Brevet FR2887630A1 — publié le 20061229

MICROSCOPE À FORCE ATOMIQUE À HARMONIQUE SUPÉRIEUR La présente invention se rapporte au domaine des microscopes à champ proche en mode vibrant. Elle se rapporte plus particulièrement à de tels microscopes fonctionnant en mode amplitude contrôlée ou régulée . Le principe général des microscopes à champ proche en mode vibrant est connu de l'homme du métier. Dans un tel dispositif, un capteur est mis en vibration au voisinage de sa fréquence de résonance fondamentale et, lorsqu'on l'approche de l'objet à analyser, son amplitude de vibration se trouve réduite. Il peut y avoir deux raisons pour cela. Selon un premier mode, le capteur détecte des forces à long rayon d'action, de type électromagnétique. Dans ce cas, l'oscillateur change légèrement de fréquence de résonance et voit son amplitude d'oscillation forcée changer. Ceci est connu sous le nom de mode sans contact . Selon un second mode, le capteur oscille en venant au contact intermittent du matériau, l'amplitude de vibration étant limitée par le contact à l'objet. Ce mode est connu sous le nom de contact intermittent ou, en langue anglaise, mode tapping . De façon générale, on réalise un balayage de l'objet à analyser sensiblement dans le plan de la surface de l'objet (ci-après en xy), et une boucle de rétroaction ajuste la position en z de l'objet pour maintenir l'amplitude de vibration à une valeur de consigne. Les variations de position en z donnent alors la morphologie du matériau. À l'air ou sous atmosphère contrôlée, la rétroaction a lieu sur l'amplitude de vibration alors que sous vide, la rétroaction a lieu, dans les systèmes connus, sur le glissement de fréquence de résonance, et ce à cause des limitations sur le temps de réponse de l'oscillateur, comme ceci sera développé par la suite. La figure 1 donne un exemple du principe général du microscope à force atomique dans lequel un vibreur 1 excite un capteur 2, composé d'un bras de levier et d'un embout de sonde (ou pointe) à son extrémité. Le mouvement du levier fait varier le signal réfléchi du laser positionné au niveau de l'embout de sonde-, qui est alors détecté par une photodiode 3. Le signal issu de la photodiode est alors utilisé pour contrôler une unité de rétroaction 4 qui contrôle un dispositif piézo-électrique en x,y, z 5 associé à l'échantillon 6, la rétroaction ayant lieu sur la composante z, et un balayage étant réalisé en x,y. La morphologie de l'échantillon 6 est alors obtenue en sortie de la boucle de contre- réaction. Une première limite à de tels dispositifs est la réalisation de l'imagerie rapide, en particulier pour des images à haute résolution, si l'on désire par exemple obtenir des images de 4096*4096 pixels, à l'air ou sous atmosphère contrôlée et, à plus forte raison, sous vide. La limite physique du dispositif est alors le temps de réponse de l'oscillateur à une perturbation locale. En effet, la constante de temps de stabilisation est de l'ordre de 2 ms dans l'air à cause des phénomènes d'amortissement, et passe à 800 ms dans le vide. Cette différence ne permet pas encore, pour les systèmes existants, d'obtenir une vitesse de balayage compatible avec les exigences en matière de temps de traitement. Plus précisément, un oscillateur possédant un coefficient de qualité Q et vibrant à une fréquence de résonance fo (ou une période To), met un temps T=Q*To pour passer d'un état stable à un autre état stable. Le coefficient de qualité est par ailleurs défini par rapport à la largeur fréquentielle df de la courbe de résonance. Il est connu que cette fréquence est celle donnant une amplitude égale à /1 x fco, Ao étant l'amplitude maximale. On a alors Q=fo/df. La vitesse de balayage est donc limitée par le temps T de stabilisation de l'oscillateur entre plusieurs pixels successifs. Plusieurs solutions de contrôle du facteur de qualité Q existent dans l'art antérieur, mais aucune n'est réellement satisfaisante pour une utilisation du dispositif dans le vide ou l'ultra-vide (UHV). Un exemple d'un tel contrôle est donné