聚焦離子束快速精準制備玻璃透射電鏡樣品

丁 瑩， 史學芳， 楊修波， 鄭 嵐， 高翔宇， 劉 峰，b

（西北工業(yè)大學a.分析測試中心；b.凝固技術國家重點實驗室，西安 710072）

0 引 言

透射電子顯微鏡（Transmission Electron Microscope，TEM）是材料微觀結構表征的重要手段之一。TEM樣品的制備質量對其表征結果起非常重要的影響。聚焦離子-電子雙束電鏡（Focused Ion Beam-Scanning Electron Microscope，FIB-SEM）是在掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）基礎上增加了離子束鏡筒，并配有納米機械手、氣體注入系統等附件的設備，它同時具有高精度的成像和加工功能［1-2］。自1989年，Kirk等［3］第一次用聚焦離子（Focused Ion Beam，FIB）成功制備出TEM樣品以后，FIB制備TEM樣品的技術經過不斷的發(fā)展和完善，目前已經成為制備TEM樣品的有力工具［4-8］。

相比導體材料，絕緣體材料有嚴重的荷電現象使得人們無法簡單地采用常規(guī)方法利用FIB對其進行加工，由于荷電效應會產生嚴重的圖像漂移以及模糊不清，使得離子束在加工過程中無法進行精確的定位。針對荷電現象，目前常見的加工方案主要有：①通過離子濺射儀等設備在樣品表面鍍覆碳、金、鉑等導電金屬薄膜［9］，但鍍覆的導電薄膜可能會影響樣品本身的性能，所以并不是所有的樣品都可以鍍膜；②加工時采用電子束對離子束電荷進行電荷補償［10-11］；③加工時采用氣體注入系統向加工區(qū)域局部通入氣體［12］，通過氣體分子電離來中和離子束電荷；④加工時利用導電或者接地性能更好的附件和樣品表面接觸，建立局部電荷傳導擴散通道［13-15］。②和③兩類方法都屬于電荷補償的方法，需要設備配置相應的附件來實現，而且補償過程難于控制，需要大量反復的試驗來確定控制參數。④這類方法主要是針對截面切割或圖形加工提出的，當用于TEM樣品制備時，存在不適用或可以改進的情況?；诖?，本文對常規(guī)FIB制備TEM樣品的方法進行了改進，形成了一套可以快速精準制備玻璃類絕緣材料TEM樣品的加工方案。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

本實驗的設備為Thermo Helios G4 CX FIB-SEM雙束電鏡，雙束夾角52°。該設備配有EasyLift納米機械手以及氣體注入系統（GIS-Pt），噴射氣體為Pt金屬有機前驅物。鍍膜設備為Hitachi MC 1000離子濺射儀，靶材為Pt。加工材料為石英玻璃。

1.2 實驗流程

基于FIB制備TEM樣品的常規(guī)方法是U形切割法，主要包含6個步驟［5］：①鍍Pt，找到樣品表面關鍵區(qū)域，插入GIS-Pt，采用離子束輔助沉積8 μm×2 μm×1 μm的Pt保護層；②挖槽，在Pt保護層的兩側用大束流挖梯形槽，槽較深的一端靠近Pt，得到厚度2～2.5 μm的薄片后，再用小束流對薄片進行修邊，最終得到厚度為1～1.5 μm的薄片；③U形切割，對薄片進行U切，使薄片底部和靠近機械手的一側與塊體樣品的連接完全切斷，而另一側留下一部分連接；④提取，插入機械手和GIS-Pt，利用Pt將機械手和薄片切斷的一側焊接牢固后，切斷薄片另一側，再緩慢升起機械手，提出薄片；⑤放樣，移動樣品臺，將銅網移動到視野中心，插入焊有薄片樣品的機械手，與銅網上帶有預制切口的柱子頂端接觸后，插入GIS-Pt，利用Pt將薄片與銅網上的柱子焊接牢固，再將薄片與機械手連接的一側切斷，撤回機械手，完成薄片的轉移；⑥減薄和低電壓清洗，先用30 kV加速電壓的離子束將薄片減薄至150 nm左右，再用5 kV加速電壓的離子束對薄片進行清洗減薄至50 nm左右，最后用2 kV加速電壓的離子束對薄片進行最終的清洗，降低表面損傷層厚度。

為了改善石英材料表面在離子束加工過程中出現的嚴重荷電現象，本文在上述常規(guī)制樣方法的基礎上，做了以下幾點技術改進。

（1）樣品準備。對于可以鍍膜的材料，采用離子濺射儀在材料表面鍍覆的導電薄膜需達到一定的厚度才能獲得理想的荷電改善效果。實驗中設定的理想效果為在常用的電子束觀察束流（86 pA）和離子束輔助沉積束流（0.23 nA）的條件下，二次電子圖像清晰，沒有漂移。據此，實驗最終采用的薄膜厚度為30 nm，對應的濺射參數為20 mA（濺射電流），120 s（濺射時間）。

