Le microscope à force atomique métrologique au service de la nanométrologie dimensionnelle

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1 Le microscope à force atomique métrologique au service de la nanométrologie dimensionnelle S. Ducourtieux, B. Poyet, N. Feltin, Y. Boukellal, A. Delvallée Laboratoire national de métrologie et d essais DMSI Pôle de recherche en métrologie avancée, projets multidisciplinaires nanométrologie «Nanométrologie dimensionnelle» sebastien.ducourtieux@lne.fr

2 Plan de l exposé 1 Introduction 2 Présentation du design de l instrument 3 Quelques résultats 6 Conclusions et perspectives

3 Plan de l exposé 1 Introduction 2 Présentation du design de l instrument 3 Quelques résultats 6 Conclusions et perspectives

4 Le nanomètre 1 m 10 cm 1 cm Microscope optique 1 mm 100 µm 10 µm 1 µm 100 nm 10 nm Microscope en champ proche : STM AFM SNOM Microscope électronique : SEM, TEM 1 nm 1 Å

5 Mesure rugosité à partir des images pas de réseau, angle hauteur -profondeur planéité - ondulation distribution en taille de particules dimension fractale CD, rugosité de flanc épaisseur de couche hauteur du motif

6 Définition du mafm mafm : metrological Atomic Force Microscope AFM auquel ont été adjointes des fonctions métrologiques : réalise des mesures dimensionnelles quantitatives associe une incertitude de mesure au résultat de mesurage assure la traçabilité au S.I.

7 Principe de fonctionnement de l AFM Photodiode 4Q P n (x,y,z)

8 Les différentes classes d AFM métrologiques classe C AFM dont la position XYZ est connue grâce à la tension appliquée sur les actionneurs piézo-électriques Etalonnage : en utilisant des étalons de transfert (réseau, marche, ) classe B AFM possédant des capteurs de position (capteurs capacitifs, jauge de contrainte, encodeurs, ). Il existe deux sous catégories : B2 : AFM sans asservissement en position (fonctionnement en boucle ouverte) mais sous vérification des capteurs de position B1 : AFM asservi en position (fonctionnement en boucle fermée) grâce à l information retournée par les capteurs de position Etalonnage : 1. en utilisant des étalons de transfert (réseau, marche, ) 2. en utilisant des interféromètres laser temporairement couplés à l instrument pour étalonner in situ les capteurs de déplacement classe A AFM dont les capteurs de position sont des interféromètres laser intégrés au montage, la traçabilité étant obtenue via la longueur d onde du laser utilisé

9 Les différentes classes d AFM métrologiques classe C AFM dont la position XYZ est connue grâce à la tension appliquée sur les actionneurs piézo-électriques Etalonnage : en utilisant des étalons de transfert (réseau, marche, ) classe B AFM possédant des capteurs de position (capteurs capacitifs, jauge de contrainte, encodeurs, ). - Il les existe différents deux sous instruments catégories : ne sont pas assignés nécessairement à une seule catégorie : cela dépend des technologies utilisées sur chacun des axes de B2 : AFM sans asservissement en position (fonctionnement en boucle ouverte) mais sous balayage vérification des capteurs de position B1 : AFM asservi en position (fonctionnement en boucle fermée) grâce à l information - la retournée catégorie par les décide capteurs des de position efforts d étalonnage à mettre en œuvre et des performances accessibles Etalonnage : 1. en utilisant des étalons de transfert (réseau, marche, ) 2. en utilisant des interféromètres laser temporairement couplés à l instrument pour étalonner in situ les capteurs de déplacement classe A AFM dont les capteurs de position sont des interféromètres laser intégrés au montage, la traçabilité étant obtenue via la longueur d onde du laser utilisé

10 Les différentes classes d AFM métrologiques classe C AFM dont la position XYZ est connue grâce à la tension appliquée sur les actionneurs piézo-électriques Etalonnage : en utilisant des étalons de transfert (réseau, marche, ) AFM possédant des capteurs de position (capteurs capacitifs, jauge de contrainte, encodeurs, ). Il existe deux sous catégories : classe B B2 : AFM sans asservissement AFM métrologique en position (fonctionnement du LNE en boucle ouverte) mais sous vérification des capteurs de position B1 : AFM asservi en position (fonctionnement en boucle fermée) grâce à l information retournée par les capteurs de position Etalonnage : 1. en utilisant des étalons de transfert (réseau, marche, ) 2. en utilisant des interféromètres laser temporairement couplés à l instrument pour étalonner in situ les capteurs de déplacement classe A AFM dont les capteurs de position sont des interféromètres laser intégrés au montage, la traçabilité étant obtenue via la longueur d onde du laser utilisé

