采用石英玻璃作為離子減薄制樣儀離子槍高壓絕緣體的應(yīng)用

陳小平，胡小俠，林 奎，郭前進(jìn)，鄧小娟

(天津大學(xué) 分析測試中心，天津 300072)

透射電子顯微鏡(TEM)和掃描電子顯微鏡(SEM)廣泛用于金屬、陶瓷等材料的微觀探測研究[1-9]. 但是將金屬、陶瓷等固體材料制備成適合透射電子顯微鏡觀察分析的樣品則需要利用相應(yīng)的制樣設(shè)備，即離子減薄制樣儀將其加工減薄成直徑為3 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓片形薄膜(金屬薄膜或陶瓷薄膜)[10-12]. 薄膜厚度要求幾納米至幾百納米，以便TEM電子束將薄膜穿透投影成像，觀察其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu).

目前，全世界生產(chǎn)離子減薄制樣設(shè)備的廠家并不多，其憑借技術(shù)壟斷的優(yōu)勢，使得儀器配件價(jià)格均很昂貴，維修費(fèi)用居高不下，維修周期較長. 因此，有必要對儀器進(jìn)行良好的維護(hù)，延長其使用壽命，減少或避免損壞情況發(fā)生.

1 離子減薄制樣儀簡介

1.1 離子減薄制樣儀的基本原理

離子減薄制樣儀，又稱為離子薄化儀或離子束處理系統(tǒng)，其主要部件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示. 離子減薄制樣儀的工作原理是通過啟動(dòng)自身帶有的真空系統(tǒng)，將真空值控制在5×10-6帕狀態(tài)下，再通過冷陰極離子槍提供高能量的高純氬離子流，對被減薄樣品表面以某一入射角度連續(xù)轟擊，當(dāng)氬離子流的轟擊能量大于樣品材料原子的結(jié)合能時(shí)，樣品表面原子由于受到氬離子擊發(fā)而引發(fā)濺射. 通過這種連續(xù)不斷的轟擊、濺射、減薄過程，最終獲得適合透射電子顯微鏡觀測的薄膜樣品(包括金屬薄膜、陶瓷薄膜等). 目前，離子減薄制樣儀主要用于制備透射電鏡及掃描電鏡的樣品，不僅能夠滿足制備金屬、非金屬的一般要求，而且還能滿足制備多相組織材料、多孔組織材料、半導(dǎo)體等材料樣品的制備需求，例如陶瓷、礦石、硅等，同時(shí)還可適用于超高分辨率技術(shù)等多方面應(yīng)用[13-15]. 由于離子減薄技術(shù)的應(yīng)用，擴(kuò)大了透射電鏡技術(shù)的應(yīng)用范圍，即在電鏡顯微研究中，可制作樣品的最終觀察面，并能實(shí)現(xiàn)大面積轟擊研磨或疊層轟擊研磨. 在金相學(xué)中，通過離子束(流)對樣品表面金相選擇性減薄、清潔和拋光，就可得到適合掃描電鏡觀察的表面微觀結(jié)構(gòu)相.

圖1 離子減薄制樣儀結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of ion beam thinner

1.2 離子槍的工作流程

離子槍是發(fā)射高電壓氬離子束(流)的部件，也是離子減薄制樣儀的核心部件，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示. 它的工作原理是在真空值5×10-6帕的高真空環(huán)境下，首先在槍內(nèi)充入一定壓力值的高純氬氣(也有充入氖氣(Ne)、氙氣(Xe)及六氟化硫(SF6)的，但通常以使用氬氣為多，主要與減薄的速率有關(guān))，然后再加上高電壓，其起輝(弧)的電壓范圍在800 V～10 KV之間，電流在5 mA以內(nèi). 高純氬氣在槍內(nèi)被高電壓電離并加速，形成了氬離子束流，射向需要被減薄研磨的樣品表面，連續(xù)不斷轟擊樣品，使樣品表面原子發(fā)生濺射而脫離樣品表面，樣品被減薄從而形成薄膜樣品[16].

圖2 離子槍結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 2 Schematic diagram of structure of ion gun

2 使用中存在的問題

在長期使用中發(fā)現(xiàn)，離子槍在累計(jì)工作100～150 h左右后，就會(huì)發(fā)生離子槍內(nèi)部高壓短路打火現(xiàn)象，儀器計(jì)算機(jī)工作站即刻出現(xiàn)警告，同時(shí)儀器全面停止工作. 這與廠家給出的使用400 h后才需清洗槍室、更換或清潔高電壓絕緣體(環(huán))的指標(biāo)相差甚遠(yuǎn). 而且儀器停止工作后需要請廠家工程師維修，一般周期較長. 或者有備件的前提下也可自行拆解離子槍，清洗槍內(nèi)所有金屬零件(超聲清洗)，更換或清洗高電壓絕緣體，烘干重新裝配后開機(jī)并校準(zhǔn)定位. 經(jīng)常拆解儀器會(huì)大大損傷儀器本身，尤其影響高真空度及離子槍的裝配精度. 可見離子槍的高電壓短路是一個(gè)長期困擾儀器使用者的問題.

