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WO2008034871A1 - Composants fluidiques double-face - Google Patents

Composants fluidiques double-face Download PDF

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WO2008034871A1
WO2008034871A1 PCT/EP2007/059954 EP2007059954W WO2008034871A1 WO 2008034871 A1 WO2008034871 A1 WO 2008034871A1 EP 2007059954 W EP2007059954 W EP 2007059954W WO 2008034871 A1 WO2008034871 A1 WO 2008034871A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
fluidic
fluid
component according
substrate
layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2007/059954
Other languages
English (en)
Inventor
Patrick Pouteau
Raymond Campagnolo
Martine Cochet
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Biomerieux SA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Biomerieux SA
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Biomerieux SA, Commissariat a lEnergie Atomique CEA filed Critical Biomerieux SA
Priority to JP2009528724A priority Critical patent/JP2010504510A/ja
Priority to US12/441,371 priority patent/US20090267167A1/en
Priority to CN2007800351627A priority patent/CN101516513B/zh
Priority to EP07803560A priority patent/EP2063986A1/fr
Publication of WO2008034871A1 publication Critical patent/WO2008034871A1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B01L3/502707—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by the manufacture of the container or its components
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    • B01L2300/1827—Conductive heating, heat from thermostatted solids is conducted to receptacles, e.g. heating plates, blocks using resistive heater
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01L2400/04—Moving fluids with specific forces or mechanical means
    • B01L2400/0403—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces
    • B01L2400/0415—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces electrical forces, e.g. electrokinetic
    • B01L2400/0427—Electrowetting
    • H10W72/01515—
    • H10W72/075—

Definitions

  • the invention relates to the field of fluidic components, applied in particular to biological analysis devices.
  • the invention can in particular be applied to fluidic components having, on the one hand, deep structuring (reservoir and / or capillary and / or closure of the component) and, on the other hand, electrode structuring.
  • APS components made in CMOS technology are known from, for example, F. Mallard et al., Published in "Biosensors and Bioelectronics," Vol. 20, 2005, p. 1813-1820.
  • An APS chip has an active area, itself having a matrix of pixels, surrounded in whole or in part, a zone of microelectronic electronic processing circuits. The latter is surrounded by the area of electrical contacts. These contacts are located at the periphery of the component (on 1, or 2, or 3 or 4 sides).
  • a pixel consists of an active zone (photodetector) and an electronic signal preprocessing function zone.
  • the detection surface (sum of all the surfaces of the photodetectors) of the detection matrix therefore has a filling rate of much less than 100%.
  • FIG. 1 shows a sectional view of the technological stack concerned. This figure represents the structure of a single detector, not a matrix of detectors.
  • This figure shows the central zone 2, at the periphery of which the contacts 4 consist of metal studs covered with a passivation layer (oxide) 5.
  • the extruded parts of these studs not shown in the figure, allow the resumption of electrical contacts.
  • Intermediate zone 6 normally consists of electronic signal processing functions coming from the central detection zone 2.
  • the chip is glued on a support memory film 12, of the PCB type, comprising two metal levels: one on each face and a level 14 of via allowing contacting of the two faces.
  • a contact connection 16 with the memory film 12 is performed to resume the electrical contacts of the chip.
  • a passivation resin 18 is deposited and crosslinked over the whole of this connection to protect the entire electrical part of the component (contacts on the chip, connection wires and electrical side of the memory film).
  • the memory film carrying the chip is assembled with a cover 20, comprising fluidic structures to form a fluid cavity, carried on the component.
  • the resin covers all the metal surfaces, while having a minimum distribution on the surface of the chip, otherwise encroach on the active area.
  • 500 ⁇ m is to be expected between the contacts and the active area of the chip. This represents an important lost place on the chip.
  • the thickness of the resin 18 above the surface of the chip-memory film assembly 12 is a parameter that is not very reproducible. This adds an additional constraint to the depth of the fluidics of the component. This constraint considerably limits any work on the reduction of the volume of the fluidic cavity.
  • the implementation of a bonnet carryover implies the existence of a transfer zone 13 between this cover and the support of the detection chip, a transfer zone that must be sealed, resulting in an enlargement additional room.
  • the non-reproducible nature of the form of the passivation following the creep of the resin 18 does not allow good control of the fluid flows in the component, and for example imposes dead zones in the corners of the components.
  • the volume of the fluidic part defined in fact by the depth p structured in the cover 20, is difficult to reproduce.
  • this assembly architecture imposes, in the biological reaction chamber, the presence of a resin or a polymer whose nature must be taken into account in the development of biological protocols. Functionalization (for example by biological probes) before assembly is also problematic. The presence of metals (such as electrical contact recovery pads) on the surface of the chip renders unusable any biological functionalization protocol that uses oxidation or reduction steps, with bases and acids.
  • the fluidic part of the component is produced on a 350 ⁇ m thick substrate and a depth of 72 ⁇ m ⁇ 4 ⁇ m (for 60 minutes of etching). There remains a thickness of silicon, of the order of 278 microns, under the fluidic part.
  • the realized detector collects the electron-hole pairs created by the absorption of the photons coming from the fluidic part of the component. Given the absorption of silicon, these pairs are created in a layer of the order of 10 microns thick, under the fluidic part. These pairs are collected by the junctions made on the back of the component. They must therefore travel a thick silicon (262 microns) before being collected by the junctions.
  • Figure 4 of this document shows a chip of 1 x 2 cm 2 , with 9 times of electrical contact, which represents at best 4 detectors on the chip.
  • the photodetector technology used in this document is therefore atypical and allows only one component that provides a number of constraints.
  • the last step of producing an APS chip (and CMOS in general), before chip cutting usually consists in performing a step of thinning substrates to facilitate the packaging steps.
  • the substrates are thinned to a thickness of, for example, between 700 ⁇ m and 100 ⁇ m. It also seeks a structure, and a method for achieving it, in which the problems posed by the implementation of a transfer technique, in particular the alignment of the fluidic vis-à-vis the active surface, do not do not arise.
  • the invention relates to a chip or a fluidic component or an analysis device comprising: at least one substrate made of a material that can be etched, and an etching stop layer of this material, this layer having a first and a second side,
  • a fluidic part for receiving said fluid, produced in the substrate, from the second side of the etch stop layer.
  • the means for detecting at least one property of a fluid and / or for activating this fluid are produced on a first side of the etch stop layer: one and / or the other of these means may be formed in or on the etch stop layer, or in or on a layer on the barrier layer.
  • Means for detecting the properties of a fluid are means that make it possible to characterize one or more physical and / or chemical properties of this fluid, for example temperature, and / or the photonic activity, and / or the pH, and / or the salinity, and / or the electrochemical potential, etc.
  • Means for activating a fluid are means that make it possible to modify one or more physical and / or chemical properties of this fluid, for example means of heating, and / or agitation and / or illumination of the fluid. fluid.
  • a face of a component comprising a stop layer for example the rear face of an APS chip, is used for producing the fluidic part of the device in at least part of the substrate that would otherwise be, according to the known techniques, eliminated.
  • the fluidic part and the detection and / or activation part are separated by the stop layer. The latter eliminates any flow or fluid communication between the fluidic part and the detection and / or activation part.
  • the component according to the invention further comprises a cover which closes the fluidic part.
  • This cover is preferably placed in a sealed manner.
  • the seal can be obtained by depositing an epoxy adhesive by screen printing, prior to assembly of the fluid component and the cover. Such an assembly method is described in patent application WO-A-2004/112961, in the names of the applicants.
