一種制備透射電鏡截面樣品的新方法
一種制備透射電鏡截面樣品的新方法
一種制備透射電鏡截面樣品的新方法
摘要：以硅基底上生長(zhǎng)的薄膜樣品為例，詳細(xì)介紹了一種新的制備透射電鏡截面樣品的方法和步驟，即先層疊矩形薄片成塊狀，然后用低速鋸切割得到層疊截面薄片，再將截面薄片和一厚度相當(dāng)?shù)墓杵瑫r(shí)粘貼在有機(jī)玻璃樣品柱上，然后對(duì)樣品進(jìn)行研磨拋光，通過(guò)觀察硅片的透光顏色確定樣品的厚度，后將樣品從樣品柱上取下，粘貼上銅片，切成圓片狀，進(jìn)行離子減薄，完成樣品的制備。該方法通過(guò)手動(dòng)研磨直接將截面樣品預(yù)減薄到可以用離子減薄儀減薄的程度，在簡(jiǎn)化了制樣過(guò)程的同時(shí)，還可以獲得具有更多薄區(qū)的透射電鏡截面樣品。
關(guān)鍵詞：透射電鏡；制樣方法；截面樣品
中圖分類號(hào)：o657.99 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：a 文章編號(hào)：1001-4012(2012)02-0091-04
a new method for preparing cross-sectional tem specimens
yang qian，huang wan-zhen，zheng yi-fan，hu xiao-chao，wang yan-fei
(1. research center of analysis and measurement；2. college of chemical engineering and materials science，zhejiang university of technology，hangzhou 310014，china)
abstract：a new method for preparing cross-sectional tem specimens was introduced in detail taking a film growing on silicon substrate as an example. first stacking the rectangular slices into block，and then cutting the stacking block with low speed diamond wheel to get thin stacked sheet. secondly pasting the thin stacking sheet and a silicon slice on an organic glass specimen column at the same time. thirdly grinding and polishing the specimen，and confirming the thickness of the specimen by observing the color of the silicon slice. finally taking down the specimen，pasting a brass ring on it，cutting it into a disc and ion milling to complete the specimen preparation. the produced new cross-sectional tem specimen preparation method could thin down the specimens only by manual grinding to get the thickness which could be ion milling directly. therefore，this preparation method could not only simplify the preparing process，but also get larger area for tem observation.
keywords：transmission electron microscope(tem)；preparaing specimen method；cross-sectional specimen