11 Traçabilité des mesures

12 Implication pour le développement d un AFM métrologique Objectif pour le métrologue qui développe un AFM métrologique : réduire l incertitude de mesure au maximum tout en se rapprochant le plus possible de la valeur vraie. Valeur vraie : par nature inconnue Résultat de mesure Incertitude de mesure Erreur de mesure : inconnue

13 mafm : état de l art CNRC NPL NPL TUe VSL MIKES MIT PTB LNE KU Leuven NIM NIST PTB DFM ISI-ASCR CMS NIST IMGC METAS NMIJ Nagaoka University 6/10/ journée inaugurale De 1994 du à nos club jours nanométrologie

14 mafm : état de l art CNRC NPL NPL TUe VSL MIKES MIT PTB LNE KU Leuven NIM NIST PTB DFM ISI-ASCR CMS NIST IMGC METAS NMIJ Nagaoka University - AFM 6/10/2011 commercial - journée modifié inaugurale du club nanométrologie - développement intégral

15 Analyse des bilans d incertitude des mafm L analyse des bilans d incertitude des différents instruments révèle que les principales composantes sont liées : 1. aux problèmes thermiques : dilatation (aluminium : dilatation de 24 nm/cm/0.1 C) 2. aux erreurs d Abbe 3. aux erreurs liées à l interférométrie dans l air (dépendance vis à vis de l indice de réfraction de l air, non-linéarité, résolution, stabilité en fréquence, bras mort) => prise en compte lors du design de l instrument

16 Cahier des charges pour l AFM métrologique du LNE fonctionnement à l air ambiant déplacements de 60 µm en XY et 10 µm suivant Z traçabilité au S.I. en utilisant des interféromètres pour mesurer les déplacements XYZ pas de mesure des rotations parasites incertitude sur le positionnement de la pointe par rapport à l échantillon : 1 nm taille maximum des échantillons : 25 mm x 25 mm utilisation dans un premier temps d une tête AFM que le LNE possède déjà

17 Plan de l exposé 1 Introduction 2 Présentation du design de l instrument 3 Quelques résultats 6 Conclusions et perspectives

18 Présentation du mafm le berceau Le berceau en aluminium massif (71 cm x 71 cm x 20 cm, 130 kg) constitue le châssis de l AFMm.

19 Présentation du mafm le berceau

20 Présentation du mafm les interféromètres Détection des déplacements XYZ par interférométrie (2 sources Renishaw RLU têtes interférométriques différentielles RLD 10 DI)

21 Présentation du mafm les interféromètres

22 Présentation du mafm les interféromètres 35 x Orientation à 35 des faisceaux par rapport au plan horizontal

23 x y x y z z sin 35 4 ) ( cos 35 sin 45 4 ) ( cos 35 cos 45 4 ) ( I I I I Z I I I I Y I I I I X Orientation des interféromètres à 35 par rapport au plan horizontal, et à 45 par rapport aux axes X et Y Présentation du mafm les interféromètres

24 Présentation du mafm la platine XYZ Platine de translation XYZ développée en interne Course disponible : 60 µm x 60 µm x 10 µm

25 Présentation du mafm la platine XYZ Que ce soit pour la platine Z, XY ou XYZ (l assemblage des deux platines), les rotations parasites générées ne doivent pas excéder 1 µrad pour limiter les erreurs d Abbe Abbe offset Abbe 1 nm 1µrad 1mm

26 Présentation du mafm la platine XYZ Platine XY : Couplage en série Platine Z :

27 Présentation du mafm le prisme en zerodur 1 Prisme/miroirs en Zerodur (41 mm x 41 mm x 10 mm 28 g) posé isostatiquement sur la platine avec bridage magnétique.

28 Présentation du mafm le prisme en zerodur 1 Prisme/miroirs en Zerodur (41 mm x 41 mm x 10 mm 28 g) posé isostatiquement sur la platine avec bridage magnétique.