dans la première publication sur ce sujet Regulation of a micro-cantilever response by force feedback , Applied Physics Letters, Volume 62(19), 2344, 10 Mai 1993, J.Mertz, O. Marti, J. Mlynek. La présente invention entend donc proposer un nouveau microscope à force atomique qui permette à la fois de maintenir et même accroître les performances dans l'air (ou atmosphère contrôlée), mais qui puisse également fonctionner dans le vide ou l'ultra-vide. Selon un aspect de l'invention, on réduit donc le facteur de qualité de l'oscillateur de façon originale, en travaillant non plus sur le fondamental du capteur, mais sur des harmoniques d'ordre supérieur. Pour ce faire, la présente invention est du type décrit ci-dessus et elle est remarquable, dans son acception la plus large, en ce qu'elle concerne un procédé de mesure des caractéristiques de la surface d'un échantillon à partir d'un embout de sonde placé sur une extrémité d'un bras de levier ledit bras de levier étant apte à osciller par l'intermédiaire d'un vibreur, dans un système de microscopie à force atomique, comprenant les étapes consistant à : - faire osciller ledit embout du bras de levier selon une première fréquence d'oscillation correspondant à un fondamental dudit bras de levier; produire un signal représentatif de ladite oscillation - définir un paramètre correspondant à un seuil de fonctionnement dudit système de microscopie - analyser ledit signal et, si ledit signal correspond à un état dudit système supérieur audit seuil de fonctionnement, faire varier la fréquence d'oscillation dudit embout du bras de levier en changeant la fréquence d'excitation du vibreur selon au moins un harmonique d'ordre supérieur dudit bras de levier. sélectionner un desdits harmoniques d'ordre supérieur correspondant pour lequel le signal représentatif de l'oscillation correspond à un état du système inférieur ou égal audit seuil de fonctionnement; faire interagir ledit embout de sonde oscillant audit harmonique supérieur sélectionné pour la mesure des caractéristiques de la surface dudit échantillon. Il est entendu qu'aux fins de la présente demande, la notion d'état du système supérieur ou inférieur à un seuil de fonctionnement est relative et dépend des mesures utilisées. Par soucis de cohérence avec les figures 5 et 6, nous considèrerons que l'état du système est satisfaisant lorsqu'il est inférieur ou égal au seuil de fonctionnement, de sorte que selon l'invention, lorsque celui-ci est supérieur, on cherche des harmoniques plus élevés. L'invention concerne également un système de microscopie à force atomique comprenant un embout de sonde placé sur une extrémité d'un bras de levier, des moyens d'oscillation aptes à faire osciller ledit embout de sonde sensiblement selon la fréquence fondamentale dudit bras de levier, et des moyens de balayage destinés à produire une translation entre l'embout de la sonde oscillant et la surface de l'échantillon de sorte que l'embout de la sonde interagisse avec ladite surface, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de contrôle apte à contrôler lesdits moyens d'oscillation pour faire varier la fréquence d'oscillation dudit embout selon une pluralité d'harmoniques dudit bras de levier. Ce système convient pour la mise en uvre du procédé défini précédemment. De préférence, afin de faire varier la fréquence d'oscillation et de choisir l'harmonique supérieur le mieux adapté, le dispositif comprend en outre des moyens de détection de ladite interaction entre l'embout de la sonde et ladite surface, lesdits moyens de détection étant aptes à fournir un signal représentatif de données de ladite surface, ainsi qu'une unité de traitement dudit signal. De façon avantageuse, on définit un seuil de fonctionnement pour le système et le ou les harmoniques sélectionnés permettant de se maintenir en dessous de ce seuil de fonctionnement. C'est pourquoi ladite unité de traitement comprend une entrée recevant un paramètre représentatif d'un seuil de fonctionnement dudit système, et des moyens aptes à interagir