microfluidic technologies shaping the world

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CLEFS CEA - N° 52 - ÉTÉ 2005 107 conditions physiques des réactions chimiques, en particulier la température, au sein du dispositif. De ce fait, la microfluidique est une sinon la composante critique de cette intégration. Ces laboratoires sur puce trouvent des applications dans divers domaines (1) : le diagnostic in vitro pour des tests rapides à proximité du lieu de soin du patient, comme dans le cabinet du médecin, en salle d’urgence, au chevet du malade ; le contrôle agroalimentaire pour détecter des contaminants chimiques ou biologiques, ou bien encore la présence d’organismes génétiquement modifiés ; le contrôle de l’environnement pour tester la qualité de l’eau ou de l’air, par exemple la détection de légionelles dans des circuits de climatisation ; la sécurité civile et la défense. Depuis les attentats du 11 septembre 2001, une grosse partie des recherches est financée aux États-Unis pour ces dernières applications. La réduction de la taille des volumes manipulés est motivée par plusieurs raisons. Tout d’abord, il existe un besoin croissant d’analyser des échantillons de très petite taille physique, à l’échelle de la cellule ou de compartiments cellulaires, ou bien comprenant une très faible quantité de composés (analytes), comme par exemple l’analyse de l’ADN ou de l’ ARN de quelques cellules présentes dans une biopsie. De plus, la réduc- tion de la taille des échantillons est la plupart du temps G énéralement, les nanobiotechnologies sont d’abord considérées comme des nanotechnologies, c’est- à-dire qui, soit présentent des propriétés à l’échelle du nanomètre ou mettent en œuvre des éléments de taille ou de diamètre nanométriques (particules, fils, tubes), soit permettent de visualiser et de manipuler des objets à l’échelle du nanomètre (par exemple des molécules uniques) ou d’étudier leurs propriétés. Ensuite, elles sont “bio” dans le sens où, soit elles intègrent des éléments qui viennent du vivant (par exemple des molécules biologiques telles que des fragments d’ADN ou des protéines), soit elles ont pour champ d’appli- cations les sciences du vivant (biologie et médecine). Dans ce domaine se retrouvent donc une partie de l’instrumentation pour la biologie, des dispositifs d’administration de médicaments et des méthodes d’élaboration de matériaux. Étant donné que la quasi-totalité des réactions bio- chimiques et des mécanismes biologiques se passent en solution aqueuse, toute technologie (nano ou non) liée à la biologie comportera une part importante de “fluidique”, c’est-à-dire de manipulation de fluides, et d’opérations sur ces fluides telles que mélange, séparation, contrôle de la température, mise en mou- vement… Dans le cadre des nanobiotechnologies, pour des raisons qui seront précisées par la suite, le chercheur travaillera souvent dans des petits volumes (inférieurs au microlitre, soit 1 mm 3 ) ou dans des structures de faibles dimensions, par exemple des capillaires de l’ordre de la centaine de microns (environ le diamètre d’un cheveu) ou moins. Il est alors question de “microfluidique”. La microfluidique, composante clé de l’intégration Cet aspect microfluidique est particulièrement impor- tant dans le domaine des laboratoires sur puce (labo- puces) ou microsystèmes d’analyse totale (microTAS), qui vise au développement de systèmes d’analyse biologique présentant par rapport aux instruments plus classiques deux caractéristiques principales (voir Vers des microsystèmes d’analyse interfacés avec le vivant ). La première se rapporte à une miniaturisation et à une automatisation plus poussées. La seconde correspond à l’intégration dans un seul dispositif de plusieurs opé- rations successives d’un protocole complexe d’analyse. Cette intégration passe notamment par la maîtrise du mouvement, de la distribution, éventuellement du stockage des réactifs et de l’échantillon, ainsi que des La microfluidique ou l’art de manipuler des petits volumes de liquides L’intégration dans un laboratoire sur puce des opérations successives d’un protocole complexe d’analyse biologique, mettant en jeu des petits volumes d’échantillons et de réactifs devant circuler dans des canaux de taille nanométrique, est indissociable de la microfluidique, qui propose des solutions pour déplacer, fractionner, mélanger ou séparer ces liquides. Cependant, quand les dimensions diminuent, les liquides changent de propriétés. Essentiellement, les effets de bord deviennent prépondérants et les turbulences, utiles pour mélanger les liquides disparaissent. Des solutions originales pour manipuler de tels volumes doivent être développées. Artechnique Composant microfluidique permettant la réalisation de protocoles biologiques complexes. (1) Ici, seules les applications relevant des nanobiotechnologies sont prises en considération. Cependant, des retombées existent dans d’autres domaines, comme par exemple les piles à combustible, la chimie, l’optique intégrée pour réaliser des commutateurs optiques ou des lentilles liquides à focale variable pour des appareils photo intégrés dans des téléphones portables.

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Microfluidic Technologies Shaping the World, Microfluidic Technologies Shaping the World. Microfluidic Technologies Shaping the World.

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  • CLEFS CEA - N 52 - T 2005 107

    conditions physiques des ractions chimiques, en particulier la temprature, au sein du dispositif. De ce fait, la microfluidique est une sinon la composante critique de cette intgration.Ces laboratoires sur puce trouvent des applications dansdivers domaines(1) : le diagnostic in vitro pour des testsrapides proximit du lieu de soin du patient, commedans le cabinet du mdecin, en salle durgence, au chevet du malade ; le contrle agroalimentaire pourdtecter des contaminants chimiques ou biologiques,ou bien encore la prsence dorganismes gntiquementmodifis; le contrle de lenvironnement pour tester laqualit de leau ou de lair, par exemple la dtection delgionelles dans des circuits de climatisation; la scuritcivile et la dfense. Depuis les attentats du 11 septembre2001, une grosse partie des recherches est finance auxtats-Unis pour ces dernires applications.La rduction de la taille des volumes manipuls estmotive par plusieurs raisons. Tout dabord, il existeun besoin croissant danalyser des chantillons de trs petite taille physique, lchelle de la cellule ou decompartiments cellulaires, ou bien comprenant unetrs faible quantit de composs (analytes), commepar exemple lanalyse de lADN ou de lARN de quelquescellules prsentes dans une biopsie. De plus, la rduc-tion de la taille des chantillons est la plupart du temps

