Contribution to the development of metrological atomic force microscope (mAFM) : design of a metrological AFM head and metrological caracterization of the instrument
Contribution à la mise en place d’un microscope à force Atomique métrologique (mAFM) : Conception d’une tête AFM métrologique et caractérisation métrologique de l’instrument.
Résumé
Scanning probe microscopes are very well used for characterization at the manometer scale. To ensure the measurement coherency and the accuracy of the results, those microscopes need to be periodically calibrated. It’s done thanks to reference standards whose dimensional characteristics are measured by a metrological atomic force microscope (mAFM) for example.The aim of this thesis work is the improvement of the metrological AFM of the LNE in order to reduce the measurement uncertainty. To reach this goal, a thermally passive AFM head has been developed and integrated on the instrument. It contains an original system to measure the cantilever deflexion and thus detect the force acting between the sample and the tip. This system is based on the optical beam deflection method but allow deporting the heat sources outside the instrument. To reach this goal, a new specific sensor has been developed. It is based on a four quadrant optic fibre bundle that contains 40 000 micro-fibre and which is ideal to replace the existing four quadrant photodiode and its conditioning electronic circuit with the bundle and its conditioning electronic circuit placed outside the instrument. This sensor has been modelled, and experimentally validated.The Developed AFM head which integrates the deflection measurement system is then thermally passive. Its design is based on the complete dissociation of the metrological loop and the structural loop. The metrological loop is made of Zerodur® in other to acquire an excellent mechanical and thermal stability and thus reduce the thermal dilatation. For the same reason, the AFM head support frame is fully made of Invar. The AFM head is placed on a motorized frame based on three piezo-leg motors (tripod) to make the tip/sample approach but also to set the interferometer signal quality. The interferometer signal is improved by combining the linear displacements of the three motors to generate small rotations. This allows setting the parallelism of the mirrors linked to the head with those linked to the translation stage.Once the AFM head integrated on the instrument, the assembly is characterized in order to establish the uncertainty budget. Different uncertainty components have been experimentally evaluated as for example: the interferometer non linearity, the drift of the XYZ position, the parasitic rotations of the translation stage, the Abbe error, the roughness and the flatness of the mirrors and the dead path errors. The impact of the each component has been quantified and listed in the uncertainty budget. This allowed getting a first estimation of the combined uncertainty of the instrument.
Les microscopes en champ proche sont très largement utilisés pour caractériser des propriétés physiques à l’échelle du nanomètre. Afin d’assurer la cohérence et l’exactitude des mesures dimensionnelles qu’ils retournent, ces microscopes ont besoin d’être étalonnés périodiquement. Le raccordement à la définition du mètre SI est assuré par le biais d’étalons de transfert dont les caractéristiques dimensionnelles sont étalonnées à l’aide d’un Microscope à Force Atomique métrologique (mAFM).Les travaux de thèse portent sur la contribution à la mise en place du Microscope à Force Atomique métrologique du LNE dans le but de caractériser et réduire l’incertitude de mesure. Une tête AFM passive thermiquement et spécifiquement conçue pour des applications de nanométrologie dimensionnelle a été développée et intégrée au mAFM. Elle comporte un système original pour mesurer les déflexions du levier nécessaire à la détection des forces s’exerçant à l’extrémité de la pointe. Il utilise une évolution de la méthode du levier optique qui permet de déporter les sources de chaleurs à l’extérieur de l’instrument. Pour cela, un nouveau capteur a été développé. Il est basé sur l’utilisation d’un bundle composé de 40 000 microfibres optiques structurées en quatre quadrants. Il remplace avantageusement une photodiode quatre quadrants et permet de transporter le signal lumineux jusqu’à des photodiodes placées à l’extérieur de l’instrument. Ce système a été modélisé, caractérisé et validé expérimentalement. La tête AFM ainsi développée est passive thermiquement. Sa conception repose sur la dissociation complète de la chaine métrologique, constituée en Zerodur, afin de lui conférer une excellente stabilité thermique et mécanique. Pour les mêmes raisons, le châssis de la tête qui supporte l’ensemble des composants et notamment le système de mesure des déflexions du levier est entièrement conçu en Invar. Cette tête repose sur une structure motorisée constituée de trois moteurs à reptation permettant l’approche de pointe mais également le réglage des interféromètres. Après intégration de la tête dans le mAFM, l’ensemble de l’instrument a été caractérisé afin d’établir son bilan d’incertitude. Plusieurs composantes ont ainsi été évaluées expérimentalement comme la non-linéarité et la stabilité de la mesure de position par interférométrie, les rotations parasites du scanner, les erreurs d’Abbe, les défauts de rugosité et de planéité des miroirs ainsi que les erreurs de bras mort. L’impact de chaque composante a été quantifié et listé dans le bilan d’incertitude. Ces travaux ont permis d’avoir une première estimation de l’incertitude de mesure du mAFM.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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