Etude et réalisation d'une platine porte-échantillon aux performances nanométriques : Application à la microscopie en champ proche

Development of a long-range nanopositioning system applied to neear-field microscopy

• Auteur / Autrice : Ahmad Sinno
• Direction : Yasser Alayli
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optoélectronique
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Versailles-St Quentin en Yvelines

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optique en champ proche

Microscopes interférentiels

Nanophotonique

Optoélectronique

Mesures optiques

Résumé

Malgré la présence d’appareils très performants tels que les microscopes électroniques et en champ proche, les capacités à mesurer des dimensions nanométriques avec des incertitudes de quelques nanomètres constitue un véritable verrou technologique pour la fabrication en grand volume de composants de taille millimétrique mais aux caractéristiques nanométriques. Les travaux réalisés au cours de cette thèse ont pour but de contrôler avec des performances nanométriques, sur une plage de quelques millimètres, le positionnement d’un porte-échantillon, essentiellement dédié à la microscopie. Le système comprend des platines de déplacement mécanique, une mesure par interférométrie, une électronique haute-fréquence et des lois de commandes pour l’asservissement. Le système de déplacement est constitué de deux étages ; le premier est une platine de translation qui permet de faire des « longues distances », et le second est un actionneur piézoélectrique qui permet de corriger les défauts du premier. Le système ainsi réalisé permet des déplacements dans les deux directions du plan X-Y avec des résolutions et des répétabilités de l’ordre du nanomètre. Ce dispositif a été intégré à un microscope à force atomique et à un microscope optique en champ proche dans le but de réaliser des images de tailles millimétriques et en même temps hautement résolues. Des images de topographie et des images optiques en champ proche de tailles supérieures à 1 mm de long viennent démontrer les performances du système.

Despite the presence of high performance apparatus such as electronic and near-field microscopes, the capacity to measure nanoscale dimensions with uncertainties down to some nanometers constitutes a real technological obstacle for the mass production of millimeter scale components with nanoscale characteristics. The work realized during this thesis is intended to control at the nanoscale level, over a range of some millimeters, the position of a sample-holder, mainly aimed to microscopy. The system comprises a mechanical translation stage, an interferometric position measurement, high-frequency electronics, and a closed loop control. The displacement system has a dual stage actuator architecture where the first stage is a long-range translation stage, and the second is a piezoelectric actuator allowing rectifying the positioning errors of the first stage. The system allows millimeter range displacements in the X-Y plane with a resolution and repeatability at the nanoscale level. The device was integrated into an atomic force microscope and a scanning near-field optical microscope in order to obtain, at the same time, millimeter-sized and highly resolved images. Topographic and near-field optical images with length higher than 1 mm have been realized in order to show the performances of the system.