  • the assembly of the cover and the fluid component, facing the fluidic part is reversible.
  • the cover comprises fluidic communication means allowing a fluidic exchange between the fluidic part and any external fluidic element.
  • fluidic communication means may be, for example, through holes surmounted by a connector base, for connecting the fluid component to a pump or a pressure tank.
  • the cover may be constituted by a more complex fluidic element, such as a fluidic card, for example of the "Lab on a card” type, or a microfluidic component.
  • this microfluidic component is a fluidic component according to the invention.
  • a surface layer may also be formed on the barrier layer, on the side of the detection and / or activation means.
  • the detection / and or activation means are formed in a surface layer on the stop layer of the fluid component.
  • This layer is preferably made of a semiconductor material.
  • the barrier layer and the substrate may be the three layers of an SOI (silicon on insultor) substrate.
  • Detection means may be at least partly made in or on this surface layer.
  • an SOI substrate for producing the detector part for example in a CMOS technology
  • the chip or the fluid component or the analysis device according to the invention are used for example in a CMOS technology.
  • the fluidic part is thus defined in, or under, the chip, the latter being for example made in a CMOS technology.
  • the barrier layer forms a stop layer of the etching on the rear face to define the depth of the fluidic part of the component in the support.
  • the latter is for example silicon or, more generally, semiconductor material.
  • the detection means may comprise at least one photodetector.
  • a device according to the invention may further comprise a passivation and / or stiffening layer.
  • This layer is made for example of silicon oxide directly on the detection / activation means or on the surface layer.
  • Means for detecting electrical properties of a fluid can be made, for example at least in part in the etch stop layer.
  • Part of these means is in contact with the fluidic part.
  • means for activating a fluid by electrowetting may also be carried out, possibly with electronic means for controlling the means for activating a fluid by electrowetting.
  • Fluid reservoirs may also be made in the substrate.
  • the barrier layer, and optionally the surface layer formed on the barrier layer have a thickness less than 10 microns.
  • the fluidic part which makes it possible to receive a fluid, can have a well-controlled depth, for example less than 300 ⁇ m or 100 ⁇ m.
  • the detection and / or activation means may be connected to depassivated electrodes located on the first side of said etch stop layer.
  • the invention also makes it possible to produce a matrix of high density detectors comprising a plurality of components as described above, separated from each other by a distance less than
  • the technology for producing the fluidic part is therefore adapted to a microelectronic technology, for example of the CMOS type.
  • Deep etching of the semiconductor material of the support is carried out, so that an emission of photons from the fluid can reach the detection means made on the other side of the component.
  • a chip or a component according to the invention may comprise a stiffening substrate.
  • Functionalization for example with biological probes, such as nucleic probes, may further be performed in the fluidic portion for receiving the fluid.
  • the invention benefits in particular from the possibility of using the APS technology to produce a matrix of high density detectors (at a step which may be less than 10 ⁇ m), which is impossible with the technology described in the prior art. already cited.
  • the inlet vias in the fluidic part are not made through the support of the substrate used. Therefore, no useful area is lost on the detection part of the component. This also makes it possible to perform chemical steps - in collective manufacturing - aggressive on the fluidic part, without giving access to the other side of the substrate (to avoid damage to the detection means located on the other side).
  • the invention makes it possible to take advantage of the use of an SOI substrate and the associated CMOS technology. It also makes it possible to have an advantageous embodiment of the fluidic part.
  • the invention also relates to a method for producing at least one fluidic component comprising: a) selecting a substrate made of a material that can be etched, provided with a stop layer for etching this material, b) the forming means for detecting properties of a fluid and / or activating this fluid, on a first side of said etch stop layer, c) forming a fluidic portion, for receiving said fluid, in the substrate, by etching of this substrate from the second side of the etch stop layer and stopping etching on this barrier layer.
  • the latter makes it possible to produce the collective manufacture of the fluidic components. It is therefore possible to produce a plurality of fluidic components according to the invention.
  • the method then comprises a final dissociation step of said fluid components, made collectively to make them independent of each other.
  • the invention also relates to the use of a component, or a matrix, as described above, for carrying out a biological analysis.
  • FIGS. 1 and 2 show a known device, of the APS-CMOS type, without and with protection and definition cap of the fluidic part
  • FIGS. 3A and 3B represent components or substrates that can be used in the embodiment of a fluidic component according to the invention
  • FIG. 4A schematically represents the implementation of a CMOS component on a semiconductor-on-insulator substrate
  • FIG. 4B represents a substrate treated according to the invention with a cover on the side of the fluidic part
  • FIGS. 5A and 5B show a device according to the invention with metallic electrodes and contact pickups facing the fluidic part of the component
  • FIG. 6 represents a device according to the invention with metal electrodes in the fluidic part of the component and a CMOS structure isolated from the fluidic part by an oxide layer of an SOI substrate
  • - Figures 7 and 8 show devices according to the invention with electrowetting displacement means.
  • a simplified version of a detection chip is shown below, by the representation of a minimum version, for example of a single photodetector with two zones. implantation and two electrical contacts.
  • the invention encompasses the embodiment with one or more more complex components.
  • a stop layer is used to etch the fluidic part (or means for receiving a fluid) of a fluidic component, this stop layer possibly resulting, for example, from oxidation.
  • FIG. 3A is shown a silicon substrate 70 on which a surface layer 72 is obtained by oxidation.
  • the layer 72 could be a Si3N 4 silicon nitride layer.
  • the layer 72 and the substrate 70 form a single substrate.
  • FIG. 3B shows an SOI substrate 30, which typically comprises a support 32 made of semiconductor material, a layer 34 of dielectric material, and a surface layer 36 of semiconductor material
  • the layer 72 or the layer 34 will serve as a stop layer during a step of etching the fluidic part in the substrate 70 or in the support 32.
  • the fluidic portion can be easily made, its depth d being determined solely by the thickness of the part of the substrate or the support located under the barrier layer, minus any partial thinning of the substrate.
  • the layer 72 (or all of the two layers 34 and 36) has a thickness e of a few ⁇ m, for example between 1 ⁇ m and 10 ⁇ m, while the substrate 70 or the support 32 has a thickness less than a few hundreds of ⁇ m, for example less than 500 ⁇ m or between 10 ⁇ m and 50 ⁇ m or 90 ⁇ m or between 10 ⁇ m and 300 ⁇ m.
  • the present invention makes it possible to avoid the transfer techniques with alignment of the fluidic part on the detection or activation part, as explained below in the various examples.
  • FIG. 4A shows, in the case of a CMOS chip, how this can be performed on an SOI substrate in the context of a device according to the present invention.
  • a detector 38 here based on a component derived from CMOS technology, is formed in or on the SOI substrate semiconductor surface layer 36 on a first side of the barrier layer. Electrodes 37, 39 make it possible to ensure contacts with the detector. The assembly is disposed on the front face 41 of the SOI substrate.
  • a method of producing the chip or detector 38 may be a known method applied to an SOI substrate. Thus known CMOS techniques are used to make the chip or detector.
  • Figure 4B shows how can be arranged, directly under the chip, a second side of the barrier layer, a portion or a fluid chamber 40 of the component, by deep etching back of the SOI substrate.
  • the support 32 is etched, the layer 34 forming a stop layer for etching.
  • a passivation layer may be formed on the front face 41 of the detection part of the chip before performing the deep etching on the rear face 43. It is eliminated after this step of deep engraving.
  • a stiffening substrate may be removably or not assembled on the front face 41 to prevent embrittlement of the substrate 32 during the deep etching step.