3 原因分析

離子槍在高電壓陽極與陰極之間是采用陶瓷環(huán)作為絕緣體，SEM觀察發(fā)現(xiàn)其表面較為粗糙，質(zhì)地疏松，且表面孔隙較大(如圖3所示)，該陶瓷環(huán)壁厚只有1.5 mm，尺寸設(shè)計(jì)雖然比較精細(xì)，但是也直接影響到它的機(jī)械強(qiáng)度及耐高溫變形的能力，尤其在離子槍內(nèi)極端特殊的工作環(huán)境下(電弧、高溫、振動(dòng)等)極易發(fā)生損壞，加上絕緣體表面粗糙極易吸附由電弧激發(fā)、電極所濺落的金屬粉塵污染，從而引起短路. 多次更換陶瓷環(huán)的經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該陶瓷環(huán)安裝在陽極與陰極之間的空間結(jié)構(gòu)嚴(yán)密緊致(見圖2)，一般陶瓷的熱膨脹系數(shù)大約為6～10×10-6/℃因此在離子槍工作時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)以下幾種情況.

圖3 陶瓷環(huán)表面的表面形貌Fig. 3 Surface morphology of unused ceramic ring

3.1 污染

由于離子槍標(biāo)配的絕緣體為普通陶瓷環(huán)，表面較為粗糙，孔隙率較大，因而很容易被在陽極與陰極間產(chǎn)生的氬離子電弧所擊發(fā)落下的金屬粉塵，或者被減薄樣品所濺落的金屬粒子沉積污染(如圖4所示). 將替換下來的陶瓷絕緣環(huán)表面進(jìn)行掃描電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)陶瓷體表面空隙已經(jīng)被金屬粉塵所污染并與絕緣體環(huán)的內(nèi)外連成一體，因此該陶瓷體已經(jīng)失去絕緣作用，造成失效與短路.

圖4 使用過的陶瓷環(huán)照片F(xiàn)ig. 4 Photograph of used ceramic ring

3.2 無法重復(fù)利用

按照儀器廠家的建議，可以將失效但完整無變形的陶瓷絕緣體進(jìn)行再生重復(fù)利用，不必更換絕緣體. 具體方法是將絕緣體置于馬弗爐中以1 000 ℃烘烤1 h，使金屬污染物(主要是離子槍前后陰極鋁材質(zhì)濺落粉塵)升華變成蒸汽揮發(fā)，然后可以重復(fù)使用. 但是在實(shí)際操作后發(fā)現(xiàn)，雖然金屬污染物部分揮發(fā)，表面比較干凈了，但是高溫致使陶瓷絕緣環(huán)嚴(yán)重變形膨脹(原圓環(huán)狀變成橢圓形或不規(guī)則形狀)，表面起泡且更加凹凸不平整，通常根本無法重裝繼續(xù)使用. 絕緣陶瓷體烘烤前和烘烤后的照片如圖5所示.

圖5 陶瓷環(huán)烘烤前后的照片F(xiàn)ig. 5 Photographs of ceramic ring before and after firing

3.3 拆解清洗困難

由于離子槍在工作時(shí)充入高純氬氣，加上高電壓后將氬氣電離而產(chǎn)生電弧和高溫，又因陶瓷絕緣體材料密度較小且質(zhì)地較為疏松，長時(shí)間在高溫環(huán)境下就很容易導(dǎo)致該陶瓷絕緣體發(fā)生變形、崩裂，甚至還與陽極或陰極在高溫作用下相互熱漲擠壓燒結(jié)粘為一體，更導(dǎo)致拆解清洗困難，在拆解清理過程中極易損壞陽極或陰極的金屬管壁表面.

3.4 陶瓷絕緣體變形

由于離子槍內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)嚴(yán)密，空間過于狹窄，只顧及裝配精度較高，沒有考慮到該陶瓷絕緣體的高溫特性，即經(jīng)過一段時(shí)間的使用就會(huì)不可避免的發(fā)生變形，這也是造成陶瓷絕緣體常被漲壞崩裂的重要原因.

4 問題的解決

4.1 絕緣體的選擇

基于以上實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)和分析，認(rèn)為改善以上情況的最好方法是尋求密度較高，表面光潔度高(這一點(diǎn)極為重要)，耐高溫，線漲系數(shù)低，絕緣性能優(yōu)良，并且模具制造及機(jī)械加工簡易，成本低且可小批量生產(chǎn)制造，適合離子槍內(nèi)部空間及裝配的絕緣材料，故我們選定了二氧化硅(SiO2)石英玻璃. 因?yàn)榻^緣體為外徑20 mm，內(nèi)徑18.5 mm，壁厚1.5 mm，高12 mm的管狀體，形狀簡單. 另外，以石墨制造模具，加工后的精度較高，可滿足尺寸精度要求. 熔制法一次成型，管體內(nèi)外表面光潔度均極高.