    Gnralement,les nanobiotechnologies sont dabordconsidres comme des nanotechnologies, cest--dire qui, soit prsentent des proprits lchelle dunanomtre ou mettent en uvre des lments de tailleou de diamtre nanomtriques (particules, fils,tubes),soit permettent de visualiser et de manipuler des objets lchelle du nanomtre (par exemple des molculesuniques) ou dtudier leurs proprits. Ensuite, ellessont bio dans le sens o, soit elles intgrent des lments qui viennent du vivant (par exemple des molcules biologiques telles que des fragments dADNou des protines), soit elles ont pour champ dappli-cations les sciences du vivant (biologie et mdecine).Dans ce domaine se retrouvent donc une partie delinstrumentation pour la biologie, des dispositifs dadministration de mdicaments et des mthodes dlaboration de matriaux.tant donn que la quasi-totalit des ractions bio-chimiques et des mcanismes biologiques se passenten solution aqueuse, toute technologie (nano ou non)lie la biologie comportera une part importante defluidique, cest--dire de manipulation de fluides,et doprations sur ces fluides telles que mlange,sparation, contrle de la temprature, mise en mou-vement Dans le cadre des nanobiotechnologies,pour des raisons qui seront prcises par la suite,le chercheur travaillera souvent dans des petits volumes(infrieurs au microlitre, soit 1 mm3) ou dans desstructures de faibles dimensions, par exemple descapillaires de lordre de la centaine de microns(environ le diamtre dun cheveu) ou moins. Il estalors question de microfluidique.

    La microfluidique, composante cl de lintgration

    Cet aspect microfluidique est particulirement impor-tant dans le domaine des laboratoires sur puce (labo-puces) ou microsystmes danalyse totale (microTAS),qui vise au dveloppement de systmes danalyse biologique prsentant par rapport aux instrumentsplus classiques deux caractristiques principales (voirVers des microsystmes danalyse interfacs avec le vivant).La premire se rapporte une miniaturisation et uneautomatisation plus pousses. La seconde correspond lintgration dans un seul dispositif de plusieurs op-rations successives dun protocole complexe danalyse.Cette intgration passe notamment par la matrise dumouvement, de la distribution, ventuellement du stockage des ractifs et de lchantillon, ainsi que des

    La microfluidique ou lart de manipulerdes petits volumes de liquidesLintgration dans un laboratoire sur puce des oprations successives dun protocolecomplexe danalyse biologique, mettant en jeu des petits volumes dchantillons et de ractifs devant circuler dans des canaux de taille nanomtrique, est indissociablede la microfluidique, qui propose des solutions pour dplacer, fractionner, mlangerou sparer ces liquides. Cependant, quand les dimensions diminuent, les liquideschangent de proprits. Essentiellement, les effets de bord deviennent prpondrantset les turbulences, utiles pour mlanger les liquides disparaissent. Des solutionsoriginales pour manipuler de tels volumes doivent tre dveloppes.

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    Composant microfluidiquepermettant la ralisation de protocoles biologiquescomplexes.

    (1) Ici, seules les applications relevant des nanobiotechnologiessont prises en considration. Cependant, des retombesexistent dans dautres domaines, comme par exemple les piles combustible, la chimie, loptique intgre pour raliser des commutateurs optiques ou des lentilles liquides focalevariable pour des appareils photo intgrs dans des tlphonesportables.

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    Des nanotechnologies aux applications

    favorable la vitesse des ractions chimiques et destransferts thermiques. Cela est en partie d au fait quelorsque la taille des dispositifs et des chantillons dimi-nue, les rapports surface/volume augmentent et ainsitous les phnomnes qui se passent en surface sontacclrs, comme lhybridation dacides nucliquesdans le cas dune puce ADN (voir Vers des micro-systmes danalyse interfacs avec le vivant). La vitessedes ractions chimiques en volume est proportionnelle la concentration des ractifs, soit inversement proportionnelle au volume. En particulier, quand loprateur dispose de peu danalytes, il est importantde travailler dans des volumes aussi rduits que possi-ble. Enfin, le dveloppement des microtechnologies au sens large permet denvisager la fabrication en masse de tels dispositifs des cots relativement bas.

    Les spcificits de la microfluidique

    La plupart des dispositifs microfluidiques sont compo-ss de capillaires et de chambres de ractions. Pour lesusiner, loprateur part en gnral dun matriau solideplan dans lequel il va former des canaux et des cuvettesqui seront ensuite recouverts dun couvercle.Pour ra-liser ces motifs, il utilise la lithographie et la gravuredun matriau solide comme le verre, le silicium ou lequartz, ou procde par moulage ou emboutissage dematriaux polymres.Les dimensions caractristiquesdes canaux sont de lordre de la centaine de micronsmais descendent parfois jusqu quelques dizaines denanomtres. La section est le plus souvent carre ousemi-circulaire. La nature du rgime dcoulementdun fluide est dtermine par le nombre de Reynoldsqui dpend de la vitesse dcoulement, du diamtre du capillaire et de la viscosit(2) du fluide. ces dimen-sions et dans les rgimes de vitesse habituels (infrieureau centimtre par seconde),pour de leau ou une solu-tion aqueuse plus visqueuse, le nombre de Reynoldsest tel quil ny a jamais apparition de turbulence.Cette turbulence ne peut donc pas tre mise profitpour effectuer des mlanges qui ne peuvent se faireque par diffusion, ce qui est beaucoup plus lent.