  • the fluidic part of a device according to the invention is thus controlled. Indeed, by a method according to the invention, the steps of producing the fluidics implement alignment methods, such as those used in micro technology, which ensure positioning accuracy and collective manufacturing.
  • the invention makes it possible to avoid the precise control phase of the the engraving depth. Indeed, in the invention, it stops on the barrier layer, here the layer 34 of silicon oxide.
  • a cover 49 which is preferably plane, is assembled with the fluidic component. This cover is for example glass, silicon, plastic or metal.
  • Such a component is compatible with the functionalization processes of the substrates.
  • the part or the fluidic chamber is made on the face opposite to that carrying the electrical part 38 of the substrate, it is possible to carry out functionalization chemical steps on a face 45 of the substrate, fluidic side, without touching its other face. It is therefore possible to carry out these steps on the side of the fluidic part 40 and then possibly locate biological probes at the bottom of this fluidic part.
  • the component thus produced is compatible with a functionalization chemistry, as described in FR 2 818 662, of placing biological probes inside the fluidic part.
  • the invention makes good use of the support portion 32 of semiconductor material, here silicon, which is considered unnecessary in the context of known techniques and often removed by thinning of the substrate after manufacture of the chip.
  • the invention does not require passivation of contact recovery electrodes 37, 39, since these are located on the face 41 of the substrate (on the side of the stop layer dedicated to the detection), opposite the face 43 from which the fluidic portion or chamber 40 (on the other side of the barrier layer) is made.
  • no fluid communication is established between these two faces 41, 43 or between the chamber 40 and the detection part.
  • the study of the interface zone 33 between the fluidic part and the barrier layer can easily show that there has been no transfer, but that one and the same substrate has been used for both parts.
  • the invention furthermore avoids the loss of space which would have been necessary on the component to allow a passivation resin (such as the resin 18 of FIG. 2) to flow or to seal the fluidic part of the component (because in particular a transfer step, such as that for deferring the cover 20 in the case of Figure 2).
  • a passivation resin such as the resin 18 of FIG. 2
  • CMOS complementary metal-oxide-semiconductor
  • BiCMOS complementary metal-oxide-semiconductor
  • a fluidic component according to the invention is directly compatible with the technique of postponements on circuit (contacts by microbeads, etc.) of "pick and place” type, techniques which are already developed for silicon chips. This is the postponement of the component completed on an external circuit.
  • the invention provides a real simplification with regard to the packaging and implementation of the component.
  • the invention may have other applications than that explained above, with the same advantages as those mentioned above.
  • a electrical detection for example by CMOS chip, can also be carried out within the scope of the invention.
  • CMOS chip it is possible, during the formation of the CMOS chip, to produce one of the metal levels by etching the entire semiconductor surface layer of the front face of an SOI substrate 30 (see structure of FIG. 3B ) to the layer 34 of silicon oxide, which forms a barrier layer on the support 32.
  • Metal electrodes 50 which will be opposite the portion or the fluid chamber 40 in the final component, are then formed .
  • the etching of the fluidic part 40 of the component is then possible, as in the previous embodiment, from the rear face of the SOI, with a stop on the oxide 34 and on the metal layer of the chip.
  • Electric vias 52 are made through the layer 34 to connect the electrodes 50 to passivated contacts 56, located on the other side 35, not exposed to the fluid, of the layer 34.
  • the electrodes 50, exposed to a fluid located in the fluidic part 40, will allow access to electrical properties of the latter.
  • the semiconductor surface layer 36 of the front face may not be eliminated: thus, in FIG. 5B, there is shown an embodiment in which part of this surface layer 36 of semiconductor remains. In this In this case, the contacts 56 can be formed on the front face of this same layer 36.
  • the component of FIG. 5A can also be obtained starting from a starting substrate such as that of FIG. 3A, comprising a substrate 70 with a surface barrier layer.
  • CMOS structure 60 is formed in the layer 36 and is isolated from the fluidic portion of the component by the oxide layer 34 of the SOI substrate.
  • the reference 65 designates a passivation layer on the front face 41 of the substrate.
  • Contact resumptions 67, 69 are also formed on the front face and partially depassivated.
  • the technology for moving and handling drops or fluids by electrowetting known for example from document FR 2 841 063 or the article by MG Polack et al. "Electrowetting based actuation of droplets for integrated microfluidics", Lab Chip, 2002, 2, 96-101, can also be used in the production of a device according to the invention. It implements a fluidic structuring around the areas of metal electrodes electrowetting. In combination with such a fluid displacement component by electrowetting, one can also make reagent distribution tanks or define a closed volume of the active part of the component, or define a volume of oil.
  • the invention can, again, be used to provide a simplification of the packaging and use of such components.
  • a semiconductor substrate 70 may be used as a starting board, such as that illustrated in FIG. Figure 3A, in place of an SOI substrate ( Figure 7).
  • It may be a silicon substrate 70, oxidized to obtain a desired thickness of dielectric layer 72 to provide the isolation function of the electrowetting device.
  • the metal electrodes 74 are then formed on the surface of this oxide 72 without it being necessary to passivate the front face 79.
  • the fluidic part or the fluidic structuring can then be carried out, as in the other embodiments, by the face back of the substrate, using silicon oxide 72 as a barrier layer.
  • a deposit of hydrophobic material 80 may be made on the rear face, in order to promote the effect of electrowetting.
  • FIG. 7 shows in section a simplified technology of a chip with fluid displacement by electrowetting, with structuring fluidic back.
  • the method of etching the fluidic part of the component can be simplified because it does not participate in the definition of the reaction volume: the latter is defined by the number of electrowetting electrodes activated.
  • the fluidic part may comprise several reservoirs: there are three, referenced 71, 73, 75 in Figure 7. Some tanks may be assigned specific functions: for example, the reservoir 75 may be a reaction zone and displacement of drops, these drops can be brought adjacent tanks 71, 73.
  • a layer 77 of passivation and stiffening oxide may be formed on the front face of the substrate.
  • FIG. 4A again a semiconductor-on-insulator structure with its three levels 32, 34, 36, as in FIGS. 4A and 4B, and electrowiring electrodes 74 made on the front face of an insulating layer 34 covered with a hydrophobic layer 80 on the back.
  • Electronic components 60 for example of the CMOS type, are produced in the semiconductor layer 36.
  • the other references designate elements that are identical or similar to those of FIG. 7.
  • SOI semiconductor on insulator
  • any type of detector and / or actuator for example MEMS technology derived from CMOS technology, can be incorporated.
  • the fluidic part is carried out after the detection part, since it is preferable to carry out the part with a higher topology at the end. But it is also possible to proceed in reverse order.
  • the invention notably makes it possible to produce a fluidic component comprising detection and / or activation means and means - said fluidic means - forming a fluidic part for receiving a fluid, characterized in that:
  • the detection and / or activation means are made in or on a surface layer of semiconductor material or in or on the insulating layer of a semiconductor-on-insulator type substrate,
  • the fluidic part is disposed in the support part of said semiconductor-on-insulator substrate.

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Abstract

L'invention concerne un composant fluidique caractérisé en ce qu'il comporte : - au moins un substrat (32) en un matériau pouvant être gravé, et une couche d'arrêt (34) de gravure de ce matériau, - des moyens (38) de détection de propriétés d'un fluide et/ou d'activation de ce fluide, réalisés sur un premier côté de ladite couche d'arrêt de gravure, - des moyens (40) pour recevoir ledit fluide, réalisés dans le substrat, d'un deuxième côté de la couche d'arrêt de gravure.

