聚焦離子束的雙束系統(tǒng)

聚焦離子束的雙束系統(tǒng)

1雙束和雙束系統(tǒng)聚焦離子束（fb）用于將離子聚焦并在樣品表面掃描。離子束對(duì)表面的轟擊會(huì)將表面原子濺射出來(lái)。讓離子束按指定的圖形掃描就可刻出所需的圖案。如果同時(shí)注入化學(xué)氣體,就可做局部的化學(xué)沉積(CVD)而得到所需的沉積圖案。離子束轟擊表面時(shí)會(huì)產(chǎn)生二次離子(SI)以及二次電子(SE)。它們可以用來(lái)成像,直接觀察離子束轟擊時(shí)表面的變化。所以聚焦離子束(FIB)類(lèi)似于掃描電鏡(SEM)。掃描電鏡是將聚焦電子束掃描樣品表面,而聚焦離子束是將聚焦離子束掃描樣品表面。不同于掃描電鏡的是,聚焦離子束可同時(shí)進(jìn)行表面成像及表面的納米加工,而掃描電鏡只能進(jìn)行表面成像。近20年以來(lái),聚焦離子束越來(lái)越多地應(yīng)用于材料科學(xué)、生物、半導(dǎo)體集成電路、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存磁盤(pán)等領(lǐng)域。它對(duì)材料科學(xué)和生物領(lǐng)域的科學(xué)研究,對(duì)集成電路和磁盤(pán)的研發(fā)及生產(chǎn)工藝的改進(jìn)起著不可替代的作用。隨著電鏡技術(shù)的發(fā)展,聚焦離子束(FIB)的應(yīng)用已經(jīng)從截面檢測(cè)擴(kuò)展到納米圖像制備、透射樣品制備、三維成像和分析、電路編輯和修復(fù)等。由聚焦離子束(FIB)與掃描電子顯微鏡結(jié)合而成的雙束(電子束/離子束)系統(tǒng)既可以單獨(dú)擔(dān)當(dāng)FIB和掃描電鏡的工作,又同時(shí)發(fā)揮電子束和離子束的各自?xún)?yōu)勢(shì)。因而雙束系統(tǒng)可以完成單束電鏡無(wú)法實(shí)現(xiàn)的任務(wù),為離子束的應(yīng)用開(kāi)辟了更廣闊的領(lǐng)域。聚焦離子束上最常用的離子源為液態(tài)金屬離子源(LMIS),特別是鎵金屬離子源。把鎵(Ga)和一個(gè)鎢(W)針接觸在一起,然后將鎵加熱融化,液體的鎵會(huì)在表面張力的作用下流到針尖,潤(rùn)濕鎢針尖的表面。針尖由于表面張力和電場(chǎng)力相反方向的作用,液體鎵會(huì)形成一個(gè)稱(chēng)作為“TaylorCone”的錐形體。這個(gè)錐形體的尖端半徑很小,只有大約2nm。作用在這尖端上巨大的電場(chǎng)(>1×108V/cm)會(huì)使鎵原子電離并場(chǎng)發(fā)射。離子源發(fā)射出來(lái)的離子通常可以加速到0.5~30kV的能量,并由靜電透鏡聚焦到樣品表面。Levi-Setti,Orloff和Swanson在1975年研制了第一臺(tái)基于場(chǎng)發(fā)射技術(shù)的聚焦離子束。這臺(tái)機(jī)器的離子源是用氣體場(chǎng)電離離子源(GasFieldIonizationSources,GFISs)。1978年Seliger和他的同伴建造了第一臺(tái)液體金屬離子源的聚焦離子束。為了能夠同時(shí)獲得樣品表面更高分辨率的圖像,近年來(lái)已發(fā)展成了所謂的雙束系統(tǒng)(DualBeamTM),它把離子鏡筒和電子鏡筒集成為一體,所以既是一臺(tái)聚焦離子束,同時(shí)又是一臺(tái)掃描電鏡。例如FEI公司制作的Versa3D,Scios和Helios660。2用圖形加工工藝在雙束系統(tǒng)中離子束有3種主要功能:成像、切割、沉積/增強(qiáng)刻蝕,參見(jiàn)圖1。聚焦離子束可以像電子束一樣在樣品表面微區(qū)進(jìn)行逐行掃描,在此過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生二次電子和二次離子(見(jiàn)圖1a),這兩種信號(hào)均可用來(lái)成像。圖2給出了一個(gè)黃銅樣品截面的二次電子像。在圖2a中可以觀察到截面上精細(xì)的形貌襯度像,而在圖2b中則體現(xiàn)了由晶粒取向不同帶來(lái)的電子通道襯度。