Cantilevers en carbure de silicium à piézorésistivité métallique pour microscopie à force atomique en mode dynamique à très haute fréquence – NANOSENS

Le but de ce projet est d'améliorer de façon significative les performances de la microscopie à force atomique en mode noncontact (NC-AFM) en développant de nouveaux senseurs de force (ou cantilevers). Dans ce mode d'AFM, le cantilever (CL) est inséré dans une boucle à réaction positive qui oscille à la fréquence de résonance du CL, pendant qu'une autre boucle maintient constante son amplitude d'oscillation. Le signal qui est utilisé pour former l'image est la fréquence de résonance du CL, qui varie sous l'influence des forces que la surface exerce sur la pointe. Ce mode s'est avéré le plus sensible depuis une dizaine d'année. C'est le seul à permettre d'atteindre la résolution atomique sur une grande gamme de surfaces (métaux, semiconducteurs covalents ou ioniques, isolants covalents ou ioniques,...). En NC-AFM, la force détectable minimale, fixée par les fluctuations thermiques du CL est inversement proportionnelle à la racine carrée de la fréquence de résonance et du facteur de qualité du CL. Il est donc possible d'améliorer la sensibilité de l'instrument en augmentant la fréquence de résonance et/ou le facteur de qualité du CL. Augmenter la fréquence de résonance en maintenant k à une valeur compatible avec le NC-AFM impose de diminuer la masse effective du dispositif, et donc une réduction en taille. Notre but est de développer des CLs de dimensions submicroniques à partir de films de carbure de silicium 3C-SiC élaborés en épitaxie sur Si. Les excellentes propriétés mécaniques de SiC, combinées à la petite taille de ces dispositifs permettront d'atteindre des fréquences de résonance de l'ordre de 100 MHz, soit 100 fois plus élevées que pour les CLs utilisés actuellement. De plus, l'optimisation des propriétés du matériau SiC devrait permettre d'augmenter Q. Notre stratégie consistera d'abord à étudier l'influence des défauts de volume et de surface sur la dissipation de l'énergie mécanique, puis à utiliser les conclusions de cette étude pour améliorer le matériau en optimisant les conditions de croissance. Nous pensons que ces améliorations seront profitables bien au-delà des applications au NC-AFM, pour les MEMS/NEMS à base de SiC ainsi que pour les applications en électronique de puissance. La petite taille de ces Cls (typiquement 1 x 0.4 x 0.1 Ym3) rend inadaptées les techniques optiques habituellement utilisées pour mesurer les oscillations des CLs. La méthode qui sera mise en oeuvre utilisera les variations de la résistance d'un film métallique mince deposé sur le cantilever sous l'effet des déformations générées par son mouvement. Cette approche, basée sur la piézorésistivité d'un métal, est radicalement différente de l'approche basée sur la piézorésistivité d'un semiconducteur, mise en oeuvre depuis environ 10 ans pour des CLs d'AFM. Comme cela a été montré récemment, elle présente certains avantages, qui seront mis à profit dans le présent projet. L'accroissement de la fréquence de résonance en NC-AFM n'est pas seulement limitée par l'absence de CLs adaptés, mais aussi par la gamme en fréquence limitée des électroniques commerciales (~5 MHz). Etendre cette gamme à 100 MHz requière des solutions techniques nouvelles qui seront développées au sein du projet. Enfin, l'optimisation de l'instrument et de son système de contrôle demandera des simulations numériques poussées, menées en adaptant à des Cls à 100 MHz un programme existant de NC-AFM "virtuel". Ce projet est du type "recherche fondamentale". Il réunit dans le même consortium des experts en élaboration et polissage de SiC, en MEMS/NEMS à base de SiC, ainsi qu'en instrumentation et modélisation en NC-AFM. La stratégie globale du projet est de couvrir toute la séquence, de l'élaboration du SiC à l'utilisation des CLs lors d'expériences de NC-AFM. La durée de 4 ans est motivée par la nécessité de disposer d'un temps suffisant pour parcourir cette séquence le nombre de fois qu'il sera nécessaire pour optimiser les CLs piézorésistifs.