Description

COMPOSANTS FLUIDIQUES DOUBLE-FACE
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTÉRIEUR
L' invention concerne le domaine des composants fluidiques, appliqués notamment à des dispositifs d'analyse biologiques.
Elle permet d'améliorer, d'une part la fabrication des composants fluidiques, associés à des fonctions MEMS et des fonctions microélectroniques, tels que ceux à capillaire avec technologie APS-CMOS intégrée (APS signifiant « Active Pixel Sensor ») et, d'autre part, l'intégration et le conditionnement de tels composants ; elle en facilite la mise en œuvre, l'intégration système et l'utilisation.
L' invention peut notamment être appliquée à des composants fluidiques ayant, d'une part, une structuration profonde (réservoir et/ou capillaire et/ou fermeture du composant) et, d'autre part, une structuration d'électrodes.
Les composants APS fabriqués dans une technologie CMOS sont connus par exemple du document de F. Mallard et al., paru dans « Biosensors and Bioelectronics », Vol. 20, 2005, p. 1813-1820. Une puce APS comporte une zone active, comportant elle même une matrice de pixels, entourée en tout ou en parti, d'une zone de circuits microélectroniques de traitement électronique. Cette dernière est entourée de la zone des contacts électriques. Ces contacts sont donc localisés à la périphérie du composant (sur 1, ou 2, ou 3 ou 4 côtés) . Un pixel est constitué d'une zone active (photodétecteur) et d'une zone de fonction électronique de prétraitement du signal. La surface de détection (somme de l'ensemble des surfaces des photo-détecteurs) de la matrice de détection présente donc un taux de remplissage très inférieur à 100 %.
Pour simplifier, dans la suite, on ne reprend que la représentation minimum d'une telle puce c'est-à-dire la zone active d'un pixel, un photodétecteur et la zone de reprise de contacts électriques avec dépôt d'un matériau de passivation (ici de l'oxyde de silicium) . La figure 1 présente une vue en coupe de l'empilement technologique concerné. Cette figure représente la structure d'un seul détecteur, et non d'une matrice de détecteurs.
On voit sur cette figure la zone centrale 2, à la périphérie de laquelle les contacts 4 sont constitués de plots en métal recouverts d'une couche (oxyde) de passivation 5. Des parties dépassivées de ces plots, non représentées sur la figure, permettent la reprise des contacts électriques. La zone intermédiaire 6 est normalement constituée de fonctions de traitement électronique du signal issu de la zone centrale 2 de détection.
Pour intégrer cette technologie dans un composant fluidique, on peut adopter le principe tel que décrit en figure 2. La puce est collée sur un film mémoire support 12, de type PCB, comportant deux niveaux métalliques : un sur chaque face et un niveau 14 de via permettant la mise en contact des deux faces. Une liaison par contacts 16 avec le film mémoire 12 est réalisée pour reprendre les contacts électriques de la puce. Une résine 18 de passivation est déposée et réticulée sur l'ensemble de cette connexion pour protéger toute la partie électrique du composant (contacts sur la puce, fils de connexion et face électrique du film mémoire) .
Le film mémoire portant la puce est assemblé avec un capot 20, comportant des structurations fluidiques pour former une cavité fluidique, reportée sur le composant.
Un tel assemblage présente un certain nombre de problèmes.
Du point de vue de la fluidique du composant, la maîtrise de la zone de dépôt de la résine de protection 18 est un premier problème.
On cherche, en effet, à ce que la résine recouvre l'ensemble des surfaces métalliques, tout en ayant une répartition minimale sur la surface de la puce, sous peine d'empiéter sur la zone active. En pratique, une zone tampon d'au moins
500 μm est à prévoir entre les contacts et la zone active de la puce. Ceci représente une place perdue importante sur la puce.
De plus, l'épaisseur de la résine 18 au- dessus de la surface de l'assemblage puce-film mémoire 12 est un paramètre qui est peu reproductible . Ceci apporte une contrainte supplémentaire à la profondeur de la fluidique du composant. Cette contrainte limite considérablement tout travail sur la réduction du volume de la cavité fluidique. De même, la mise en œuvre d'un report du capot implique l'existence d'un zone de report 13 entre ce capot et le support de la puce de détection, zone de report qu'il faut étanchéifier, d'où un élargissement supplémentaire de la chambre. Le caractère non exactement reproductible de la forme de la passivation suivant le fluage de la résine 18 ne permet pas une bonne maîtrise des écoulements fluidiques dans le composant, et impose par exemple des zones mortes dans les coins des composants. Le volume de la partie fluidique, défini en fait par la profondeur p structurée dans le capot 20, est difficilement reproductible. En outre, il est difficile de réaliser des profondeurs p (voir figure 2), dans le capot, inférieures à quelques centaines de μm, par exemple 300 μm.
Tout ceci, à savoir la non reproductibilité de l'environnement fluidique induisant une perturbation de l'écoulement et la variation de l'épaisseur de la veine liquide sur la puce, est préjudiciable à l'homogénéité d'hybridation sur les bio-puces, notamment à multiples zones fonctionnalisées.
Enfin, cette architecture d'assemblage impose, dans la chambre de réaction biologique, la présence d'une résine ou d'un polymère dont la nature doit être prise en compte dans la mise au point des protocoles biologiques. La fonctionnalisation (par exemple par des sondes biologiques) avant assemblage pose également problème. La présence de métaux (comme des plots de reprise de contact électrique) , à la surface de la puce, rend inutilisable tel quel tout protocole de fonctionnalisation biologique qui utilise des étapes d'oxydation ou de réduction, avec bases et acides.
Le document de A. M. Jorgensen et al. (Sensors and actuators, B, 90, 2003, 15-21), décrit la réalisation d'un ou plusieurs photodétecteurs sur la face arrière d'un substrat silicium comprenant une structuration fluidique sur la face avant du substrat. De plus, en ce qui concerne la connectique fluidique du composant, une gravure traversante est réalisée du côté où sont réalisés les contacts électriques des détecteurs. Cette gravure permet de donner un accès à la fluidique, en face avant du substrat. On retrouve donc, sur la face arrière du substrat, les plots de contact des détecteurs, ainsi que les trous ou vias fluidiques pour réaliser les entrées et sorties du composant fluidique.
Dans ce document, la partie fluidique du composant est réalisée sur un substrat de 350 μm d'épaisseur et sur une profondeur de 72 μm ± 4 μm (pour 60 mn de gravure) . Il reste donc une épaisseur de silicium, de l'ordre de 278 μm, sous la partie fluidique .
Le détecteur réalisé collecte les paires électrons-trous créées par l'absorption des photons issus de la partie fluidique du composant. Compte tenu de l'absorption du silicium, ces paires sont créées dans une couche de l'ordre de 10 μm d'épaisseur, sous la partie fluidique. Ces paires sont collectées par les jonctions réalisées en face arrière du composant. Elles doivent donc parcourir une forte épaisseur de silicium (262 μm) avant d'être collectées par les jonctions.
Afin d'éviter la recombinaison des paires électrons-trous, il est recouru dans ce document à l'utilisation d'un substrat silicium de haute résistivité (> 500 Ω-cm) . De plus, compte tenu de la grande distance à parcourir au sein du substrat, les photodétecteurs ne peuvent pas être densifiés à volonté. Par exemple, la figure 4 de ce document représente une puce de 1 x 2 cm2, avec 9 reprises de contact électrique, ce qui représente au mieux 4 détecteurs sur la puce.