    Une autre caractristique de la microfluidique est limportance, signale plus haut, des phnomnes desurface. Un aspect particulier en est limportance desforces de capillarit qui peuvent tre utilises profitpour limiter un fluide dans son dplacement ou pourle mettre en mouvement.La microfluidique exploite de nombreux principesphysiques pour dplacer et contrler le mouvementde liquides. Selon les applications vises, les solutionsles plus intressantes seront,outre celles qui offrent lesmeilleures performances en termes de dbit, vitesse,prcision des diffrentes oprations,celles qui serontplus facilement intgrables (idalement, celles donttous les lments pourront tre embarqus au sein dulaboratoire sur puce), celles qui seront compatiblesavec les caractristiques des fluides manipuls,et enfinet toujours, celles qui seront les moins coteuses.Comme il est impossible de passer ici en revue toutesles solutions ayant fait lobjet de travaux, le lecteurintress pourra se rfrer quelques publicationsrcentes qui constituent un excellent point dentre(voir Pour en savoir plus).Seules les principales appro-ches seront dcrites.

    Dplacer un fluide en appliquant un gradient de pression

    La solution la plus immdiate pour mettre un fluideen mouvement dans un capillaire est dexercer une diffrence de pression entre ses extrmits. Il en rsulteun coulement qui,du fait des frottements sur les paroisdus la viscosit, prsente un profil de vitesse para-bolique. Le liquide se dplace en effet beaucoup plusvite au milieu du capillaire que le long des parois.Lapplication dun gradient de pression est un principelargement utilis dans le contexte de la microfluidique.Face lavantage de la simplicit,cette solution prsentequelques inconvnients. Dabord, avoir dispositionune source de pression de bonne qualit, en gnralexterne, nest pas toujours possible ou facile. De plus,les pressions mises en jeu augmentent trs rapidementavec la diminution de la taille des conduits(3). Enfin,il est parfois ncessaire que la totalit du liquide transite la mme vitesse dans le dispositif, ce quinest pas le cas ici. Lune des approches actuellementles plus prometteuses pour intgrer des oprationsde microfluidique une grande chelle est dveloppe

    (2) Viscosit : tat dun fluide dont lcoulement est frein par le frottement des molcules qui le composent.

    (3) Dans des capillaires de section circulaire, la diffrence de pression pour assurer un dbit donn est inversementproportionnelle la puissance 4 du rayon du capillaire.

    tape de remplissageavec une solution

    fluorescente du rservoirdun labopuce dvelopp

    autour du concept demicrofluidique en goutte.

    Figure 1.Principe dune vanne microfluidique en matriau lastomre.Le rseau de capillaires (en bleu) peut tre mis sous pressiondair, dformant ainsi localement le matriau et bloquant la demande la circulation de fluide dans le canal de couleurbrune (daprs M. A. UNGER, H.-P. CHOU, T. THORSEN, A. SCHERERand S. R. QUAKE, Monolithic microfabricated valves and pumps by multilayer soft lithography, Science, 288, pp. 113-116, 2000).

    entre de fluide

    distance capillaire-canal: 30 m

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    (4) lastomre : polymre, naturel (caoutchouc) ou synthtique,prsentant des qualits lastiques.

    Figure 4.Dplacement dune goutte par lectromouillage. En ralisant un rseaudlectrodes mises soustension squentiellement, il est ainsi possible de dplacerla goutte dune lectrode lautre. Dans cetteconfiguration, la tensionlectrique est tablie entrellectrode situe sous lematriau dilectrique et un filconducteur agissant commeune sorte de catnaire.

    Figure 2.Schma dun circuit microfluidique de grande complexit mettant en uvre les vannesmicrofluidiques de la figure 1. Ce circuit comprend 256 chambres de ractions de 750 picolitres.18 canaux pneumatiques (en rose, orange et vert) permettent dactionner 2 056 valves qui contrlent laccs aux chambres de ractions. Les chantillons et ractifs circulent dans les canaux de couleur bleue (daprs T. THORSEN, S. J. MAERKL and S. R. QUAKE,Microfluidic large-scale integration, Science, 298, pp. 580-584, 2002).

    par lquipe de Stephen R. Quake au Caltech (tats-Unis).Elle met en uvre dans un matriau lastomre(4)

    un rseau microfluidique et un rseau de canaux dair sous pression,ce dernier permettant la ralisationde vannes et de pompes (figures 1 et 2).

    Faire circuler un fluide par lectro-osmose

    Dans la plupart des cas, le fluide en mouvement estune solution deau charge en diffrents sels. Lecontact de cette solution avec certains matriaux isolants (le verre en particulier) constituant les paroisdu capillaire donne naissance des charges statiques sa surface, quilibre localement dans la solutionpar une couche de charge oppose, dpaisseur allantjusqu une centaine de nanomtres. Quand unediffrence de potentiel lectrique est applique aux extrmits du capillaire, cette couche priphriqueest mise en mouvement par effet lectrophortique,ce qui entrane un dplacement de lensemble dufluide prsent dans le capillaire. Contrairement ladiffrence de pression, cet effet est dautant plus fort,donc efficace, que la section du capillaire est faible.Le profil de vitesse ainsi cr est, linverse du casprcdent, pratiquement uniforme. Autre avantage,lintgration au sein dun composant miniature estgalement plus facile. Cette solution prsente cepen-dant quelques inconvnients. Les sources de tensionncessaires sont gnralement assez importantes en pratique (de lordre du millier de volts) et il fautrsoudre des problmes dlectrolyse au niveau des lectrodes. Par ailleurs, cet effet saccompagne pour chaque espce ionique en solution dun effetlectrophortique, qui se rvle parfois gnant.Dans le mme esprit, un effet magntohydrodyna-mique peut tre utilis. La conjugaison dun champlectrique produisant un dplacement dions et dunchamp orthogonal magntique, engendrant ainsi uneforce de Lorentz sur ces ions, permet dinduire un dplacement du fluide suivant la troisime dimension.

