FR2703448A1 - Standard de calibration. - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un standard pour l'étalonnage ou la calibration d'appareils tels que des microscopes à champ proche, en particulier des microscopes à force atomique, des microscopes électroniques, des microscopes optiques, des interféromètres ou similaires utilisés comme outils d'imagerie et de métrologie pour l'observation et la caractérisation de micro ou de nanostructures en particulier pour l'étude des topographies de surfaces. Le standard selon l'invention est constitué par une structure polymérique ou la réplique de cette structure, se présentant sous forme d'une succession régulière de paliers (1) formant marches, lesdits paliers affectant en section transversale la forme d'au moins un escalier. Application: étude des topographies de surface.

Description

Standard de calibration.

La présente invention concerne un standard de calibration pouvant encore être appelé étalon ou objet de référence ou objet-test destiné en particulier à la calibration d'outils de métrologie utilisés pour la caractérisation et l'analyse des topographies de surfaces.

L'analyse des surfaces de structures diverses s'est largement développée ces dernières années en raison, premièrement, de l'apparition de structures artificielles à l'échelle du nanomètre pour lesquelles cette caractérisation des surfaces constitue une étape essentielle, d'une part pour le contrôle et la fabrication de ces structures, d'autre part pour en comprendre les propriétés physiques, deuxièmement, de l'apparition de nouveaux appareils de caractérisation de surfaces, notamment les microscopes à champ proche dont les plus répandus sont le microscope à effet tunnel (STM) et le microscope à force atomique (AFM). On constate aujourd'hui que les outils mis à disposition des laboratoires ou des industriels pour caractériser ce type de surfaces présentent encore un certain nombre d'inconvénients notamment en raison de la difficulté de calibration de ces appareils. En effet, les appareils de caractérisation de ces topographies de surfaces sont essentiellement constitués par les microscopes électroniques à balayage, les microscopes électroniques à transmission après fabrication d'une réplique de la surface, les microscopes optiques, les palpeurs mécaniques, les interféromètres, les microscopes à champ proche dont le STM et l'AFM, etc...

L'analyse et la reconstitution ou imagerie de la topographie d'une surface est une mesure tridimensionnelle à l'échelle nanométrique ou micrométrique. Elle nécessite de calibrer l'appareil utilisé en particulier suivant l'axe Z perpendiculaire à la surface étudiée.

Or, les techniques actuellement utilisées pour la calibration de ces appareils consistent soit en des méthodes d'interférométrie lourdes à mettre en oeuvre et qui sont réalisées uniquement au niveau des fabricants des appareils de microscopie et ne peuvent pas être reproduites ou que très difficilement dans le laboratoire utilisateur de l'appareil, soit en des objets tests ou objets de référence encore appelés étalons. Ces objets standards peuvent être constitués par des billes métalliques, des billes de latex, des réseaux optiques gravés, des réseaux constitués d'une succession de creux et de bosses parfaitement définis obtenus par des techniques de nanolithographie.

Ces standards présentent un certain nombre d'inconvénients. En effet, bien qu'ils permettent une bonne calibration pour les axes X et Y parallèles à la surface étudiée, ils n'offrent pas une précision suffisante en Z de l'ordre de dix angstroms. En outre, il ne permettent de réaliser une calibration que pour une seule hauteur correspondant à un seul point de fonctionnement ainsi calibre, ce qui réduit le domaine d'utilisation quantitative de l'appareil ainsi calibre.

Le but de la présente invention est donc de proposer un standard pour la calibration d'appareils utilisés comme outils métrologiques du type précité à partir duquel il est possible de calibrer l'appareil pour une plage de mesure importante avec une précision de l'ordre de dix angströms pour chaque mesure réalisée.

Un autre but de la présente invention est de proposer un procédé de fabrication d'un tel standard qui soit parfaitement reproductible, c'est-à-dire ne nécessitant pas au stade de la fabrication le moindre contrôle dimensionnel du standard obtenu, et ce à faible coût.