La technologie de photodétecteur utilisée dans ce document est donc atypique et ne permet de réaliser qu'un composant qui apporte un certain nombre de contraintes.
Il se pose donc le problème de trouver un autre dispositif ne présentant pas de tels inconvénients . En outre, la dernière étape de réalisation d'une puce APS (et CMOS en général), avant découpe des puces, consiste usuellement à réaliser une étape d'amincissement de substrats pour faciliter les étapes de packaging. Les substrats sont amincis jusqu'à une épaisseur comprise, par exemple, entre 700 μm et 100 μm. On cherche également une structure, et un procédé permettant de la réaliser, dans laquelle les problèmes posés par la mise en œuvre d'une technique de report, en particulier l'alignement de la fluidique vis-à-vis de la surface active, ne se posent pas.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
L' invention concerne une puce ou un composant fluidique ou un dispositif d'analyse comportant : - au moins un substrat en un matériau pouvant être gravé, et une couche d'arrêt de gravure de ce matériau, cette couche présentant un premier et un deuxième côté,
- des moyens de détection d' au moins une propriété d'un fluide et/ou d' activation de ce fluide, réalisés du premier côté de ladite couche d'arrêt de gravure,
- une partie fluidique pour recevoir ledit fluide, réalisée dans le substrat, du deuxième côté de la couche d'arrêt de gravure.
Les moyens de détection d' au moins une propriété d'un fluide et/ou d' activation de ce fluide sont réalisés d'un premier côté de la couche d'arrêt de gravure : l'un et/ou l'autre de ces moyens peut être formé dans ou sur la couche d'arrêt de gravure, ou dans ou sur une couche située sur la couche d'arrêt.
On entend par moyens de détection de propriétés d'un fluide des moyens qui permettent de caractériser une ou des propriétés physiques et/ou chimiques de ce fluide, par exemple la température, et/ou l'activité photonique, et/ou le pH, et/ou la salinité, et/ou le potentiel électrochimique... etc.
On entend par moyens d' activation d'un fluide des moyens qui permettent de modifier une ou des propriétés physiques et/ou chimiques de ce fluide, par exemple des moyens de chauffage, et/ou d'agitation et/ou d'éclairage du fluide.
Selon l'invention on utilise une face d'un composant comportant une couche d'arrêt, par exemple la face arrière d'une puce APS, pour réaliser la partie fluidique du dispositif dans au moins une partie du substrat qui serait sinon, selon les techniques connues, éliminée. La partie fluidique et la partie détection et/ou activation sont séparées par la couche d'arrêt. Cette dernière élimine toute circulation ou communication fluidique entre la partie fluidique et la partie détection et/ou activation.
Le composant selon l'invention comporte en outre un capot qui ferme la partie fluidique. Ce capot est placé préférentiellement de manière étanche. L'étanchéité peut être obtenue par dépôt d'une colle époxy par sérigraphie, préalablement à l'assemblage du composant fluidique et du capot. Un tel procédé d'assemblage est décrit dans la demande de brevet WO-A- 2004/112961, aux noms des demanderesses.
Selon une variante de l'invention, l'assemblage du capot et du composant fluidique, en regard de la partie fluidique, est réversible.
Selon une autre variante de l'invention, le capot comporte des moyens de communication fluidique permettant un échange fluidique entre la partie fluidique et tout élément fluidique extérieur. De tels moyens de communication fluidique peuvent être, par exemple, des trous traversants surmontés d'une embase de connecteurs, permettant de raccorder le composant fluidique à une pompe ou un réservoir sous pression.
Alternativement, le capot peut être constitué par un élément fluidique plus complexe, tel qu'une carte fluidique, par exemple de type « Lab on a card », ou un composant microfluidique . De façon particulière, ce composant microfluidique est un composant fluidique selon l'invention.
Une couche superficielle peut en outre être formée sur la couche d'arrêt, du côté des moyens de détection et/ou d' activation . Selon un mode de réalisation particulier, les moyens de détection/et ou d' activation sont formés dans une couche superficielle sur la couche d'arrêt du composant fluidique. Cette couche est préférentiellement constituée d'un matériau semi- conducteur. La couche d'arrêt et le substrat peuvent être les trois couches d'un substrat SOI (silicon on insultor) .
Des moyens de détection peuvent être au moins en partie réalisés dans ou sur cette couche superficielle.
On peut donc utiliser un substrat SOI pour la réalisation de la partie détecteur, par exemple dans une technologie de type CMOS, de la puce ou du composant fluidique ou du dispositif d'analyse selon 1' invention . La partie fluidique est donc définie dans, ou sous, la puce, cette dernière étant par exemple réalisée dans une technologie de type CMOS.
La couche d'arrêt, l'oxyde enterré dans le cas du substrat SOI, forme une couche d'arrêt de la gravure en face arrière pour définir la profondeur de la partie fluidique du composant dans le support. Ce dernier est par exemple en silicium ou, plus généralement, en matériau semi-conducteur. Les moyens de détection peuvent comporter au moins un photodétecteur.
Un dispositif selon l'invention peut comporter en outre une couche de passivation et/ou de rigidification . Cette couche est réalisée par exemple en oxyde de silicium directement sur les moyens de détection/activation ou sur la couche superficielle.
Des moyens de détection de propriétés électriques d'un fluide peuvent être réalisés, par exemple au moins en partie dans la couche d' arrêt de gravure.
Une partie de ces moyens est en contact avec la partie fluidique.
Par ailleurs, des moyens d' activation d'un fluide par électromouillage peuvent également être réalisés, éventuellement avec des moyens électroniques de commande des moyens d' activation d'un fluide par électromouillage .
Des réservoirs de fluide peuvent aussi être réalisés dans le substrat. De préférence la couche d'arrêt, et éventuellement la couche superficielle réalisée sur la couche d'arrêt, ont une épaisseur inférieure à 10 μm.
Dans un composant selon l'invention, la partie fluidique, qui permet de recevoir un fluide, peut avoir une profondeur bien contrôlée, par exemple inférieure à 300 μm ou à 100 μm.
Les moyens de détection et/ou d' activation peuvent être reliés à des électrodes dépassivées situées du premier côté de ladite couche d'arrêt de gravure .
L' invention permet également de réaliser une matrice de détecteurs à haute densité comportant une pluralité de composants tels que décrits ci-dessus, séparés l'un de l'autre d'une distance inférieure à
10 μm.
Selon l'invention, on adapte donc la technologie de réalisation de la partie fluidique à une technologie microélectronique, par exemple de type CMOS.
Une gravure profonde du matériau semiconducteur du support est réalisée, pour qu'une émission de photons à partir du fluide puisse atteindre les moyens de détection réalisés sur l'autre face du composant.
Une puce ou un composant selon l'invention peut comporter un substrat rigidificateur .
Une fonctionnalisation, par exemple avec des sondes biologiques, telles que des sondes nucléiques, peut en outre être réalisée, dans la partie fluidique, destinée à recevoir le fluide. L' invention bénéficie en particulier de la possibilité d'utiliser la technologie APS pour réaliser une matrice de détecteurs à haute densité (à un pas qui peut être inférieur à 10 μm) , ce qui est impossible avec la technologie décrite dans l'art antérieur déjà cité .
De plus, les vias d'entrée dans la partie fluidique ne sont pas réalisés à travers le support du substrat utilisé. On ne perd donc pas de surface utile sur la partie détection du composant. Ceci permet aussi de réaliser des étapes chimiques - en fabrication collective - agressives sur la partie fluidique, sans donner accès à l'autre face du substrat (afin d'éviter les détériorations des moyens de détection situés sur 1' autre face) .
