poutre donnée! Matériau intrinsèquement hydrophobe Inerte 31

32 Fabrication d un d cantilever Nitrure de Silicium Technologie conventionnelle hybride sur support Pyrex Support moins académique que le wafer de Silicium 100 Rendement et qualité plus difficile à maintenir Casse au moment du clivage du Pyrex Technologie alternative hybride sur SU8 32

33 Fabrication d un d cantilever Nitrure de Silicium sur Pyrex ( verre boro Silicate) Process de dépot Nitrure sur un support de verre Pyrex pré découpé pour permettre le clivage des cantilevers unitaires ultérieurement Glass Glass SiN SiN Glas 33

34 Fabrication d un d cantilever Nitrure de Silicium sur SU8 Photoresist SU-8 Tentative de remplacer le Pyrex par un wafer de Silicium (100) et du photoresist SU8 Silicon grid SU-8 / SiN Hybrid Sensor SU8 SiN 34

35 Fabrication d un d cantilever Nitrure de Silicium sur SU8 Ramener la technologie de fabrication à un process Silicium et utiliser les outils de la microelectronique Applications: soft contact pour la biologie SU-8 SiN 35

36 Fabrication d un d cantilever Nitrure de Silicium sur SU8 Combinaisons entre matériaux pour optimiser les performance finales SU8 SiN Diamant Métal Silicium Couche active 36

37 Fabrication d un d cantilever Nitrure de Silicium sur SU8 1) Oxidation Frame lithography SiO 2 etching (BHF) Tip lithography SiO 2 etching (BHF) A A Silicon SiO 2 Cross section B B Top view 37

38 Fabrication d un d cantilever Nitrure de Silicium sur SU8 2) Silicon etching (KOH) SiO 2 etching (BHF) A A B Cross section B Top view Silicon 38

39 Fabrication d un d cantilever Nitrure de Silicium sur SU8 3) Oxidation LPCVD low-stress SiN SiN and SiO 2 etching on BS (RIE+BHF) A A B Silicon Cross section SiO 2 SiN B Top view 39

40 Fabrication d un d cantilever Nitrure de Silicium sur SU8 4) Cantilever lithography SiN etching on FS (RIE) Silicon etching (KOH ~ 50 h) A A B Silicon Cross section SiO 2 SiN B Top view 40

41 Fabrication d un d cantilever Nitrure de Silicium sur SU8 5) Holder SU-8 8 lithography Silicon etching (KOH) SiO 2 etching (BHF) A A B B Silicon SU-8 SiN Cross section Top view 41

42 Fabrication d un d cantilever Nitrure de Silicium Problème de Stress dans les Nitrures LPCVD entraine du bending des Cantilevers Solution: 3 couches métalliques: m Cr pour l accrochage, Ti en barrière re de diffusion et Au pour la réflectivitr flectivité Déflection avant dépôts d métalliquesm Déflection après s dépôts d métalliquesm 42

43 Fabrication d un d cantilever Nitrure de Silicium SU-8 SiN Side view SiN Top view 43

44 Fabrication d un d cantilever Nitrure de Silicium SU-8 SiN Side views SiN SiN Top view 44

45 Fabrication d un d cantilever Nitrure de Silicium SU-8 SiN Side views SiN SiN SiN Top view 45

46 Fabrication d un d cantilever Nitrure de Silicium Caractéristiques ristiques Leviers rectangulaires Longueur 100µm m 200µm m affinage de la pointe par Largeur 40µm m 40µm m oxydation et attaque chimique Const. raideur 0.48N/m 0.06N/m Fréquence 67KHz 17KHz 46

47 Fabrication d un d cantilever Nitrure de Silicium Caractéristiques ristiques Leviers triangulaires Longueur 100µm m 200µm m affinage de la pointe par oxydation et attaque chimique Const. raideur 0.32N/m 0.08N/m Fréquence 67KHz 17KHz 47

48 Fabrication d un d cantilever Nitrure de Silicium ATTENTION!!!!! The oxide-sharpened wedge tip has two peaks per tip, a "twin tip". The protrusion at the cantilever's end is used for imaging, since the cantilever is mounted at some angle (e.g. 13 deg) which keeps only one tip interacting with the surface if the sample is sufficiently flat. (Valleys are not greater than 400 nm deep). 48

