Les microscopes en champ proche sont très largement utilisés pour caractériser des propriétés physiques à l'échelle du nanomètre. Afin d'assurer la cohérence des mesures et l'exactitude des résultats mesurés, ces microscopes ont besoin d'être étalonnés périodiquement. Ce raccordement à la définition de l'unité de longueur est assuré par le biais d'étalons de transfert dont les caractéristiques dimensionnelles peuvent être mesurées à l'aide d'un microscope à force atomique métrologique. Les travaux réalisés au cours de cette thèse ont pour but de développer en France le premier microscope à force atomique métrologique (mAFM) capable d'étalonner ces échantillons de référence. Il s'agit d'un AFM dont les courses disponibles sont de 60 μm dans le plan horizontal et 15 μm suivant l'axe vertical. Les mesures de la position relative de la pointe AFM par rapport à l'échantillon sont réalisées à l'aide d'interféromètres différentiels dont la longueur d'onde est étalonnée afin d'assurer un raccordement direct à la définition du mètre étalon. Les incertitudes de mesure de la position de la pointe par rapport à l'échantillon sont de l'ordre du nanomètre. Quatre axes de développement concourent à cet objectif : (i) la minimisation des erreurs d'Abbe, (ii) l'optimisation de la chaîne métrologique, (iii) la réduction des effets thermiques sur le processus de

Ces travaux portent sur le domaine de la nanométrologie dimensionnelle, plus particulièrement dédiée aux positionnements et aux déplacements de platines mécaniques sur des courses millimétriques. On y trouvera des détails concernant les méthodes originales développées au laboratoire, associant mécanique de précision, capteurs optiques et électronique haute fréquence qui ont permis d'obtenir de nombreux résultats expérimentaux dans ce domaine. L'accent est mis sur deux champs d'action plus particulièrement. Le premier concerne le déplacement d'une platine porte-échantillon pour des applications en association avec la microscopie en champ proche et la lithographie où il est nécessaire d'effectuer des déplacements millimétriques dans un plan avec des répétabilités de l'ordre du nanomètre. Le second concerne la balance du watt du Laboratoire National d'Essai où il est nécessaire de déplacer une masse le long d'un axe à une vitesse uniforme de 2 mm.s-1 avec une exactitude de 10-9 en valeur relative.

Pour répondre à une demande croissante des nanotechnologies, et plus particulièrement en nanométrologie dimensionnelle, une méthode originale de mesure et de contrôle de position à l'échelle sub-nanométrique a été développée et mise en œuvre. Cette méthode est basée sur un interféromètre de Michelson combiné à un polarimètre et une électronique de contrôle. Le déplacement du miroir mobile est relié à l'état de polarisation en sortie de l'interféromètre. Une fois l'expérience mise en œuvre, nous avons réalisé des déplacements avec des pas de positions nanométriques. La répétabilité obtenue est sub-nanométrique sur des déplacements allers-retours pour des courses micrométriques. L'étude de l'influence de l'état de polarisation à la sortie de l'interféromètre sur la mesure et le contrôle de la position a été menée. Les autres sources d'erreurs classiques ont également été étudiées pour établir un bilan d'erreur complet. Dans un environnement contrôlé, la méthode développée pourrait s'appliquer à des déplacements de courses millimétriques, conduisant à de très nombreuses applications en nanotechnologie.

À l'heure où les nanotechnologies sont en plein essor, la précision des mesures réalisées à l'échelle nanométrique devient un défi essentiel pour améliorer les performances et la qualité des produits intégrant des nano. Pour répondre aux besoins sous-jacents en nanométrologie dimensionnelle, le Laboratoire National de métrologie et d'Essais (LNE) a conçu intégralement un Microscope à Force Atomique métrologique (mAFM). Son objectif principal est d'assurer la traçabilité au mètre défini par le Système International d'unités (SI) pour les mesures à l'échelle nanométrique. Pour cela, le mAFM utilise quatre interféromètres différentiels qui mesurent en temps réel le déplacement relatif de la pointe par rapport à l'échantillon. Cet instrument de référence est destiné à l'étalonnage d'étalons de transfert couramment utilisés en microscopie à champ proche (SPM) et en microscopie électronique à balayage (SEM). Lors de ce processus, une incertitude de mesure est évaluée. Elle détermine un niveau de confiance de l'étalonnage réalisé par le mAFM. Cette incertitude est généralement évaluée grâce à des mesures expérimentales permettant de déterminer l'impact de certaines sources d'erreur qui dégradent les mesures à l'échelle du nanomètre. Pour d'autres sources d'erreur, leur évaluation reste complexe ou expérimentalement impossible. Pour surmonter cette difficulté, le travail de thèse a consisté à mettre en place un modèle numérique de l'instrument nommé " AFM virtuel ". Il permet de prévoir l'incertitude de mesure du mAFM du LNE en ciblant les sources critiques d'erreur grâce à l'utilisation d'outils statistiques tels que la Méthode de Monte Carlo (MCM), les plans de Morris et les indices de Sobol. Le modèle utilise essentiellement la programmation orientée objet afin de prendre en compte un maximum d'interactions parmi les 140 paramètres d'entrée, en intégrant des sources jusqu'ici négligées ou surestimées par manque d'informations. / At present where nanotechnology applications are growing fast and nano products spreading worldwide, measurement accuracy at nanometer scale becomes an essential challenge to improve the performance and the quality of products integrating nano. To meet the specific needs in the field of dimensional nanometrology, LNE (French metrology institute) integrally designed a metrological Atomic Force Microscope (mAFM). Its main objective is to ensure the traceability of nanoscale measurements to the meter as defined by the International System of Units (SI). The mAFM uses four differential interferometers which measure the tip to sample relative position. This instrument will be devoted to the calibration of transfer standards commonly used in scanning probe microscopy (SPM) and scanning electron microscopy (SEM). During this process, a measurement uncertainty is evaluated to determine a confidence level of the calibration realized by the mAFM. This uncertainty is usually evaluated thanks to experimental measurements which determine the impact of some error sources which degrade measurements at the nanoscale. For other components, their evaluation can be more complex and sometimes impossible to estimate experimentally. To overcome this difficulty, the thesis work consisted in the development of a numerical model called "Virtual AFM". It allows producting the measurement uncertainty of the LNE's mAFM and to identify the critical components by using statistic tools such as Monte Carlo Method (MCM), Morris' design and Sobol' indices. The model uses essentially oriented-object programming to take into account a maximum of interactions from about 140 input quantities. It allowed integrating components previously neglected or overestimated due to a lack of information.