A cet effet, l'invention a pour objet un standard pour l'étalonnage ou la calibration d'appareils tels que des microscopes à champ proche, en particulier des microscopes à force atomique, des microscopes électroniques, des microscopes optiques, des interféromètres ou similaires utilisés comme outils d'imagerie et de métrologie pour l'observation et la caractérisation de micro ou de nanostructures, en particulier pour l'étudie des topographies de surfaces, caractérisé en ce qu'il est constitué par une structure polymérique ou la réplique de cette structure, se présentant sous forme d'une succession régulière de paliers formant marches, lesdits paliers affectant en section transversale la forme d'au moins un escalier.

Les paliers formant marches sont conformes lors du réarrangement moléculaire des polymères d'une matrice se présentant sous forme d'un film solide d'épaisseur variable déposé sur un substrat et obtenu par évaporation du solvant d'une solution de polymères, ce réarrangement étant réalisé par chauffage puis refroidissement dudit film.

De préférence, les paliers présentent au moins une dimension, hauteur et/ou largeur, identique ou similaire d'un palier à un autre. Ainsi, selon une seconde forme de réalisation préférée de l'invention, les paliers sont des disques concentriques de diamètre décroissant linéairement avec leur hauteur, définissant ainsi des marches de hauteur constante et de largeur constante.

L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un standard, caractérisé en ce qu'on prépare une solution à base d'au moins un copolymère formé de l'association chimique de deux chaînes polymériques d'espèces différentes et de longueurs identiques ou voisines et d'un solvant de ces polymères, en ce qu'on étale sous forme d'une couche d'épaisseur variable la solution sur un substrat plan, en ce que, simultanément ou postérieurement, on évapore le solvant de manière à obtenir un film solide d'épaisseur non constante sur toute la surface, en ce qu'on chauffe le film solide à une température supérieure à la température de transition vitreuse de chacun des polymères constituant le copolymère de manière à obtenir lors du refroidissement une surface affectant la forme d'un escalier dont chaque marche est la résultante de la variation d'épaisseur du dépôt initial du film solide.

L'invention concerne enfin un procédé de calibration de microscopes à champ proche à partir du standard, objet de l'invention, caractérisé en ce qu'on place le standard sous l'appareil devant être calibré de manière à obtenir une image de la topographie de la surface du standard, en ce qu'on mémorise, pour chaque variation de distance a Z entre la sonde et le plan de référence défini par le substrat, la variation de tension A V correspondante de manière à reconstituer la courbe d'étalonnage non linéaire Z = f (V), où Z est la somme de toutes les variations de distance A Z précédentes et V le point de fonctionnement de l'appareil.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore à la lecture de la description qui suit et des dessins joints, lesquels description et dessins sont donnés surtout à titre d'exemple. Dans ces dessins
la figure 1 représente une demi-vue en perspective d'un
standard conforme à l'invention disposé dans un repère
trigonométrique,
la figure 2 représente l'image d'un standard à symétrie
radiale obtenue par microscopie à force atomique et
la figure 3 représente l'image d'un autre standard
également obtenue par microscopie à force atomique.

Le standard ou étalon ou objet test ou encore objet de référence de l'invention est destiné à être utilisé pour des appareils de création récente tels que le microscope à force atomique. De tels appareils sont généralement utilisés pour caractériser la surface de micro ou nanostructures. Les applications de telles structures artificielles micrométriques ou nanométriques ne sont pas encore complètement connues bien que l'on sache déjà qu'elles donnent naissance à une ère nouvelle dans le domaine de l'électronique. Cependant, pour pouvoir les produire en grandes quantités et les rendre utilisables industriellement, il convient de disposer d'outils permettant leur mesure tridimensionnelle lors de la fabrication afin de contrôler le bon déroulement du procédé de fabrication. Les outils de mesure que constituent aujourd'hui les microscopes à champ proche ou microscopes à force atomique ainsi que les microscopes électroniques à balayage ou les microscopes optiques ne peuvent être utilisés de manière optimale que lorsque la calibration est réalisée dans de bonnes conditions. Hors la calibration suivant l'axe des Z qui permet de mesurer l'épaisseur, le relief et la topographie quantitatifs des échantillons observés demeurent un problème.