在離子束掃描多晶材料成像時(shí),沿不同的晶面入射時(shí)穿透深度不同,穿透越深,返回表面的二次離子越少,相應(yīng)激發(fā)出的二次電子也越少,圖像表現(xiàn)較暗。這種晶體取向襯度為多晶材料的晶體取向研究提供了方便,在一定程度上獲得了EBSD才能實(shí)現(xiàn)的結(jié)果。離子束的切割功能是通過(guò)離子束與表面原子之間的碰撞將樣品表面原子濺射出來(lái)實(shí)現(xiàn)的,因?yàn)镚a離子可以通過(guò)透鏡系統(tǒng)和光闌將離子束直徑控制到納米尺度,所以可以通過(guò)圖形發(fā)生器來(lái)控制離子束的掃描軌跡來(lái)對(duì)樣品進(jìn)行精細(xì)的微納加工。目前最先進(jìn)的圖形發(fā)生器已經(jīng)采用16位控制系統(tǒng),可以將離子束的最小掃描間隔減少至的0.6nm。在離子束加工不導(dǎo)電樣品的過(guò)程中,由于離子本身帶有正電荷,它在樣品表面的積累會(huì)使樣品表面帶正電荷。這些電荷對(duì)后續(xù)的離子束掃描會(huì)產(chǎn)生干擾。在圖3a中由于玻璃不導(dǎo)電,離子束產(chǎn)生的表面荷電積累導(dǎo)致加工偏離了設(shè)計(jì)好的掃描方案。在圖3b中同時(shí)啟動(dòng)了電子束鏡筒,用200nA大電流掃描加工區(qū)域可以有效地將離子束電荷中和掉,從而獲得與設(shè)計(jì)方案完全一致的圖形。這種加工模式就是最新的漂移抑制加工技術(shù),電荷補(bǔ)償?shù)倪^(guò)程由雙束系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。該技術(shù)解決了傳統(tǒng)不導(dǎo)電樣品加工的難題,使不導(dǎo)電樣品的加工變得簡(jiǎn)單,擴(kuò)展了雙束的應(yīng)用領(lǐng)域。離子束的第3種應(yīng)用是與GIS系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)實(shí)現(xiàn)沉積或者增強(qiáng)刻蝕。GIS系統(tǒng)即氣體注入系統(tǒng),將含有金屬的有機(jī)前驅(qū)物加熱成氣態(tài)通過(guò)針管?chē)姷綐悠繁砻?當(dāng)離子或電子在該區(qū)域掃描時(shí),將前驅(qū)物分解成易于揮發(fā)性成分和不易揮發(fā)性成分,不易揮發(fā)性成分的金屬部分會(huì)殘留在掃描區(qū)域,產(chǎn)生的揮發(fā)性氣體隨排氣系統(tǒng)排出。這一過(guò)程稱(chēng)為離子束誘導(dǎo)沉積(IBID)或電子束誘導(dǎo)沉積(EBID)。這樣可以沉積出設(shè)計(jì)好的圖形。目前常用的前驅(qū)物可以沉積Pt,C,W,Au,SiO2等。還有一類(lèi)前驅(qū)物可以與離子束刻蝕掉的樣品部分反應(yīng)生成揮發(fā)性產(chǎn)物,減少再沉積現(xiàn)象,從而提高加工效率,這一方式稱(chēng)為氣體增強(qiáng)刻蝕。在圖形發(fā)生器的控制下可沉積/刻蝕出設(shè)計(jì)好的圖形。例如XeF2可以增強(qiáng)對(duì)金屬的刻蝕,I可以增強(qiáng)對(duì)非金屬的刻蝕速度。隨著應(yīng)用發(fā)展的需要,不斷有新的前驅(qū)物被研發(fā)出來(lái),如FEI公司最新研發(fā)的Fe,Co的前驅(qū)物可以用于鐵磁性材料的研究。TomahawkFIB是FEI最新研發(fā)的離子鏡筒,可確保HeliosNanoLab系列的雙束系統(tǒng)執(zhí)行快速、精確且可靠的切割、圖形加工和離子成像。Tomahawk卓越的低電壓性能已經(jīng)證明可制作世界上最優(yōu)質(zhì)的用于高分辨掃描透射電鏡的超薄樣品和原子探針顯微鏡所用的最優(yōu)質(zhì)針尖。它不僅具備卓越的離子成像分辨率,而且由于它集成的差分排氣系統(tǒng)和飛行時(shí)間(TOF)矯正使之具備更小的束斑和在做精密離子切割時(shí)具有更準(zhǔn)確的掃描輪廓。