一種基于聚焦離子束的石英玻璃平面透射電鏡試樣制備方法

李怡雪,丁 瑩,張國(guó)棟,高倩雯,史學(xué)芳,劉 峰,3

(1.西北工業(yè)大學(xué) 分析測(cè)試中心，西安 710072；2.西北工業(yè)大學(xué) 光電與智能研究院，西安 710072；3.西北工業(yè)大學(xué) 凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072)

石英玻璃具有良好的光譜特性，在紫外到紅外輻射的連續(xù)波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有優(yōu)良的透射比(透過光通量與入射光通量的比值)，是傳統(tǒng)光學(xué)及光電器件制造領(lǐng)域的常用基質(zhì)材料[1-2]。隨著人們對(duì)數(shù)據(jù)通信需求的增長(zhǎng)，以及對(duì)集成度、微型化要求的不斷提升，高性能嵌入式三維光子調(diào)控器件成為當(dāng)前光電制造領(lǐng)域的一大研究熱點(diǎn)[3-5]。該類調(diào)控器件的結(jié)構(gòu)特征尺寸較小，達(dá)到亞微米量級(jí)；調(diào)控結(jié)構(gòu)呈微米周期分布[6-8]，因此加工該類型器件通常選用具有非接觸性、高精度、高空間選擇性等優(yōu)點(diǎn)的激光直接選區(qū)刻蝕工藝[9-10]。該工藝可以很便捷地在透明基質(zhì)(如石英玻璃)上選區(qū)并加工出納米孔隙結(jié)構(gòu)。激光加工納米孔時(shí)，容易對(duì)周圍位置材料的性能產(chǎn)生影響。透射電子顯微鏡(TEM)分析是研究激光加工納米孔周邊位置的組織、結(jié)構(gòu)的常用方法[11-12]，而制備含有激光加工納米孔的石英玻璃TEM試樣對(duì)于準(zhǔn)確分析尤為關(guān)鍵。

聚焦離子-電子束雙束電鏡(FIB)是在普通的掃描電子顯微鏡上耦合了聚焦離子束系統(tǒng)，同時(shí)配有原位納米機(jī)械手和氣體注入系統(tǒng)(GIS)[13-14]。近年來，使用FIB可以制備有特定位置、特殊取向要求的TEM試樣[15]，且制備出的TEM試樣質(zhì)量高，能得到更多有用的材料結(jié)構(gòu)信息，但用FIB制備平面TEM試樣仍面臨重重困難[16-17]，主要原因?yàn)殡x子束與試樣存在一定的夾角，因此分離的試樣薄片是楔形的，試樣薄片越寬，另一側(cè)越厚，在分離過程中會(huì)出現(xiàn)因?yàn)榱硪粋?cè)厚度過大而無法徹底與基體分離的現(xiàn)象。筆者采用在試樣薄片分離時(shí)改變U型切割傾轉(zhuǎn)角的方法，將含有貫通納米孔的石英玻璃平面薄片從基體分離出來并減薄，制備出了無損傷、高質(zhì)量的平面TEM試樣，該方法為制備高硬度、低導(dǎo)電性材料的平面TEM試樣提供了技術(shù)參考。

1 試樣制備方法

1.1 前處理

在FEI HELIOS G4型FIB中進(jìn)行試驗(yàn)。該FIB配備一個(gè)原位納米機(jī)械手及Pt GIS。將試樣用導(dǎo)電C膠固定在試樣臺(tái)上，并用導(dǎo)電Cu膠將試樣與試樣臺(tái)黏連。石英玻璃的導(dǎo)電性很差，需用導(dǎo)電Cu膠將試樣包裹，只留出需加工的位置，然后對(duì)試樣進(jìn)行噴金處理。將試樣臺(tái)和裝有半圓銅環(huán)的銅網(wǎng)夾分別在FIB中的平面臺(tái)和38°傾斜臺(tái)上固定。

1.2 試樣切取方法

1.2.1 鍍Pt保護(hù)層

首先對(duì)試樣的目標(biāo)加工位置鍍一層Pt保護(hù)層，以防止離子束傷害試樣表面，調(diào)整電子束電壓和電流為5 kV，1.4 nA，在試樣上找到目標(biāo)納米孔，然后將試樣高度調(diào)至共心高并插入Pt GIS，在電子束下對(duì)目標(biāo)區(qū)域噴鍍Pt保護(hù)層，尺寸(長(zhǎng)×寬)為10 μm×10 μm，厚度為0.5 μm。電子束噴鍍Pt完成后，將試樣臺(tái)傾轉(zhuǎn)52°，調(diào)整離子束電壓和電流為30 kV，0.08 nA，在離子束下，對(duì)電子束噴鍍區(qū)域再次進(jìn)行Pt保護(hù)層噴鍍，尺寸及厚度不變。在噴鍍Pt時(shí)每隔10 s在電子束下觀察一次，若試樣因?qū)щ娦圆缓枚?，在離子束下及時(shí)使用beamshift功能進(jìn)行調(diào)整。

1.2.2 兩側(cè)挖坑

選取離子束電壓和電流分別為30 kV，9.3 nA的低束流，分別在Pt層上、下兩側(cè)加工深坑，深坑在長(zhǎng)度、寬度、厚度方向上的加工尺寸均為16 μm。粗加工完成后，將離子束切換至更低束流(30 kV，2.5 nA)，依次在試樣臺(tái)傾轉(zhuǎn)角為50°和54°的情況下對(duì)Pt層上邊緣和下邊緣進(jìn)行精修，精修完成后試樣的微觀形貌如圖1所示。