Le standard, objet de l'invention et représenté à la figure 1, remédie à cet inconvénient grâce à sa configuration sous forme d'escalier dans lequel chaque marche présente une hauteur h connue à + 10 . On peut espérer dans l'avenir réduire encore cette plage d'imprécision. Lors de la fabrication d'un tel standard, sous réserve que les conditions opératoires de mise en oeuvre du procédé soient parfaitement respectées et identiques d'un standard à un autre, on constate que la hauteur h est reproductible d'un échantillon à un autre, ce qui rend particulièrement intéressant le procédé de fabrication de ce standard. Dans l'exemple représenté à la figure 1, chaque marche correspond à une variation A Z déterminée. Il suffit donc pour la calibration d'un appareil de passer d'une marche à une autre et de mémoriser pour chaque marche la variation observée du signal de mesure délivré par l'appareil. Du fait que A Z est identique pour chaque marche, les défauts de linéarité de la réponse de l'appareil apparaissent immédiatement. Pour obtenir une telle construction parfaitement reproductible et ce à une échelle suffisamment faible de l'ordre du nanomètre, on procède, par exemple, de la manière suivante.

On prépare une solution à base d'au moins un copolymère formé par l'association d'au moins deux polymères de longueurs de chaînes moléculaires identiques ou dans un rapport déterminé et d'un solvant desdits polymères. Les copolymères utilisés dans la solution sont généralement des copolymères à réarrangement lamellaire, c'est-à-dire susceptibles de s'ordonner spontanément en une structure lamellaire, tels que par exemple des copolymères diblocs symétriques ou séquencés multiblocs. Le solvant utilisé est quant à lui par exemple un solvant organique tel que du toluène. Le copolymère utilisé peut à titre d'exemple être un copolymère symétrique polystyrène/polyméthylmétacrylate, ou un copolymère symétrique polystyrène/polybutylmétacrylate, ou un copolymère symétrique polystyrène/polyvinylpyrolidone, etc...

L'épaisseur finale du film dont les variations détermineront la géométrie des marches est fonction de la concentration du polymère dans la solution. En effet, cette concentration agit pour plusieurs raisons, par exemple viscosité ou taux d'évaporation du solvant, sur l'épaisseur du film solide obtenu.

Dans une seconde étape du procédé, on étale la solution sur un substrat. L'étalement de la solution sous forme de couche formant par la suite un film solide est réalisé de manière telle qu'il permet d'obtenir une couche d'épaisseur variable.

Les variations d'épaisseur de cette couche sont la résultante de la géométrie des mouvements convectifs imprimés au liquide et/ou au gaz en contact avec celui-ci pendant l'évaporation et/ou de la géométrie des gradients thermiques appliqués au substrat solide et à l'air, et/ou des instabilités d'empilement du film spontanées ou provoquées par une sollicitation mécanique, hydrodynamique ou gravitationnelle pendant le recuit. Le substrat sur lequel est déposé la solution doit présenter une surface très plane. A titre d'exemple, ce substrat peut être constitué d'une couche de silicium. La solution peut être étalée par diverses techniques. On peut à titre d'exemple citer le procédé par "SPIN COATING" qui consiste à réaliser un étalement forcé de la solution par rotation. La goutte s'étale sous l'action de la force centrifuge sur le substrat et le solvant s'évapore simultanément ou postérieurement. On obtient alors, pour une vitesse de rotation convenable, un film solide d'épaisseur hétérogène. On constate que plus la vitesse de rotation est importante, plus l'épaisseur du film sera faible. Ce deuxième paramètre permet donc là encore de faire varier la configuration finale du standard. Ainsi, grâce uniquement à des variations de la concentration des polymères et de la vitesse de rotation, on obtient un grand nombre de possibilités de réalisation qui offrent au standard la possibilité d'être utilisé pour un grand nombre d'applications. Cette deuxième étape du procédé peut être également réalisée par une technique dite technique d'évaporation lente. Cette technique consiste à disposer le substrat à travers la surface libre d'une solution de copolymère et de solvant contenue dans un récipient. Le substrat est ensuite progressivement extrait du récipient à des vitesses variables de manière à faire varier l'épaisseur du film obtenu par variation de la vitesse d'évaporation.

Ensuite, indépendamment de la technique d'étalement utilisée, le film d'épaisseur variable obtenu est chauffé à une température supérieure à la température de transition vitreuse du copolymère. La fusion de ce dernier entraîne une réorganisation sous forme lamellaire, lesdites lamelles étant disposées parallèles à la surface plane du substrat solide.