透射電鏡(tem)作為材料微觀結(jié)構(gòu)的一種重要分析表征手段，可以用于無(wú)機(jī)材料的顯微形貌、晶體結(jié)構(gòu)和物相組成的觀察與分析。在配備其他輔助設(shè)備的情況下，還可以進(jìn)行元素定性和半定量分析(eds)、元素分布分析、元素化學(xué)狀態(tài)分析以及電子結(jié)構(gòu)(eels)分析等，在目前的科學(xué)研究中有著越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。要保證準(zhǔn)確得到這些分析結(jié)果的一個(gè)重要前提就是tem樣品的制備，其中粉末樣品的制備要求是顆粒粒度小，電子束可以透過(guò)顆粒，且顆粒分散均勻無(wú)團(tuán)聚；塊狀樣品的制備要求是使樣品形成無(wú)污染和無(wú)假缺陷的、電子束可以透過(guò)過(guò)的薄區(qū)[1]。所以，樣品的制備是影響透射電鏡觀察和分析結(jié)果的一個(gè)關(guān)鍵因素，特別是塊狀樣品的制備。
對(duì)于半導(dǎo)體材料和薄膜tem樣品的制備，一般可以分為兩種，一種是平面樣品的制備，另一種是截面樣品的制備。平面樣品用于觀察薄膜的表面形貌；截面樣品則是用于觀察薄膜生長(zhǎng)的橫截面，研究薄膜的厚度、生長(zhǎng)過(guò)程、嵌入損傷、腐蝕斷面、界面結(jié)構(gòu)以及晶體缺陷等等。如果利用平面樣品分析薄膜不同深度處的組織特征，則需要制備多個(gè)樣品。但如果利用橫截面樣品，只需要一個(gè)樣品就可以進(jìn)行不同深度處薄膜組織的連續(xù)觀察[2]。相比較而言，截面樣品的制備比平面樣品的制備要求更高，步驟更繁瑣，過(guò)程也更復(fù)雜[3]。
用聚焦離子束(fib)技術(shù)來(lái)制備tem截面樣品，已經(jīng)有較多文獻(xiàn)報(bào)道[4-7]，雖然這種方法可以準(zhǔn)確定位樣品的減薄區(qū)域，但由于fib設(shè)備昂貴而使制樣成本增加，同時(shí)對(duì)操作人員的專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)水平要求也比較高，制成的樣品可觀察的薄區(qū)少、容易造成機(jī)械損傷[1]，而且在大面積樣品上濺射效率低[8]，從而限制了fib技術(shù)的應(yīng)用。文獻(xiàn)[9-10]報(bào)道的用切割、凹坑、拋光和離子減薄的方法制備tem截面樣品，雖然這種方法比較通用，但制樣過(guò)程復(fù)雜，使用的制樣設(shè)備繁多，制出的截面樣品薄區(qū)少而且薄區(qū)不一定就是所要觀察的區(qū)域[1]，因而制樣成功率低。筆者以在硅基底上生長(zhǎng)的金剛石薄膜樣品為例，較詳細(xì)地介紹了一種制備tem截面樣品的新方法，這種方法操作簡(jiǎn)單，用到的制樣設(shè)備少，產(chǎn)生的薄區(qū)少，制樣成本低且制樣成功率高，可以有效地彌補(bǔ)以上tem截面樣品制樣方法的不足。
1. 樣品制備
筆者提出的制備tem截面樣品新方法的過(guò)程示意圖如圖1所示，具體制備步驟如下。
圖 1 tem截面樣品制備過(guò)程示意圖
fig. 1 schematic diagram of process of preparing cross-sectional tem specimen
(a) fixing specimen (b) cutting the rectangular slices
(c) stacking the rectangular slices into block (d) pressing the stacking block
(e) cutting the stacking block (f) pasting specimen and silicon slice
(g) grinding specimen (h) pasting brass ring (i) immersing in acetone
(j) cutting round specimen (k) ion milling
1.1. 切取矩形薄片
首先將樣品臺(tái)放在130℃的加熱臺(tái)上加熱5min，然后用石蠟把載玻片粘在樣品臺(tái)上；再在載玻片上涂少量石蠟，把樣品粘在載玻片上，將樣品旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度使石蠟分布均勻，如圖1(a)所示。然后用超聲波切割機(jī)的矩形切割鉆頭在粘貼好的樣品上切出6片4mm×5mm的矩形薄片，如果樣品尺寸有限，可以切4~5片的硅片或玻璃片做陪片，如圖1(b)所示。將切下的矩形薄片和陪片同時(shí)放在丙醇中超聲振蕩清洗，以除去石蠟以及樣品表面的污垢，防止制樣過(guò)程中樣品被污染，必要時(shí)還可以用無(wú)水乙醇再清洗一次。
1.2. 層疊矩形薄片成塊狀
將切好的矩形薄片及陪片表面涂上一層g-1膠，g-1膠要涂得盡量薄，將需要觀察的薄片樣品置于中間位置層疊矩形薄片得到塊狀樣品，如圖1(c)所示。然后放入特制的聚四氟乙烯模具中，用彈簧夾將模具與樣品加緊，放置在130℃的加熱臺(tái)上加熱10min，自然狀態(tài)下冷卻至室溫，如圖1(d)所示。這樣可以使薄片之間的膠體比較薄，而且粘合后薄片之間的結(jié)合比較牢固。
