Microscopie optique sur puce C. Gorecki (DR2, 30%) - Femto-ST

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Microscopie optique sur puce
C. Gorecki (DR2, 30%), S. Bargiel (Chercheur contractuel, 75%), K. Laszczyk (Doc, 100%), J.
Albero (Doc, 30%)
Objectifs et positionnement
Pour étendre le champ conventionnel d’application des microscopes optiques à balayage, nous
proposons une approche d’intégration sur puce, permettant la réalisation d’architectures
particulièrement compactes et massivement parallèles (Tableau 1). Ce projet de recherche vise la
modélisation, la conception, la fabrication et la validation expérimentale de ces micro-instruments à
partir d’une plate-forme de fabrication s’appuyant sur une technologie d’intégration verticale. Le
projet est soutenu par trois projets européens. A ce jour, il n’y a aucune réalisation du microscope
optique intégré en version massivement parallèle, mais des recherches sont menées à l’Université de
Berkeley et l’Université de Séoul. Notre positionnement est donc unique au plan européen.
Tableau 1. Différents type de microscopes optiques sur puce
µ-SNOM µ-confocal µ-Mirau
Résolution < 100 nm
Topographie 2D
Résolution : 1, 5 µm
Topographie 3D
Résolution : 2 µm
Topographie 2D
Applications Applications Applications
Lecture DVD, stockage optique Laboratoire sur puce Métrologie dynamique des
MEMS
Résultats et perspectives
Pour atteindre la miniaturisation ultime, on a démontré que le phénomène de réinjection de diode
lasers VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) peut être utilisé comme une détection active
pour la microscopie optique (SNOM, confocal) ou le laser joue à la fois le rôle de l’émetteur et du
détecteur. Dans une diode VCSEL, une variation de la réinjection optique produit une modification de
la tension aux bornes des électrodes. La variation de tension étant faible, la sensibilité de détection est
améliorée en modulant la réinjection optique lorsqu’on fait osciller mécaniquement la longueur de la
cavité couplée, constituée par la face de sortie du VCSEL et la surface de l’échantillon. Il en résulte
une modulation de la tension aux bornes du VCSEL que l'on extrait via un détecteur synchrone. La
figure 1 montre une image de tension relevée aux bornes du VCSEL, obtenue avec un échantillon
constitué par un dépôt métallique sur verre.
Fig. 1. Image de tension du VCSEL. Fig. 2. Microlevier SNOM.
L’architecture du microscope SNOM sur puce comprend un VCSEL intégré sur un microlevier en
silicium, doté d’une pointe SNOM creuse (figure 2), jouant le rôle de sonde champ proche à la fois

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émettrice et collectrice. Le micro-levier SNOM est rendu actif grâce au transducteur piézorésistif,
déposé sur la poutre, permettant l'asservissement de la distance entre la sonde et l’échantillon. L’apex
de la sonde SNOM est obtenu par la formation de pyramide creuse dans la membrane de silicium par
la gravure chimique isotrope. Un rayon de courbure de la pointe correspondant à une résolution
spatiale de l’ordre 80 nm a été obtenue. L’une des principales applications de ce microscope est la
lecture et l’écriture parallèle de disques optiques.
Fig. 3. Microactionneur vertical. Fig. 4. Table x-y (technologie « comb-drive »).
Le microscope confocal sur puce comprend une cavité VCSEL montée au-dessus d’un scanner
optique 3D. Ce scanner comprend deux micro-actionneurs électrostatiques : un actionneur vertical
(figure 3) et une table x-y (figure 4), chacun d’eux portant une microlentille intégrée
monolithiquement sur sa membrane. Le micro-actionneur vertical permet la focalisation du faisceau
lumineux dans le plan de l’échantillon avec une course maximale de l’ordre de 50 µm et une précision
de positionnement de 0,5 µm. La table x-y permet le balayage spatial de l’échantillon avec un
déplacement maximal de l’ordre de 60 µm, effectuant des coupes horizontales pour reconstituer la
topographie 3D de l’échantillon. Le microscope confocal permettra la lecture 3D de données avec une
résolution latérale de l’ordre de 2 µm. Ses applications futures visent la microscopie de fluorescence
des milieux biologiques et la lecture de biopuces dans une approche « laboratoire sur puce ». La
réalisation de ce microscope miniature est soutenue par le réseau Européen d’Excellence en
Microoptique NEMO et le programme Marie Curie.
La dernière architecture proposée est celle d’un réseau de microscopes interférentiels de type Mirau.
Dans un micro-interféromètre individuel ont dépose un miroir de référence au centre de la face plane
de la microlentille, focalisant le faisceau de lumière blanche sur l’échantillon à travers une lame semi-
transparente. La version parallèle de ces microscopes miniatures s’appuie sur l’empilement de
matrices de ces trois composants micro-optiques. Une résolution latérale de l’ordre de 2 µm est visée
avec des applications en métrologie dynamique des MEMS. Ce projet de recherche se déroule dans le
cadre du projet européen SMARTHIES qui a démarré en avril 2008.
Pour les deux derniers microscopes (confocal et Mirau) une technologie originale de microlentilles
en verre, basée sur le moulage silicium a été développée.
Collaborations
Université Technologique de Wroclaw, Université Technologique de Varsovie, Université Vrije de
Bruxelles, VTT, SINTEF, Institut Fraunhofer de Jéna, IMT-Université de Neuchâtel.
Contrats
Réseau Européen d’Excellence en Microoptique NEMO, projet européen de recherche
collaborative SMARTIEHS (programme ICT, 7ème PCRD), projet européen de mobilité SCOMOC
(programme Marie Curie), programme Franco-suisse Interreg III ILEA.
Références
S. Bargiel et al., “A micromachined silicon-based probe for scanning near-field optical microscope
on-chip”, Measurement Science and Technology 17, 32-37, (2006).

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D. Heinis et al., “Feedback-induced voltage change of Vertical Cavity Surface Emitting Laser as an
active detection system for miniature optical scanning probe microscopes », Optics Express 14), 3396-
3405, (2006).
C. Gorecki et al., “On−Chip Scanning Confocal Microscope with 3D MEMS Scanner and VCSEL
Feedback Detection”, Transducers 2007, Lyon, juin 2007.