Estimation of the measurement uncertainty of LNE’s metrological Atomic Force Microscope using virtual instrument modeling and Monte Carlo Method

Laboratoire National de metrologie et d’Essais - 29 avenue Roger Hennequin, 78197 Trappes - France

^a Email de correspondance de l’auteur : paul.ceria@lne.fr

Résumé

Un Microscope à Force Atomique métrologique (mAFM) est développé au Laboratoire National de métrologie et d’Essais (LNE). Le mAFM est consacré à la mesure traçable des structures à l’échelle nanométrique et à l’étalonnage d’étalons de transfert dédiés aux microscopes à champ proche et électroniques. Le déplacement relatif de l’échantillon par rapport à la pointe est de 60 μm dans le plan XY et de 15 μm sur l’axe Z. La traçabilité au mètre tel qu’il est défini par le Système International d’unités (SI) est assurée grâce à quatre interféromètres différentiels utilisés dans une configuration originale [1], La conception de l’instrument est optimisée pour minimiser les principales composantes dans le bilan d’incertitude, telles que : les dilatations thermiques, les erreurs d’Abbe, les erreurs géométriques [1], L’incertitude attendue pour la mesure de position de la pointe par rapport à l’échantillon est d’environ 1 nm pour la gamme entière de déplacement, sans tenir compte de la contribution de l’interaction pointe/échantillon. Un premier bilan d’incertitude a été réalisé grâce à des évaluations expérimentales des principales sources d’erreur qui perturbent le processus de mesure [1-2], Pour les autres composantes, leur évaluation est complexe ou expérimentalement impossible. Pour affiner le bilan d’incertitude, un modèle numérique de l’instrument (AFM virtuel) a été développé. Le modèle permet d’évaluer tous les composants (mécaniques et optiques) liés à la géométrie du système de mesure de position et permet également de prendre en compte les composantes évaluées expérimentalement et enfin de déterminer l’incertitude de mesure en utilisant la méthode de Monte-Carlo [3-4],