對于不可鍍膜的材料，由于荷電效應，無論是SEM還是FIB的二次電子圖像的質量都很差，存在漂移嚴重，模糊不清等問題，常規(guī)方法中“找到關鍵區(qū)，并實現FIB和SEM的雙束對中”就難以實現。對此，本文采用的方案：①在SEM下找到關鍵區(qū)；②用電子束進行輔助沉積，利用Pt在二次電子下的高反差在樣品表面形成明顯的特征；③傾轉樣品臺進行雙束對中和離子束輔助沉積。然而電子束輔助沉積往往需要比較大的電子束流，需5.5 nA，由此產生的荷電，本文采用機械手和樣品表面接觸建立局部荷電通道來解決。圖2所示為機械手輔助前（圖中方框1）以及輔助后（圖中方框2）電子束輔助沉積效果的對比。結果可見，機械手的加入明顯改善了沉積的效果。

（2）挖槽。挖槽通常需要在較大的離子束流條件下進行。但大離子束流會引起嚴重的荷電，與常規(guī)方法不同的是：此步驟需要在機械手和Pt保護層相接觸的條件下進行，如圖3（b）～（g）所示。此外，機械手和Pt保護層接觸會遮擋其中一側樣品表面，使得挖槽只能在未被遮擋的一側進行，挖槽的過程和效果也無法采用電子束進行實時觀察。因此，挖完后需要轉動樣品臺，在SEM下檢測挖槽的效果后再進行后續(xù)的步驟。

（3）U形切割。為了改善荷電，此步驟也是在機械手和Pt保護層接觸的條件下進行的，如圖3（h）～（i）所示。

2 實驗結果與分析

利用Pt在二次電子圖像中的高反差，電子束沉積的Pt保護層除了可以保護樣品最表層的結構信息不被破壞外，還可以用來做標記，幫助操作者在模糊不清的圖像中迅速且準確地找到關鍵區(qū)。

常規(guī)制樣方法中，機械手僅起到連接固定的作用，幫助完成薄片的轉移。而本文機械手除連接固定外，還起到電荷接地通道的作用，參與從沉積到放樣（見圖3（a）～（e）步驟）的整個加工過程，用來改善荷電效應。這一改善方式與文獻［13-14］中的相似。FIB制備TEM樣品的過程需要鍍Pt保護層這一特點，使得機械手在和樣品之間建立電荷通道時，既可以和樣品表面直接接觸，也可以和Pt保護層接觸。與樣品表面接觸相比，機械手和Pt保護層接觸在操作上會更加方便，接觸的效果也更好，因為Pt保護層通常突出于樣品表面且具有一定厚度。本文與文獻［14］中機械手和樣品表面直接接觸不同的是：在圖3（a）步驟獲得Pt保護層后，圖3（b）～（d）步驟中均采用機械手和Pt保護層接觸的荷電改善方式。此時，Pt保護層不僅起到保護樣品表面不受離子束損傷的作用，還起到聯通樣品表面和機械手的作用。此外，FIB制備TEM樣品的過程中，樣品臺的傾轉角度也不是一成不變的。本文和文獻［13］中不同的是機械手和樣品不需要用Pt焊在一起（除圖3（d）步驟需要提取薄片以外），這樣可以節(jié)省加工時間。

即便采用機械手輔助切割，實驗中如果采用的離子束流過大的話，仍會出現漂移現象，如不鍍導電膜的樣品挖槽時，采用9.3 nA離子束流的樣品出現的輕度的漂移，致使機械手和pt保護層之間的連接斷開。但這一影響仍可以通過及時刷新離子束圖像并調整機械手位置來消除。采用2.5 nA的離子束流雖不會導致樣品漂移，但所需加工時間要長的多。因此，實際離子束流大小的選擇需要綜合加工效果、加工時長以及荷電效應等進行考慮。

3 結 語

本文對FIB制備TEM樣品的常規(guī)方法進行了改進，最終快速且精準地制備出了玻璃類絕緣材料的TEM樣品。改進手段主要有：①利用Pt在二次電子圖像下的高反差，電子束輔助沉積除了可以保護樣品最外層的結構信息不被破壞外，還可以用來做標記，幫助操作者在模糊不清的圖像中迅速且準確地找到關鍵區(qū)；②利用機械手輔助切割，使機械手在離子束加工過程中保持和Pt保護層接觸的狀態(tài)，可以幫助樣品建立更好的電荷接地通道，改善荷電效應，實現離子束對樣品的精準加工；③即便采用機械手輔助切割，如果采用的離子束流過大的話，仍會出現漂移現象。因此在加工過程中需要綜合考慮荷電效應和加工速率，選擇合理的離子束束流。本方法對其他不導電材料的FIB TEM樣品制備具有指導意義。