因?yàn)镕EI特有的各種離子束-化學(xué)氣體注入、16位圖型生成器和集成的CAD、腳本或基于圖形庫(kù)的制圖功能,使得構(gòu)建最復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)成為可能。高精度的壓電陶瓷樣品臺(tái)和卓越的SEM性能結(jié)合在一起開(kāi)啟了新一代由自動(dòng)軟件操控,無(wú)需人值守的樣品制備或三維特征分析。3雙束和超分辨率雙束在雙束系統(tǒng)中,可以在離子束加工的同時(shí),利用電子束實(shí)時(shí)監(jiān)控加工的全過(guò)程,更好對(duì)加工質(zhì)量進(jìn)行控制;利用電子束成像的分辨率高的特點(diǎn),原位觀察樣品截面和表面信息,利用電子束激發(fā)的特征X射線(xiàn),對(duì)樣品的截面和表面進(jìn)行化學(xué)成分分析;利用電子束產(chǎn)生的背散射電子,直接進(jìn)行晶體取向分析。雙束里面的掃描電鏡功能也在不斷加強(qiáng),包括降低電子束色差的單色器技術(shù)、高效的信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)、高度穩(wěn)定的電磁透鏡系統(tǒng)。目前雙束系統(tǒng)電子束分辨率可以達(dá)到0.7nm。在雙束系統(tǒng)中掃描電鏡因?yàn)橐浜想x子束共同工作,因此在設(shè)計(jì)上有一些不同與單一掃描電鏡之處,如極靴要實(shí)現(xiàn)更大的錐角以滿(mǎn)足樣品大角度傾斜的需要,樣品倉(cāng)要進(jìn)一步設(shè)計(jì)以滿(mǎn)足安裝各種附件的需要,電鏡要能實(shí)現(xiàn)在加工位置的大工作距離下高分辨成像,電鏡束流要能夠靈活調(diào)節(jié)以滿(mǎn)足高分辨率觀察和大束流分析的需求。目前雙束系統(tǒng)可以根據(jù)應(yīng)用的重點(diǎn)分為多種型號(hào)。如多功能分析型雙束以FEIVersa3D為代表可以實(shí)現(xiàn)大束流分析的需求,可以實(shí)現(xiàn)加熱、冷卻等原位實(shí)驗(yàn)的要求,還可以實(shí)現(xiàn)低真空和環(huán)境掃描功能來(lái)完成不導(dǎo)電和非常規(guī)樣品的表征和分析。這類(lèi)雙束的電子束鏡筒采用壓差排氣系統(tǒng),可以在樣品室降低真空的同時(shí)保持鏡筒內(nèi)的高真空狀態(tài),因而可以保持電子束斑不擴(kuò)大,保證了高的分辨率。同時(shí)利用樣品室內(nèi)氣體與電子碰撞產(chǎn)生的電子和正離子來(lái)分別放大信號(hào)和中和電荷,獲得高信噪比圖像。另一類(lèi)突出雙束為重點(diǎn)的應(yīng)用如三維表征為主的超高分辨率雙束,可以對(duì)各種樣品包括磁性樣品進(jìn)行三維表征,主要是在電子束鏡筒的末級(jí)透鏡采用無(wú)漏磁的靜電透鏡,這一類(lèi)以FEI的Scios為代表。在Scios工作時(shí)電子束鏡筒沒(méi)有漏磁,不會(huì)對(duì)離子束產(chǎn)生干擾,也不會(huì)對(duì)磁性樣品造成任何影響。因而可以對(duì)磁性樣品進(jìn)行高分辨觀察和高精度加工。第三類(lèi)是以FEI的Helios為代表的最高端技術(shù),它集成了最高分辨率掃描電鏡和最先進(jìn)的離子束鏡筒。它的ElstarTM電子光學(xué)鏡筒可進(jìn)行超高分辨率成像。ElstarTM采用了多項(xiàng)獨(dú)特的技術(shù),例如具有更高熱穩(wěn)定性的恒功率透鏡、更高探測(cè)線(xiàn)性度和速度的靜電掃描,以及可實(shí)現(xiàn)各種條件下超清晰成像的獨(dú)特鏡筒設(shè)計(jì)。改進(jìn)了的鏡筒內(nèi)置探頭(TLD)對(duì)二次電子和軸向的背散射電子具有最高的收集效率。在鏡筒內(nèi)引入了兩套軸中心信號(hào)檢測(cè)器(MD和ICD),可以獲得更好的原子序數(shù)襯度像,在極低電壓(<100eV)下可以獲得更清晰的圖像。