avec lesdits moyens de contrôle pour faire varier la fréquence d'oscillation dudit embout selon au moins un harmonique dudit bras de levier lorsque ledit signal correspond à un état dudit système inférieur audit seuil de fonctionnement. L'invention concerne également l'utilisation des harmoniques d'ordre supérieur du bras de levier d'un système de microscopie à force atomique tel que défini précédemment, pour la détermination de la surface d'un échantillon dans le vide ou dans l'ultra-vide mais aussi à l'air ou sous atmosphère contrôlée. On comprendra mieux l'invention à l'aide de la description, faite ciaprès à titre purement explicatif, d'un mode de réalisation de l'invention, en référence aux figures annexées: - la figure 1 illustre un microscope à force atomique tel que connu dans l'art antérieur; la figure 2 illustre un microscope à force atomique à amplitude contrôlée selon l'invention; - la figure 3 illustre le procédé d'automatisation du calcul des données de surface par augmentation de l'ordre des harmoniques; - la figure 4 illustre les différents modes de vibration d'un bras de levier fixé à une extrémité, y compris les modes correspondant aux harmoniques supérieurs utilisés dans la présente invention; - la figure 5 illustre le temps de réponse du capteur en fonction de la fréquence d'excitation, par rapport à un seuil de fonctionnement if, pour différents types de capteurs, dans l'air; la figure 6 illustre le temps de réponse du capteur en fonction de la fréquence d'excitation, par rapport à un seuil de fonctionnement if, pour différents types de capteurs, dans le vide; - les figures 7a à 7c illustrent les courbes de réponses des différents vibreurs. Illustré figure 2, le microscope à force atomique selon l'invention comprend de façon connue en soi un moyen d'oscillation 1 par exemple sous la forme d'un vibreur 1, qui excite un capteur 2, composé d'un bras de levier et d'un embout de sonde. Le mouvement du levier et de la pointe qui lui est liée fait, par exemple, varier le signal réfléchi du laser, qui est alors détecté par un moyen de détection sous la forme d'une photodiode 3. Le signal issu de la photodiode est alors utilisé pour contrôler une unité de rétroaction 4 qui contrôle un dispositif piézo- électrique en x,y,z 5 associé à l'échantillon 6, la rétroaction ayant lieu sur la composante z, et un balayage étant réalisé en x,y. La morphologie de l'échantillon 6 est alors obtenue en sortie de la boucle de contre-réaction. Selon l'invention, le dispositif comprend en outre une unité de contrôle 7 destinée à contrôler la fréquence du vibreur 1 et la courbe de résonance du capteur qui lui est associée (par exemple, amplitude et phase, fréquence de résonance et coefficient de qualité Q ). L'unité de contrôle est agencée pour sélectionner les fréquences correspondant au fondamental du capteur 2, ainsi qu'à différents harmoniques d'ordre supérieur du capteur. Aux fins de la présente demande, on appellera harmonique d'ordre supérieur toute fréquence de vibration du capteur selon un mode propre différent du fondamental. Le fondamental sera noté Ho, et les harmoniques associées H1, H2, ... H,. Les modes vibratoires d'une poutre vibrante sont rappelés figure 4. Le contrôleur 7 permet donc d'exciter le vibreur 1 selon l'un quelconque des modes Ho,... H du capteur 2, et est donc adapté pour des hautes fréquences d'excitation, typiquement supérieurs à 2 MHz. L'homme du métier comprendra donc qu'en augmentant l'ordre de l'harmonique utilisé pour la vibration, on fait décroître le temps de réponse du capteur, ce qui permet un balayage plus rapide sur la surface de l'échantillon à analyser. On définit alors un paramètre if correspondant au temps de réponse acceptable en termes de temps de calcul et donc de vitesse de balayage. La figure 5 illustre le temps de réponse du capteur en fonction de la fréquence d'excitation, et ce par rapport au seuil de fonctionnement tf, pour différents types de capteurs, dans l'air. On constate sur cette figure la façon dont le temps de réponse décroît