L' invention permet de tirer avantage de l'utilisation d'un substrat SOI et de la technologie CMOS associée. Elle permet en outre d'avoir un mode de réalisation avantageux de la partie fluidique. L'invention concerne également un procédé de réalisation d'au moins un composant fluidique comportant : a) la sélection d'un substrat en un matériau pouvant être gravé, muni d'une couche d'arrêt de gravure de ce matériau, b) la formation de moyens de détection de propriétés d'un fluide et/ou d' activation de ce fluide, sur un premier côté de ladite couche d' arrêt de gravure, c) la formation d'une partie fluidique, pour recevoir ledit fluide, dans le substrat, par gravure de ce substrat à partir du deuxième côté de la couche d' arrêt de gravure et arrêt de la gravure sur cette couche d'arrêt.
Selon une variante du procédé, ce dernier permet de réaliser la fabrication collective des composants fluidiques. On peut donc réaliser une pluralité de composants fluidiques selon l'invention. Le procédé comporte alors une étape finale de dissociation desdits composants fluidiques, réalisés collectivement afin de les rendre indépendants les uns des autres.
L' invention concerne également l'utilisation d'un composant, ou d'une matrice, tel que décrit ci-dessus, pour la mise en œuvre d'une analyse biologique.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
- Les figures 1 et 2 représentent un dispositif connu, de type APS-CMOS, sans et avec capot de protection et de définition de la partie fluidique, - les figures 3A et 3B représentent des composants ou des substrats pouvant être utilisés dans pour la réalisation d'un composant fluidique selon 1' invention,
- la figure 4A représente schématiquement l'implantation d'un composant CMOS sur un substrat de type semi-conducteur sur isolant,
- la figure 4B représente un substrat traité selon l'invention avec un capot du côté de la partie fluidique, - les figures 5A et 5B représentent un dispositif selon l'invention avec électrodes métalliques et reprises de contact en regard de la partie fluidique du composant, - la figure 6 représente un dispositif selon l'invention avec électrodes métalliques dans la partie fluidique du composant et une structure CMOS isolée de la partie fluidique par une couche d'oxyde d'un substrat SOI, - les figures 7 et 8 représentent des dispositifs selon l'invention avec moyens de déplacement par électromouillage.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Pour simplifier l'exposé de l'invention, n'est montrée dans la suite qu'une version simplifiée d'une puce de détection, par la représentation d'une version minimum, par exemple d'un seul photo-détecteur avec deux zones d' implantation et deux reprises de contacts électriques. L'invention englobe la réalisation avec un ou plusieurs composants plus complexes .
Dans les différents modes de réalisation décrits ci-dessous, on utilise une couche d'arrêt pour graver la partie fluidique (ou moyens pour recevoir un fluide) d'un composant fluidique, cette couche d'arrêt pouvant résulter par exemple d'une oxydation superficielle d'un substrat semi-conducteur ou être la couche isolante d'un composant de type SOI ou semiconducteur sur isolant. Ainsi, sur la figure 3A est représenté un substrat 70 en silicium sur lequel une couche superficielle 72 est obtenue par oxydation. En variante, la couche 72 pourrait être une couche de nitrure de silicium Si3N4. La couche 72 et le substrat 70 forment un seul substrat.
Sur la figure 3B est représenté un substrat SOI 30, qui comporte typiquement un support 32 en matériau semi-conducteur, une couche 34 de matériau diélectrique, et une couche superficielle 36 de matériau semi-conducteur
Dans les deux cas, on va pouvoir réaliser des moyens de détection et/ou d' activation électrique et/ou magnétique et/ou thermique et/ou autre et/ou des moyens de type MEMS, soit dans la couche 72 soit dans la couche superficielle 36 de matériau semi-conducteur et éventuellement dans la couche 34. La couche 72 ou la couche 34 serviront de couche d'arrêt lors d'une étape de gravure de la partie fluidique dans le substrat 70 ou dans le support 32. Il en résulte que la partie fluidique peut être réalisée aisément, sa profondeur d étant uniquement déterminée par l'épaisseur de la partie du substrat ou du support située sous la couche d'arrêt moins un éventuel amincissement partiel du substrat.
Par exemple la couche 72 (ou l'ensemble des deux couches 34 et 36) a une épaisseur e de quelques μm, par exemple comprise entre 1 μm et 10 μm, tandis que le substrat 70 ou le support 32 a une épaisseur inférieure à quelques centaines de μm, par exemple inférieure à 500 μm ou comprise entre 10 μm et 50 μm ou 90 μm ou encore entre 10 μm et 300 μm.
La présente invention permet d'éviter les techniques de report avec alignement de la partie fluidique sur la partie détection ou activation, comme expliqué ci-dessous dans les différents exemples.
La figure 4A montre, dans le cas d'une puce CMOS, comment celle-ci peut-être réalisée sur un substrat SOI dans le cadre d'un dispositif selon la présente invention.
Un détecteur 38, ici à base d'un composant issu d'une technologie CMOS, est formé dans ou sur la couche superficielle 36 de semi-conducteur du substrat SOI, sur un premier côté de la couche d'arrêt. Des électrodes 37, 39 permettent d'assurer les contacts avec le détecteur. L'ensemble est disposé en face avant 41 du substrat SOI.
Un procédé de réalisation de la puce ou du détecteur 38 peut être un procédé connu, appliqué à un substrat SOI. On utilise donc des techniques CMOS connues pour réaliser la puce ou le détecteur.
La figure 4B montre comment peut être agencée, directement sous la puce, d'un deuxième côté de la couche d'arrêt, une partie ou une chambre fluidique 40 du composant, par gravure profonde en face arrière du substrat SOI. On grave le support 32, la couche 34 formant une couche d'arrêt de la gravure.
Une couche de passivation peut être réalisée sur la face avant 41 de la partie détection de la puce avant de réaliser la gravure profonde en face arrière 43. Elle est éliminée après cette étape de gravure profonde. Un substrat rigidificateur peut être assemblé de façon amovible ou non sur la face avant 41 pour parer à toute fragilisation du substrat 32 lors de l'étape de gravure profonde. La partie fluidique d'un dispositif selon l'invention est donc maîtrisée. En effet, par un procédé selon l'invention, les étapes de réalisation de la fluidique mettent en oeuvre des procédés d'alignement, tels que ceux utilisés en micro technologie, qui garantissent la précision de positionnement et la fabrication collective.
Par rapport à une solution conventionnelle de gravure profonde de la fluidique - par exemple dans un capot qui est ensuite reporté sur l'ensemble comme dans le cas du dispositif de la figure 2 - l'invention permet d'éviter la phase de contrôle précis de la profondeur de gravure. En effet, dans l'invention, celle-ci s'arrête sur la couche d'arrêt, ici la couche 34 d'oxyde de silicium. Pour réaliser la fermeture de la partie fluidique, on assemble un capot 49, de préférence plan, avec le composant fluidique. Ce capot est par exemple en verre, en silicium, en plastique ou en métal.
Un tel composant est compatible avec les procédés de fonctionnalisation des substrats.
Une fois la partie ou la chambre fluidique réalisée sur la face opposée à celle portant la partie électrique 38 du substrat, on peut réaliser des étapes chimiques de fonctionnalisation sur une face 45 du substrat, côté fluidique, sans toucher à son autre face . On peut donc réaliser ces étapes du côté de la partie fluidique 40 et ensuite éventuellement localiser des sondes biologiques au fond de cette partie fluidique. Le composant ainsi réalisé est compatible avec une chimie de fonctionnalisation, telle que décrite dans FR 2 818 662, de mise en place de sondes biologiques à l'intérieur de la partie fluidique.