1.3. 切割塊狀樣品得截面薄片
將粘合好的層疊塊狀樣品，用低速鋸在垂直于薄片的方向上切割出厚幾百微米的截面薄片，如圖1(e)所示，并將截面薄片的一面進(jìn)行拋光處理。
1.4. 粘貼樣品和硅片
用石蠟將截面薄片(注意拋光處理面朝下)和純凈硅片或單晶硅片(厚度同截面薄片樣品相當(dāng))粘貼在同一個(gè)樣品柱上，樣品柱一定要選擇能透光的有機(jī)玻璃柱，如圖1(f)所示。用棉花棒輕壓截面薄片樣品和硅片，讓樣品和硅片旋轉(zhuǎn)一定角度，使石蠟分布得薄且均勻，而且盡可能保證樣品和硅片下的石蠟厚度一致。
1.5. 研磨樣品
將樣品柱放入手動(dòng)研磨盤(pán)中，在水砂紙上手動(dòng)磨薄樣品。為了使樣品和硅片均勻減薄，手動(dòng)研磨時(shí)要不斷變換角度，一般采用“8”字軌跡的手法以使樣品均勻減薄，避免過(guò)早出現(xiàn)樣品邊緣傾角，如圖1(g)所示。在研磨過(guò)程中還應(yīng)注意要用以白熾燈或者鹵素?zé)魹楣庠吹娘@微鏡觀察硅片透光的顏色，通過(guò)單晶硅片厚度與透光顏色的關(guān)系來(lái)判斷硅片的厚度，進(jìn)而可以推斷出截面薄片樣品的厚度。為了減少在研磨過(guò)程中產(chǎn)生的機(jī)械損傷，當(dāng)硅片的厚度改變，也就是截面薄片樣品的厚度改變時(shí)，水砂紙規(guī)格也要改變。初可用400號(hào)的水砂紙；樣品厚度為50μm左右時(shí)，換用1000號(hào)的水砂紙；樣品厚度為20μm左右時(shí)，換用2000號(hào)的水砂紙；樣品厚度為10μm時(shí)，換用5000號(hào)的水砂紙。水砂紙?jiān)郊?xì)，機(jī)械損傷越小但研磨時(shí)間需越長(zhǎng)。每次更換水砂紙，都要用清水將試樣沖洗干凈；隨著水砂紙?zhí)枖?shù)的增加，研磨的速率則要逐漸降低。當(dāng)硅片透紅光(厚度8μm左右)后改用拋光膏進(jìn)行機(jī)械拋光，有的樣品可以磨到硅片透黃光(厚度4μm 左右)。拋光結(jié)束后將粘在樣品柱上的樣品用毛筆在乙醇中清洗干凈。
1.6. 粘貼銅環(huán)
用體積比為1：1的ab膠(改性丙烯酸酯膠粘劑)將φ3mm的銅環(huán)粘貼在樣品表面，輕壓后除去銅環(huán)外多余的ab膠，否則多余的ab膠會(huì)影響樣品的后續(xù)離子減薄，如圖1(h)所示。然后將整個(gè)樣品柱浸入盛有丙酮的燒杯中，浸泡一段時(shí)間后使樣品自然脫落，因?yàn)闃悠诽。饬σ苿?dòng)很容易碎裂，所以燒杯底放一張濾紙，使樣品脫落在濾紙上，方便樣品取出，如圖1(i)所示。粘貼銅環(huán)是為了支撐樣品，不用石蠟粘貼銅環(huán)是為了防止銅環(huán)在丙酮中浸泡時(shí)脫落，不用g-1膠粘貼銅環(huán)是因?yàn)槠鋬r(jià)格較高。
1.7. 刀切圓形樣品
將脫落后的樣品放置在濾紙上，有銅環(huán)的一面朝上，用*沿銅環(huán)的形狀切除銅環(huán)以外的多余部分，使樣品被切成φ3mm的小圓片，如圖1(j)所示。如果樣品易碎，可以先在另一面也粘上銅環(huán)后再切，這樣更有利于支撐和保護(hù)樣品。
1.8. 離子減薄
將φ3mm的圓形薄片樣品放入離子減薄儀中，選擇適當(dāng)?shù)慕嵌群碗妷河脷咫x子轟擊樣品表面進(jìn)行離子減薄，如圖1(k)所示。離子減薄電壓和角度越大，離子減薄的時(shí)間越短，但產(chǎn)生的薄區(qū)少；離子減薄電壓和角度越小，產(chǎn)生的薄區(qū)越多，但離子減薄時(shí)間延長(zhǎng)，增加了產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變等缺陷的機(jī)會(huì)。所以應(yīng)根據(jù)樣品材料選擇合適的離子減薄角度和電壓。
與常規(guī)的tem截面樣品制樣方法相比，上述tem截面樣品制備方法省去了將塊狀截面樣品切成φ2.3mm的圓柱，把圓柱嵌套入銅管，再將嵌套后的圓柱切成截面薄片，然后研磨凹坑等這些步驟[7]，而是全部用手動(dòng)研磨完成。這樣不僅操作方便，而且避免了多次移粘樣品可能導(dǎo)致樣品碎裂等問(wèn)題。通過(guò)硅片的厚度與透光顏色的變化規(guī)律，可以推斷出截面樣品的厚度。這樣的截面樣品改變了凹坑樣品只有碗狀凹坑的部才可以進(jìn)行減薄的不足，大大擴(kuò)大了可以減薄的區(qū)域，也就是擴(kuò)大了減薄后可以得到的薄區(qū)面積，有利于用透射電鏡進(jìn)行觀察?？傊?，這種tem截面樣品制備方法可以簡(jiǎn)化制樣步驟，擴(kuò)大樣品的薄區(qū)面積，提高制樣的成功率，降低制樣成本。
