采用石英玻璃作为离子减薄制样仪离子枪高压绝缘体的应用

陈小平，胡小侠，林 奎，郭前进，邓小娟

(天津大学 分析测试中心，天津 300072)

透射电子显微镜(TEM)和扫描电子显微镜(SEM)广泛用于金属、陶瓷等材料的微观探测研究[1-9]. 但是将金属、陶瓷等固体材料制备成适合透射电子显微镜观察分析的样品则需要利用相应的制样设备，即离子减薄制样仪将其加工减薄成直径为3 mm的标准圆片形薄膜(金属薄膜或陶瓷薄膜)[10-12]. 薄膜厚度要求几纳米至几百纳米，以便TEM电子束将薄膜穿透投影成像，观察其内部微观结构.

目前，全世界生产离子减薄制样设备的厂家并不多，其凭借技术垄断的优势，使得仪器配件价格均很昂贵，维修费用居高不下，维修周期较长. 因此，有必要对仪器进行良好的维护，延长其使用寿命，减少或避免损坏情况发生.

1 离子减薄制样仪简介

1.1 离子减薄制样仪的基本原理

离子减薄制样仪，又称为离子薄化仪或离子束处理系统，其主要部件结构框图如图1所示. 离子减薄制样仪的工作原理是通过启动自身带有的真空系统，将真空值控制在5×10-6帕状态下，再通过冷阴极离子枪提供高能量的高纯氩离子流，对被减薄样品表面以某一入射角度连续轰击，当氩离子流的轰击能量大于样品材料原子的结合能时，样品表面原子由于受到氩离子击发而引发溅射. 通过这种连续不断的轰击、溅射、减薄过程，最终获得适合透射电子显微镜观测的薄膜样品(包括金属薄膜、陶瓷薄膜等). 目前，离子减薄制样仪主要用于制备透射电镜及扫描电镜的样品，不仅能够满足制备金属、非金属的一般要求，而且还能满足制备多相组织材料、多孔组织材料、半导体等材料样品的制备需求，例如陶瓷、矿石、硅等，同时还可适用于超高分辨率技术等多方面应用[13-15]. 由于离子减薄技术的应用，扩大了透射电镜技术的应用范围，即在电镜显微研究中，可制作样品的最终观察面，并能实现大面积轰击研磨或叠层轰击研磨. 在金相学中，通过离子束(流)对样品表面金相选择性减薄、清洁和抛光，就可得到适合扫描电镜观察的表面微观结构相.

图1 离子减薄制样仪结构示意图Fig. 1 Schematic diagram of ion beam thinner

1.2 离子枪的工作流程

离子枪是发射高电压氩离子束(流)的部件，也是离子减薄制样仪的核心部件，其结构图如图2所示. 它的工作原理是在真空值5×10-6帕的高真空环境下，首先在枪内充入一定压力值的高纯氩气(也有充入氖气(Ne)、氙气(Xe)及六氟化硫(SF6)的，但通常以使用氩气为多，主要与减薄的速率有关)，然后再加上高电压，其起辉(弧)的电压范围在800 V～10 KV之间，电流在5 mA以内. 高纯氩气在枪内被高电压电离并加速，形成了氩离子束流，射向需要被减薄研磨的样品表面，连续不断轰击样品，使样品表面原子发生溅射而脱离样品表面，样品被减薄从而形成薄膜样品[16].

图2 离子枪结构示意图Fig. 2 Schematic diagram of structure of ion gun

2 使用中存在的问题

在长期使用中发现，离子枪在累计工作100～150 h左右后，就会发生离子枪内部高压短路打火现象，仪器计算机工作站即刻出现警告，同时仪器全面停止工作. 这与厂家给出的使用400 h后才需清洗枪室、更换或清洁高电压绝缘体(环)的指标相差甚远. 而且仪器停止工作后需要请厂家工程师维修，一般周期较长. 或者有备件的前提下也可自行拆解离子枪，清洗枪内所有金属零件(超声清洗)，更换或清洗高电压绝缘体，烘干重新装配后开机并校准定位. 经常拆解仪器会大大损伤仪器本身，尤其影响高真空度及离子枪的装配精度. 可见离子枪的高电压短路是一个长期困扰仪器使用者的问题.

