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Le microscope à force atomique sort des labos

Christian Guyard
Le microscope à force atomique sort des labos

Image d'un "photoresist". Grâce à l'AFM 3D, il est possible de mesurer la géométrie et la rugosité des parois des motifs en microélectronique (20 à 100 nm pour une marche).

© Photos DR

- Le microscope à effet tunnel a donné naissance à une variété d'appareils : AFM, SPM... Indispensables en recherche, ils commencent à s'imposer dans l'industrie.

Les nanotechnologies auraient-elles vu le jour sans le microscope à effet tunnel ? Probablement. Mais leur développement aurait certainement été moins fulgurant. L'homme aime bien voir, ça l'aide à réfléchir. Et le microscope à effet tunnel - inventé par Gerd Binnig et Heinrich Rohrer dans le laboratoire d'IBM de Zurich au début des années 1980 - lui a offert la possibilité de parcourir une surface et de visualiser les atomes qui la constituent. Cela a d'ailleurs valu à ses inventeurs le prix Nobel de physique en 1986. Aujourd'hui, ces matériels sortent des laboratoires de recherche pour pénétrer dans l'industrie. Et ils sont désormais toute une armada car, très vite, les premiers STM (Scanning tunneling microscope) ont élargi leur famille. Avec l'AFM (Atomic force microscope) en 1985, puis avec une multiplicité de nouveaux instruments d'investigation des surfaces dénommés, de manière géné- rique, SPM (Scanning probe microscope).

Avec eux, l'investigation n'est plus seulement topographique (sommets, vallées, plats), elle devient multidimensionnelle ! On sait rendre la pointe et le dispositif de mesure sensible à bien d'autres caractéristi-ques de la surface. Ils mettent ainsi en évidence des hétérogénéités de composition, des propriétés électriques ou magnétiques locales, voire des caractéristiques de frottement, de mouillabilité. Une vingtaine de modes d'examen des surfaces existent déjà.

Manipuler et ordonner des atomes

L'AFM fait encore plus. Il manipule des atomes ou des molécules et les ordonne. Et pas seulement sur des surfaces ultrapropres dans un ultravide. Il fonctionne sur n'importe quelle surface, y compris celle des cellules biologiques dans leur milieu : accrocher une protéine et tirer sur une extrémité pour la déplier est possible. Mieux encore, l'acquisition d'images de surface à une cadence de rafraîchissement comparable à la télévision (25 Hz) est déjà réalisée en laboratoire.

Très vite après la publication des travaux fondamentaux, des sociétés se sont mises à commercialiser de tels appareils. En 1996, le marché pesait déjà 40 millions de dollars. En 2004 Veeco, le leader mondial du secteur, qui estime sa part de marché à 70 %, déclare avoir vendu plus de 7 000 systèmes dans le monde pour la R&D ; 80 à 100 systèmes sont vendus chaque trimestre à des fins de recherche scientifique.

Progressivement, l'instrument sort du domaine de la recherche. Le seul Veeco a déjà installé près de 200 systèmes en production, pour les besoins de la microélectronique ; les dix premiers fabricants mondiaux en utilisent. Fabricants de mémoires de masse et de circuits intégrés plébiscitent ce nouvel instrument. La feuille de route microélectronique et ses prochaines étapes programmées vers des circuits à 90 nm, 65 nm et moins encore ne peut que pousser à l'emploi de ces machines pour des contrôles en ligne de plus en plus performants.

Ici, les technologies AFM viennent en complément de la microscopie électronique à balayage et des contrôles destructifs. Elles commencent même à s'y substituer pour contrôler non seulement les objets fabriqués mais aussi les masques de lithographie. En quelques années, on est donc passé d'AFM de table, multimodes mais "manuels" et nécessitant un opérateur averti, à des machines dédiées à un type d'examen sur des objets bien définis.

