Lithographie focalisée de faisceau d'ion à Etch Nano-architectures dans des microélectrodes

L’utilisation d’une lithographie ciblée du faisceau iion, ou FIB, permet aux chercheurs d’améliorer l’interaction de la surface cellulaire en concevant des surfaces matérielles qui ont augmenté la biocompatibilité et l’intégration avec le tissu indigène. Avec FIB, les caractéristiques peuvent être gravées sur une variété de matériaux, tels que le silicium, les métaux et les polymères. Des surfaces non planaires peuvent également être utilisées et le post-traitement peut être effectué sur des appareils individuels.

En général, cette méthode peut être utilisée sur d’autres microscopes. Cependant, différents fabricants de microscopes ont des versions uniques du logiciel de modelage, qui doivent être optimisées pour chaque système. Mlle Shreya Mahajan, une étudiante diplômée de mon laboratoire, fera la démonstration de la procédure.

Pour se préparer au montage, utilisez des forceps à aspiration d’alésage à pointe fine pour ramasser soigneusement la bande propre des sondes de silicium. Placez-les sur un talon en aluminium propre utilisé pour la numérisation de l’imagerie et de la gravure fib au microscope électronique. Utilisez un cure-dent pour placer une petite goutte de peinture argentée sur le bord du substrat de silicium entourant la sonde.

Fixez la bande en étalant la peinture argentée sur les côtés du substrat de silicium entourant la sonde. Laissez sécher complètement la peinture argentée avant de placer le talon en aluminium dans le SEM FIB. Ensuite, cliquez sur le bouton Vent dans l’onglet Contrôle du faisceau pour évacuer la chambre SEM FIB.

Appuyez sur Shift F3 pour effectuer la scène à domicile. Confirmez la sélection en sélectionnant le bouton Home Stage dans la fenêtre contextée. Une fois l’étape d’accueil terminée, déplacez la scène pour coordonner X=70 millimètres, Y=70 millimètres, Z=0 millimètres, T=0 degrés, R=0 degrés.

Une fois la chambre ventilée, enseillez des gants de nitrile propres et ouvrez la porte de la chambre. Insérez le talon en aluminium qui retient les sondes dans le haut de l’adaptateur de scène. Fixez le talon en aluminium en serrant la vis réglée sur le côté de l’adaptateur de scène.

Assurez-vous que la hauteur est ajustée de façon appropriée. Utilisez la clé hex de 1,5 millimètre pour cette tâche. Balancez soigneusement le bras de la caméra de navigation ouvert jusqu’à ce qu’il s’arrête.

L’étape du microscope se déplace automatiquement vers une position sous la caméra. Regardez l’image en direct indiquée dans le quadrant trois de l’interface utilisateur du microscope. Une fois que le niveau de luminosité s’ajuste automatiquement à un niveau approprié, acquérir l’image en appuyant sur le bouton vers le bas sur le support de la caméra.

Cela prend environ 10 secondes. Balancez le bras de la caméra vers la position fermée. L’étape reviendra à la position d’origine.

Fermez soigneusement la porte de la chambre au microscope. Regardez l’image de la caméra CCD dans quadrant quatre tout en fermant la porte. Assurez-vous que les échantillons et l’étape sont à une distance sécuritaire de tout composant critique dans la chambre de microscope.

Sélectionnez la pompe avec bouton de nettoyage d’échantillon dans le logiciel d’interface utilisateur pour démarrer la pompe à vide de chambre et l’aspirateur à plasma intégré. Attendez environ huit minutes pour que le temps de pompage et le cycle de nettoyage au plasma de la chambre à microscope soient terminés. Une fois que l’icône dans le coin inférieur droit de l’interface utilisateur devient verte, appuyez sur le bouton Wake Up dans l’onglet de contrôle du faisceau qui allume les faisceaux d’électrons et d’ion.

Sélectionnez Quadrant 1 et réglez le signal de faisceau au faisceau d’électrons. Réglez ensuite quadrant deux à Ion Beam. Maintenant, réglez la tension SEM à cinq kilovolts, le courant de faisceau SEM à 0,20 nanoamps, le détecteur SEM à ETD, et le mode détecteur aux électrons secondaires.