它們有機(jī)地補(bǔ)充了FEI最新的先進(jìn)探頭組合,這些探頭包括在低電壓下進(jìn)行二次電子(SE)/背散射電子(BSE)成像的可伸縮固體背散射探頭和用來(lái)進(jìn)行明場(chǎng)(BF)/暗場(chǎng)(DF)/高角度環(huán)形暗場(chǎng)(HAADF)成像的分段式掃描透射(STEM)探頭,以及可選配的最適用于聚焦離子束(FIB),二次電子(SE)和二次離子(SI)成像的離子轉(zhuǎn)換電子探頭(ICE)。它在低電壓下具有極高的分辨率,可以用來(lái)對(duì)最不耐輻照的樣品進(jìn)行超高分辨率表征。特別適合極限尺度的納米圖形制備和表征,也可以用來(lái)做20nm以下厚度的透射電鏡薄樣品,而且還可以將離子束造成的非晶層降到1nm以下。圖4給出了SBA-15介孔SiO2樣品和碳納米管的圖像。4電離子束組合的應(yīng)用任何雙束系統(tǒng)的復(fù)雜應(yīng)用均來(lái)自于上面介紹的電子和離子束功能的組合,這些復(fù)雜的應(yīng)用逐漸發(fā)展成為比較專(zhuān)業(yè)的應(yīng)用,這里分別介紹這些應(yīng)用的特點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)。4.1雙束和雙束組合在雙束實(shí)現(xiàn)微納圖形制備時(shí),可以采用電子束在光刻膠上曝光(EBL)、然后刻蝕來(lái)獲取所需圖形。這項(xiàng)技術(shù)起源于20世紀(jì)60年代,這里不做詳細(xì)討論。本文討論集中在用聚焦離子束與氣體注入系統(tǒng)(GIS)結(jié)合進(jìn)行直接快速微納圖像加工的方法,以及微納圖像制備的重要進(jìn)展。這項(xiàng)技術(shù)無(wú)需光刻膠及接下來(lái)的蝕刻,它用聚焦離子束對(duì)樣品可直接刻出或在加GIS的條件下沉積出所需圖形。利用雙束系統(tǒng)已經(jīng)可以制備微納米尺度的復(fù)雜的功能性結(jié)構(gòu)[7,8,9,10,11,12,13]。在雙束里有多種方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像加工的控制,雙束技術(shù)的進(jìn)展使得納米圖像的制備更加容易,用戶(hù)利用專(zhuān)業(yè)的軟件設(shè)計(jì)好圖形,在雙束里可以直接識(shí)別這些圖形并自動(dòng)加工完成。這可以用來(lái)快速實(shí)現(xiàn)并驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否合理。4.1.1成的陣列的數(shù)量在雙束軟件里面有些常用的規(guī)則圖形,例如圓、直線(xiàn)、矩形、多邊形以及由這些圖形組成的陣列。利用這些圖形的組合可以做出復(fù)雜的圖形,用戶(hù)可以直接在雙束控制軟件里在FIB圖像上直接編輯這些圖形,改變加工參數(shù)。這種手動(dòng)加工方法的優(yōu)點(diǎn)是比較直觀,但是這樣做的工作量比較大,對(duì)重復(fù)性的圖案加工,以及多點(diǎn)加工來(lái)說(shuō)效率不高。4.1.2電子束前處理在雙束里面有對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制的編程語(yǔ)言,用戶(hù)可以直接編制程序來(lái)控制雙束系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)加工,控制的范圍包含離子束掃描、電子束掃描、GIS系統(tǒng)等。程序控制的優(yōu)勢(shì)在于可以解決重復(fù)性和多點(diǎn)加工的問(wèn)題,而且可以利用編程里的函數(shù)控制離子的掃描軌跡,實(shí)現(xiàn)一些三維(3D)復(fù)雜結(jié)構(gòu)圖形的加工。圖5就是利用編程實(shí)現(xiàn)離子束沉積的一個(gè)例子。利用程序控制可以實(shí)現(xiàn)大量重復(fù)性的工作以及多點(diǎn)加工,但是編程的過(guò)程不能直觀看到結(jié)果,需要在主機(jī)上反復(fù)調(diào)試,而且需要掌握編程語(yǔ)言。