    Manipuler le fluide sous forme de gouttes

    Dans certains cas, en particulier quand lchantillon traiter a un volume de lordre du microlitre, ou inf-rieur, il est possible de le garder sous forme de gouttetout au long du droulement du protocole. La gouttepeut elle-mme tre considre comme un racteurchimique. ces chelles, les forces de capillarit sontimportantes et sur un support hydrophobe, la gouttereste sous la forme dune quasi-sphre attache sur unplan,ou entre deux plans.Perturber les forces de capilla-rit, notamment de faon asymtrique, permet alorsde dplacer cette goutte. Plusieurs principes sont lencore applicables. La goutte est dplace en utilisantlaction dun champ lectrostatique, principe dit dlectromouillage, et galement en employant touteautre stimulation mcanique sur un support structurde faon asymtrique.Enfin,la goutte peut tre soumise une onde acoustique de surface.Lapproche par lectromouillage est particulirementintressante. Dans les solutions dveloppes auLaboratoire dlectronique et de technologie de

    Figure 3.Principe de llectromouillage. Une goutte est dpose sur une lectrode recouverte dune fine couche de matriaudilectrique hydrophobe, comme par exemple le tflon.Quand elle est mise sous tension lectrique, langle de contactentre la goutte et la surface diminue, rendant le support plus hydrophile. Ici, la seconde lectrode qui permet la mise sous tension, non visible sur la photo, est dans le mme planet concentrique la premire.

    V = 0 V V = 80 V

    V

    V

    V

    sortie dchantillon entre dchantillonentre du liquide de rinage

    sortie desubstrat entre de

    substrat

    rcuprationdu contenu

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    rcupration du contenu dunecellule particulire 2 et 3

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    vannesandwich

    rcupration du contenu

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    contrle des vannes

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  • CLEFS CEA - N 52 - T 2005110

    Des nanotechnologies aux applications

    linformation (CEA-Leti), les gouttes se dplacent surun rseau dlectrodes enfouies sous une couche dematriau dilectrique hydrophobe (technique EWODpour ElectroWetting On Dielectric, voir Vers des micro-systmes danalyse interfacs avec le vivant).Pour action-ner les gouttes, une tension lectrique est tablie entreces lectrodes et, soit un fil conducteur parallle auplan des lectrodes,soit une couche conductrice dpo-se la surface du couvercle du dispositif (figures 3et 4).Il est possible sur ce principe de dessiner des confi-gurations dlectrodes permettant de raliser les op-rations de base de la microfluidique et de la plupart des protocoles danalyses biologiques (figure 5). Lechercheur dispose ainsi dune bote outils, ou dune bibliothque doprateurs gnrique, pour, linstar de ce qui se passe pour la conception de circuitsintgrs en microlectronique,tre capable terme deconcevoir un laboratoire sur puce partir doprationsstandards bien connues et caractrises.

    Vers lmergence de solutionsprometteuses

    La microfluidique est un domaine jeune et en pleineeffervescence.Si les problmes abords,motivs prin-cipalement par lanalyse biologique, sont bien iden-tifis, les solutions proposes par la communaut sont extrmement varies. Il faut sattendre dans lesprochaines annes lmergence des plus promet-teuses.La comprhension des phnomnes mis en jeunest pas encore complte. Des progrs dans ce senspermettront vraisemblablement une amlioration desperformances et la mise disposition des concepteursde modles informatiques.

    > Pierre Puget et Yves FouilletDirection de la recherche technologique

    CEA-Leti centre de Grenoble

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    Labopuce dvelopp autour du concept de microfluidique en goutte en cours de test. Gnration de deux gouttes, dont une fluorescente, qui se dplacent et se mlangent.

    Figure 5.Validation des

    oprations de base de la microfluidique.

    gauche, dplacementdans un plan (daprs

    S.-K. FAN, C. HASHI andC.-J. KIM, Manipulation

    of multiple droplets on NxM grid by cross-

    reference EWOD drivingscheme and pressure-

    contact packaging, IEEEConf. MEMS, Kyoto, Japan,

    Jan. 2003, pp. 694-697) ;au milieu, morcellement

    (daprs S. K. CHO,H. MOON and C.-J. KIM,

    Creating, transporting,cutting, and merging

    liquid droplets byelectrowetting-based

    actuation for digital microfluidiccircuits, Journal of

    MicroelectromechanicalSystems, 12(1),

    pp. 70-80, 2003) ; droite, formation

    dune goutte partirdun rservoir.

    POUR EN SAVOIR PLUSY. FOUILLET et J.-L. ACHARD, Microfluidique discrteet biotechnologie, Comptes-rendus. Physique,5(5), pp. 577-588, 2004.

    D. ERICKSON and D. Q. LI, Integrated microfluidicdevices, Analytica Chimica Acta, 507(1), pp. 11-26, 2004.

    D. J. LASER and J. G. SANTIAGO, A review ofmicropumps, Journal of Micromechanics andMicroengineering, 14(6), pp. R35-R64, 2004.

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    bas du rseaudlectrodes haut du rseaudlectrodes

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  • AAfin de se reprsenter plus ais-ment les dimensions des objetsmicro et nanoscopiques*, il est pra-tique de procder des comparaisonset courant de faire correspondre diff-rentes chelles, par exemple celle dumonde du vivant, de la molcule lhomme, et celle des objets manipulsou fabriqus par lui (figure). Cettecorrespondance entre artificiel etnaturel permet, par exemple, de voirque des nanoparticules fabriquesartificiellement sont plus petites quedes globules rouges.Un autre mrite de cette juxtapositionest dillustrer les deux grandes faons

    Tranche de silicium de 300 mm ralise par lAlliance Crolles2, illustration de la dmarchetop-down actuelle de la microlectronique.

