Conference PaperPDF Available

Improvement of the LNE’s metrological Atomic Force Microscope (mAFM) performance: Design of new mAFM head dedicated for nanometrology applications

Abstract and Figures

A metrological Atomic Force Microscope (mAFM) has been developed at LNE [1, 2]. It is mainly used for performing traceable measurement and calibration of transfer standards dedicated to scanning probe and scanning electron microscopes. In order to improve the mAFM performance and reduce the measurement uncertainty, a new mAFM head is being developed and will be integrated on the instrument. It consists of an immobile AFM head working in a zero detection mode. The head is kinematically mounted on the stationary part of a home-made piezo-actuated flexure stage that produces three translations with a displacement range of60 μm along X and Y axes and 15 μm along Z axis. The tip-sample relative position is measured with four dual pass differential interferometers with an expected uncertainty of about 1 nm. This paper presents the design of new mAFM and the evaluation of the first uncertainty components of the instrument.
Content may be subject to copyright.
A preview of the PDF is not available

Supplementary resource (1)

... Ces efforts de conception durant ces deux thèses ont permis d'abaisser de façon significative le niveau de certaines contributions (erreur d'Abbe, dilatation, dérives, etc.). Deux premiers bilans d'incertitude ont été réalisés dans lesquels les principales sources d'erreur qui perturbent le processus de mesure ont été évaluées expérimentalement [3,6], mais également à par- tir de spécifications techniques fournies par les constructeurs sur différents composants de l'AFM métrologique. Cependant, le fait que le système de mesure du mAFM soit complexe, les évaluations de l'incertitude de certaines composantes sont expérimentale- ment impossibles, pour d'autres, elles ont été généralement surestimées ou oubliées. ...
... Ainsi, un point dans l'espace situé par exemple en 2 i + 3 j + 4 k sera représenté dans le formalisme de coordonnée homogène en un vecteur colonne [2,3,4,1] ou [4,6,8,2], etc. ...
Thesis
Full-text available
À l’heure où les nanotechnologies sont en plein essor, la précision des mesures réalisées à l’échelle nanométrique devient un défi essentiel pour améliorer les performances et la qualité des produits intégrant des nano. Pour répondre aux besoins sous-jacents en nanométrologie dimensionnelle, le Laboratoire National de métrologie et d’Essais (LNE) a conçu intégralement un Microscope à Force Atomique métrologique (mAFM). Son objectif principal est d’assurer la traçabilité au mètre défini par le Système International d’unités (SI) pour les mesures à l’échelle nanométrique. Pour cela, le mAFM utilise quatre interféromètres différentiels qui mesurent en temps réel le déplacement relatif de la pointe par rapport à l’échantillon. Cet instrument de référence est destiné à l’étalonnage d’étalons de transfert couramment utilisés en microscopie à champ proche (SPM) et en microscopie électronique à balayage (SEM). Lors de ce processus, une incertitude de mesure est évaluée. Elle détermine un niveau de confiance de l’étalonnage réalisé par le mAFM. Cette incertitude est généralement évaluée grâce à des mesures expérimentales permettant de déterminer l’impact de certaines sources d’erreur qui dégradent les mesures à l’échelle du nanomètre. Pour d’autres sources d’erreur, leur évaluation reste complexe ou expérimentalement impossible. Pour surmonter cette difficulté, le travail de thèse a consisté à mettre en place un modèle numérique de l’instrument nommé « AFM virtuel ». Il permet de prévoir l’incertitude de mesure du mAFM du LNE en ciblant les sources critiques d’erreur grâce à l’utilisation d’outils statistiques tels que la Méthode de Monte Carlo (MCM), les plans de Morris et les indices de Sobol. Le modèle utilise essentiellement la programmation orientée objet afin de prendre en compte un maximum d’interactions parmi les 140 paramètres d’entrée, en intégrant des sources jusqu’ici négligées ou surestimées par manque d’informations.
... Ces efforts de conception durant ces deux thèses ont permis d'abaisser de façon significative le niveau de certaines contributions (erreur d'Abbe, dilatation, dérives, etc.). Deux premiers bilans d'incertitude ont été réalisés dans lesquels les principales sources d'erreur qui perturbent le processus de mesure ont été évaluées expérimentalement [3,6], mais également à par- tir de spécifications techniques fournies par les constructeurs sur différents composants de l'AFM métrologique. Cependant, le fait que le système de mesure du mAFM soit complexe, les évaluations de l'incertitude de certaines composantes sont expérimentale- ment impossibles, pour d'autres, elles ont été généralement surestimées ou oubliées. ...
Thesis
À l'heure où les nanotechnologies sont en plein essor, la précision des mesures réalisées à l'échelle nanométrique devient un défi essentiel pour améliorer les performances et la qualité des produits intégrant des nano. Pour répondre aux besoins sous-jacents en nanométrologie dimensionnelle, le Laboratoire National de métrologie et d'Essais (LNE) a conçu intégralement un Microscope à Force Atomique métrologique (mAFM). Son objectif principal est d'assurer la traçabilité au mètre défini par le Système International d'unités (SI) pour les mesures à l'échelle nanométrique. Pour cela, le mAFM utilise quatre interféromètres différentiels qui mesurent en temps réel le déplacement relatif de la pointe par rapport à l'échantillon. Cet instrument de référence est destiné à l'étalonnage d'étalons de transfert couramment utilisés en microscopie à champ proche (SPM) et en microscopie électronique à balayage (SEM). Lors de ce processus, une incertitude de mesure est évaluée. Elle détermine un niveau de confiance de l'étalonnage réalisé par le mAFM. Cette incertitude est généralement évaluée grâce à des mesures expérimentales permettant de déterminer l'impact de certaines sources d'erreur qui dégradent les mesures à l'échelle du nanomètre. Pour d'autres sources d'erreur, leur évaluation reste complexe ou expérimentalement impossible. Pour surmonter cette difficulté, le travail de thèse a consisté à mettre en place un modèle numérique de l'instrument nommé " AFM virtuel ". Il permet de prévoir l'incertitude de mesure du mAFM du LNE en ciblant les sources critiques d'erreur grâce à l'utilisation d'outils statistiques tels que la Méthode de Monte Carlo (MCM), les plans de Morris et les indices de Sobol. Le modèle utilise essentiellement la programmation orientée objet afin de prendre en compte un maximum d'interactions parmi les 140 paramètres d'entrée, en intégrant des sources jusqu'ici négligées ou surestimées par manque d'informations.
Article
Full-text available
We have developed a new atomic force microscope AFM, with a z scanner independent of the xy scanner. Unlike conventional AFM systems, our xy scanner moves only the sample in the xy plane, while the z scanner controls the AFM probe along the z axis. The xy scanner is a single module parallel-kinematics flexure stage that guarantees high orthogonality and minimum out-of-plane motion. The z scanner is a one-dimensional flexure stage with negligible out-of-axis motion. Separating the z scanner from the xy scanner practically eliminates the x – z cross coupling problem inherent in conventional AFMs. Furthermore, the z servo response is no longer limited by the xy scanner characteristics, allowing us to make full use of our high performance z scanner. Our system uses the laser beam bounce detection method, and only the cantilever and the photodetector are mounted on the z scanner to realize a lightweight probing unit. We have devised a unique design such that the photodetector signal measures only the cantilever deflection and not the z-scanner motion. Our new AFM provides fast z servo response and high scan accuracy. © 2003 American Institute of Physics.