L’association EURAMET a été mise en place afin de développer la coopération de toute type entre les instituts nationaux de métrologie européens et assurer une utilisation efficace des moyens disponibles en métrologie. Pour cela, un programme européen de recherche en métrologie (EMRP - European Metrology Research Programme) a été élaboré et permet depuis 2009 de financer dans le cadre des activités du "7e programme cadre - FP7" des projets communs de recherche.

La nanométrologie est bien évidemment très présente parmi les études financées, témoins les 7 projets en cours :


a) Projet « Metrology for the manufacturing of thin film » (2010-2013)

b) Projet « Optical and tactile metrology for absolute form characterisation » (2011-2014)

c) Projet « Metrology of small structures for the manufacturing of electronic and optical devices  » (2011-2014)

d) Projet « Traceable characterisation of nanostructured devices  » (2012-2015)

e) Projet « Chemical and optical characterisation of nanomaterials in biological systems  » (2012-2015)

f) Projet « Traceable measurement of mechanical properties of nano-objects  » (2012-2015)

g) Projet « Traceability of sub-nm length measurements  » (2012-2015)

 

Le Tableau 1 fait la synthèse des projets de nanométrologie financés dans le cadre de programmes  européens de recherche en métrologie (IMERA+, EMRP). Une courte description du contexte et des objectifs de ces différents projets est proposée dans ce qui suit.

a) Projet « Metrology for the manufacturing of thin film » (2010-2013)

Ce projet a pour objectifs de fournir des méthodes validées et traçables pour la caractérisation des propriétés (composition, structure) de films minces et permettant de contrôler également l’homogénéité et la qualité de ces propriétés sur des grandes surfaces.

Un des axes de travail concerne la caractérisation de la microstructure des films minces complexes multi-composants ; la traçabilité des données d’imagerie/cartographie Raman 2D avec des résolutions latérales allant jusqu’à 400 nm sera notamment améliorée et la spectroscopie confocale Raman sera qualifiée pour la détermination des composés chimiques, de la structure cristalline et de la taille de grains. Une estimation des incertitudes associées au transfert des méthodes du laboratoire vers des mesures Raman par fibre in-situ sera investiguée, afin d’avoir un impact direct quant à la fiabilité des mesures Raman dans l’industrie. La spectroscopie Raman dépendant de la polarisation sera également qualifiée pour étudier l’orientation moléculaire à la surface des films minces en comparaison de ce que permettent d’obtenir les mesures XAFS. La fluorescence des rayons X du rayonnement synchrotron (SR-XRF) sera utilisée pour qualifier un instrument XRF conventionnel selon un nouveau mode incident rasant et étalonner des échantillons industriels complexes pertinents pour lesquels aucun matériau de référence n’existe à l’heure actuelle.

Ce projet permettra enfin de qualifier l’ellipsométrie pour des mesures dans la gamme allant de 5 à 10 μm via une comparaison avec la technique de réflectométrie des rayons X qui est elle traçable au SI. Un échantillon de référence sera par ailleurs produit pour des mesures d’épaisseurs dans cette gamme.

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b) Projet « Optical and tactile metrology for absolute form characterisation » (2011-2014)

Ce projet est focalisé sur le développement de méthodes permettant de réaliser des mesures de formes sur des surfaces optiques avec des incertitudes nanométriques, sachant qu’actuellement il n’en existe aucune capable de fournir des mesures absolues de formes géométriques 3D sur des pièces optiques simples et/ou complexes avec ce niveau d’incertitude. Cette étape de caractérisation s’avère en effet critique pour la production des surfaces optiques de type lentilles ou miroirs (forme plate, sphérique, asphérique voire même totalement libre), qui présentent des propriétés très spécifiques du fait de leur niveau de polissage, de l’ordre du nanomètre, et sont notamment utilisées pour la conception de systèmes d’imagerie modernes.

Dans le cas des mesures des planéités de surfaces optiques, cela passe par un travail sur les incertitudes de mesures qui devront être réduites, via l’utilisation de capteurs capacitifs, à des valeurs inférieures au nanomètre pour des surfaces de quelques centaines de millimètres. Il est également prévu d’en améliorer la résolution latérale de quelques dixièmes de micromètres. Une technique de mesure absolue de forme optique par interférométrie à onde inclinée (Optical Tilted-Wave Interferometry) doit être qualifiée pour la caractérisation des formes asphérique et libre et des capteurs optiques et tactiles seront évalués et investigués au niveau de l’interaction capteur/surface.

Ce projet permettra enfin de développer un logiciel permettant la reconstruction automatique de surface et le traitement d’un grand volume de données (>> 400 000 points) en temps réel, accompagnée d’une évaluation d’incertitude (virtual CMM concept). Une comparaison de mesures absolues de forme obtenues par l’intermédiaire de capteurs tactiles et optiques ainsi qu’une technologie à base d’interférométrie sera réalisée.

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c) Projet « Metrology of small structures for the manufacturing of electronic and optical devices  » (2011-2014)

Ce projet a pour ambition de surmonter les limitations actuelles des techniques optiques de diffusion utilisées pour déterminer les paramètres géométriques et optiques de structures sur une surface afin de répondre aux besoins de l’industrie des semi-conducteurs et de l’optique. Cela passe notamment par une extension des longueurs d’onde utilisées vers les rayons X (faibles longueurs d’onde).