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    Du monde macroscopique au nanomonde, ou linverse

    dlaborer des objets ou des systmesnanomtriques : la voie descendante(top-down) et la voie ascendante(bottom-up). Deux chemins mnent eneffet au nanomonde : la fabricationmolculaire, qui passe par la mani-pulation datomes individuels et laconstruction partir de la base, etlultraminiaturisation, qui produit dessystmes de plus en plus petits.La voie descendante est celle du mondeartificiel, qui part de matriaux macro-scopiques, cisels par la main delhomme puis par ses instruments: cestelle qua emprunte llectroniquedepuis plusieurs dizaines dannes,principalement avec le silicium commesubstrat, et ses tranches (wafers)comme entits manipulables. Cestdailleurs la microlectronique qui alargement contribu donner cettevoie le nom anglais sous laquelle elle

    est connue. Mais il ne sagit plus seu-lement dadapter la miniaturisation dela filire silicium actuelle, mais ausside prendre en compte, pour sen pr-munir ou les utiliser, les phnomnesphysiques, quantiques en particulier,qui apparaissent aux faibles dimen-sions.La voie ascendante peut permettre depasser outre ces limites physiques etaussi de rduire les cots de fabrica-tion, en utilisant notamment lauto-assemblage des composants. Cest elleque suit la vie en pratiquant lassem-blage de molcules pour crer des pro-tines, enchanement dacides aminsque des super-molcules, les acidesnucliques (ADN, ARN), savent faire pro-duire au sein de cellules pour formerdes organismes, les faire fonctionner etse reproduire tout en se complexifiant.Cette voie, dite bottom-up, vise orga-

    niser la matire partir de briques debase, dont les atomes eux-mmes sontles plus petits constituants, linstardu monde vivant. La nanolectroniquedu futur cherche emprunter cette voiedassemblage pour aboutir moindrecot la fabrication dlments fonc-tionnels.Les nanosciences peuvent ainsi tredfinies comme lensemble des recher-ches visant la comprhension desproprits (physiques, chimiques etbiologiques) des nano-objets ainsiqu leur fabrication et leur assem-blage par auto-organisation.Les nanotechnologies regroupent len-semble des savoir-faire qui permet-tent de travailler lchelle molcu-laire pour organiser la matire afin deraliser ces objets et matriaux, ven-tuellement jusqu lchelle macro-scopique.

    *Du grec nano qui signifie tout petitet est utilis comme prfixe pour dsigner le milliardime (10-9) dune unit. Enloccurrence, le nanomtre (1 nm = 10-9 m,soit un milliardime de mtre) est lunitreine du monde des nanosciences et desnanotechnologies.

  • Amondevivant

    voie ascendantebottom-up

    monde artificielvoie

    descendantetop-down

    homme2 m

    vhicule individuel 2 m

    papillon5 cm

    tlphone portable 10 cm

    fourmi1 cm

    puce de carte 1 cm

    puce1 mm

    grain de pollen 10 m 20 m

    cheveu 50 m(diamtre)

    globule rouge5 m

    virus 0,1 m

    ADN3,4 nm

    molcule quelques

    microsystme 10-100 m

    interconnexions de circuit intgr

    1-10 m

    transistor Cooper

    1 m

    nanotransistor 20 nm

    nanoparticule10 nm

    bote quantique5 nm

    atome 1 nm

    (Suite)

    0,1 nm

    10-10 m 10-9 m 10-8 m 10-7 m 10-6 m 10-5 m 10-4 m 10-3 m 10-2 m 10-1 m

    1 nm

    nanomonde

    10 nm 100 nm 1 m 10 m 100 m 1 mm 1 cm 10 cm 1 m

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    A. Ponchet, CNRS/CEMES

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    Artechnique/CEA

  • BLa physique quantique (historique-ment dnomme mcanique quan-tique) est lensemble des lois physiquesqui sappliquent lchelle microsco-pique. Fondamentalement diffrentesde la plupart de celles qui semblentsappliquer notre propre chelle, ellesnen constituent pas moins le socle glo-bal de la physique toutes ses chel-les. Mais lchelle macroscopique, sesmanifestations ne nous apparaissentpas tranges, lexception dun certainnombre de phnomnes a prioricurieux, comme la supraconductivitou la superfluidit , qui justement nesexpliquent que par les lois de laphysique quantique. Au demeurant, lepassage du domaine de validit des loisparadoxales de cette physique celuides lois, plus simples imaginer, de laphysique classique peut sexpliquerdune faon trs gnrale, comme celasera voqu plus loin.La physique quantique tire son nomdune caractristique essentielle desobjets quantiques: des caractristiquescomme le moment angulaire (spin) desparticules sont des quantits discrtesou discontinues appeles quanta, quine peuvent prendre que des valeursmultiples dun quantum lmentaire. Ilexiste de mme un quantum daction(produit dune nergie par une dure)

    appel constante de Planck (h), dont lavaleur est de 6,62610-34 jouleseconde.Alors que la physique classique distin-gue ondes et corpuscules, la physiquequantique englobe en quelque sorte cesdeux concepts dans un troisime, quidpasse la simple dualit onde-cor-puscule entrevue par Louis de Broglie,et qui, quand nous tentons de lappr-hender, semble tantt proche du pre-mier et tantt du deuxime. Lobjet quan-tique constitue une entit insparablede ses conditions dobservation, sansattribut propre. Et cela, quil sagissedune particule en aucun cas assimi-lable une bille minuscule qui suivraitune quelconque trajectoire de lumire

    (photon) ou de matire (lectron, proton,neutron, atome).Cette caractristique donne toute sa forceau principe dincertitude dHeisenberg,autre base de la physique quantique.Selon ce principe (dindterminationplutt que dincertitude), il est impos-sible de dfinir avec prcision un instantdonn la fois la position dune parti-cule et sa vitesse. La mesure, qui restepossible, naura jamais une prcisionmeilleure que h, la constante de Planck.Ces grandeurs nayant pas de ralitintrinsque en dehors du processusdobservation, cette dterminationsimultane de la position et de la vitesseest simplement impossible.