3 原因分析

离子枪在高电压阳极与阴极之间是采用陶瓷环作为绝缘体，SEM观察发现其表面较为粗糙，质地疏松，且表面孔隙较大(如图3所示)，该陶瓷环壁厚只有1.5 mm，尺寸设计虽然比较精细，但是也直接影响到它的机械强度及耐高温变形的能力，尤其在离子枪内极端特殊的工作环境下(电弧、高温、振动等)极易发生损坏，加上绝缘体表面粗糙极易吸附由电弧激发、电极所溅落的金属粉尘污染，从而引起短路. 多次更换陶瓷环的经验发现，该陶瓷环安装在阳极与阴极之间的空间结构严密紧致(见图2)，一般陶瓷的热膨胀系数大约为6～10×10-6/℃因此在离子枪工作时，就会出现以下几种情况.

图3 陶瓷环表面的表面形貌Fig. 3 Surface morphology of unused ceramic ring

3.1 污染

由于离子枪标配的绝缘体为普通陶瓷环，表面较为粗糙，孔隙率较大，因而很容易被在阳极与阴极间产生的氩离子电弧所击发落下的金属粉尘，或者被减薄样品所溅落的金属粒子沉积污染(如图4所示). 将替换下来的陶瓷绝缘环表面进行扫描电镜观察，发现陶瓷体表面空隙已经被金属粉尘所污染并与绝缘体环的内外连成一体，因此该陶瓷体已经失去绝缘作用，造成失效与短路.

图4 使用过的陶瓷环照片Fig. 4 Photograph of used ceramic ring

3.2 无法重复利用

按照仪器厂家的建议，可以将失效但完整无变形的陶瓷绝缘体进行再生重复利用，不必更换绝缘体. 具体方法是将绝缘体置于马弗炉中以1 000 ℃烘烤1 h，使金属污染物(主要是离子枪前后阴极铝材质溅落粉尘)升华变成蒸汽挥发，然后可以重复使用. 但是在实际操作后发现，虽然金属污染物部分挥发，表面比较干净了，但是高温致使陶瓷绝缘环严重变形膨胀(原圆环状变成椭圆形或不规则形状)，表面起泡且更加凹凸不平整，通常根本无法重装继续使用. 绝缘陶瓷体烘烤前和烘烤后的照片如图5所示.

图5 陶瓷环烘烤前后的照片Fig. 5 Photographs of ceramic ring before and after firing

3.3 拆解清洗困难

由于离子枪在工作时充入高纯氩气，加上高电压后将氩气电离而产生电弧和高温，又因陶瓷绝缘体材料密度较小且质地较为疏松，长时间在高温环境下就很容易导致该陶瓷绝缘体发生变形、崩裂，甚至还与阳极或阴极在高温作用下相互热涨挤压烧结粘为一体，更导致拆解清洗困难，在拆解清理过程中极易损坏阳极或阴极的金属管壁表面.

3.4 陶瓷绝缘体变形

由于离子枪内部结构设计严密，空间过于狭窄，只顾及装配精度较高，没有考虑到该陶瓷绝缘体的高温特性，即经过一段时间的使用就会不可避免的发生变形，这也是造成陶瓷绝缘体常被涨坏崩裂的重要原因.

4 问题的解决

4.1 绝缘体的选择

基于以上实际使用经验和分析，认为改善以上情况的最好方法是寻求密度较高，表面光洁度高(这一点极为重要)，耐高温，线涨系数低，绝缘性能优良，并且模具制造及机械加工简易，成本低且可小批量生产制造，适合离子枪内部空间及装配的绝缘材料，故我们选定了二氧化硅(SiO2)石英玻璃. 因为绝缘体为外径20 mm，内径18.5 mm，壁厚1.5 mm，高12 mm的管状体，形状简单. 另外，以石墨制造模具，加工后的精度较高，可满足尺寸精度要求. 熔制法一次成型，管体内外表面光洁度均极高.