L'épaisseur (h) de chaque lamelle est imposée par des contraintes thermodynamiques. On obtient ainsi une structure se présentant sous forme de n lames appelées ci-dessus paliers et/ou marches généralement d'épaisseurs ou hauteurs (h) identiques.

Dans les étapes ultérieures, plusieurs solutions peuvent alors être envisagées. On peut soit utiliser la structure telle quelle comme standard. On peut également prévoir une étape de stabilisation mécanique de la surface dudit standard. Une technique classique la plus utilisée pour stabiliser cette surface consiste soit en une métallisation par évaporation sous vide, le métal devant dans ce cas présenter une granulométrie faible et être déposé sous forme d'une couche fine. A titre d'exemple, on peut utiliser une couche fine d'épaisseur égale à 100 Â d'un mélange platine carbone 20 80. Ce dépôt a en outre l'avantage d'être conducteur, ce qui permet son utilisation en microscopie à effet tunnel (STM). Ce dépôt permet également de modifier les propriétés de réflexion de la surface du standard ce qui permet son utilisation pour le calibrage de microscopes optiques ou d'interféromètres fonctionnant en réflexion. On peut également utiliser comme polymères des espèces polymérisables, par exemple, par polymérisation photoinduite, que l'on peut donc polymériser après fabrication des structures en vue d'obtenir une meilleure résistance mécanique et une meilleure stabilité thermodynamique.

On peut également, en raison d'applications particulières dudit standard, décider d'utiliser la structure obtenue comme moule en déposant une matière de moulage quelconque sur ladite surface du standard. On démoule par la suite cette matière et on utilise cette matière qui constitue une contre-empreinte du standard. Dans le cas où le standard affecte la forme d'un ziggourat, bien évidemment la réplique obtenue affectera la forme d'une cuvette.

Les formes de standard obtenues grâce au procédé de fabrication décrit ci-dessus sont particulièrement régulières et entièrement reproductibles d'un échantillon à un autre. La figure 3 montre un exemple de réalisation d'un standard en forme d'escalier de type pyramidal dans lequel la hauteur h d'une marche est de l'ordre de 300 Â + 5 , chaque marche présentant une hauteur identique. La largeur des marches y1 est quant à elle variable d'une marche à une autre. Dans l'exemple représenté, elle est de l'ordre de 5 microns. La plage en Z sur laquelle le standard peut travailler est d'environ un micron. Dans l'exemple de la figure 1, elle est de 250 nanomètres. Il est également possible, sous réserve d'utiliser un copolymère approprié et un procédé de fabrication adapté, d'obtenir une disposition conforme à la figure 2 dans laquelle à la fois la hauteur h de l'ordre de 300 angströms et la largeur y1 voisine de 1 micron des marches sont constantes. Ce standard, affectant une forme de ziggourat, peut permettre une calibration suivant les axes X,
Y, Z. Bien évidemment, des formes moins régulières peuvent également être utilisées comme standard.

La calibration d'appareils de mesure telle que les microscopes cités précédemment s'effectue de la manière suivante : on place l'objet standard sous l'appareil de manière à obtenir une image de la topographie de la surface dudit objet. On franchit progressivement chaque marche qui correspond à un A Z connu et on mémorise à chaque fois le A Z dans l'appareil et la variation de tension correspondante sur l'appareil. On obtient ainsi une courbe d'étalonnage permettant, par rapport à une variation de tension et un point de fonctionnement V donnés, d'identifier la variation d'épaisseur correspondante.

Cette méthode d'étalonnage est particulièrement importante dans le cas d'appareils où la courbe n'est pas une courbe linéaire comme c'est le cas dans les microscopes à force atomique où la variation du signal de mesure qui résulte de la déformation de tubes piézo-électriques ntest pas une fonction linéaire du déplacement de la sonde. Pourtant, la technique de la microscopie à force atomique est particulièrement intéressante car elle permet de caractériser des surfaces non conductrices et permet de réaliser des mesures tridimensionnelles à l'échelle nanométrique. Il est à noter que les avantages majeurs du procédé de fabrication décrit cidessus sont les parfaites reproductibilité et stabilité dimensionnelle du standard obtenu, ce qui permet d'alléger les contrôles lors de la fabrication du standard et de réduire le coût des produits obtenus.