    Quelques repres de physique quantique

    Vue dartiste de lquation de Schrdinger.

    D. S

    arra

    ute/

    CEA

  • Cest qu tout instant lobjet quantiqueprsente la caractristique de superpo-serplusieurs tats, comme une onde peuttre le rsultat de laddition de plusieursautres. Dans le domaine quantique, lahauteur dune onde (assimilable celledune vague par exemple) a pour qui-valent une amplitude de probabilit (ouonde de probabilit), nombre complexeassoci chacun des tats possibles dunsystme qualifi ainsi de quantique.Mathmatiquement, un tat physiquedun tel systme est reprsent par unvecteur dtat, fonction qui, en vertu duprincipe de superposition, peut sajouter dautres. Autrement dit, la somme dedeux vecteurs dtat possibles dun sys-tme est aussi un vecteur dtat possibledu systme. De plus, le produit de deuxespaces vectoriels est aussi la sommede produits de vecteurs, ce qui traduitlintrication: un vecteur dtat tant gn-ralement tal dans lespace, lide delocalit des objets ne va plus de soi. Dansune paire de particules intriques, cest--dire cres ensemble ou ayant djinteragi lune sur lautre, dcrite par leproduit et non par la somme de deux vec-teurs dtat individuels, le destin de cha-cune est li celui de lautre, quelle quesoit la distance qui pourra les sparer.Cette caractristique, galement appe-le lenchevtrement quantique dtats, a

    des implications vertigineuses, sansparler des applications imaginables, dela cryptographie quantique pourquoine pas rver? la tlportation.Ds lors, la possibilit de prvoir le com-portement dun systme quantique nestquune prdictibilit probabiliste et sta-tistique. Lobjet quantique est en quelquesorte une juxtaposition de possibles.Tant que la mesure sur lui nest pas faite,la grandeur cense quantifier la pro-prit physique recherche nest passtrictement dfinie. Mais ds que cettemesure est engage, elle dtruit lasuperposition quantique, par rductiondu paquet dondes, comme WernerHeisenberg lnonait en 1927.Toutes les proprits dun systme quan-tique peuvent tre dduites partir delquation propose lanne prcdentepar Erwin Schrdinger. La rsolution decette quation de Schrdinger permetde dterminer lnergie du systme ainsique la fonction donde, notion qui a donctendance tre remplace par celledamplitude de probabilit.Selon un autre grand principe de la phy-sique quantique, le principe (dexclu-sion) de Pauli, deux particules identiquesde spin 5 (cest--dire des fermions, enparticulier les lectrons) ne peuvent avoir la fois la mme position, le mme spinet la mme vitesse (dans les limites

    poses par le principe dincertitude),cest--dire se trouver dans le mmetat quantique. Les bosons (en particulierles photons), ne suivent pas ce principeet peuvent se trouver dans le mme tatquantique.La coexistence des tats superpossdonne sa cohrence au systme quan-tique. Ds lors, la thorie de la dco-hrence quantique peut expliquer pour-quoi les objets macroscopiques ont uncomportement classique tandis queles objets microscopiques, atomes etautres particules, ont un comportementquantique. Plus srement encore quundispositif de mesure pointu, lenviron-nement (lair, le rayonnement ambiant,etc.) exerce son influence, liminantradicalement toutes les superpositionsdtat cette chelle. Plus le systmeconsidr est gros, plus il est en effetcoupl un grand nombre de degrs delibert de cet environnement. Et doncmoins il a de chances pour resterdans la logique probabiliste de sau-vegarder une quelconque cohrencequantique.

    B (Suite)

    POUR EN SAVOIR PLUStienne KLEIN, Petit voyage dans le monde des quanta, Champs,Flammarion, 2004.

  • CLa fabrication des puits quantiquesutilise la technique dpitaxie (dugrec taxi (ordre) et epi (dessus) par jetsmolculaires (en anglais MBE, pourMolecular Beam Epitaxy). Le principe decette technique de dpt physique,dveloppe initialement pour la crois-sance cristallinedes semi-conducteursde la famille III-V, est fond sur lva-poration des diffrents constituantspurs du matriau laborer dans uneenceinte o est maintenu un vide pouss(pression pouvant tre de lordre de510-11 mbar) afin dviter toute pollu-tion de la surface. Un ou des jets ther-miques datomes ou de molculesragissent sur la surface propre dunsubstrat monocristallin, plac sur unsupport maintenu haute temprature(quelques centaines de C), qui sert detrame pour former un film dit pi-taxique. Il est ainsi possible de fabri-quer des empilements de couches aussifines que le millionime de millimtre,cest--dire composes de seulementquelques plans datomes.

    Les lments sont vapors ou subli-ms partir dune source de hautepuret, place dans une cellule effu-sion (chambre dans laquelle un fluxmolculaire passe dune rgion orgne une pression donne une rgionde plus basse pression) chauffe pareffet Joule.La croissance du film peut tre suiviein situet en temps rel en utilisant diver-ses sondes structurales et analytiques,en particulier des techniques dtudede la qualit des surfaces et de leurstransitions de phase par diffractionlectronique en incidence rasante, LEED(pour Low energy electron diffraction) ouRHEED (pour Reflection high-energyelectron diffraction) et diverses mtho-des spectroscopiques (spectroscopiedlectrons Auger, SIMS (spectrom-trie de masse dions secondaires), spec-tromtrie de photolectrons XPS parrayons X et UPS (Ultraviolet photoelec-tron spectroscopy).La technique dpitaxie par jets mol-culaires sest tendue dautres semi-

    conducteurs que les III-V, des mtauxet des isolants, se dveloppant avecles progrs des techniques dultravide.Le vide rgnant dans la chambre decroissance, dont la conception varieen fonction de la nature du matriau dposer, doit en effet tre meilleureque 10-11 mbar pour permettre lacroissance dun film de haute puretet dexcellente qualit cristalline des tempratures de substrat relati-vement basses. Il sagit de qualit devide lorsque le bti est au repos. Pourla croissance darsniures, par exem-ple, le vide rsiduel est de lordre de10-8 mbar ds que la cellule darse-nic est porte sa temprature deconsigne pour la croissance.Le pompage pour atteindre ces per-formances fait appel plusieurs tech-niques (pompage ionique, cryopom-page, sublimation de titane, pompes diffusion ou turbomolculaires). Lesprincipales impurets (H2, H2O, CO etCO2) peuvent prsenter des pressionspartielles infrieures 10-13 mbar.