以二氧化硅制造的石英玻璃具有如下物理化学性能：(1) 耐温高，可在1 100 ℃下长时间使用，短时间可在1 450 ℃下工作，其熔融温度为1 780 ℃. (2) 耐腐蚀性好，其耐腐蚀性是陶瓷材料的30倍，化学性质稳定. (3) 热稳定性良好，热膨涨系数极低(透明石英玻璃热膨胀系数为5.5×10-7/℃). (4) 绝缘性能优秀，其电阻值是普通玻璃的一万倍，即使在高温环境下也具有优良的电性能. (5) 电真空可达10-6帕. (6) 可加工性强，在成品尺寸误差较少时，可用手工修整至要求精度. (7) 石英管壁内外光洁度极高(如图6所示)，对于减少金属粉尘的沉积与污染有着重要的作用，是普通陶瓷无法相比的.

综上所述，石英玻璃完全可以替代现有的陶瓷绝缘体.

图6 未使用的石英玻璃环表面形貌Fig. 6 Surface morphology of unused quartz glass ring

4.2 石英玻璃绝缘体的加工

采用熔制法，以高纯度二氧化硅材料制备表面高光洁度石英玻璃管状体，并以较高精度机械切割成石英玻璃绝缘体成品成品试验：将成品石英玻璃绝缘管置于乙醇中超声波清洗后，烘干. 安装于离子枪阴极与阳极之间，将枪体安装至仪器就位. 将仪器工作舱真空度抽至5×10-6帕，充入离子枪一定压力值的高纯氩气，加上高电压(800 V～8 KV)，产生氩离子束流分别加工减薄金属样品，累计制样30余个，累计制样工作时间约380 h. 在此期间没有发生离子枪短路及计算机工作站短路报警等任何异常，离子束流工作稳定. 经过近8个月的工作运行考验，仪器各指标总体稳定，离子枪石英绝缘体绝缘性能稳定优良，由此大大延长了离子枪工作寿命，同时也大大延长了维护保养清洗及更换绝缘体的周期.

5 测试结果与评价

经过近8个月的使用后发现，由氩离子束电弧击发阴极阳极金属管壁及轰击金属样品所产生的的金属粉尘对石英玻璃绝缘体的污染及金属沉积现象比原陶瓷绝缘体被污染的情况减弱很多(如图7所示)，分析认为石英玻璃绝缘体表面极高的光洁度是减少金属粉尘在玻璃环表面吸附和沉积的主要原因. 经精密卡量绝缘体内外尺寸，无任何变化，石英玻璃绝缘体的形变可忽略不计. 没有发生如陶瓷绝缘体与阳极或阴极烧结为一体或崩裂的情况，枪体内部各部件明显干净. 为防止石英绝缘体有较轻微的金属粉尘污染，将石英玻璃绝缘体置于马弗炉中以1 000 ℃烘烤1 h，待金属粉尘升华后，以丙酮或乙醇超声波清洗，烘干后继续使用，绝缘效果如新.

图7 使用过和超声波清洗烘烤后的石英玻璃环的照片Fig. 7 Photographs of used quartz glass ring and after firing and ultrasonic cleaning

6 结论

本文针对离子减薄制样仪离子枪高压绝缘体,提出了以石英玻璃材料绝缘体替代陶瓷材料绝缘体的设计思路与方案. 通过实践，该方案具有创新性和可行性，可以自行设计，易于加工. 实践表明：其绝缘性能优良稳定，能够有效减少金属粉尘的污染，延长离子枪的使用寿命，提高了制样效率与质量，降低了维持维修费用及使用成本. 以石英玻璃材料做绝缘体可在一定范围内进行推广应用.