Texas Instruments, qui produit des puces pour la projection d'images contenant des micromiroirs pivotants, s'est servi de machines de ce type pour le développement - et maintenant pour la production - de ses Mems. Il faut en effet vérifier la planéité des micromiroirs en position de repos et en position basculée, la régularité de leur surface, contrôler les distances entre miroirs... Il a même fallu développer un type de pointe spécifique pour cet usage.

En fait, comme l'explique Peter De Wolf, directeur des applications en Europe de Veeco, l'AFM est utilisé à trois occasions dans la vie d'un microcircuit : lors du développement de nouvelles structures, pour vérifier l'empilement des couches et les attaques ; lors de la production ensuite, avec des machines AFM sur ligne, en routine, pour contrôler la topographie, la rugosité des matériaux déposés ; enfin en contrôle hors ligne, pour analyser un défaut et en chercher les causes (analyse de défaillance). En ligne, l'appareil réalise du contrôle dimensionnel essentiellement, et en automatique. Hors ligne, plusieurs modes d'investigations sont utilisés en plus : électrique, magnétique, thermique, etc.

Même la pharmacie utilise l'AFM

Pour la microélectronique, l'AFM est devenu indispensable, il évite des contrôles destructifs toujours coûteux, répond plus rapidement en production, participe au réglage des procédés. La méthode s'améliore sans cesse, à la fois au niveau de la conception des pointes et des paramètres de la machine. Une chose est sûre, confirme Emmanuel Paris, directeur commercial de la branche métrologie de Veeco, « nos clients nous demandent des machines plus rapides pour réduire les temps d'analyse ».

Pour ces outils, la microélectronique est le secteur le plus porteur. Mais la plupart des autres secteurs industriels sont également utilisateurs de SPM. Les fabricants de polymères et de papier, en particulier, l'utilisent pour développer des produits, mettre au point les procédés, sans pour autant l'utiliser en routine. En cas de problèmes de qualité, toutefois, il est sollicité. En explorant les propriétés viscoélastiques d'une surface, on distingue les différentes phases d'un polymère composite, des défauts de surface de verre organique seront mis en évidence, etc. Même la pharmacie utilise l'AFM pour le développement de médicaments ; sans parler de l'industrie cosmétique qui observe l'influence des produits sur les cheveux ou la peau.

Pour l'avenir, quelques pistes d'évolution se dessinent. D'une part, les machines doivent encore gagner en rapidité d'exploration des surfaces. D'autre part, d'ici à trois ans, une dizaine de nouveaux modes d'analyse pourraient se développer. Toutes les méthodes utilisant des mesures ponctuelles macroscopiques sont en effet susceptibles d'être transposées à l'échelle nano. Enfin, les PMI devraient, elles aussi, devenir un débouché car aucune activité ne peut plus désormais ignorer ce qui se passe à l'échelle nanométrique.

Reste la grande inconnue : l'utilisation de méthodes intégrant des micropointes à des fins de production (gravure, positionnement de nanotubes de carbone...). S'il n'y a pas d'alternative, alors ces méthodes se développeront très vite.

LA POINTE EXPLORE, LE LASER DÉTECTE

Les phonographes fonctionnaient avec une pointe. Dans l'esprit, les SPM font la même chose : exploration d'une surface par une pointe selon un trajet imposé (scanning), détection optique du mouvement du support de la pointe et construction d'une image à partir de cette donnée. Le microscope à effet tunnel proprement dit se cantonne à la détection du courant tunnel sur des surfaces conductrices, ce qui conduit à une information topographique. L'AFM, dans sa version la plus simple, fonctionne au contact comme le phonographe. L'autre mode le plus utilisé aujourd'hui est le tapping, plus sensible et qui n'endommage pas la surface. Si l'on rend la pointe magnétique, il sentira la "surface magnétique", idem avec une pointe électrostatique et l'on peut multiplier les modes d'exploration. Source : Industrie et Technologies

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