29 Présentation du mafm le support échantillon Support échantillon en invar posé sur le prime en Zerodur et bridé magnétiquement

30 Présentation du mafm la partie mobile Au final, la partie mobile sur la platine Z ne pèse que 120 g

31 Présentation du mafm la tête AFM Tête AFM commerciale (PSIA XE-100) entièrement fixe

32 Présentation du mafm prisme en zerodur 2 Prisme/miroirs en Zerodur lié à la tête AFM.

33 Présentation du mafm prisme en zerodur 2

34 Présentation du mafm la tête AFM

35 Présentation du mafm la tête AFM Tête AFM provisoire : utilisation d une tête AFM Park Systems (XE-100) modifiée

36 Présentation du mafm protection des faisceaux Les faisceaux sont entièrement protégés de l interféromètre jusqu aux miroirs Protection des interféromètres par des caissons => système de détection très stable

37 Présentation du mafm le berceau

38 Présentation du mafm la table antivibratoire Table antivibratoire

39 Présentation du mafm Berceau posé isostatiquement sur la table antivibratoire

40 L environnement du mafm Salle blanche (classe 1000), stabilisée en température (20 C +/ C sur une heure, 0.1 C sur la journée) et en hygrométrie (50 % +/- 5%), massif antivibratoire de 35 T suspendu sur pots à air et dissocié du bâtiment, plancher flottant, salle de contrôle séparée, aucune source de chaleur, faible bruit acoustique.

41 Contrôleur du mafm

42 Plan de l exposé 1 Introduction 2 Présentation du design de l instrument 3 Quelques résultats 6 Conclusions et perspectives

43 Stabilité thermique Température de la salle Mise en température du montage : heures Température du montage Variation de T de la salle : 0,010 K / heure Stabilité de la T dans les cavités : K / heure

44 Stabilité de la chaine de mesure de position Mesures de positions par interférométrie Calcul de la position X,Y et Z Stabilité de la mesure de position XYZ : 0.1 nm / heure

45 Déplacement et niveau de bruit

46 Synthèse des performances atteintes Niveaux de bruit et dérives typiquement atteints dans l état actuel du montage pour la mesure de position par interférométrie. Resolution (nm) Raw signal Open loop Noise level (nm p-p) Closed khz Drift (nm/h) Interferometer < 1 X axis < 0.1 Y axis < 0.1 Z axis < LSB (60 µm sur 16 bit)

47 Image en tension Image en tension Image d un réseau VLSI (Surface Topography Standard) Pas : 1.8 µm Hauteur de marche : 44 nm Durée d acquisition : 11 heures

48 Image données interférométriques Image en tension Image avec position XYZ donnée par les interféromètres

49 Profil de la dérive

50 Image redressée par traitement d image Image avec position XYZ donnée par les interféromètres Image redressée (soft)

51 Extraction du pas du réseau 9 pas = nm => pas = 1802 nm

52 Détermination de la hauteur de marche du réseau

53 Confrontation des résultats Pas du réseau (µm) Hauteur du réseau (nm) Sur la mesure de pas de réseau Sur la mesure de hauteur de marche Certificat d'etalonnage AFM métrologique Veeco Veeco Certificat d'etalonnage AFM métrologique Veeco Veeco Pas du réseau Valeur Incertitude U P (k=1) Hauteur de marche Valeur Incertitude U P (k=1) Certificat d étalonnage µm 23 nm 41.2 nm 0.7 nm AFM métrologique µm À évaluer nm À évaluer

54 Plan de l exposé 1 Introduction 2 Présentation du design de l instrument 3 Quelques résultats 6 Conclusions et perspectives

55 Conclusions Conclusions : il y a encore beaucoup de travail! Le mafm est fonctionnel Le montage doit être caractériser entièrement : modélisation du système bilan d incertitude Une tête AFM adaptée à l instrument reste à développer : chaine métrologique optimisée sans source de chaleur Organisation d une comparaison internationale

56 Perspectives d évolution du mafm Accroître la gamme de déplacement : long range mafm Passage au 3D : 3D mafm Accroître la vitesse de balayage : high speed mafm Élargir le champ d application à d autres grandeurs (force, électriques, magnétiques par exemple) en fonctionnalisant la tête AFM

57 Quelques publications : AFM métrologique : S. Ducourtieux and B. Poyet, Development of a metrological atomic force microscope with minimized Abbe error and differential interferometer-based real-time position control, Measurement Science and Technology 22 (2011) Benoit Poyet : Conception d un microscope à force atomique métrologique, thèse de doctorat de l Université de Versailles Saint Quentin en Yvelines, 8 juillet Platine de translation : S. Ducourtieux, B. Poyet et J.M. David, «Precision Positionning Device» Patent # (4 novembre 2010) B. Poyet, S. Ducourtieux, J. David, L. Lahousse, S. Leleu, Development of a new high guidance quality XYZ flexure scanner for the LNE metrological AFM, proceedings of Nanoscale 2008 B. Poyet, S. Ducourtieux, J. David, L. Lahousse, S. Leleu, «Development of a new XY flexure translation stage with high guidance quality for the LNE metrological AFM», proceedings of the 8 th EUSPEN International conference, Zurich, may 2008.

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