    Lpitaxie par jets molculaires

  • DEn dcembre 1947, John Bardeenet Walter H. Brattain ralisaient lepremier transistor en germanium.Avec William B. Shockley, aux BellLaboratories, ils dveloppaient lannesuivante le transistor jonction et lathorie associe. Au milieu des annes1950, les transistors seront raliss ensilicium (Si), qui reste aujourdhui lesemi-conducteur gnralement utilis,vu la qualit ingale de linterface crepar le silicium et loxyde de silicium (SiO2),qui sert disolant.

    En 1958, Jack Kilby invente le circuitintgr en fabriquant cinq composantssur le mme substrat. Les annes 1970verront le premier microprocesseur dIntel(2250 transistors) et les premires mmoi-res. La complexit des circuits intgrsne cessera de crotre exponentiellementdepuis (doublement tous les deux-troisans, selon la loi de Moore) grce laminiaturisation des transistors.Le transistor (de langlais transfer resis-tor, rsistance de transfert), composantde base des circuits intgrs micro-

    lectroniques, le restera mutatis mutan-dis lchelle de la nanolectronique:adapt galement lamplification,entre autres fonctions, il assume eneffet une fonction basique essentielle :laisser passer un courant ou linter-rompre la demande, la manire duncommutateur (figure). Son principe debase sapplique donc directement autraitement du langage binaire (0, le cou-rant ne passe pas; 1, il passe) dans descircuits logiques (inverseurs, portes,additionneurs, cellules mmoire).Le transistor, fond sur le transport deslectrons dans un solide et non plusdans le vide comme dans les tubeslectroniques des anciennes triodes,est compos de trois lectrodes (anode,cathode et grille) dont deux servent derservoirs lectrons : la source, qui-valent du filament metteur du tubelectronique, le drain, quivalent de laplaque collectrice, et la grille, le contr-leur. Ces lments ne fonctionnent pasde la mme manire dans les deuxprincipaux types de transistors utilissaujourdhui, les transistors bipolaires jonction, qui ont t les premiers treutiliss, et les transistors effet de champ(en anglais FET, Field Effect Transistor).Les transistors bipolaires mettent enuvre les deux types de porteurs decharge, les lectrons (charges ngati-ves) et les trous (charges positives), etse composent de deux parties de sub-strat semi-conducteur identiquement

    Le transistor, composant de base des circuits intgrs

    Figure.Un transistor MOS est un commutateur qui permet de commander le passage dun courantlectrique de la source (S) vers le drain (D) laide dune grille (G) isole lectriquement du canal de conduction. Le substrat en silicium est not B (pour Bulk).

    commutateur

    transistor

    source drain

    source

    source

    isol

    emen

    t

    isol

    emen

    t

    isolant de grille

    drain

    drain

    vue en coupe

    Lg = longueur de grille

    grille de commande

    grille

    grille

    canalsubstrat Si

    Lg

  • D (Suite)

    Luce

    nt T

    echn

    olog

    ies

    Inc.

    /Bel

    l Lab

    s

    STM

    icro

    elec

    tron

    ics

    (1) Figurent dans cette catgorie les transistors de type Schottky ou barrire Schottky qui sont des transistors effet de champ comportant unegrille de commande de type mtal/semi-conducteur qui amliore la mobilit des porteurs de charge et le temps de rponse au prix dune plus grandecomplexit.

    (2) On parle alors de transistor MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor).

    Transistor 8 nanomtres dvelopp par lAlliance Crolles2 runissantSTMicroelectrronics, Philips et FreescaleSemiconductor.

    dopes (p ou n), spares par une mincecouche de semi-conducteur inversementdope. Lassemblage de deux semi-conducteurs de types opposs (jonctionp-n) permet de ne faire passer le courantque dans un sens. Quils soient de typen-p-n ou p-n-p, les transistors bipolai-res sont fondamentalement des ampli-ficateurs de courant, commands par uncourant de grille(1): ainsi dans un trans-istor n-p-n, la tension applique la par-tie p contrle le passage du courant entreles deux rgions n. Les circuits logiquesutilisant des transistors bipolaires, appe-ls TTL (Transistor Transistor Logic), sontplus consommateurs de courant que lestransistors effet de champ, qui pr-sentent un courant de grille nul en rgimestatique et sont commands par lappli-cation dune tension.Ce sont ces derniers, sous la forme MOS(Mtal oxyde semi-conducteur), quicomposent aujourdhui la plupart descircuits logiques du type CMOS (C pourcomplmentaire)(2). Sur un cristal desilicium de type p, deux rgions de typen sont cres par dopage de la surface.Appeles l aussi source et drain, cesdeux rgions ne sont donc spares quepar un petit espace de type p, le canal.Sous leffet dune tension positive surune lectrode de commande place

    au-dessus du semi-conducteur et quiporte tout naturellement le nom degrille,les trous sont repousss de sa surfaceo viennent saccumuler les quelqueslectrons du semi-conducteur. Un petitcanal de conduction peut ainsi se for-mer entre la source et le drain (figure).Lorsquune tension ngative est appli-que sur la grille, isole lectriquementpar une couche doxyde, les lectronssont repousss hors du canal. Plus latension positive est leve, plus larsistance du canal diminue et plus cedernier laisse passer de courant.Dans un circuit intgr, les transistors etles autres composants (diodes, conden-sateurs, rsistances) sont dorigine incor-pors au sein dune puce aux fonctionsplus ou moins complexes. Le circuit estconstitu dun empilement de couchesde matriaux conducteurs ou isolantsdlimites par lithographie (encadr E,La lithographie cl de la miniaturisation,p. 37). Lexemple le plus emblmatiqueest le microprocesseur plac au curdes ordinateurs et qui regroupe plusieurscentaines de millions de transistors (dontla taille a t rduite par 10000 depuisles annes 1960) et bientt un milliard,ce qui amne les industriels fraction-ner le cur des processeurs en plusieurssous-units travaillant en parallle!