4.1.3bmp位圖加工對(duì)于一些更復(fù)雜的圖案可以轉(zhuǎn)化成BMP圖像進(jìn)行加工,這是一種直觀的方法,在用戶(hù)界面里可以直接輸入BMP位圖,利用圖像的灰度值來(lái)控制加工時(shí)間的長(zhǎng)短,如圖6所示。BMP位圖加工的方法控制比較直觀,用戶(hù)可以控制加工區(qū)域的大小,用同一幅圖像就可以加工不同的尺度。用戶(hù)界面軟件支持黑白和彩色BMP圖像。利用BMP位圖加工的主要局限在于要手動(dòng)調(diào)整加工的尺寸及參數(shù),用戶(hù)無(wú)法控制同一幅圖形內(nèi)不同區(qū)域的加工順序和加工方法。還有一點(diǎn)是加工出來(lái)的分辨率較低。4.1.4環(huán)形振蕩—數(shù)據(jù)流文件加工FIB的加工過(guò)程是逐點(diǎn)進(jìn)行的,可以制作出數(shù)據(jù)流文件來(lái)定義離子束在每個(gè)加工點(diǎn)的駐留時(shí)間。圖7a中的環(huán)形振蕩器就是利用這種方法制作的,圖7b給出了流文件的格式,左邊一列是駐留時(shí)間,右邊兩列是坐標(biāo)位置。流文件實(shí)現(xiàn)了對(duì)離子束的逐點(diǎn)控制,但是流文件的制作比較困難。目前有一種商業(yè)化軟件(GDStoDB)可以直接將GDSII格式文件轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)流文件,但是局限性在于只能實(shí)現(xiàn)單圖層的轉(zhuǎn)換。4.1.5優(yōu)化微加工設(shè)計(jì)以上的這些方法已經(jīng)為我們提供了復(fù)雜圖形的制作模式,他們有各自的優(yōu)點(diǎn),但是也都有一些局限性。在很多應(yīng)用中需要多層圖形的設(shè)計(jì),還需要控制各個(gè)圖層的加工順序,而且每個(gè)圖層所用的加工參數(shù)不一定相同。這對(duì)軟件控制提出了更高的要求,因?yàn)椴煌募庸r(shí)序帶來(lái)了圖層之間的定位偏差。只有將這些偏差消除掉,才能獲得精確的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。在微加工領(lǐng)域已經(jīng)有一些比較常用的軟件(如CleWin、L-EditPro等)幫助用戶(hù)設(shè)計(jì)圖形,還有一些通用的圖形格式如GDSII、CAD可以使用。FEI的NanobuilderTM可以直接導(dǎo)入GDSII格式文件,自動(dòng)識(shí)別各個(gè)圖層,每個(gè)圖層的所有加工參數(shù)可以單獨(dú)設(shè)置,可以直接控制GIS系統(tǒng),在工作時(shí)可以看到圖形的形狀。在多圖層加工時(shí),不同的圖層加工參數(shù)可能有所不同,因此會(huì)導(dǎo)致不同圖層之間的加工定位偏差,在NanobuilderTM中可以將這一偏差通過(guò)對(duì)中(Alignment)的方式自動(dòng)修正回來(lái),實(shí)現(xiàn)高精度加工多層結(jié)構(gòu)。圖8是用離子束加工AFM探針的一個(gè)效果對(duì)比。在圖8a中不使用對(duì)中方式,加工時(shí)不同圖層之間有偏移,無(wú)法實(shí)現(xiàn)精確同心。在圖8b中采用了對(duì)中方式加工,可以得到高精度的加工結(jié)果,并且可以高效地實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)、重復(fù)性加工。離子束的加工范圍受單個(gè)視場(chǎng)的影響,加工范圍通常在300μm,很難進(jìn)行大面積的加工,利用NanobuilderTM的對(duì)中功能可以將多個(gè)寫(xiě)場(chǎng)拼接起來(lái)實(shí)現(xiàn)毫米尺度的加工。4.1.6gis的發(fā)展方向GIS系統(tǒng)可以用作離子束誘導(dǎo)沉積(IBID)或電子束誘導(dǎo)沉積(EBID)。IBID在早期主要用作保護(hù)層,提高加工質(zhì)量,種類(lèi)也比較少,主要是Pt,C,W,因沉積的鍍層有導(dǎo)電性,因而IBID也可以用作線(xiàn)路連接。