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RÉSUMÉ
Cet article décrit le contexte du développement et la mise en œuvre d’un microscope à force atomique métrologique. C’est un instrument de référence, traçable au système international d’unités et dédié à la pratique de la nanométrologie dimensionnelle. Sa conception spécifique permet de maîtriser l’incertitude de mesure. Il est principalement utilisé pour l’étalonnage des étalons couramment employés dans le domaine de la microscopie en champ proche ou de la microscopie électronique.
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This article describes the context of the development and implementation of a metrological atomic force microscope. It is a device of reference, traceable to the International System of units and dedicated to the practice of dimensional nanometrology. Its specific design allows for controlling measurement uncertainty. It is mainly used for the calibration of standards normally used in the field of scanning probe microscopy or scanning electron microscopy.
Auteur(s)
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Sébastien DUCOURTIEUX : Ingénieur de recherche en nanométrologie - Laboratoire national de métrologie et d’essais (LNE), pôle de recherche en métrologie avancée, équipe nanométrologie, Trappes, France
-
Benoît POYET : Ingénieur de recherche en nanométrologie - Laboratoire national de métrologie et d’essais (LNE), pôle de recherche en métrologie avancée, équipe nanométrologie, Trappes, France
INTRODUCTION
Cet article décrit le contexte du développement et la mise en œuvre d’un microscope à force atomique métrologique. C’est un instrument de référence, traçable au Système international d’unités et dédié à la pratique de la nanométrologie dimensionnelle. Sa conception spécifique permet de maîtriser l’incertitude de mesure. Il est principalement utilisé pour l’étalonnage des étalons couramment employés dans le domaine de la microscopie en champ proche ou de la microscopie électronique.
This article describes the context of the development and the implementation of a metrological atomic force microscope. This is a reference instrument traceable to the International System of Units and dedicated to the practice of dimensional nanometrology. Its specific design allows a control of the measurement uncertainty. It is mainly used for the calibration of standards usually employed in the field of scanning probe microscopy or scanning electron microscopy.
microscopie à force atomique, nanométrologie dimensionnelle, état de l’art, traçabilité, SI, étalon.
atomic force microscopy, dimensional nanometrology, State of the art, traceability, SI, standard.
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5. AFM métrologique du LNE
Depuis 2007, le LNE (Laboratoire national de métrologie et d’essais), qui est l’Institut National de Métrologie français, développe son propre AFM métrologique. Cet instrument de référence permettra à terme de proposer, en France, des solutions d’étalonnage pour les structures de référence utilisées principalement en microscopie champ proche mais aussi en microscopie électronique. Le LNE a choisi de développer intégralement ce mAFM afin de rester maître des choix de conception qui conditionnent la maîtrise de l’incertitude de mesure.
5.1 Cahier des charges de l’AFM métrologique du LNE
Ce mAFM est dédié à la mesure dimensionnelle de haute exactitude et à l’étalonnage d’étalons de transfert de dimensions maximales 25 mm x 25 mm x 7 mm. Afin de réaliser des mesures dimensionnelles directement traçables, il met en œuvre des interféromètres dont la source laser est étalonnée en longueur d’onde. Ces interféromètres mesurent en temps réel la position relative de la pointe par rapport à l’échantillon. Ainsi, pour chaque point de l’image topographique, les coordonnées XYZ sont raccordées au SI. La gamme de déplacement est 60 µm x 60 µm x 15 µm suivant les axes XYZ. L’incertitude recherchée pour la mesure de la position relative de la pointe par rapport à l’échantillon est de l’ordre du nanomètre. Cette incertitude ne prend pas en compte les contributions liées à la pointe (forme de la pointe, interaction pointe/surface, déformation de la pointe ou de la surface, usure...). La conception de cet instrument a pour objectif principal de réduire les principales sources d’incertitudes couramment constatées sur ce type d’instrument. Ainsi, elle s’organise autour de quatre axes principaux : (i) la minimisation de l’erreur d’Abbe, (ii) l’optimisation des mesures interférométriques réalisées dans l’air, (iii) la maîtrise des effets thermiques durant la mesure et (iv) l’optimisation de la chaîne métrologique. L’ensemble de ces contributions est regroupé dans un bilan d’incertitude qui caractérise pleinement l’AFM métrologique et qui permet de calculer l’incertitude de mesure associée à cet instrument. L’étude complète de cet instrument de référence national a fait l’objet d’une...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - The Royal Society & The Royal Academy of Engineering - Nanoscience and nanotechnologies : opportunities and uncertainties - http://www.nanotec.org.uk/finalReport.htm (juillet 2004).
-
(2) - TODUA (P.-A.) - Metrology and standardization in nanotechnologies and the nanoindustry - Meas. Tech. Vol 51, N° 5, 462-469 (2008).
-
(3) - SCHRURS (F.), LISON (D.) - Focusing the research efforts - Nature Nanotechnology, vol. 7 (septembre 2012).
-
(4) - Nanometrology - Smart Materials Bulletin, vol. 4, 7-10 (avril 2002).
-
(5) - Bureau international des poids et mesures (BIPM) - Le Système international d’unités - 8e édition (2006).
-
(6) - * - Comptes Rendus de la 17e CGPM (1983), 97 (1984).
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