Réglez la tension FIB à 30 kilovolts, le faisceau FIB à 24 picoamps, le détecteur FIB au détecteur ICE et le mode détecteur à l’électron secondaire. Double clic sur la sonde de silicium dans l’image de la caméra de navigation, Quadrant Trois pour déplacer la scène à l’emplacement approximatif de la sonde. Cliquez sur Quadrant One pour le sélectionner comme quadrant actif et appuyez sur le bouton pause pour commencer la numérisation SEM.

Réglez l’heure de vie de l’analyse à 300 nanosecondes et éteignez l’entrelacement de balayage, l’intégration de ligne et la moyenne des images. Réglez la rotation d’analyse à zéro dans l’onglet Contrôle du faisceau. Cliquez à droite sur l’ajusteur Beam Shift 2D et sélectionnez zéro.

Réglez le grossissement à la valeur minimale en tournant le bouton de grossissement dans le sens inverse des aiguilles d’une montre sur le panneau d’interface utilisateur du microscope. Ajustez la luminosité et le contraste de l’image à l’aide des boutons sur le panneau d’interface utilisateur ou de l’icône de la barre d’outils de luminosité à contraste automatique. Déplacez la scène en cliquant à gauche sur la souris sur une fonctionnalité pour la centrer.

Déplacez ensuite la sonde de silicium désirée pour être modelée au centre de l’image SEM. Localisez un bord ou une autre caractéristique, comme une particule de poussière ou une égratignure. Augmentez le grossissement à 2000x en tournant le bouton de grossissement dans le sens des aiguilles d’une montre.

Ajustez l’objectif de la SEM en tournant les boutons de mise au point grossiers et fins sur l’interface utilisateur du microscope, jusqu’à ce que l’image soit mise au point. Une fois que l’image est mise au point, sélectionnez l’exemple lien Z au bouton distance de travail dans la barre d’outils. Confirmez que l’opération a été effectuée en regardant la coordonnée z-axe dans l’onglet navigation.

La valeur devrait être d’environ 11 millimètres. Tapez 4,0 millimètres dans la position de l’axe Z et appuyez sur le bouton Go To avec la souris. Déplacez la scène en X et Y pour localiser l’épaule de la sonde de silicium.

Placez-le le plus près possible du centre de la SEM. Changez l’inclinaison de la scène à 52 degrés en tapant dans 52 dans la coordonnée T et en frappant Enter. Observez si l’épaule de la sonde semble se déplacer vers le haut ou vers le bas dans l’image.

Utilisez le curseur De scène Z pour ramener l’épaule de la sonde au centre de l’image SEM. N’ajustez que la position Z. Ne déplacez pas l’axe X, Y, T ou R.

Exécutez la fonction d’alignement XT intégrée, située dans le menu de dropdown de scène. Utilisez la souris pour cliquer sur deux points parallèles au bord de la sonde. Mae sûr que le bouton radio horizontal est sélectionné dans la fenêtre pop-up et cliquez sur Finition.

La scène tournera pour aligner la sonde avec l’axe X de l’étage. Ajustez la scène en XY en utilisant la souris pour remettre l’épaule inférieure de la sonde au centre de l’image SEM. Sélectionnez le FIB dans quadrant deux et assurez-vous que le courant du faisceau est encore de 24 picoamps.

Réglez le grossissement à 5000X et le temps de vie à 100 nanosecondes. Tapez Control-F sur le clavier pour régler la mise au point FIB à 13 millimètres. Dans l’onglet Contrôle du faisceau, cliquez à droite dans l’ajusteur Stigmator 2D et sélectionnez zéro.

En outre, cliquez à droite dans l’ajusteur Beam Shift 2D, et sélectionnez zéro. Réglez la rotation de balayage à zéro degré et cliquez sur le bouton de luminosité de contraste automatique dans la barre d’outils. Recherchez une image de l’épaule de la sonde dans le quadrant deux.

Utilisez l’outil instantané pour acquérir une image dans le FIB. Confirmez que l’épaule de la sonde est au centre de l’image FIB. Sinon, double clic sur l’épaule de la sonde pour le déplacer au centre.

Déplacez la scène vers la gauche en poussant la touche de flèche gauche sur le clavier environ 10 à 15 fois. Prenez un autre instantané et observez si le côté sonde est toujours au centre de la FIB. Après avoir répété ces étapes jusqu’à ce que le bord de l’épaule de la sonde soit parfaitement aligné avec l’axe X de la scène, utilisez le FIB pour déplacer la scène vers l’épaule inférieure de la sonde.

