Chapitre II : Dispositif expérimental 61
II.3 Caractérisations Ex-Situ 71
II.3.3 Microscopie à force atomique 82
La microscopie à force atomique26 (AFM, Atomic Force Microscopy) est une technique particulièrement adaptée aux études topographiques. Cette technique, qui fait partie des techniques de microscopie à champ proche au même titre que la microscopie à effet tunnel (STM), permet de mesurer des rugosités avec une résolution verticale allant jusqu'à 0.02 nm. Elle fût introduite en 198627 comme une application du concept de STM permettant l'étude de surfaces de matériaux isolants à l'échelle atomique.
La technique de chaîne est basée sur la mesure des forces d'interactions entre un fin stylet (la pointe AFM) et la surface étudiée. Le capteur de force, ou levier, est un ressort-lame encastré à une
Chapitre II : Dispositif expérimental
extrémité et muni d'une pointe à l'autre extrémité (figure II.19). Les interactions entre la surface étudiée et la pointe du levier modifient la déflection de ce dernier. La mesure de ces déformations s'effectue par la réflexion d'un faisceau laser sur le levier. Un capteur (diode photoélectrique) enregistre les variations de positions du laser qui sont directement reliées à la déflection du levier et donc à l'état de surface du matériau28.
Figure II.19 : Schéma de principe de chaîne
Une mesure AFM peut être effectuée dans plusieurs modes. On distingue trois grands modes de fonctionnement.
Le premier est le mode contact. Dans ce mode la pointe touche la surface et agit comme un dispositif palpeur. Le principal inconvénient de ce mode de fonctionnement est que le contact de la pointe avec la surface peut engendrer de l'usure et des déformations, dégradant ainsi la qualité de l'image.
Le deuxième mode de fonctionnement est le mode résonnant. Dans ce cas le levier est mis en oscillation à faible amplitude (10 nm), à une fréquence égale à sa fréquence de résonance. La pointe est dans ce cas assez loin de la surface (10 à 100 nm). La force d'interaction de la pointe avec la surface va provoquer un décalage de la fréquence de résonance du levier. Inversement, pour une fréquence d'excitation donnée l'amplitude des oscillations est modifiée. Ainsi en maintenant l'un de ces deux paramètres constant, les variations du paramètre libre permettent d'accéder au gradient de force local. Du fait de l'éloignement de la pointe par rapport à la surface, la résolution de ce mode est très faible.
Le troisième mode est le mode de contact intermittent (tapping en anglais). C'est ce mode qui été utilisé au cours de cette thèse. Dans ce cas les amplitudes d'oscillation sont plus grandes (20 à 100 nm) et la position moyenne de la pointe plus proche de la surface. A chaque cycle, la pointe vient effleurer le mur répulsif de la surface. Lorsque la pointe entre en contact avec la surface, l'amplitude des oscillations diminue du fait de la perte d'énergie due à l'impact avec la surface. La fréquence d'excitation est maintenue constante et on mesure les variations d'amplitude. L'avantage de ce mode est que les forces appliquées à l'échantillon peuvent être très réduites et le temps de contact très court n'induit pratiquement pas de forces de frottement sur l'échantillon.
Dans le cadre de cette thèse, deux types de mesures AFM ont été réalisées. La plupart des mesures ont été réalisées avec un AFM dit 2D (2 dimensions). Ce type chaîne permet de réaliser des mesures topologiques selon deux axes x et y. Les mesures sont réalisées sur des films de résines qui ne présentent aucun motif.
Chapitre II : Dispositif expérimental
N
Z
Z
R
RMS i moyen 2)
(
−
=
Dans le cas d'un AFM 2D, le paramètre mesuré est la rugosité RMS. Cette rugosité RMS est définie par la relation suivante :
Equation II.17
Avec : RRMS : Rugosité RMS (nm)
Zi : hauteur au point i (nm)
Zmoyen : hauteur moyenne de la surface (nm) N : nombre de mesures
Néanmoins il est nécessaire de pouvoir contrôler précisément l'aspect de surface sur des structures tridimensionnelles telles que des lignes de résine. Pour cela la technique chaîne 3D a été développée. Son fonctionnement est sensiblement différent d'un AFM 2D, sa particularité étant d'effectuer un balayage selon les trois axes x, y et z. Elle permet de reconstituer avec une très grande précision les motifs analysés. La forme de la pointe est spécialement étudiée pour accéder aux différentes parties des motifs.
Figure II.20 : Principe de chaîne 3D
La mesure en AFM 3D se déroule un cycle de trois étapes qui se répètent :
1) Approche : la pointe est approchée de la surface à l'aide d'un piézoélectrique. Lorsque les forces d'attraction deviennent supérieures à la force de rappel du levier, la pointe se colle à la surface (on parle de "saut au contact"). L'amplitude devient nulle
2) Retrait : le piézoélectrique retire la pointe de la surface perpendiculairement à la pente locale. La pointe retrouve son amplitude libre.
3) Déplacement : la pointe est déplacée pour effectuer un nouveau cycle de mesure. Le déplacement se fait parallèlement à la pente locale mesurée par les points de mesures précédents.
Chapitre II : Dispositif expérimental N CD CD LWR N i i
∑
= − = = 1 2 ) ( 3 3σ
En trois dimensions, on s'intéresse plus particulièrement aux rugosités des lignes de résines. Cette rugosité, si elle est trop importante, peut-être transférée dans les couches inférieures lors des étapes de gravure successives et entraîner des disfonctionnements dans le dispositif final. Les résines 193nm sont particulièrement sensibles à ce phénomène. On distingue deux paramètres distincts : la rugosité de bord de trait (LER, Line Edge roughness) et la rugosité sur l'épaisseur (LWR, Line Width Roughness).
Figure II.21 : Illustration des phénomènes de LER et LWR sur une ligne de résine
Le paramètre le plus couramment utilisé est le LWR. Le LWR est défini par la relation suivante :
Equation II.18
Avec CDi la dimension locale,