GIS系統(tǒng)的發(fā)展方向主要包含以下幾個(gè)方向:一個(gè)是開(kāi)發(fā)新的前驅(qū)物,一個(gè)是改進(jìn)沉積的性能,還有一個(gè)是改進(jìn)傳輸裝置。目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出新的前驅(qū)物可用于Pt,Pd,Co,Fe,Au沉積。在氣體沉積系統(tǒng)的傳輸裝置上有單氣體沉積和多路氣體方式,后者可以利用連接兩種或兩種以上的氣體,利用氣體之間的反應(yīng)來(lái)提高沉積質(zhì)量。在提高沉積質(zhì)量上為了提高沉積Pt電極的導(dǎo)電性,已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種方法,如在氧氣環(huán)境下300℃退火,可以將電阻率降低到104μΩ·cm;利用不含碳的前驅(qū)物沉積Pt可將電阻率降低到70μΩ·cm;利用電子束沉積做種子層,再用ALD沉積可以得到13μΩ·cm的電阻率。FEI公司新開(kāi)發(fā)的Fe沉積可以獲得77%Fe(體積分?jǐn)?shù)),有很好的鐵磁性,可用做疇壁釘扎結(jié)構(gòu)。4.2用雙束控制所取樣品位置雙束以其樣品制備精度高、速度快已經(jīng)成為透射電鏡薄膜樣品制備的重要方法,整個(gè)制備過(guò)程可用SEM進(jìn)行監(jiān)控。利用雙束可以精確控制所取樣品的位置以及所制樣品的厚度。這些都是傳統(tǒng)樣品制備極難實(shí)現(xiàn)的功能,定點(diǎn)薄樣品的制作已成為雙束系統(tǒng)最重要的應(yīng)用功能之一。雙束也可以用來(lái)制作微納米尺度的透射電鏡的原位拉伸或壓縮試樣,這里不一一介紹。4.2.1樣品的提取工藝首先用掃描電鏡在樣品表面找到要制作TEM樣品的區(qū)域,用電子束或者離子束在該區(qū)域沉積出1μm厚、2μm寬的Pt或C,W的保護(hù)層。在保護(hù)層上下區(qū)域用離子束挖出如圖9a的凹槽,形成薄片。然后再改變樣品傾角將底部和一個(gè)側(cè)邊切開(kāi),將納米操作手(Easylift)插入,用Pt沉積方法將機(jī)械手和薄片連接起來(lái),再將另一邊切斷,即可將樣品提取出來(lái)(圖9b)。再將該薄片用Pt連接到銅網(wǎng)上(圖9c),進(jìn)行最終減薄,可根據(jù)需要將樣品薄片減至幾十個(gè)納米。4.2.2利用自適應(yīng)的加速電壓加工非晶區(qū)定點(diǎn)制備樣品對(duì)于塊體材料的透射樣品制備,傳統(tǒng)的磨片方式只能隨機(jī)取出某個(gè)區(qū)域,如果需要分析的結(jié)構(gòu)區(qū)域很小,甚至達(dá)到納米級(jí),傳統(tǒng)方式很難定點(diǎn)制備出所需區(qū)域的透射電鏡樣品,但是利用雙束系統(tǒng)可以用掃描電鏡精確設(shè)定加工區(qū)域,并用聚焦離子束定點(diǎn)加工獲取。薄樣品表面的非晶層可控用FIB制備樣品一般先采用30kV加工到100多納米的薄片,然后再用低電壓進(jìn)行減薄,降低高電壓的離子束對(duì)樣品的損傷。例如最后用2kV的離子束加工出來(lái)的硅樣品,產(chǎn)生的非晶層可降低到1~2nm,如果不用低電壓減薄,非晶區(qū)的厚度可達(dá)20~30nm。而常規(guī)的離子減薄方法也會(huì)對(duì)樣品產(chǎn)生損傷。圖10給出了這兩個(gè)加速電壓對(duì)非晶區(qū)的影響效果圖。降低加速電壓后,可以將非晶區(qū)控制在合理的范圍,以滿(mǎn)足高分辨透射電鏡對(duì)樣品的苛刻要求。加工速度快傳統(tǒng)TEM樣品的制作方法對(duì)用戶(hù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)依賴(lài)性強(qiáng)、加工周期長(zhǎng)、重復(fù)性差。而用雙束加工一個(gè)10μm寬度的TEM樣品,一般來(lái)說(shuō)1~2h既能完成,樣品厚度可達(dá)到幾十納米以下。