Les mesures de diffusion seront comparées aux résultats obtenus par AFM 3D et MEB, eux-mêmes raccordés  à un AFM métrologique, avec une incertitude visée de l’ordre du nm. L’utilisation de la diffusiométrie comme technique rapide et fiable de caractérisation de structures planes et/ou incurvées sera évaluée et un étalon de référence, également utilisable pour l’étalonnage d’AFM et de MEB, sera développé.

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d) Projet « Traceable characterisation of nanostructured devices  » (2012-2015)

Ce projet s’intéresse à la mesure quantitative de la composition chimique pour de nouveaux matériaux semi-conducteurs inorganiques (Ge, InGaAs, GaN, SiC, …) et de nouvelles structures 3D (type Nanowire T-FETs, …) insérés dans des arrangements spatiaux complexes et présentant des interfaces enterrées. Le cas des semi-conducteurs organiques, de type molécules individuelles dans des assemblages hautement ordonnés ou semi-conducteurs polymériques dans des films minces sera également adressé par ce projet. La résolution visée dans ce projet selon l’axe des Z est typiquement de l’ordre du nm.

L’objectif de cette étude est de développer des méthodes de mesure traçables pour la caractérisation de propriétés physiques et chimiques de la prochaine génération de dispositifs intégrés nanostructurés (organiques et inorganiques) présentant des dimensions inférieures à 30 nm et utilisant de nouvelles architectures 3D.

Cela passe par l’amélioration des méthodes non-destructives, de type profilage chimique en profondeur (jusqu’à 200 nm) avec une sensibilité de l’ordre de la trace, pour la caractérisation de nano-couches et d’interfaces enterrées. Le projet développera également la métrologie essentielle pour permettre une imagerie chimique 3D à l’échelle du nm des matériaux électroniques organiques à partir de l’utilisation de la pulvérisation massive de clusters d’argon combinée à la SIMS (Spectrométrie de masse à ionisation secondaire ). Cela sera permis par la caractérisation chimique 3D de nano-couches avec une résolution axiale meilleure que 10 nm pour des profondeurs allant jusqu’à 400 nm et une résolution spatiale meilleure que 100 nm. Le projet s’attachera enfin à développer une nouvelle méthode d’imagerie électrique 3D des nano-structures de semi-conducteurs organiques pour palier à l’absence actuelle de méthode. Un matériau de référence avec une résolution meilleure que 30 nm sera développé à cette occasion.

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e) Projet « Chemical and optical characterisation of nanomaterials in biological systems  » (2012-2015)

Ce projet doit permettre le développement d’un cadre métrologique pour la caractérisation physique, chimique et optique de nanomatériaux (de type oxydes métalliques avec ou sans marquage fluorescent, quantum dot) dans les systèmes biologiques complexes. Les matériaux de référence et les protocoles validés qui seront produits au cours des trois années de ce projet pourront être utilisés à la fois par les organisations de nanobiotechnologie et de nanomédecine pour fiabiliser leurs analyses, ainsi que par les entités réglementaires et législatives qui pourront alors prendre des décisions et des recommandations sur la base de données fiables et comparables.

Un des axes de travail concerne le développement et la validation de protocoles de dispersion appropriés des nanomatériaux pour différents milieux  biologiques (de type milieu aqueux, sérum et milieu cellulaire), afin de pouvoir être en capacité de produire des suspensions homogènes et stables des nanomatériaux sélectionnés dans le projet.

Il est également prévu que des techniques de mesure pour la caractérisation de propriétés physiques de nanomatériaux (taille, distribution en taille, charge de surface, état d’agglomération et concentration) soient validées dans le cas d’une matrice sérum. Les techniques utilisées pour la mesure de la taille sont la SAXS (Small Angle X-ray Scattering), la FFF/MALS (Field Flow Fractionation / MultiAngle Light Scattering), la DCS (Differential Centrifugal Sedimentation), la DLS (Dynamic Light Scattering) et la NTA (Nanoparticle tracking analysis). Dans le cas de la détermination de la charge de surface des nano-objets, le travail de validation concernera les techniques ELS (Electrophoretic Light Scattering), SIOS (Scanning Ion Occlusion Spectroscopy) et Z-NTA (Zeta Potential Nanoparticle Tracking Analysis) et devra permettre de comprendre la façon dont différents environnements biologiques (pH, adsorption de biomolécules et de protéines, …) peuvent affecter la charge de surface des nanoparticules. Enfin l’action relative à la détermination de la concentration et de l’état d’agglomération des nano-objets fera appel aux techniques SIOS et FFF/MALS.

Le développement et la validation de techniques de mesures traçables pour la caractérisation optique de nanomatériaux fluorescents en matrice sérum sont prévus, en particulier pour le paramètre clé de rendement quantique de fluorescence. Cela permettra de répondre au besoin de mesures de fluorescence comparables, quantitatives et traçables.