Les techniques d'observation et de mesure mises en oeuvre au moyen des appareils précités permettent de caractériser une surface en identifiant de manière particulièrement précise la texture et la topographie de ladite surface. Par traitement informatique des données, on parvient à extraire des paramètres très spécifiques tels que la rugosité à différentes échelles, la taille des grains, les angles d'orientation, etc.

Claims (13)

REVENDICATIONS

1. Standard pour l'étalonnage ou la calibration d'appareils tels que des microscopes à champ proche, en particulier des microscopes à force atomique, des microscopes électroniques, des microscopes optiques, des interféromètres ou similaires utilisés comme outils d'imagerie et de métrologie pour l'observation et la caractérisation de micro ou de nanostructures en particulier pour l'étude des topographies de surfaces, caractérisé en ce qu'il est constitué par une structure polymérique ou la réplique de cette structure, se présentant sous forme d'une succession régulière de paliers (1) formant marches, lesdits paliers affectant en section transversale la forme d'au moins un escalier.

2. Standard selon la revendication 1, caractérisé en ce que les paliers formant marches sont conformés lors du réarrangement moléculaire des polymères d'une matrice se présentant sous forme d'un film solide d'épaisseur variable déposé sur un substrat et obtenu par évaporation du solvant d'une solution de polymères, ce réarrangement étant réalisé par chauffage puis refroidissement dudit film.

3. Standard selon la revendication 2, caractérisé en ce que les paliers formant marches correspondent aux variations d'épaisseur du film.

4. Standard selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que la matrice est obtenue à partir d'une solution comprenant au moins un copolymère formé de l'association de deux chaînes polymères d'espèces différentes et de longueur voisine et un solvant desdits polymères.

5. Standard selon la revendication 4, caractérisé en ce que le copolymère de la solution est un copolymère susceptible de s'ordonner spontanément en une structure lamellaire tel qu'un copolymère dibloc symétrique ou séquencé multibloc.

6. Standard selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il affecte une forme cylindro-conique, les paliers (1) affectant la forme de disques concentriques de diamètre décroissant linéairement avec leur hauteur, les dimensions des marches étant identiques d'une marche à l'autre pour la hauteur (h) et corrélées d'une marche à l'autre pour la largeur (Y1), par exemple identiques de manière à permettre une calibration selon les trois axes X, Y, Z.

7. Standard selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que les polymères constitutifs de la solution polymérique sont polymérisables.

8. Standard selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la surface (2) de la structure est renforcée par métallisation.

9. Procédé de fabrication d'un standard conforme à l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'on prépare une solution à base d'au moins un copolymère formé de l'association chimique de deux chaînes polymériques d'espèces différentes et de longueur identique ou voisine et d'un solvant de ces polymères, en ce qu'on étale la solution sous forme d'une couche d'épaisseur variable sur un substrat plan, en ce que, simultanément ou postérieurement, on évapore le solvant de manière à obtenir un film solide d'épaisseur non constante sur toute la surface, en ce qu'on chauffe le film solide à une température supérieure à la température de transition vitreuse de chacun des polymères constituant le copolymère de manière à obtenir lors du refroidissement une surface affectant la forme d'un escalier dont chaque marche est la résultante de la variation d'épaisseur du dépôt initial du film solide.

10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'on métallise la surface (2) obtenue par évaporation sous vide.

11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'on dépose une matière de moulage sur la surface (2) de la structure formant standard, en ce qu'on démoule, en ce qu'on utilise la réplique obtenue comme standard.

12. Procédé de calibration d'un appareil à partir du standard conforme à l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'on place le standard sous l'appareil devant être calibré de manière à obtenir une image de la topographie de la surface du standard, en ce qu'on mémorise, pour chaque variation de déplacement A Z correspondant au passage d'un palier à un autre, la variation de signal S correspondante de manière à reconstituer la courbe d'étalonnage non linéaire Z = f (S).

13. Procédé de calibration selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'appareil à calibrer est un microscope à force atomique, ou un microscope à effet tunnel, la variation de tension A V engendrant une déformation d'un élément piézo-électrique.