49 Contrainte technologique dans le choix du Cantilever selon la nature du système biologique Les cantilevers de topographie classique, Si ou Nitrure ne permettent souvent pas d opérer sur les milieux biologiques! Nécessité d utiliser des systèmes anoblis ou re-process processés pour obtenir des caractéristiques ristiques particulières res 49

50 Contrainte technologique dans le choix du Cantilever selon la nature du système biologique Milieu dispersé (par opposition à des systèmes périodiques) p tel que bactéries ou virus Nécessité de voir la zone d analyse d par le dessus (Top view) Choix d une d pointe Si avec formation de facette de pyramide selon des plans éloignés! Inconvénient, nient, n existe n qu en Silicium avec une raideur minimum de 0.2N/m et est hydrophile! 50

51 Contrainte technologique dans le choix du Cantilever selon la nature du système biologique Échantillons mou et/ou en milieu humide (liquide nutritif, eau désionisd sionisée e etc. ) Impose l utilisation l de leviers à faible constante de raideur et/ou hydrophobe Donc Nitrure de Silicium et levier le plus mou N/m Autre alternative pour diminuer les effets hydrodynamiques: utilisation de surpointes de HDC (High Density Carbon) Ou des pointes avec greffage de Nanotube de Carbone!! ( à venir prochainement) 51

52 Contrainte technologique dans le choix du Cantilever selon la nature du système biologique fragments Faisceau d e - H C Réduction du sillage hydrodynamique avec une surpointe fine, longue, réduction r des interactions avec le cône de pointe, disponible sur levier Nitrure et faible raideur! Polymérisation : formation de chaînes C- C-C de carbone amorphe Propriétés de la pointe: Dureté du diamant mais élastique Non friable Hydrophobe Conducteur Supporte les acides et les bases 52

53 Contrainte technologique dans le choix du Cantilever selon la nature du système biologique Gamme Standard : Dimensions en nm Universal Universal Universal U1 U2 U3 L=300 +/- L=600 L= / /- 250 D ~ 50 D ~ 70 D ~ 100 R ~ 10 R ~ 10 R ~ 10 Metrology M1 L=700 +/- 100 D < 50 R < 10 Pointes fabriquées sur mesure. Toutes formes et dimensions possibles; exemples: Super Long SL2..SL 4 L=2000 à 4000 D ~ 150 R ~ 10 «Hook tip» Spécial ciall Sur mesure «Infinity tip» Lithography L1 Ball B L=300 +/- R= nm R < 10 sur tripod mesure stabilizati on 53

54 Contrainte technologique dans le choix du Cantilever selon la nature du système biologique Image d ADN d active 54

55 Contrainte technologique dans le choix du Cantilever selon la nature du système biologique En immersion complète, incluant l immersion l du senseur Problème de bi réfringence r lors du passage du faisceau laser de l air l au liquide et retour à l air! Choix de leviers longs, très s mous, hydrophobes Revêtement Or réflr fléchissant en face arrière re de levier Aucune recommandation, il faut faire des essais!!!!! 55

56 Contrainte technologique dans le choix du Cantilever selon la nature du système biologique Chimiquement actif (stable ou instable) ou biologiquement actif (récepteur/ cepteur/émetteur) Cantilever recourt d Or, d pointe et levier, souple si nécessaire, n avec fonctionnalisation chimique par trempage le plus souvent Attention, préparation paration à faire souvent en labo et à utiliser tout de suite (problème de la durée e de vie!) Imagerie chimique ou fonctionnelle! 56

57 Contrainte technologique dans le choix du Cantilever selon la nature du système biologique 57

58 Contrainte technologique dans le choix du Cantilever selon la nature du système biologique Selon la fonction, type d imagerie d différente! NH NH + 3 COOH COO OH Liaisons H CH fonction hydrophobe CF fonction hydrophobe et polaire 58

59 Conclusion Le sujet est difficile mais très s intéressant, beaucoup de possibilités s d explorationd Beaucoup de progrès s instrumentaux Gain important dans les années à venir par les senseurs! 59