特別是對(duì)一些硬度高、耐磨的材料,手工磨很不容易,而利用FIB就容易很多。降低表面敏感樣品的損傷有些薄膜(小于100nm)材料需要制備TEM樣品來(lái)觀察截面,利用雙束系統(tǒng)中的SEM的電子束誘導(dǎo)沉積功能,在需要加工的位置表面沉積一層保護(hù)層(Pt或W),再利用FIB進(jìn)行加工,可大大降低薄膜表面的損傷。自動(dòng)制樣功能對(duì)于需要大批量制備透射樣品的用戶(hù),FEI公司提供了AutoTEM軟件,利用該軟件可以預(yù)設(shè)好要提取樣品的位置,然后由軟件控制在各個(gè)區(qū)域自動(dòng)完成樣品減薄的過(guò)程。圖11給出了該軟件加工的一個(gè)例子,每個(gè)薄片寬12μm,高5μm,厚度為100nm±20%。平均每個(gè)樣品的制備時(shí)間為14min。AutoTEM樣品設(shè)置簡(jiǎn)單,為大量制備TEM樣品的用戶(hù)提供了快速、高質(zhì)量的方法。4.2.3催化劑和檢測(cè)樣品的制備,進(jìn)行樣品前原子探針(AP)可以用來(lái)做三維成像(AtomProbeTomography,APT),也可以定量分析樣品在納米尺度下的化學(xué)成分。原子探針還常常被用作樣品在原子尺度下的失效分析。不久的將來(lái)人們?cè)诎雽?dǎo)體制備過(guò)程中可以在原子尺度下控制器件的設(shè)計(jì)。要實(shí)現(xiàn)這一應(yīng)用的一個(gè)重要條件就是要制備一個(gè)大高寬比、銳利的探針,針尖的尺寸要控制在100nm左右。對(duì)原子探針樣品的制備要求與TEM薄片樣品很接近,FEI公司的Helios系列在離子束的精細(xì)加工能力和掃描電鏡的低電壓階段具有超高的分辨率,特別適合這類(lèi)樣品的加工。圖12展示了原子探針樣品加工的典型過(guò)程。首先選取感興趣的取樣位置,在兩邊挖V型槽,將底部切開(kāi)后,再用納米機(jī)械手將樣品取出(圖12a)。準(zhǔn)備好固定樣品支座,將樣品用Pt焊接在支座上(圖12c)并從大塊樣品切斷。在樣品底部雙邊沉積Pt增強(qiáng)連接效果(圖12d),然后連續(xù)從外到內(nèi)切除外圍部分形成尖銳的針尖(圖12e)。最后將樣品用離子束低電壓進(jìn)行最終拋光,消除非晶層,和離子注入較多的區(qū)域(圖12f)。4.3維重建技術(shù)在掃描電鏡中可以獲得觀察區(qū)域的表面形貌、化學(xué)成分、晶體取向等信息。因?yàn)殡娮邮拇┩干疃茸畲笠簿褪菐讉€(gè)微米,因此很難獲得來(lái)自樣品的深層信息,在做計(jì)算時(shí)也只能用暴露在表面的截面來(lái)代表所占區(qū)域的多少,這種方法來(lái)評(píng)價(jià)樣品較為片面,因?yàn)榭吹降牟糠挚赡苤皇恰氨揭唤恰薄Ａ硗?在研究對(duì)象里面不同組分的空間分布和空間相對(duì)位置關(guān)系著研究對(duì)象的重要行為。三維重構(gòu)(3D)允許從各個(gè)角度來(lái)觀察樣品。尤其當(dāng)樣品里有一些網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),不同的相交織在一起,利用FIB三維成像可以將它們的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)清晰地表征出來(lái),可以重構(gòu)樣品里的小缺陷(<100nm)的三維形狀和尺寸。3D表征技術(shù)在材料和生物等領(lǐng)域已經(jīng)成為新的研究方法,并且在科學(xué)研究中發(fā)揮了重要作用,同時(shí)在工業(yè)領(lǐng)域如半導(dǎo)體和自然資源領(lǐng)域里也實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用。在早期的三維重構(gòu)中很多功能受限于計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力,目前強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力可以從收集的數(shù)據(jù)中得到更多結(jié)果。