L'invention permet d'utiliser à bon escient la partie support 32 en matériau semi-conducteur, ici en silicium, qui est considérée comme inutile dans le cadre des techniques connues et bien souvent retirée par amincissement du substrat après fabrication de la puce . L'invention ne nécessite pas de passivation des électrodes 37, 39 de reprise de contact, puisque celles-ci sont situées sur la face 41 du substrat (du côté de la couche d'arrêt dédié à la détection), opposée à la face 43 à partir de laquelle la partie ou la chambre fluidique 40 (de l'autre côté de la couche d'arrêt) est réalisée. En outre, par construction, aucune communication fluidique n'est établie entre ces deux faces 41, 43 ou entre la chambre 40 et la partie détection . L'étude de la zone d'interface 33 entre la partie fluidique et la couche d' arrêt peut montrer aisément qu'il n'y a pas eu report, mais qu'un seul et même substrat a été utilisé pour les deux parties, d'une part la partie de détection et/ou d' activation et d'autre part la partie fluidique. L' invention évite en outre la perte de place qui aurait été nécessaire sur le composant pour laisser fluer une résine de passivation (telle que la résine 18 de la figure 2) ou pour réaliser l'étanchéité de la partie fluidique du composant (du fait notamment d'une étape de report, telle que celle permettant de reporter le capot 20 dans le cas de la figure 2) .
Elle est compatible avec une fabrication collective de la partie fluidique du composant, en regard de chaque puce, que cette dernière soit de type CMOS ou autre. Toute autre technologie basée sur un semi-conducteur est envisageable, par exemple NMOS, ou BiCMOS.
Un composant fluidique selon l'invention est directement compatible avec les techniques de reports sur circuit (contacts par microbilles, etc.) de type « pick and place », techniques qui sont déjà mises au point pour les puces silicium. Il s'agit là du report du composant achevé sur un circuit extérieur. L'invention apporte une réelle simplification en ce qui concerne le conditionnement et la mise en oeuvre du composant.
De préférence, et dans la mesure où on réalise une technologie « fluidic below IC » (ou « partie fluidique sous circuit intégré ») , les dimensions pour la mise en œuvre des deux fonctions, de détection et fluidique, sont à peu près identiques.
L'invention peut avoir d'autres applications que celle expliquée ci-dessus, avec les mêmes avantages que ceux précédemment cités. Une détection électrique, par exemple par puce CMOS, peut aussi être réalisée dans le cadre de l'invention.
Comme illustré en figure 5A, on peut réaliser, lors de la formation de la puce CMOS, un des niveaux métalliques en gravant toute la couche superficielle de semi-conducteur de la face avant d'un substrat SOI 30 (voir structure de la figure 3B) jusqu'à la couche 34 d'oxyde de silicium, qui forme couche d' arrêt sur le support 32. Des électrodes métalliques 50, qui seront en regard de la partie ou de la chambre fluidique 40 dans le composant final, sont ensuite formées.
La gravure de la partie fluidique 40 du composant est alors possible, comme dans le mode de réalisation précédent, à partir de la face arrière du SOI, avec arrêt sur l'oxyde 34 et sur la couche métallique de la puce. Des vias électriques 52 sont réalisés à travers la couche 34 pour relier les électrodes 50 à des reprises de contact 56 passivées, localisées sur l'autre face 35, non exposée au fluide, de la couche 34. Les électrodes 50, exposées à un fluide situé dans la partie fluidique 40, permettront d' avoir accès à des propriétés électriques de ce dernier . Dans ce mode de réalisation avec détection électrique, la couche superficielle 36 de semiconducteur de la face avant peut ne pas être éliminée : ainsi, en figure 5B, est représenté un mode de réalisation dans lequel une partie de cette couche superficielle 36 de semi-conducteur subsiste. Dans ce cas, les reprises de contact 56 peuvent être formées en face avant de cette même couche 36.
Le composant de la figure 5A peut aussi être obtenu en partant d'un substrat de départ tel que celui de la figure 3A, comportant un substrat 70 avec couche d'arrêt en surface.
Selon encore un autre mode de réalisation, illustré en figure 6, on peut réaliser des électrodes métalliques 50, traversant la couche 34 et donc en contact avec la partie fluidique 40 dans le composant final. Une structure CMOS 60 est réalisée dans la couche 36 et est isolée de la partie fluidique du composant par la couche d'oxyde 34 du substrat SOI. La référence 65 désigne une couche de passivation en face 41 avant du substrat. Des reprises de contact 67, 69 sont également formées en face avant et partiellement dépassivées .
Dans les cas des figures 5A - 6, là encore, l'examen de la zone 33 d'interface suffit à révéler qu'il n'y a pas de trace de report de la partie fluidique sur la partie détection.
La technologie de déplacement et de manipulation de gouttes ou de fluides par électromouillage, connue par exemple du document FR 2 841 063 ou de l'article de M. G. Polack et al. « Electrowetting based actuation of droplets for integrated microfluidics », Lab Chip, 2002, 2, 96-101, peut également être utilisée dans la réalisation d'un dispositif selon l'invention. Elle met en œuvre une structuration fluidique autour des zones d'électrodes métalliques d' électromouillage . En combinaison avec un tel composant de déplacement de fluide par électromouillage, on peut également réaliser des réservoirs de distribution des réactifs ou bien définir un volume fermé de la partie active du composant, ou délimiter un volume d'huile.
L'invention peut, là encore, être utilisée pour apporter une simplification du conditionnement et de l'utilisation de tels composants. Pour ce faire, s'il n'est simplement besoin que d'une matrice d'électrodes sans une électronique de commande intégrée comme un multiplexeur, on peut utiliser un substrat 70 de semi-conducteur comme plaquette de départ, tel que celui illustré en figure 3A, à la place d'un substrat SOI (figure 7) .
Ce peut être un substrat 70 de silicium, oxydé pour obtenir une épaisseur souhaitée de couche 72 de diélectrique afin de réaliser la fonction d'isolation du dispositif d' électromouillage . Les électrodes métalliques 74 sont alors réalisées sur la surface de cet oxyde 72 sans qu' il soit nécessaire de passiver la face avant 79. La partie fluidique ou la structuration fluidique peut alors être réalisée, comme dans les autres modes de réalisation, par la face arrière du substrat, en utilisant l'oxyde de silicium 72 comme couche d'arrêt. Un dépôt de matériau hydrophobe 80 peut être réalisé en face arrière, afin de favoriser l'effet d' électromouillage .
Le schéma de la figure 7 montre en coupe une technologie simplifiée d'une puce avec déplacement de fluide par électromouillage, avec structuration fluidique en face arrière. Le procédé de gravure de la partie fluidique du composant peut être simplifié car il ne participe pas à la définition du volume réactionnel : ce dernier est défini par le nombre d'électrodes d' électromouillage activées.
La partie fluidique peut comporter plusieurs réservoirs : on en compte trois, référencés 71, 73, 75 sur la figure 7. A certains réservoirs peuvent être affectées des fonctions spécifiques : par exemple, le réservoir 75 peut être une zone de réaction et de déplacement de gouttes, ces gouttes pouvant être amenées des réservoirs voisins 71, 73.
Une couche 77 d'oxyde de passivation et de rigidification peut être formée en face avant du substrat.
