Intégration monolithique de multiples membranes de silicium poreux pour laboratoires sur puce

Monolithic Integration of Multiple Porous Silicon Membranes for Lab-on-a-chip Applications

• Auteur / Autrice : Douglas Silva de Vasconcellos
• Direction : Thierry Leïchlé
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : MicroNano Systèmes
• Date : Soutenance le 30/09/2020
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (Toulouse ; 1968-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Micro-fabrication

Laboratoires sur puce

Silicium poreux

Mots clés libres

Silicium poreux

Bio fonctionnalisation

Bio détection

Micro fabrication

Electrochimie

Porous silicon

Bio functionalization

Bio sensing

Microfabrication

Electrochemistry

Résumé

La principale cause de mortalité dans le monde est due à des maladies traitables non diagnostiquées. La raison sous-jacente est le coût et la complexité de la plupart des processus de diagnostic, car ils sont souvent réalisés dans des centres médicaux et nécessitent des équipements coûteux et compliqués. Pour résoudre ce problème, le développement d'une technologie au point de service utilisant des laboratoires sur puce miniaturisés et peu coûteux revêt une grande importance. L'analyse d'un échantillon comprend deux étapes principales : la préparation de l'échantillon (purification et pré concentration de l'échantillon) et son analyse (bio détection). Différentes technologies ont été développées avec succès pour implémenter ces étapes sur puce, cependant elles sont généralement intégrées de manière hybride, où le biocapteur et le module de préparation de l'échantillon sont réalisés séparément puis combinés, ce qui augmente la complexité du dispositif et éventuellement son coût final. L'objectif de ce travail est d'offrir une réponse technologique générique et unique pour la préparation et la détection d'échantillons sur puce au moyen d'éléments en silicium poreux, sous la forme de membranes latérales en silicium poreux et de couches verticales standard en silicium poreux fabriquées de manière monolithique sur une seule puce micro fluidique plane. Le silicium poreux est un matériau nanostructuré aux caractéristiques électriques et optiques intéressantes qui a déjà été utilisé pour la bio détection par interférométrie basée sur la réflectance lorsqu'il est correctement fonctionnalisé et pour la filtration basée sur la taille et la charge. En outre, c'est un bon candidat pour la concentration d'échantillons par polarisation de la concentration ionique, en raison de sa propriété de sélectivité ionique. Cependant, il faut être capable de fabriquer de multiples éléments en silicium poreux avec des morphologies spécifiques (taille des pores et porosité) sur la même puce, ce qui n'a pas encore été réalisé, afin d'utiliser le silicium poreux comme une brique technologique générique pour diverses fonctions. Le silicium poreux est généralement fabriqué par anodisation électrochimique et l'état de dopage du silicium est l'un des paramètres qui contrôle la morphologie de la couche poreuse. Nous avons donc développé un procédé de fabrication basé sur l'implantation ionique sélective de substrats SOI afin d'obtenir de nombreux éléments poreux de caractéristiques distinctes en utilisant une seule étape d'anodisation. Nous avons réussi à fabriquer des membranes latérales poreuses en silicium pontant des micro canaux planaires avec une augmentation de deux fois la taille des pores entre les régions non implantées et implantées sur une seule puce (de ~25 à ~50 nm), tandis que la porosité variait de ~80 à ~90%. En gravant la couche d'oxyde enterrée, nous avons également formé des couches de silicium poreuses verticales, avec une taille de pores de ~35 nm et une porosité de ~65%, au fond des micro canaux sur le même échantillon. En utilisant les procédés de fabrication développés, nous avons conçu et fabriqué un laboratoire sur puce monolithique intégrant des étapes de pré concentration et de filtration de l'échantillon, avec un potentiel de réalisation de bio détection par interférométrie optique.

The leading cause of mortality worldwide is due to undiagnosed treatable diseases. The underlying reason is the cost and complexity of most diagnostic processes, as they are often carried out in medical centers and require expensive and complicated equipment. To tackle this issue, the development of point-of-care technology using miniaturized and low-cost lab-on-a-chip is of great importance. The analysis of a sample includes two main steps: sample preparation (sample purification and preconcentration) and sample analysis (biosensing). Different technologies have been successfully developed to implement these steps on chip, however they are usually integrated in a hybrid fashion, where the biosensor and the sample preparation module are realized separately and then combined, which increases the device complexity and possibly its final cost. The aim of this work is to offer a generic and single technological response for on chip sample preparation and sensing by means of porous silicon elements, in the form of lateral porous silicon membranes and standard vertical porous silicon layers monolithically fabricated onto a single planar microfluidic chip. Porous silicon is a nanostructured material with interesting electrical and optical characteristics that has already been used for biosensing via reflectance-based interferometry when properly functionalized and for size/charge-based filtration. Besides, it is a strong candidate for sample concentration using ion concentration polarization due to its ion-selectivity property. However, one must be able to fabricate multiple porous silicon elements with specific morphologies (pore size and porosity) on the same chip, which has not been achieved yet, in order to use porous silicon as a generic technological brick for various functions. Porous silicon is usually fabricated through electrochemical anodization and the doping condition of silicon is one of the parameters that controls the porous layer morphology. We have thus developed a fabrication process based on the selective ion implantation of SOI substrates in order to achieve numerous porous elements of distinct characteristics using a single anodization step. We have successfully fabricated lateral porous silicon membranes bridging planar microchannels with twofold increase in pore size from non-implanted to implanted regions onto a single chip (from ~25 to ~50 nm), while the porosity varied from ~80 to ~90%. By etching the buried oxide layer, we have also formed vertical porous silicon layers, with ~35 nm pore size and ~65% porosity, at the bottom of the microchannels on the same sample. Using the developed fabrication processes, we have designed and fabricated a monolithic lab-on-a-chip integrating sample preconcentration and filtration stages, with a potential to achieve biosensing through optical interferometry.