10 janvier 2019

Le LNE et le C2N collaborent pour le développement d’un étalon de transfert à l’échelle nanométrique

Le LNE a développé, en collaboration avec le Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (C2N), un prototype d’étalon de transfert à l’échelle nanométrique qui permet d’étalonner des microscopes (MEB et AFM) par rapport au mètre du Système international d’unités.

Des mesures à l'échelle nanométrique

Représentation 3D d’une image AFM du P900H60

Dans de nombreux secteurs industriels (semi-conducteurs, énergie, santé, capteurs…), l’innovation fait appel à la miniaturisation : micro- et nano-technologies. Cela nécessite de pouvoir corréler les mesures dimensionnelles aux propriétés nouvelles apparaissant à ces échelles, tout en établissant un système qualité ad hoc permettant de reproduire à l’échelle industrielle ces structures de tailles réduites avec un haut degré de reproductibilité. Des mesures dimensionnelles fiables et comparables sont ainsi indispensables aux différents acteurs impliqués sur ces sujets, académiques comme industriels.

De par leurs performances, les microscopes à force atomique (AFM) et électroniques à balayage (MEB) constituent des techniques privilégiées pour caractériser les dimensions de nanostructures, des états de surface (rugosités,…), des épaisseurs de couche mince, la hauteur ou encore la profondeur de motifs nanométriques.

Pyramide traçabilité

L’établissement d’un lien entre les mesures réalisées à l’échelle du nanomètre et la définition du mètre SI (Système international d’unités) constitue une condition indispensable à l’obtention de données comparables. A ce jour, peu de solutions existent cependant pour étalonner des microscopes dans cette gamme de taille. Les utilisateurs sont amenés pour l’instant à réaliser l’étalonnage de leurs instruments avec des réseaux périodiques de motifs micrométriques, qui sont inadaptés pour réaliser ensuite des mesures à l’échelle du nanomètre. Différents outils permettant la mise en place de cette traçabilité métrologique doivent donc être développés.

Une traçabilité assurée par l'AFM métrologique

Ce lien indispensable entre la mesure à l’échelle du nanomètre et la réalisation primaire du mètre (laser stabilisé en fréquence) est rendu possible par la mise en œuvre d’un AFM dit métrologique (mAFM). Sur cet instrument de référence la position de la pointe par rapport à l’échantillon est déterminée de façon très précise par des interféromètres laser dont la longueur d’onde est elle-même étalonnée par rapport au laser de référence stabilisée en fréquence. L’AFM métrologique permet ainsi d’étalonner les caractéristiques dimensionnelles d’étalons de transfert (notamment des structures présentant des motifs périodiques et des hauteurs de marche maitrisées).

mAFM

Le LNE a développé au cours des dernières années, au titre de ses missions d’Institut National de Métrologie français, son propre AFM métrologique, mettant ainsi à disposition des acteurs français, un moyen d’étalonnage national pour ce type de propriétés avec une incertitude de l’ordre du nanomètre. Les étalons de transfert sont ensuite utilisés pour étalonner les MEB et AFM, les rendant ainsi traçables au mètre SI pour la mesure dimensionnelle.

C’est dans cette optique que le LNE a développé, en collaboration avec le Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies - C2N (CNRS/Université Paris-Sud), un étalon de transfert à l’échelle nanométrique, le P900H60. Cet étalon prend la forme d’un réseau périodique 2D. Il est ainsi possible d’en extraire à la fois une valeur moyenne du pas de réseau permettant l’étalonnage des instruments suivant les axes X et Y (AFM et MEB) et une valeur de la hauteur de marche moyenne pour l’étalonnage suivant l’axe Z (AFM). La détermination de ces dimensions caractéristiques par l’intermédiaire de l’AFM métrologique du LNE permettra ainsi de leurs associer des valeurs certifiées avec les incertitudes correspondantes, qui pourront ainsi servir de référence aux utilisateurs.

La mise au point d'un étalon de référence

L’étalon P900H60 est constitué d’un réseau gravé sur une surface de 250 µm x 250 µm au centre d’un substrat de silicium de 10 mm x 5 mm. Le réseau est facilement localisable grâce à un système de repérage dédié sous forme de flèches de taille décroissante permettant une localisation rapide de la zone à observer pour s’adapter aux différents instruments de mesure. Il est réalisé à l’aide d’un masqueur électronique du C2N (écriture directe par un faisceau d’électrons de quelques nanomètres de diamètre) dans un polymère qui sert de masque lors du transfert dans le silicium par gravure sèche. Le pas de réseau nominal est de 900 nm (suivant les axes X et Y) et la hauteur nominale de 60 nm. Les incertitudes typiquement fournies pour le pas de réseau est de ± 2 nm (k=2) et de ± 1 nm (k=2) pour la hauteur de marche.

En janvier 2018, afin de poursuivre le développement et la fabrication de ces réseaux prototypes, le CNRS et le LNE ont signé un accord de collaboration pour le développement de tels types de dispositifs. Ainsi le LNE pourra continuer de bénéficier de l’appui et de l’expertise de la centrale du C2N, la plus grande centrale de technologie du réseau Renatech®.

Club nanoMétrologie

Le développement de cet étalon de transfert s’inscrit dans la continuité des actions du Club nanoMétrologie (CnM), crée en 2011, qui fait l’objet d’une convention de partenariat entre le LNE et le CNRS représenté par l’UPS C’Nano. Le CnM compte aujourd’hui près de 400 adhérents dont 30% d’industriels. Parmi ses actions, il anime plusieurs groupes de travail autour de la nanométrologie dont l’un se concentre sur la traçabilité des mesures à l’échelle nanométrique et notamment la définition des besoins en étalons de transfert et matériaux de référence.

En savoir plus

L'institut LNE-Nanotech

Le Centre de nanosciences et nanotechnologies (C2N)

Le Club nanoMétrologie

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