Si on souhaite réaliser des moyens électroniques de gestion des matrices d'électrodes, il est possible d'utiliser une technologie CMOS en face avant d'un substrat semi-conducteur sur isolant, comme sur les figures 4A à 6. Ainsi la figure 8 représente de nouveau une structure semi-conducteur sur isolant avec ses trois niveaux 32, 34, 36, comme sur les figures 4A et 4B, et des électrodes 74 d' électromouillage réalisées en face avant d'une couche isolante 34 recouverte d'une couche hydrophobe 80 en face arrière.
Des composants électroniques 60, par exemple de type CMOS, sont réalisés dans la couche de semi-conducteur 36. Les autres références désignent des éléments identiques ou similaires à ceux de la figure 7. Dans le cas où on utilise un substrat semiconducteur sur isolant (SOI) pour réaliser des électrodes, celles-ci peuvent être non seulement métalliques, mais alternativement en semi-conducteur dopé, par exemple en silicium dopé.
Quel que soit le mode de réalisation de l'invention, on peut combiner les réalisations avec détection électrique et optique. On peut aussi combiner l'une et/ou l'autre de ces techniques de détection avec des électrodes de déplacement par électromouillage. En variante, ou en combinaison avec des fonctions optiques et/ou électriques et/ou de déplacement par électromouillage, on peut incorporer tout type de détecteur et/ou actuateur, par exemple en technologie MEMS dérivée de la technologie CMOS.
D'une manière générale, on réalise la partie fluidique après la partie détection, car il est préférable de réaliser la partie à plus forte topologie à la fin. Mais il est également possible de procéder dans l'ordre inverse.
Pour graver la partie fluidique une méthode de gravure plus rapide que celle décrite dans l'art antérieur, en particulier dans le document de A. M. Jorgensen et al. déjà cité ci-dessus, peut être utilisée (4 μm/min au lieu de 1 μm/min pour cette technique connue) .
Ainsi aucun critère particulier (en particulier en ce qui concerne sa résistivité) n'est imposé au support, par exemple en silicium, et aucune modification de celui-ci n'est réalisée (résistivité standard CMOS) . Or, dans la technique connue, une telle adaptation est nécessaire pour réaliser une fonction électronique adaptée.
L' invention permet notamment de réaliser un composant fluidique comportant des moyens de détection et/ou d' activation et des moyens - dits moyens fluidiques - formant une partie fluidique pour recevoir un fluide, caractérisé en ce que :
- les moyens de détection et/ou d' activation sont réalisés dans ou sur une couche superficielle de matériau semi-conducteur ou dans ou sur la couche d'isolant d'un substrat de type semiconducteur sur isolant,
- la partie fluidique est disposée dans la partie support dudit substrat de type semi-conducteur sur isolant.

Claims

REVENDICATIONS
1. Composant fluidique comportant :
- au moins un substrat (32, 70) en un matériau pouvant être gravé, et une couche d'arrêt (34,
72) de gravure de ce matériau,
- des moyens (38, 50, 52, 56) de détection de propriétés d'un fluide et/ou d' activation de ce fluide, réalisés sur un premier côté de ladite couche d'arrêt de gravure,
- une partie fluidique (40) pour recevoir ledit fluide, réalisée dans le substrat, d'un deuxième côté de la couche d'arrêt de gravure.
2. Composant selon la revendication 1, comportant en outre un capot (49) qui ferme la partie fluidique .
3. Composant selon la revendication 2, dans lequel le capot comporte des moyens de communication fluidique permettant un échange fluidique entre la partie fluidique et tout élément fluidique extérieur .
4. Composant selon l'une des revendications
1 à 3, dans lequel les moyens de détection de propriétés et/ou d' activation dudit fluide sont formés dans une couche (36) superficielle sur la couche d' arrêt .
5. Composant selon la revendication 4, dans lequel la couche superficielle, la couche d'arrêt et le substrat constituent un substrat SOI .
6. Composant selon l'une des revendications 4 ou 5, comportant des moyens de détection dont au moins une partie est réalisée dans la couche superficielle (36) .
7. Composant selon l'une des revendications 1 à 6, les moyens de détection comportant au moins un photo-détecteur.
8. Composant selon la revendication 6 ou 7, les moyens de détection étant de type CMOS.
9. Composant selon l'une des revendications 1 à 8, la couche d'arrêt (72) étant en nitrure de silicium ou en oxyde de silicium.
10. Composant selon l'une des revendications 1 à 9, comportant en outre une couche (77) de passivation et/ou de rigidification .
11. Composant selon l'une des revendications 1 à 10, comportant des moyens (50) de détection d'au moins une propriété électrique d'un fluide .
12. Composant selon la revendication 11, les moyens de détection d' au moins une propriété électrique étant en contact avec la partie fluidique (40) .
13. Composant selon la revendication 12, les moyens de détection électrique étant réalisés au moins en partie dans la couche d'arrêt de gravure.
14. Composant selon l'une des revendications 1 à 13, comportant des moyens (60, 74, 80) d' activation d'un fluide par électromouillage.
15. Composant selon la revendication précédente, comportant en outre des moyens électroniques (60) de commande des moyens (60, 74, 80) d' activation d'un fluide par électromouillage.
16. Composant selon la revendication 15, comportant en outre des réservoirs (71, 73, 75) de fluide réalisés dans le substrat.
17. Composant selon l'une des revendications 1 à 16, la couche d'arrêt, et éventuellement la couche superficielle (36) réalisée sur la couche d'arrêt, ayant une épaisseur inférieure à 10 μm.
18. Composant selon l'une des revendications 1 à 17, la partie fluidique (40) ayant une profondeur inférieure à 300 μm.
19. Composant selon l'une des revendications 1 à 18, les moyens de détection et/ou d' activation étant reliés à des électrodes dépassivées situées du premier côté de ladite couche d'arrêt de gravure .
20. Composant selon l'une des revendications 1 à 19, comportant en outre un substrat supplémentaire de rigidification .
21. Composant selon l'une des revendications 1 à 20, comportant en outre une fonctionnalisation avec des sondes biologiques, telles que des sondes nucléiques.
22. Matrice de détecteurs à haute densité comportant une pluralité de composants selon l'une des revendications 1 à 21, séparés l'un de l'autre d'une distance inférieure à 10 μm.
23. Utilisation d'un composant selon l'une des revendications 1 à 21 ou d'une matrice selon la revendication 21, pour la mise en œuvre d'une analyse biologique .
24. Procédé de réalisation d'au moins un composant fluidique comportant : a) la sélection d'un substrat (32, 70) en un matériau pouvant être gravé, muni d'une couche d'arrêt (34, 72) de gravure de ce matériau, formée intégralement avec ce substrat, b) la formation de moyens (38, 50, 52, 56) de détection de propriétés d'un fluide et/ou d' activation de ce fluide, sur un premier côté de ladite couche d'arrêt de gravure, c) la formation d'une partie fluidique (40) pour recevoir ledit fluide, dans le substrat, par gravure de ce substrat à partir du deuxième côté de la couche d' arrêt de gravure et arrêt de la gravure sur cette couche d'arrêt, d) le report et le scellement d'un capot pour fermer la partie fluidique (40) .
25. Procédé selon la revendication 26, l'étape a) étant suivie d'une étape de formation d'une couche de passivation avant réalisation de l'étape b) .
26. Procédé selon l'une des revendications
24 ou 25, comportant en outre une étape de fonctionnalisation de la partie fluidique.
27. Procédé de réalisation, selon l'une des revendications 24 à 26, d'une pluralité de composants fluidiques, comportant une étape finale de dissociation desdits composants fluidiques.
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