聚焦离子束快速精准制备玻璃透射电镜样品

丁 莹， 史学芳， 杨修波， 郑 岚， 高翔宇， 刘 峰，b

（西北工业大学a.分析测试中心；b.凝固技术国家重点实验室，西安 710072）

0 引 言

透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope，TEM）是材料微观结构表征的重要手段之一。TEM样品的制备质量对其表征结果起非常重要的影响。聚焦离子-电子双束电镜（Focused Ion Beam-Scanning Electron Microscope，FIB-SEM）是在扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）基础上增加了离子束镜筒，并配有纳米机械手、气体注入系统等附件的设备，它同时具有高精度的成像和加工功能［1-2］。自1989年，Kirk等［3］第一次用聚焦离子（Focused Ion Beam，FIB）成功制备出TEM样品以后，FIB制备TEM样品的技术经过不断的发展和完善，目前已经成为制备TEM样品的有力工具［4-8］。

相比导体材料，绝缘体材料有严重的荷电现象使得人们无法简单地采用常规方法利用FIB对其进行加工，由于荷电效应会产生严重的图像漂移以及模糊不清，使得离子束在加工过程中无法进行精确的定位。针对荷电现象，目前常见的加工方案主要有：①通过离子溅射仪等设备在样品表面镀覆碳、金、铂等导电金属薄膜［9］，但镀覆的导电薄膜可能会影响样品本身的性能，所以并不是所有的样品都可以镀膜；②加工时采用电子束对离子束电荷进行电荷补偿［10-11］；③加工时采用气体注入系统向加工区域局部通入气体［12］，通过气体分子电离来中和离子束电荷；④加工时利用导电或者接地性能更好的附件和样品表面接触，建立局部电荷传导扩散通道［13-15］。②和③两类方法都属于电荷补偿的方法，需要设备配置相应的附件来实现，而且补偿过程难于控制，需要大量反复的试验来确定控制参数。④这类方法主要是针对截面切割或图形加工提出的，当用于TEM样品制备时，存在不适用或可以改进的情况。基于此，本文对常规FIB制备TEM样品的方法进行了改进，形成了一套可以快速精准制备玻璃类绝缘材料TEM样品的加工方案。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

本实验的设备为Thermo Helios G4 CX FIB-SEM双束电镜，双束夹角52°。该设备配有EasyLift纳米机械手以及气体注入系统（GIS-Pt），喷射气体为Pt金属有机前驱物。镀膜设备为Hitachi MC 1000离子溅射仪，靶材为Pt。加工材料为石英玻璃。

1.2 实验流程

基于FIB制备TEM样品的常规方法是U形切割法，主要包含6个步骤［5］：①镀Pt，找到样品表面关键区域，插入GIS-Pt，采用离子束辅助沉积8 μm×2 μm×1 μm的Pt保护层；②挖槽，在Pt保护层的两侧用大束流挖梯形槽，槽较深的一端靠近Pt，得到厚度2～2.5 μm的薄片后，再用小束流对薄片进行修边，最终得到厚度为1～1.5 μm的薄片；③U形切割，对薄片进行U切，使薄片底部和靠近机械手的一侧与块体样品的连接完全切断，而另一侧留下一部分连接；④提取，插入机械手和GIS-Pt，利用Pt将机械手和薄片切断的一侧焊接牢固后，切断薄片另一侧，再缓慢升起机械手，提出薄片；⑤放样，移动样品台，将铜网移动到视野中心，插入焊有薄片样品的机械手，与铜网上带有预制切口的柱子顶端接触后，插入GIS-Pt，利用Pt将薄片与铜网上的柱子焊接牢固，再将薄片与机械手连接的一侧切断，撤回机械手，完成薄片的转移；⑥减薄和低电压清洗，先用30 kV加速电压的离子束将薄片减薄至150 nm左右，再用5 kV加速电压的离子束对薄片进行清洗减薄至50 nm左右，最后用2 kV加速电压的离子束对薄片进行最终的清洗，降低表面损伤层厚度。

为了改善石英材料表面在离子束加工过程中出现的严重荷电现象，本文在上述常规制样方法的基础上，做了以下几点技术改进。

（1）样品准备。对于可以镀膜的材料，采用离子溅射仪在材料表面镀覆的导电薄膜需达到一定的厚度才能获得理想的荷电改善效果。实验中设定的理想效果为在常用的电子束观察束流（86 pA）和离子束辅助沉积束流（0.23 nA）的条件下，二次电子图像清晰，没有漂移。据此，实验最终采用的薄膜厚度为30 nm，对应的溅射参数为20 mA（溅射电流），120 s（溅射时间）。