avec la fréquence d'oscillation. Ainsi, avec un seuil de fonctionnement tel que défini en trait horizontal plein, on constate d'une part que pour quelques types de capteurs, même à la fréquence fondamentale, le temps de réponse est trop élevé pour permettre un fonctionnement satisfaisant (point de la courbe au-dessus du seuil). L'invention permet alors, en travaillant sur un harmonique supérieur grâce à l'unité de contrôle, de faire fonctionner le système en dessous du seuil, et donc de façon satisfaisante. On constate d'autre part que si l'on désire diminuer le seuil de fonctionnement, et donc augmenter encore les performances du dispositif, il est nécessaire pour la plupart des capteurs, de se placer sur des harmoniques supérieurs. Ceci est également rendu possible par l'unité de contrôle 7. La figure 6 illustre cette fois le temps de réponse du capteur en fonction de la fréquence d'excitation, et ce par rapport au même seuil de fonctionnement if, pour différents types de capteurs, dans le vide. On note déjà dans le vide, avec l'échelle telle qu'illustrée, la très forte décroissance du temps de réponse due également à celle du facteur de qualité - avec la fréquence d'excitation. Aucun capteur ne peut alors permettre un balayage satisfaisant pour sa fréquence fondamentale, ni même, pour la plupart, pour l'harmonique d'ordre 1. Selon l'invention, on peut alors paramétrer le dispositif de contrôle 7 pour fixer la fréquence d'oscillation à des harmoniques d'ordre supérieur 1, 2, ou plus, dans le cas d'un travail dans le vide. Illustré figure 3, l'invention fournit également un procédé pour mettre en oeuvre automatiquement le mode de fonctionnement optimal d'un microscope à force atomique à fréquence variable. Pour cela, l'unité de contrôle comprend des moyens de calculs pouvant prendre en entrée les paramètres du capteur, et rendant en sortie un contrôle du moyen d'oscillation 1 à travers le vibreur. On initialise 10 le programme de contrôle à une fréquence d'oscillation correspondant au fondamental du capteur. Il est cependant entendu qu'on peut également l'initialiser à un harmonique d'ordre supérieur si l'on sait que l'on travaille dans le vide et que le fondamental sera inutilisable. On calcule 20 alors le temps de stabilisation lié au facteur de qualité du capteur dans ce mode de vibration, et on teste 30 si ce temps de stabilisation est inférieur au temps seuil tf prédéfini. S'il ne l'est pas, on itère 40 le procédé en passant à un harmonique d'ordre supérieur Hi->H11. La valeur maximum 30 de i peut être prédéfinie. On note bien sûr que la courbe du temps de réponse en fonction de la fréquence étant décroissante, cet algorithme mis en oeuvre au niveau de l'unité de contrôle converge vers un ou des harmoniques satisfaisants, quel que soit le type de capteur utilisé. Une fois un harmonique d'ordre supérieur Hf satisfaisant identifié, on réalise alors de façon connue en soi la caractérisation de la surface de l'échantillon avec un mode vibrant Hf. Par ailleurs, il est entendu qu'une fois un harmonique acceptable sélectionné, il est également possible de chercher 50 des nouvelles solutions plus fines afin d'améliorer encore le niveau de fonctionnement du système. L'homme du métier est alors apte à déterminer un compromis acceptable entre le temps de traitement correspondant à la recherche des harmoniques, la qualité du dispositif en haute fréquence si l'on augmente trop la fréquence, et le résultat obtenu. Ceci garantit que le balayage de la surface respecte bien les contraintes temporelles définies par le seuil 'cf. L'invention précédemment décrite est donc particulièrement adaptée pour une utilisation dans le vide ou dans l'ultra-vide (UHV), par exemple lorsque le microscope est associé à une pompe à vide et également à l'air ou sous atmosphère contrôlée lorsque l'on souhaite balayer rapidement. Il est par ailleurs entendu que l'invention est utilisable en mode contact intermittent ou en mode sans contact. L'homme du métier est apte à réaliser l'adaptation du dispositif par des