圖1 精修完成后試樣的微觀形貌

1.2.3 U型切割

采用U型切割的方法將試樣薄片從塊體上分離，即在無傾轉(zhuǎn)角的條件下，從側(cè)邊將試樣加工成懸臂梁狀態(tài)[見圖2a)]。U型切割完成后，試樣從側(cè)面看呈梯形，假設(shè)所要分離的截面TEM薄片寬度為1.5 μm，若從距頂端3 μm的位置開始加工，試樣另一側(cè)的厚度約為4.17 μm[見圖2b)]。當(dāng)平面TEM試樣所要切割的試樣薄片寬度為10 μm時(shí)，在無傾轉(zhuǎn)角的條件下進(jìn)行加工，另一側(cè)的厚度約為10.8 μm，在低束流下極有可能出現(xiàn)無法截?cái)嗟默F(xiàn)象[見圖2c)]。用U型切割的方法制備平面TEM試樣時(shí)，將傾轉(zhuǎn)角度從0°調(diào)整為-10°，離子束入射位置調(diào)整為距頂端2 μm，此時(shí)試樣另一側(cè)厚度約為7.8 μm[見圖2d)]。該方法可有效降低試樣加工后另一側(cè)的厚度，即使在低束流的情況下也可以快速將試樣截?cái)?、分離。

圖2 試樣加工示意

圖3a)是在無傾轉(zhuǎn)角的條件下，U型切割后平面TEM試樣的微觀形貌，可見試樣一側(cè)與基體黏連，無法徹底被分割且發(fā)生損壞；圖3b)是在-10°傾轉(zhuǎn)角下，U型切割后平面TEM試樣的微觀形貌，發(fā)現(xiàn)試樣可從基體上分離出來。

圖3 不同傾轉(zhuǎn)角下U型切割后平面TEM試樣的微觀形貌

1.2.4 提出與轉(zhuǎn)移

U型切割完成后，取消傾轉(zhuǎn)角，插入機(jī)械手和Pt GIS，將機(jī)械手與試樣位置調(diào)整好后，使用Pt焊接，焊接完成后，將懸臂梁另一側(cè)切斷，然后將試樣提出。

在銅柱上加工出寬度約為7 μm，厚度為10 μm的凹槽，以防止在減薄時(shí)反濺，污染試樣。加工完成后調(diào)整試樣臺(tái)位置，使銅網(wǎng)夾平面與電子槍垂直，且與離子槍夾角呈38°。插入機(jī)械手和Pt GIS，將試樣與銅網(wǎng)的位置調(diào)整好后，在電子束下對(duì)試樣和銅網(wǎng)進(jìn)行焊接。焊接完成后，使用離子束將試樣與機(jī)械手分離，分離完成后試樣的微觀形貌如圖4所示。采用此方法可以原位將試樣轉(zhuǎn)移在半圓銅網(wǎng)上并進(jìn)行減薄，簡(jiǎn)化操作步驟，防止試樣損壞。

圖4 分離完成后試樣的微觀形貌

1.3 試樣減薄方法

1.3.1 在試樣頂端鍍Pt保護(hù)層

調(diào)整試樣臺(tái)位置，使試樣頂端背對(duì)離子槍，之后將試樣臺(tái)傾轉(zhuǎn)14°，使預(yù)減薄的試樣與離子槍垂直，將試樣頂端不平整區(qū)域切除。切除完成后將試樣臺(tái)傾轉(zhuǎn)角取消，并水平旋轉(zhuǎn)180°，使試樣頂端正對(duì)離子槍，在試樣頂端噴鍍厚度為1.5 μm的Pt保護(hù)層，噴鍍完成后試樣的微觀形貌如圖5所示。

圖5 噴鍍Pt保護(hù)層后試樣的微觀形貌

因?yàn)槭⒉牧系挠捕雀撸詼p薄時(shí)選擇傾轉(zhuǎn)角為±1.7°，采用的減薄電壓為30 kV，并在減薄過程中將離子束電流從0.79 nA逐漸降至0.43，0.23，0.08 nA。由于試樣前表面有一層厚度約為1 μm的Pt保護(hù)層，故優(yōu)先減薄試樣前表面，在減薄過程中需要觀察試樣襯度是否出現(xiàn)了變化，襯度變化表明試樣前表面的Pt已經(jīng)基本被清除完成。清除完成后持續(xù)前、后表面均勻減薄至試樣厚度約為50～100 nm。

1.3.2 試樣清洗

在試樣清洗階段，采用逐級(jí)降低離子束電壓的方法。首先在將離子束電壓和電流切換至5 kV，0.041 nA，將試樣傾轉(zhuǎn)至±4°，前、后表面交替對(duì)稱清洗試樣，清洗時(shí)間控制在30 s，重復(fù)3次。完成后將離子束電壓和電流切換至2 kV，0.028 nA，試樣傾轉(zhuǎn)至±6°，繼續(xù)交替清洗30 s，重復(fù)3～4次。減薄及清洗完成后試樣的微觀形貌如圖6所示。

圖6 減薄及清洗完成后試樣的微觀形貌

2 試驗(yàn)結(jié)果

用FEI Themis Z型雙球差矯正TEM對(duì)制備好的試樣納米孔附近組織進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖7所示?？梢娫嚇右r度均勻，在高分辨模式下，納米孔附近組織可清晰呈現(xiàn)。說明制備的平面TEM試樣厚度達(dá)到要求且損傷層很少。

圖7 試樣納米孔附近組織的TEM形貌

3 結(jié)論

在U型切割階段將試樣傾轉(zhuǎn)-10°，可有效降低平面TEM試樣另一側(cè)的加工厚度，使用低束流可快速將石英玻璃平面TEM試樣從塊體上分離出來，并轉(zhuǎn)移在銅網(wǎng)上。該方法為制備高硬度、低導(dǎo)電性材料的平面TEM試樣提供了技術(shù)參考。