对于不可镀膜的材料，由于荷电效应，无论是SEM还是FIB的二次电子图像的质量都很差，存在漂移严重，模糊不清等问题，常规方法中“找到关键区，并实现FIB和SEM的双束对中”就难以实现。对此，本文采用的方案：①在SEM下找到关键区；②用电子束进行辅助沉积，利用Pt在二次电子下的高反差在样品表面形成明显的特征；③倾转样品台进行双束对中和离子束辅助沉积。然而电子束辅助沉积往往需要比较大的电子束流，需5.5 nA，由此产生的荷电，本文采用机械手和样品表面接触建立局部荷电通道来解决。图2所示为机械手辅助前（图中方框1）以及辅助后（图中方框2）电子束辅助沉积效果的对比。结果可见，机械手的加入明显改善了沉积的效果。

（2）挖槽。挖槽通常需要在较大的离子束流条件下进行。但大离子束流会引起严重的荷电，与常规方法不同的是：此步骤需要在机械手和Pt保护层相接触的条件下进行，如图3（b）～（g）所示。此外，机械手和Pt保护层接触会遮挡其中一侧样品表面，使得挖槽只能在未被遮挡的一侧进行，挖槽的过程和效果也无法采用电子束进行实时观察。因此，挖完后需要转动样品台，在SEM下检测挖槽的效果后再进行后续的步骤。

（3）U形切割。为了改善荷电，此步骤也是在机械手和Pt保护层接触的条件下进行的，如图3（h）～（i）所示。

2 实验结果与分析

利用Pt在二次电子图像中的高反差，电子束沉积的Pt保护层除了可以保护样品最表层的结构信息不被破坏外，还可以用来做标记，帮助操作者在模糊不清的图像中迅速且准确地找到关键区。

常规制样方法中，机械手仅起到连接固定的作用，帮助完成薄片的转移。而本文机械手除连接固定外，还起到电荷接地通道的作用，参与从沉积到放样（见图3（a）～（e）步骤）的整个加工过程，用来改善荷电效应。这一改善方式与文献［13-14］中的相似。FIB制备TEM样品的过程需要镀Pt保护层这一特点，使得机械手在和样品之间建立电荷通道时，既可以和样品表面直接接触，也可以和Pt保护层接触。与样品表面接触相比，机械手和Pt保护层接触在操作上会更加方便，接触的效果也更好，因为Pt保护层通常突出于样品表面且具有一定厚度。本文与文献［14］中机械手和样品表面直接接触不同的是：在图3（a）步骤获得Pt保护层后，图3（b）～（d）步骤中均采用机械手和Pt保护层接触的荷电改善方式。此时，Pt保护层不仅起到保护样品表面不受离子束损伤的作用，还起到联通样品表面和机械手的作用。此外，FIB制备TEM样品的过程中，样品台的倾转角度也不是一成不变的。本文和文献［13］中不同的是机械手和样品不需要用Pt焊在一起（除图3（d）步骤需要提取薄片以外），这样可以节省加工时间。

即便采用机械手辅助切割，实验中如果采用的离子束流过大的话，仍会出现漂移现象，如不镀导电膜的样品挖槽时，采用9.3 nA离子束流的样品出现的轻度的漂移，致使机械手和pt保护层之间的连接断开。但这一影响仍可以通过及时刷新离子束图像并调整机械手位置来消除。采用2.5 nA的离子束流虽不会导致样品漂移，但所需加工时间要长的多。因此，实际离子束流大小的选择需要综合加工效果、加工时长以及荷电效应等进行考虑。

3 结 语

本文对FIB制备TEM样品的常规方法进行了改进，最终快速且精准地制备出了玻璃类绝缘材料的TEM样品。改进手段主要有：①利用Pt在二次电子图像下的高反差，电子束辅助沉积除了可以保护样品最外层的结构信息不被破坏外，还可以用来做标记，帮助操作者在模糊不清的图像中迅速且准确地找到关键区；②利用机械手辅助切割，使机械手在离子束加工过程中保持和Pt保护层接触的状态，可以帮助样品建立更好的电荷接地通道，改善荷电效应，实现离子束对样品的精准加工；③即便采用机械手辅助切割，如果采用的离子束流过大的话，仍会出现漂移现象。因此在加工过程中需要综合考虑荷电效应和加工速率，选择合理的离子束束流。本方法对其他不导电材料的FIB TEM样品制备具有指导意义。