Résumé de la thèse

Les microscopes en champ proche sont très largement utilisés pour caractériser des propriétés physiques à l’échelle du nanomètre. Afin d’assurer la cohérence des mesures dimensionnelles et l’exactitude des résultats mesurés, ces microscopes ont besoin d’être étalonnés périodiquement. Ce raccordement à la définition de l’unité de longueur est assuré par le biais d’étalons de transfert dont les caractéristiques dimensionnelles peuvent être mesurées à l’aide d’un microscope à force atomique métrologique.

Les travaux réalisés au cours de cette thèse ont pour but de développer en France le premier microscope à force atomique métrologique (AFM) capable d’étalonner ces échantillons de référence. Il s’agit d’un AFM dont les courses disponibles sont de 60 µm dans le plan horizontal et 15 µm suivant l’axe vertical. Les mesures de la position relative de la pointe AFM par rapport à l’échantillon sont réalisées à l’aide d’interféromètres différentiels dont la longueur d’onde est étalonnée afin d’assurer un raccordement direct à la définition du mètre étalon. Les incertitudes de mesure de la position de la pointe par rapport à l’échantillon sont de l’ordre du nanomètre.

Cet instrument est conçu de façon à minimiser l’impact des principales contributions qui dégradent le processus de mesure. Quatre axes de développement concourent à cet objectif :

–       la minimisation de l’erreur d’Abbe par le développement d’une platine de guidage en translation à lames flexibles dont les rotations parasites sont de l’ordre du microradian sur l’ensemble de la gamme de déplacement ;

–       l’optimisation de la chaîne métrologique ;

–       l’optimisation des mesures interférométriques réalisées dans l’air ambiant afin de réduire leur sensibilité à l’indice de réfraction ;

–       la réduction des effets thermiques sur le processus de mesure d’une façon générale, et sur la chaîne métrologique plus particulièrement.

Des résultats expérimentaux valident les choix de conception qui ont été faits et permettent de dresser un bilan d’incertitude prévisionnel pour la mesure de la position relative de la pointe AFM par rapport à l’échantillon.

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