以二氧化硅制造的石英玻璃具有如下物理化學(xué)性能：(1) 耐溫高，可在1 100 ℃下長時(shí)間使用，短時(shí)間可在1 450 ℃下工作，其熔融溫度為1 780 ℃. (2) 耐腐蝕性好，其耐腐蝕性是陶瓷材料的30倍，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定. (3) 熱穩(wěn)定性良好，熱膨漲系數(shù)極低(透明石英玻璃熱膨脹系數(shù)為5.5×10-7/℃). (4) 絕緣性能優(yōu)秀，其電阻值是普通玻璃的一萬倍，即使在高溫環(huán)境下也具有優(yōu)良的電性能. (5) 電真空可達(dá)10-6帕. (6) 可加工性強(qiáng)，在成品尺寸誤差較少時(shí)，可用手工修整至要求精度. (7) 石英管壁內(nèi)外光潔度極高(如圖6所示)，對于減少金屬粉塵的沉積與污染有著重要的作用，是普通陶瓷無法相比的.

綜上所述，石英玻璃完全可以替代現(xiàn)有的陶瓷絕緣體.

圖6 未使用的石英玻璃環(huán)表面形貌Fig. 6 Surface morphology of unused quartz glass ring

4.2 石英玻璃絕緣體的加工

采用熔制法，以高純度二氧化硅材料制備表面高光潔度石英玻璃管狀體，并以較高精度機(jī)械切割成石英玻璃絕緣體成品成品試驗(yàn)：將成品石英玻璃絕緣管置于乙醇中超聲波清洗后，烘干. 安裝于離子槍陰極與陽極之間，將槍體安裝至儀器就位. 將儀器工作艙真空度抽至5×10-6帕，充入離子槍一定壓力值的高純氬氣，加上高電壓(800 V～8 KV)，產(chǎn)生氬離子束流分別加工減薄金屬樣品，累計(jì)制樣30余個(gè)，累計(jì)制樣工作時(shí)間約380 h. 在此期間沒有發(fā)生離子槍短路及計(jì)算機(jī)工作站短路報(bào)警等任何異常，離子束流工作穩(wěn)定. 經(jīng)過近8個(gè)月的工作運(yùn)行考驗(yàn)，儀器各指標(biāo)總體穩(wěn)定，離子槍石英絕緣體絕緣性能穩(wěn)定優(yōu)良，由此大大延長了離子槍工作壽命，同時(shí)也大大延長了維護(hù)保養(yǎng)清洗及更換絕緣體的周期.

5 測試結(jié)果與評價(jià)

經(jīng)過近8個(gè)月的使用后發(fā)現(xiàn)，由氬離子束電弧擊發(fā)陰極陽極金屬管壁及轟擊金屬樣品所產(chǎn)生的的金屬粉塵對石英玻璃絕緣體的污染及金屬沉積現(xiàn)象比原陶瓷絕緣體被污染的情況減弱很多(如圖7所示)，分析認(rèn)為石英玻璃絕緣體表面極高的光潔度是減少金屬粉塵在玻璃環(huán)表面吸附和沉積的主要原因. 經(jīng)精密卡量絕緣體內(nèi)外尺寸，無任何變化，石英玻璃絕緣體的形變可忽略不計(jì). 沒有發(fā)生如陶瓷絕緣體與陽極或陰極燒結(jié)為一體或崩裂的情況，槍體內(nèi)部各部件明顯干凈. 為防止石英絕緣體有較輕微的金屬粉塵污染，將石英玻璃絕緣體置于馬弗爐中以1 000 ℃烘烤1 h，待金屬粉塵升華后，以丙酮或乙醇超聲波清洗，烘干后繼續(xù)使用，絕緣效果如新.

圖7 使用過和超聲波清洗烘烤后的石英玻璃環(huán)的照片F(xiàn)ig. 7 Photographs of used quartz glass ring and after firing and ultrasonic cleaning

6 結(jié)論

本文針對離子減薄制樣儀離子槍高壓絕緣體,提出了以石英玻璃材料絕緣體替代陶瓷材料絕緣體的設(shè)計(jì)思路與方案. 通過實(shí)踐，該方案具有創(chuàng)新性和可行性，可以自行設(shè)計(jì)，易于加工. 實(shí)踐表明：其絕緣性能優(yōu)良穩(wěn)定，能夠有效減少金屬粉塵的污染，延長離子槍的使用壽命，提高了制樣效率與質(zhì)量，降低了維持維修費(fèi)用及使用成本. 以石英玻璃材料做絕緣體可在一定范圍內(nèi)進(jìn)行推廣應(yīng)用.