De la recherche fondamentale au partenariat industriel

Micro et Nano métrologie des microsystèmes

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Chapitres
  1. Micro-Instrumentation
  2. Microscopies à champ proche
  3. Micro et Nano métrologie des microsystèmes

Résumé

Objectifs

L’équipe « microscopies en champ propre et instrumentation » a développé depuis une vingtaine d’années des sondes optiques hétérodynes qui sont à l’état de l’art et font l’objet de transferts industriels. Ces sondes sont employées actuellement pour la caractérisation de nombre des microsystèmes fabriqués au département LPMO. Pour les applications à la métrologie et l’imagerie des microsystèmes, nous développons de nouvelles techniques permettant d’obtenir des informations sur la distribution de température ou encore le mouvement hors plan.

Soutien financier

Fogale Nanotech (transfert industriel, 2004), MBDA (contrat de collaboration 2004), Contrat INRS.

Description des travaux et résultats obtenus

Micro-thermographie à résolution submicronique par caméra à comptage de photons

La diminution de la taille des composants électroniques a permis de multiplier les applications de l’électronique. Cependant, avec la miniaturisation, le problème de l'échauffement du circuit est devenu prépondérant. Compte tenu de l’intérêt suscité par l’étude thermique aux micro-échelles d’espace, nous proposons une méthode dont le principe est fondé sur l’utilisation d’une caméra intensifiée ICCD ou une caméra CCD à faible bruit pour mesurer le rayonnement thermique émis par la surface du composant à caractériser dans le très proche infrarouge (<1µm). Pour augmenter le rapport signal sur bruit du système de détection, nous avons utilisé une caméra à grande dynamique associée à un programme de traitement numérique consistant à intégrer les images enregistrées. Les résultats obtenus laissent espérer le développement de nouvelles méthodes de contrôle thermique non destructif à résolution spatiale meilleure que le micron pour la caractérisation des circuits microélectroniques, des microsystèmes, mais aussi pour la science des matériaux (températures de transition, …). Ce travail a été réalisé pour partie dans le cadre d’une collaboration avec le département CREST.

Image optique du réseau

Image optique du réseau

Images optique et thermique du réseau

Images optique et thermique du réseau

Analyse vibratoire de microsystèmes par caméra

Ces travaux concernent l’étude et le développement d’un système optique pour l’analyse des vibrations dans le plan de MEMS/MOEMS. Le système développé repose sur un stroboscope synchronisé sur l’excitation de l’objet vibrant à mesurer. Les images synchrones sont intégrées par une caméra CCD et des séquences vidéo sont acquises par un ordinateur. Un programme informatique a été développé pour déterminer l’amplitude et la phase de la vibration. Les déplacements sub-pixels entre images sont calculés en recherchant le maximum du produit de corrélation entre les images successives préalablement sur-échantillonnées. Un algorithme spécifique permet de reconstruire le mouvement de l’objet (amplitude et phase) avec une très grande résolution spatiale (jusqu’à une fraction de nanomètre). Le dispositif développé permet de mesurer des vibrations dans le plan jusqu’à plus de 200 kHz actuellement.

Sondes interférométriques hétérodynes pour la mesure de vibrations

La sonde interférométrique qui a été développée dans le département LPMO est maintenant un outil performant et complètement pérennisé permettant de mesurer des amplitudes de vibration avec une résolution de l’ordre de 10-15 m.Hz-1/2. Cette sonde a fait l’objet d’un transfert industriel (société Fogale Nanotech, Nîmes) finalisé actuellement. Par rapport à la version antérieure, l’électronique a fait l’objet d’études approfondies afin d’améliorer la dynamique et la fréquence de la porteuse, ce qui permet de travailler à plus haute fréquence. Les amplitudes détectées peuvent atteindre 100 nm grâce à une démodulation originale à double phase (dynamique de 140 dB dans une bande de 1 Hz). Une nouvelle sonde miniaturisée large bande est à l’étude. Elle fait l’objet du travail de thèse d’O. Gaiffe.

Sonde optique

Vue du prototype de sonde optique ayant fait l’objet d’un transfert industriel

Perspectives

Les travaux dans ce domaine de la métrologie des microsystèmes sont importants au niveau de l'équipe et devraient constituer un apport indispensable au niveau du nouveau département MN2S. La très forte demande en moyens de caractérisation thermique quantitative à très haute résolution, ou encore en analyse vibratoire des microsystèmes et des phénomènes physiques à très haute fréquence (cristaux phononiques, nanorésonateurs, etc.) justifie la poursuite sur le long terme de cette activité.

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