這種方法不僅適用于制備tem截面樣品，同樣可應(yīng)用于制備tem平面樣品。值得注意的是，盡管用上述步驟可以成功地制備出tem截面樣品，但樣品的材質(zhì)不同，得到的結(jié)果也會(huì)存在一定的差異?？梢?jiàn)要想獲得高質(zhì)量的tem截面樣品，豐富的制樣經(jīng)驗(yàn)也是十分重要的。
2. 應(yīng)用舉例
以在硅基底上負(fù)載金剛石薄膜的樣品為例，用上述方法進(jìn)行制樣。離子減薄時(shí)，先在±10°，5kev條件下進(jìn)行減薄，即將穿孔時(shí)改為±8°，4kev，剛穿孔時(shí)再減小角度為±6°、減小電壓為3kev，以擴(kuò)大薄區(qū)的范圍。當(dāng)有較大薄區(qū)范圍后，再用±4°，1kev的低電壓和小角度吹掃樣品，以減少前面步驟中引起的損傷，并達(dá)到清潔樣品的目的。將制好的橫截面樣品用fei公司的tecnai g2 f30 s-twin型300kv場(chǎng)發(fā)射透射電子顯微鏡進(jìn)行觀察和分析，點(diǎn)分辨率為0.20nm，樣品大傾角為±40°，觀察結(jié)果如圖2所示。
圖 2 硅基底負(fù)載金剛石薄膜截面樣品的tem形貌及其電子衍射花樣
fig. 2 tem images and saed pattern of the cross-sectional specimen of diamond film on si substrate
(a),(b) images at low magnification (c) images at high magnification (d) saed pattern
圖2(a)中深色部分邊緣的帶狀區(qū)即為金剛石薄膜的截面形貌，由于樣品的薄區(qū)面積比較大，因而可以觀察的范圍也比較廣。圖2(b)是圖2(a)的局部放大形貌，可見(jiàn)薄膜的厚度約100nm。圖2(c)是薄膜與硅基底交界處的高分辨透射電鏡形貌，其中箭頭1所指向區(qū)域的晶格間距約0.3177nm，與si(111)的晶面間距相符；箭頭2所指向區(qū)域的晶格間距約0.2080nm，與金剛石(111)的晶面間距相符。另外，從截面處到薄膜邊緣可以觀察到不同部位的金剛石顆粒形貌，由此可以分析薄膜的生長(zhǎng)機(jī)理。圖2(d)為薄膜的電子衍射花樣，由此可以確定該金剛石薄膜為多晶薄膜。
3. 結(jié)論
新的制備透射電鏡截面樣品的方法是，先層疊矩形薄片成塊狀，然后用低速鋸切割得到層疊截面薄片，再將截面薄片和一厚度相當(dāng)?shù)墓杵瑫r(shí)粘貼在有機(jī)玻璃樣品柱上，然后對(duì)樣品進(jìn)行研磨拋光，通過(guò)觀察硅片的透光顏色確定樣品的厚度，后將樣品從樣品柱上取下，粘貼上銅片，切成圓片狀，進(jìn)行離子減薄，完成樣品的制備。這種制樣方法減少了部分制樣儀器的使用，降低了制樣成本，提高了制樣成功率，且擴(kuò)大了透射電鏡可觀察的薄區(qū)范圍。
參考文獻(xiàn)：
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一種制備透射電鏡截面樣品的新方法
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關(guān)鍵詞：透射電鏡；制樣方法；截面樣品
中圖分類號(hào)：o657.99 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：a 文章編號(hào)：1001-4012(2012)02-0091-04
a new method for preparing cross-sectional tem specimens
yang qian，huang wan-zhen，zheng yi-fan，hu xiao-chao，wang yan-fei
(1. research center of analysis and measurement；2. college of chemical engineering and materials science，zhejiang university of technology，hangzhou 310014，china)