得益于掃描電鏡的分辨能力,目前已經(jīng)可以重構(gòu)多種結(jié)構(gòu)信息,如利用二次電子像重構(gòu)出形貌信息,利用背散射電子像重構(gòu)出成分信息,利用二次離子詳細(xì)重構(gòu)出晶體取向信息。取樣的范圍比較寬松,可以從幾個(gè)微米到100μm以上。與TEM的幾百納米的重構(gòu)尺度相比,取樣范圍大,提供的結(jié)果更具統(tǒng)計(jì)意義。雙束系統(tǒng)中的三維分析可以分為3個(gè)方面:三維形貌分析、三維成分分析、三維晶體取向分析。實(shí)現(xiàn)過(guò)程也由軟件自動(dòng)控制完成。4.3.1標(biāo)記的定位與切割利用FIB的加工功能,可以加工很多個(gè)序列的截面圖片,每加工一個(gè)截面出來(lái),用SEM成像(二次電子或被散射電子),得到系列的SEM圖像。然后利用離線(xiàn)的數(shù)據(jù)處理軟件(如Amira,Avizo)重構(gòu)樣品的三維形貌結(jié)構(gòu)。FIB的切片加工過(guò)程和SEM的成像都可以由軟件來(lái)自動(dòng)控制完成,減少人工控制的偏差。工作過(guò)程主要涉及兩個(gè)方面的定位,一個(gè)是對(duì)切割位置的定位,保證每次切割的位置都在精確的指定區(qū)域,即保證Z方向間距的均勻一致,這個(gè)可以通過(guò)提前在樣品上制作好標(biāo)記,每次切割前指定先掃描這個(gè)標(biāo)記進(jìn)行定位。還有一個(gè)是對(duì)拍照位置的定位,可以用類(lèi)似的方法制作標(biāo)記,利用標(biāo)記點(diǎn)來(lái)精確確定拍照位置。圖13給出了一個(gè)鋅氧化物三維視圖。在3D的視圖中不同的成分以不同的顏色表示,可以看到其空間分布,并且可以精確地計(jì)算出各部分所占體積。三維成像除了在材料科學(xué)中的應(yīng)用外,早在2005年就已經(jīng)有生物領(lǐng)域的應(yīng)用,目前在生物領(lǐng)域主要集中在細(xì)胞生物學(xué)和神經(jīng)科學(xué)。在能源地質(zhì)領(lǐng)域三維成像已經(jīng)獲得實(shí)用價(jià)值,可以利用三維重構(gòu)對(duì)頁(yè)巖、泥巖等樣品分析,研究孔道的分布,為評(píng)價(jià)開(kāi)采提供重要的數(shù)據(jù)信息。利用FIB切割的優(yōu)勢(shì)在于Z方向的控制精度更高,Z方向分辨率可達(dá)5nm,與場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡在X,Y方向獲得的分辨率接近,重構(gòu)的結(jié)果均勻性更好。這一分辨率可以滿(mǎn)足納米尺度的研究要求。與利用鉆石刀切片相比,在Z方向的分辨率更具優(yōu)勢(shì)。隨著超低溫冷凍電鏡技術(shù)的成熟,這一技術(shù)也可以應(yīng)用到雙束,在低溫冷凍狀態(tài)下可以直接加工樣品,直接成像。4.3.2超導(dǎo)體的成分分布利用FIB連續(xù)切片,對(duì)每個(gè)加工截面收集EDS的Mapping圖像,然后利用離線(xiàn)的三維重構(gòu)軟件,重構(gòu)出樣品的三維成分分布,這樣可以得到元素的空間分布情況。圖14給出了一類(lèi)超導(dǎo)材料的三維EDS成分分布,它直觀地給出了銅和鈮的空間分布。除了在材料科學(xué)中的應(yīng)用外,早在2009年,三維能譜分析已經(jīng)有了在生物學(xué)應(yīng)用的實(shí)例。4.3.3ebsd的晶體結(jié)構(gòu)利用FIB連續(xù)切片,對(duì)每個(gè)加工截面收集EBSD的結(jié)果,然后利用離線(xiàn)的三維重構(gòu)軟件,重構(gòu)出樣品的三維晶體取向信息。圖15給出了在銅網(wǎng)上取樣獲得的三維晶體信息。隨著EBSD在材料地質(zhì)等領(lǐng)域的發(fā)展,三維EBSD也將發(fā)揮更重要的作用,FIB切成的截面可以直接用做EBSD分析,簡(jiǎn)化了EBSD樣品制備的流程,可以從三維空間去分析材料的結(jié)構(gòu)對(duì)性能的