simples démarches de routine. On note, de plus, que le système peut être utilisé pour caractériser des différences de propriétés mécaniques locales, à partir, par exemple, du signal dit de morphologie en comparant les résultats obtenus avec différents harmoniques. Ceci est applicable à l'air ou sous atmosphère contrôlée où généralement tous les harmoniques sont satisfaisants et sous vide (et UHV), dans la mesure où plusieurs harmoniques satisfaisants auront été déterminés. En effet, la raideur apparente du capteur Kn, sur le mode n, devient Kn = (fn/fo) z K, et la gamme de raideurs couverte sera d'autant plus large que la gamme de fn sera étendue. Voyons en les conséquences sur l'imagerie dite de morphologie . Imaginons un matériau avec une bosse au centre d'un plan, supposons de plus que cette bosse présente une diminution de dureté locale par rapport au plan environnant. L'utilisation d'un harmonique élevé durcit le capteur par rapport à l'échantillon, ce qui favorise l'indentation locale, et atténue le signal morphologie , si on se réfère à un harmonique faible. Pour simplifier, aux harmoniques bas la morphologie réelle reste visible, alors qu'elle disparaît aux harmoniques élevés. Cette variation de raideur apparente permet: a) d'adapter la raideur effective du levier au matériau utilisé ou de conserver un embout constant (diamant, par exemple), b) d'augmenter la gamme de raideurs disponibles (K0 varie de 1 à 50 N/m et le coefficient dû aux harmoniques varie de 1 à 100). Cette idée pourrait, par exemple, s'appliquer au contrôle qualité de matériaux (fabrication) mécaniquement polyphasés, au comptage de cellules biologiques sur support rigide. De plus, elle pourrait être étendue à d'autres systèmes résonnants que le microscope à force atomique aux fins d'examiner des aires de contact de dimensions très supérieures à la dizaine de nanomètres carrés. On note par ailleurs que le système peut être utilisé en mode double passage dans lequel on détecte un premier profil de l'échantillon, puis, en rapprochant ou en éloignant la sonde en fonction de ce premier profil, on détecte à distance constante et contrôlée les variations des forces à longue distance (i.e. la dérivée de la force par rapport à la direction de vibration du capteur) ou des signaux électromagnétiques (optiques par exemple, si apparition d'un photovoltage sur le capteur). Il faut noter que, au second passage, la fréquence de résonance pratiquement utilisable est souvent différente (en général H, ou H1, à la rigueur H2) de celle définie précédemment pour l'acquisition de la morphologie (H2, par exemple sous vide). L'expérience et la théorie ont montré que pratiquement seuls HO, H1, peut être H2 étaient utilisables pour détecter les gradients de force. Enfin, afin de maintenir la qualité des mesures même pour les hautes fréquences d'oscillation, il est préférable de modifier les vibreurs existants. En effet, le profil de réponse en amplitude d'un vibreur tel qu'il est utilisé dans les microscopes de type AFM connus, est sensiblement tel qu'illustré sur la figure 7a. On constate donc que l'amplitude associée diminue lorsque la fréquence de vibration augmente, et donc lorsque l'ordre de l'harmonique augmente selon le procédé de l'invention. Or, on cherche à travailler à amplitude sensiblement constante, et il est donc préférable de modifier les vibreurs existants, pour obtenir idéalement une réponse telle qu'illustrée figure 7b. Pour ce faire, on peut choisir de positionner une pluralité de vibreurs en cascade. Ceux-ci peuvent être couplés, c'est-à-dire avec des fréquences de résonances proches, ou bien découplés. Ceci provoque une extension du spectre de fréquence du 5 vibreur et permet donc de s'adapter à l'utilisation des harmoniques supérieurs. Avec un vibreur alimenté par un générateur basse fréquence associé à un autre vibreur haute fréquence, on peut par exemple obtenir un profil d'amplitude tel qu'illustré figure 7c. De façon générale, on modifie donc les vibreurs existants afin d'adapter le dispositif à l'utilisation