Le dernier axe de travail de cette étude se focalise  sur la validation de méthodes pour la caractérisation physique et chimique simultanée de nanomatériaux en milieux biologiques. L’objectif est d’être en capacité d’une part de fournir des mesures simultanées et traçables pour la détermination de la taille, de la concentration élémentaire totale et de la spéciation élémentaire en fonction de la taille dans le cas de nanoparticules inorganiques en milieu cellulaire et d’autre part de pouvoir accéder simultanément à des informations dimensionnelles (de type taille, distribution en taille, épaisseur de l’enveloppe dans le cas des nanoparticules core/shell) et de composition chimique pour des nanomatériaux présents dans des systèmes biologiques. Dans le premier cas, il est fait appel au couplage de la technique FFF avec des détections MALS et ICP/MS pour permettre une détermination en temps réel de la taille, de la distribution en taille et de la composition chimique élémentaire pour des nanoparticules dans la gamme de 1 à 100 nm. L’accent sera notamment porté sur l’optimisation entre la préparation d’échantillon et une introduction efficace des nanomatériaux dans l’ICP-MS pour leur quantification précise. La mise en œuvre et la validation d’une méthodologie par dilution isotopique sont par ailleurs prévues afin de fournir un accès précis en temps réel à la spéciation élémentaire en fonction de la taille des particules. Dans le second cas, les techniques de rayonnement synchrotron seront utilisées avec la mise en œuvre combinée des méthodes SAXS, ASAXS et XRF.

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f) Projet « Traceable measurement of mechanical properties of nano-objects  » (2012-2015)

Les nanotubes de carbone peuvent être utilisés pour améliorer les propriétés et les fonctionnalités de produits du quotidien, comme le verre, l’acier ou différents types de revêtements. Cependant il apparaît nécessaire d’être capable de mesurer les propriétés mécaniques de ces nano-objets afin d’exploiter au mieux leurs nouvelles caractéristiques et pouvoir améliorer ces produits. Contrairement aux techniques conventionnelles qui ne sont pas adaptées à la très petite taille de ces nano-objets, la microscopie à force atomique (AFM) peut être utilisée pour les visualiser avec une grande résolution et permet également de par son principe de mesure d’accéder à des informations sur leurs propriétés physiques.

L’objectif de cette étude est de proposer des méthodes traçables pour la mesure de propriétés mécaniques (adhésion, raideur, élasticité) de nano-objets, tels que les nanoparticules, les nanofils ainsi que les matériaux composites nanostructurés. Cela passe par le développement de techniques et d’échantillons de référence, ainsi que par l’amélioration d’instruments. L’AFM sera utilisé pour appliquer des forces entre 10 pN et 10 mN à des objets dont la taille  ira jusqu’à 50 nm, après que la raideur des cantilevers AFM aient été étalonnés métrologiquement dans la gamme de force de 1 µN to 10 pN. Un des principaux challenges de ce projet réside dans le développement de méthodes permettant de fixer les nano-objets produits sur un substrat raide et à mesurer les propriétés élastiques de ces objets par l’intermédiaire de différentes méthodes AFM. Les résultats obtenus seront comparés à ceux fournis par des techniques d’indentation instrumentées (IIT) et des structures tests pour la qualification de ces dernières seront fournies. La modification du module élastique selon la diminution de la taille des nano-objets sera par ailleurs investiguée et un bilan d’incertitudes sera proposé pour l’ensemble des propriétés mécaniques considérées.

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g) Projet « Traceability of sub-nm length measurements  » (2012-2015)


La mesure précise de déplacements ou de dimensions d’objets macroscopiques avec des incertitudes inférieures au nm est aujourd’hui nécessaire dans bon nombre d’applications, aussi bien dans le cadre de la métrologie que de l’industrie. Deux types de dispositifs sont classiquement utilisés pour obtenir des informations précises sur le déplacement ou les dimensions d’objets macroscopiques : les interféromètres optiques, qui utilisent la relation entre la longueur d’onde, la fréquence et la vitesse de la lumière pour calculer une longueur, et les capteurs capacitifs pour lesquels la distance entre deux électrodes est calculée à partir de la permittivité du milieu et de la capacitance..

L’objectif de ce projet est d’améliorer la traçabilité des dispositifs de mesure de haute exactitude utilisés dans les Laboratoires Nationaux de Métrologie, la nanomédecine, les industries high-tech comme celles des semi-conducteurs et du nanopositionnement ou encore l’industrie spatiale, domaine dans  lequel l’étalonnage se doit d’être valide pour la durée de vie de l’instrument.

Des actions sont prévues au niveau de l’amélioration des incertitudes de mesures, de la résolution et de la gamme dynamique de déplacement dans le cas des interféromètres optiques et des capteurs capacitifs. A titre d’exemple, les incertitudes d’un interféromètre Fabry-Perot métrologique existant sont sub-nanométriques pour une course de déplacement de 1 μm et de 10 nm pour une course de 100 μm. Des incertitudes dans la gamme du picomètre (10 pm pour une course de 1 μm) sont visées via notamment une amélioration de la stabilité ambiante et le raccordement de la fréquence optique à la seconde.

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