Le microscope à force atomique métrologique

1 - Introduction

2 - Un contexte favorable au développement de la nanométrologie

3 - Préambule : la nanométrologie dimensionnelle

• 3.1 - Unités et SI
• 3.2 - Étalon
  Figure 1 - Exemple d'étalons utilisés en microscopie à champ proche ou microscopie électronique – (a) une simple marche étalon – (b) un réseau 1D – (c) un réseau 2D
• 3.3 - Traçabilité
  Figure 2 - Pyramide illustrant la notion de traçabilité pour la nanométrologie dimensionnelle réalisée par microscopie à force atomique (AFM) ou par microscopie électronique à balayage (SEM). Entre les utilisateurs d’AFM ou SEM et l’unité définie par le SI, une chaîne continue d’étalons est mise en place de façon à propager la définition du mètre jusqu’à l’échelle nanométrique
• 3.4 - Le bilan d’incertitude

4 - Microscope à force atomique métrologique

• 4.1 - Définition
  Figure 3 - Représentation schématique des différences entre un AFM traditionnel et un AFM métrologique
• 4.2 - État de l’art
  Figure 4 - Intercomparaison entre différents AFM sur une mesure du pas d’un réseau circulant entre les différents laboratoires. Le graphe montre l’écart entre la valeur du pas de référence (1 µm) et la valeur moyenne du pas déterminée par chaque participant et pour chaque instrument. Les barres représentent l’écart-type expérimental obtenu lors de mesures répétées plusieurs fois. À gauche (A), les résultats des AFM qui fonctionnent sans capteurs de position. Au centre (B), les résultats des AFM qui possèdent des capteurs de position intégrés dans une boucle de contre-réaction. À droite (C), les résultats de différents AFM métrologiques

5 - AFM métrologique du LNE

• 5.1 - Cahier des charges de l’AFM métrologique du LNE
• 5.2 - Présentation générale de l’instrument
  Figure 5 - Éclaté du mAFM avec (a) la tête AFM, (b) le bloc de miroirs de référence lié à la tête AFM, (c) le bloc de miroirs lié à la platine de translation, (d) la platine de translation trois axes à lames flexibles actionnée par vérins piézo-électriques, (e) les actionneurs pour les déplacements grossiers de l’échantillon, (f) le châssis du mAFM, (g) les interféromètres différentiels à double passage, (h) les capots pour protéger les interféromètres des fluctuations de température et des turbulences de l’air et (i) une vue de l’assemblage du mAFM. Les dimensions du système sont de 530 mm x 530 mm x 383 mm pour un poids de 100 kg (j) photo du mAFM
• 5.3 - Tête AFM
• 5.4 - Platine XYZ
  Figure 6 - Illustration de l’erreur d’Abbe pour le déplacement d’une platine de translation suivant l’axe Z. Le déplacement est détecté par un capteur de position suivant Z présentant un offset d’alignement offset Abbe avec l’axe de la pointe AFM. Le déplacement de la platine présente également des erreurs de guidage en rotation . Dans ces conditions et du fait de la rotation présente, le capteur mesure une translation biaisée par l’erreur d’Abbe ∊ Abbe = offset Abbe x sinθ alors que la pointe ne perçoit pas ce biais. Figure 7 - Prototype de la platine XY à lames flexibles basée sur l’utilisation de pantographes avec (a) la partie mobile, (b) un pantographe, (c) le cadre rigide, (d) l’ouverture permettant l’intégration de la platine Z et (e) les cavités permettant la propagation des faisceaux des interféromètres. Les dimensions extérieures de la platine sont de 160 mm x 160 mm x 60 mm et 53 mm pour l’ouverture Figure 8 - Vue 3D d’un pantographe et déplacements possibles avec (b) pantographe à l’équilibre, (c) translation suivant x, (d) translation suivant y Figure 9 - Photo (à gauche) et vue CAO en coupe (à droite) du prototype de la platine de translation suivant Z avec (a) la partie mobile, (b) les lames flexibles et (c) le cadre rigide. Les dimensions sont de 69 mm x 69 mm x 55 mm Figure 10 - Performances atteintes par les prototypes des deux platines : (a) erreurs de guidage en rotation et (b) réponses en fréquence Figure 11 - Version finale de la platine XYZ avec les deux platines couplées en série
• 5.5 - Châssis du mAFM
  Figure 12 - Version finale de la platine intégrée sur le châssis en aluminium du mAFM
• 5.6 - Interféromètres
  Figure 13 - Disposition en pyramide à base carré des quatre interféromètres (I1, I2, I3 et I4). La pointe est localisée à l’origine (O) du système de coordonnées XYZ Figure 14 - Vue du dessus du prisme mobile en Zerodur (à gauche), vue de dessous révélant les miroirs (à droite) Figure 15 - Posage isostatique du prisme en Zerodur (a) sur le haut de la platine Z (e) avec (b) les miroirs, (c) les billes en saphir, (d) les aimants, (f) les V, (g) les demis V, (h) le porte échantillon en invar et (i) l’échantillon Figure 16 - Système de fixation des interféromètres (a) sur les plans à 35° (b) usinés sur le châssis de l’AFM (c). L’interféromètre est lié à un support en acier et en aluminium (d) maintenu sur le plan incliné par des aimants (e). Après alignement des interféromètres, le support est clampé sur la surface par une plaque (f) vissée directement dans le châssis Figure 17 - Vue à la caméra CCD de la position des faisceaux lasers avant alignement Figure 18 - Impact de la protection sur la mesure de position par interférométrie en salle blanche : (a) sans protection, les turbulences de l’air perturbent la mesure de déplacement à hauteur de 15 nm pic à pic sur une période de 60 s, (b) avec la protection (confinement des faisceaux avec un tube d’aluminium, des feuilles d’aluminium aux extrémités et un caisson pour protéger le système) les effets des turbulences sont réduits à seulement 0,1 nm pic à pic sur la même période
• 5.7 - Déplacements d’exploration de l’échantillon
• 5.8 - Environnement du mAFM
  Figure 19 - Photo du mAFM dans la salle blanche reposant sur une table antivibratoire et un massif en béton
• 5.9 - Architecture du contrôleur de l’instrument
  Figure 20 - Synoptique du contrôleur du mAFM