    Le tout premier transistor.

  • ELa lithographie optique (ouphotolithographie), appli-cation majeure de linteractionparticules/matire, est le procdtraditionnel de fabrication des circuits intgrs. tape cl de ladfinition des motifs de ces cir-cuits, elle reste le verrou de leurdveloppement. La rsolutiontant en premire approximationdirectement proportionnelle lalongueur donde, la finesse desmotifs a dabord progress avecla diminution, qui sest effectuepar sauts, de la longueur donde du rayonnement utilis.Lopration consiste en lexpositionvia une optique rductrice dune rsinephotosensible des particules nerg-tiques, depuis les photons ultraviolet (UV)actuellement utiliss jusquaux lectronsen passant par les photons X et les ions,au travers dun masque reprsentant ledessin dun circuit. Le but ? Transfrercette image sur lempilement de couchesisolantes ou conductrices qui le consti-tueront, dposes prcdemment (phasede couchage) sur une plaquette (wafer)de matriau semi-conducteur, en gnralde silicium. Ce processus est suivi de ladissolution de la rsine expose lalumire (dveloppement). Les partiesexposes de la couche initiale peuventtre alors graves slectivement, puis larsine est retire chimiquement avant ledpt de la couche suivante. Cette tapede lithographie peut intervenir plus dunevingtaine de fois au cours de la fabrica-tion dun circuit intgr (figure).Dans les annes 1980, lindustrie de lamicrolectronique utilisait des lampes mercure dlivrant dans lUV proche (raiesg, h, i), travers des optiques en quartz,un rayonnement dune longueur dondede 436 nanomtres (nm). Elle gravait ainsides structures dune largeur de trait de 3 microns (m). Employes jusquau milieudes annes 1990, ces lampes ont tremplaces par des lasers excimresmettant dans lUV lointain (krypton-fluorKrF 248 nm, puis argon-fluor ArF 193 nm, les photons crs ayant une ner-gie de quelques lectronvolts), permet-tant datteindre des rsolutions de 110 nm, et mme infrieures 90 nm avec de nouveaux procds.Le Laboratoire dlectronique et de tech-nologie de linformation (Leti) du CEA at un des pionniers, dans les annes1980, dans lutilisation des lasers en

    lithographie et dans la ralisation descircuits intgrs par les lasers exci-mres, qui constituent aujourdhui lessources employes pour la productiondes circuits intgrs les plus avancs.Pour lindustrie, ltape suivante devait trele laser F2 ( = 157 nm), mais cette litho-graphie a t quasiment abandonne face la difficult de raliser des optiquesen CaF2, matriau transparent cettelongueur donde.Si la diminution de la longueur donde desoutils dexposition a t le premier facteur permettre le gain en rsolution consi-drable dj obtenu, deux autres ont tdterminants. Le premier a t la mise aupoint de rsines photosensibles basessur des matrices de polymres peu absor-bantes aux longueurs donde utilises etmettant en uvre des mcanismes de

    propagation de lnergie reuetoujours plus innovants. Lesecond a consist en lamliora-tion des optiques avec une dimi-nution des phnomnes parasiteslis la diffraction (meilleure qua-lit de surface, augmentation delouverture numrique).Au fil des annes, la complexitaccrue des systmes optiques a ainsi permis dobtenir des rso-lutions infrieures la longueurdonde de la source. Cette vo-lution ne pourra se poursuivre sans une rupture technologiquemajeure, un saut important enlongueur donde. Pour les gn-

    rations des circuits intgrs dont la rso-lution minimale est comprise entre 80 et50 nm (le prochain nud se situant 65nm), diffrentes voies bases sur la projection de particules la longueurdonde de plus en plus courte ont t misesen concurrence. Elles mettent respecti-vement en uvre des rayons X mous, en extrme ultraviolet (dans la gamme des 10 nm), des rayons X durs ( la lon-gueur donde infrieure 1 nm), des ionsou des lectrons.Ltape consistant atteindre des rso-lutions infrieures 50 nm conduira sorienter plutt vers la nanolithographie laide dlectrons de basse nergie(10 eV) et doutils plus adapts comme lemicroscope effet tunnel ou lpitaxiepar jets molculaires (encadr C) pour laralisation de super-rseaux.

    La lithographie, cl de la miniaturisation

    Zone de photolithographie en salle blanche dans lusineSTMicroelectronics de Crolles (Isre).

    Figure. Les diffrentes phases du processus de lithographie dont le but est de dlimiter les couchesde matriaux conducteurs ou isolants qui constituent un circuit intgr. Cette opration estlenchanement dun talement de rsine photosensible, de la projection du dessin dun masque parune optique rductrice, suivis de la dissolution de la rsine expose la lumire (dveloppement).Les parties exposes de la couche initiale peuvent tre alors graves slectivement, puis la rsineest retire avant le dpt de la couche suivante.

    Art

    echn

    ique

    talement de la rsine

    centrifugationschage

    exposition pas pas(step and repeal)

    source

    masque

    optique de projection

    gravureretrait rsine

    dpt dunenouvelle couche

    dveloppement

    Sans titre

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