des haute fréquence. L'homme du métier est alors apte à adapter l'électronique et la rétroaction à ce nouveau type de vibreur. De façon générale, éventuellement on modifiera également les capteurs de façon à produire des réponses en fréquences adaptées aux travaux souhaités en adaptant le coefficient de qualité de la résonance Qn(f) associé à Hn. Par exemple, à l'air ou sous atmosphère contrôlée et aussi sous vide, pour balayer rapidement, on a intérêt à faire décroître Qn(f) avec la fréquence f, si l'on se réfère aux Fig. 5 et 6, et pour élargir la gamme de raideurs dynamiques Kn, on a intérêt à maintenir Qn(f) le plus constant possible. L'invention est décrite dans ce qui précède à titre d'exemples. Il est entendu que l'homme du métier est à même de réaliser différentes variantes de l'invention sans pour autant sortir du cadre du brevet. REVENDICATIONS 1. Système de microscopie à force atomique comprenant un embout de sonde placé sur une extrémité d'un bras de levier (2), des moyens d'oscillation (1) apte à faire osciller ledit embout de sonde sensiblement selon la fréquence fondamentale dudit bras de levier, et des moyens de balayage (5) destinés à produire une translation entre l'embout de la sonde oscillant et la surface de l'échantillon de sorte que l'embout de la sonde interagisse avec ladite surface, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de contrôle (7) apte à contrôler lesdits moyens d'oscillation pour faire varier la fréquence d'oscillation dudit embout selon une pluralité d'harmoniques dudit bras de levier. 2. Système de microscopie à force atomique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de détection de ladite interaction entre l'embout de la sonde et ladite surface, lesdits moyens de détection étant aptes à fournir un signal représentatif de données de ladite surface. 3. Système de microscopie à force atomique selon la 25 revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une unité de traitement dudit signal. 4. Système de microscopie à force atomique selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits moyens de contrôle comprennent une entrée recevant un paramètre représentatif d'un seuil de fonctionnement dudit système, pour faire varier la fréquence d'oscillation dudit embout selon au moins un harmonique dudit bras de levier lorsque ledit signal correspond à un état dudit système supérieur audit seuil de fonctionnement. 5. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce 5 que lesdits moyens d'oscillations comprennent une pluralité de vibreurs en cascade. 6. Procédé de mesure des caractéristiques de la surface d'un échantillon à partir d'un embout de sonde placé sur une extrémité d'un bras de levier ledit bras de levier étant apte à osciller par l'intermédiaire d'un vibreur, dans un système de microscopie à force atomique, comprenant les étapes consistant à : faire osciller ledit embout du bras de levier 15 selon une première fréquence d'oscillation correspondant à un fondamental dudit bras de levier; - produire un signal représentatif de ladite oscillation; définir un paramètre correspondant à un seuil de 20 fonctionnement dudit système de microscopie; - analyser ledit signal et, si ledit signal correspond à un état dudit système supérieur audit seuil de fonctionnement; faire varier la fréquence d'oscillation dudit embout du bras de levier en changeant la fréquence d'excitation du vibreur selon au moins un harmonique d'ordre supérieur dudit bras de levier; sélectionner un desdits harmoniques d'ordre supérieur correspondant pour lequel le signal représentatif de l'oscillation correspond à un état du système inférieur ou égal audit seuil de fonctionnement; faire interagir ledit embout de sonde oscillant audit harmonique supérieur sélectionné pour la mesure des caractéristiques de la surface dudit échantillon. 7. Utilisation des harmoniques d'ordre supérieur du bras de levier d'un système de microscopie à force atomique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 pour la caractérisation de la surface d'un échantillon.