6 - Performances

• 6.1 - Stabilité de la chaîne métrologique
  Figure 21 - Identification de la chaîne métrologique associée à la mesure de position par interférométrie (a), les faisceaux lasers (c) se propagent dans la cavité remplie d’air (b) jusqu’au prisme mobile (d). Le prisme de référence (e) est lié au support de la pointe (f) au travers du châssis de la tête AFM (g) Figure 22 - Enregistrement de la température sur 10 heures, (a) dans la salle de l’instrument et (b) dans les cavités aménagées pour le passage des faisceaux des quatre interféromètres Figure 23 - Dérive de la mesure de position en utilisant le montage à quatre miroirs plans : (a) pour chacun des interféromètres I1, I2, I3, I4 et (b) pour le calcul des positions X, Y et Z
• 6.2 - Caractérisation de l’instrument
  Figure 24 - (a) pas de 3 nm générés en boucle fermée sur les axes X, Y et Z pour une fréquence de boucle PID de 7,3 kHz et (b) 80 kHz. (c) Premier balayage de 50 nm le long des 3 axes en boucle fermée, en mode discret et avec une fréquence de boucle PID de 80 Hz, (d) zoom sur une portion du balayage suivant Z révélant les pas de 0,5 nm Figure 25 - Premières images du mAFM réalisées sur un réseau étalon VLSI possédant un pas de 1,8 µm et une hauteur de marche de 41,3 nm. (a) image obtenue à partir des tensions appliquées sur les vérins piézo-électriques, (b) image obtenue à partir des positions XYZ mesurées par interférométrie, (c) image b redressée, (d) profile de la dérive observée, (e) évaluation du pas du réseau, (f) évaluation de la hauteur moyenne des marches et (g) vue 3D de l’étalon Tableau 1 Tableau 2

7 - Conclusion et perspectives