Enregistrez la position de l’étape dans la liste de position en cliquant sur le bouton Ajouter. Changez le courant du faisceau FIB à 2,5 nanoampes et assurez-vous que le grossissement de la FIB est toujours de 5000X. Exécutez la fonction de contraste auto-luminosité et réglez le temps de vie FIB à 100 nanosecondes.

Appuyez sur le bouton pause pour commencer à numériser. Réglez la mise au point FIB et l’astigmatisme aussi rapidement et précisément que possible à l’aide des boutons de mise au point grossiers et fins et des boutons stigmateurs X et Y sur le panneau d’interface utilisateur. Appuyez sur le bouton pause pour arrêter la numérisation FIB.

Dans le logiciel Nanobuilder, ouvrez le fichier pour modeler les sondes de silicium. Sélectionnez le menu microscope dropdown et sélectionnez Set Stage Origin. Sélectionnez le menu microscope dropdown, puis sélectionnez détecteurs calibrés.

Sur l’interface utilisateur microscope, cliquez une fois sur Quad One avec la souris pour sélectionner Quad One. Cliquez sur OK pour commencer l’étalonnage. Le processus prendra environ cinq minutes.

Assurez-vous que les détecteurs ETD et ICE calibrent. Dans le logiciel, sélectionnez le menu microscope dropdown et choisissez Exécuter pour démarrer la séquence de configuration. Lorsque le modèle est terminé, fermez le logiciel.

Appuyez sur Vent dans l’onglet Beam Control de l’interface utilisateur microscope pour éteindre les faisceaux de microscope et démarrer le cycle d’évacuation. Pendant que la chambre s’évacue, déplacez la scène vers les coordonnées appropriées. Une fois que la chambre est ventilée, mettez des gants de nitrile propres et ouvrez la porte de la chambre.

Desserrez la vis réglée sur l’adaptateur de talon à l’aide de la clé de hex de 1,5 millimètre. Retirez le talon d’aluminium contenant la sonde à motifs de la chambre. Fermez soigneusement la porte de la chambre au microscope.

Regardez l’image de la caméra CCD dans quadrant quatre tout en fermant la porte. Assurez-vous que l’adaptateur de scène est à une distance sécuritaire de tout composant critique dans la chambre de microscope. On y voit des images SEM des sondes de silicium mono-tige non fonctionnelles avec des nano-architectures gravées FIB le long de l’arrière de la tige.

Les dimensions finales de la nano-architecture gravée étaient des lignes parallèles de 200 nanomètres de large espacées de 300 nanomètres et avaient une profondeur de 200 nanomètres. Pour déterminer comment l’eau-forte nano-architectures dans la surface de la sonde affecte la densité neuronale immédiatement autour de l’implant, les noyaux neuronaux ont été tachés et quantifiés. La survie neuronale est présentée comme un pourcentage de la région de fond à partir des mêmes distances d’animaux de 50 bacs microns loin du site de l’implant.

Il y avait beaucoup plus de neurones autour des sondes nano-architecture à des distances de 100 à 150 microns du site de l’implant par rapport aux implants de contrôle lisses à quatre semaines après l’implantation. Des nano-architectures ont également été gravées le long du côté arrière des microélecrodes fonctionnelles de silicium à tige unique et des mesures électrophysiologiques ont été quantifiées pour étudier comment les nano-architectures de gravure affectent les performances de l’électrode. Les résultats électrophysiologiques ont montré des pourcentages accrus de canaux enregistrant des unités individuelles à partir des microélectrodes nano-architecture par rapport aux microélecrodes de contrôle lisses.

Aucune analyse statistique n’a été effectuée pour la microélecrode nano-architecture parce qu’une seule a été implantée pour une étude pilote de preuve de concept. La gravure FIB permet aux chercheurs d’étudier comment l’ajout de signaux topographiques sur les dispositifs médicaux peut améliorer la réponse cellulaire et, en fin de compte, les performances de l’appareil. L’étendue des dispositifs médicaux sur qui ces méthodes peuvent être appliquées est illimitée, puisque la FIB peut être effectuée sur une gamme de matériaux, de géométries de surface et, surtout, d’appareils déjà fabriqués.