abstract：a new method for preparing cross-sectional tem specimens was introduced in detail taking a film growing on silicon substrate as an example. first stacking the rectangular slices into block，and then cutting the stacking block with low speed diamond wheel to get thin stacked sheet. secondly pasting the thin stacking sheet and a silicon slice on an organic glass specimen column at the same time. thirdly grinding and polishing the specimen，and confirming the thickness of the specimen by observing the color of the silicon slice. finally taking down the specimen，pasting a brass ring on it，cutting it into a disc and ion milling to complete the specimen preparation. the produced new cross-sectional tem specimen preparation method could thin down the specimens only by manual grinding to get the thickness which could be ion milling directly. therefore，this preparation method could not only simplify the preparing process，but also get larger area for tem observation.
keywords：transmission electron microscope(tem)；preparaing specimen method；cross-sectional specimen
透射電鏡(tem)作為材料微觀結(jié)構(gòu)的一種重要分析表征手段，可以用于無(wú)機(jī)材料的顯微形貌、晶體結(jié)構(gòu)和物相組成的觀察與分析。在配備其他輔助設(shè)備的情況下，還可以進(jìn)行元素定性和半定量分析(eds)、元素分布分析、元素化學(xué)狀態(tài)分析以及電子結(jié)構(gòu)(eels)分析等，在目前的科學(xué)研究中有著越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。要保證準(zhǔn)確得到這些分析結(jié)果的一個(gè)重要前提就是tem樣品的制備，其中粉末樣品的制備要求是顆粒粒度小，電子束可以透過(guò)顆粒，且顆粒分散均勻無(wú)團(tuán)聚；塊狀樣品的制備要求是使樣品形成無(wú)污染和無(wú)假缺陷的、電子束可以透過(guò)過(guò)的薄區(qū)[1]。所以，樣品的制備是影響透射電鏡觀察和分析結(jié)果的一個(gè)關(guān)鍵因素，特別是塊狀樣品的制備。
對(duì)于半導(dǎo)體材料和薄膜tem樣品的制備，一般可以分為兩種，一種是平面樣品的制備，另一種是截面樣品的制備。平面樣品用于觀察薄膜的表面形貌；截面樣品則是用于觀察薄膜生長(zhǎng)的橫截面，研究薄膜的厚度、生長(zhǎng)過(guò)程、嵌入損傷、腐蝕斷面、界面結(jié)構(gòu)以及晶體缺陷等等。如果利用平面樣品分析薄膜不同深度處的組織特征，則需要制備多個(gè)樣品。但如果利用橫截面樣品，只需要一個(gè)樣品就可以進(jìn)行不同深度處薄膜組織的連續(xù)觀察[2]。相比較而言，截面樣品的制備比平面樣品的制備要求更高，步驟更繁瑣，過(guò)程也更復(fù)雜[3]。
用聚焦離子束(fib)技術(shù)來(lái)制備tem截面樣品，已經(jīng)有較多文獻(xiàn)報(bào)道[4-7]，雖然這種方法可以準(zhǔn)確定位樣品的減薄區(qū)域，但由于fib設(shè)備昂貴而使制樣成本增加，同時(shí)對(duì)操作人員的專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)水平要求也比較高，制成的樣品可觀察的薄區(qū)少、容易造成機(jī)械損傷[1]，而且在大面積樣品上濺射效率低[8]，從而限制了fib技術(shù)的應(yīng)用。文獻(xiàn)[9-10]報(bào)道的用切割、凹坑、拋光和離子減薄的方法制備tem截面樣品，雖然這種方法比較通用，但制樣過(guò)程復(fù)雜，使用的制樣設(shè)備繁多，制出的截面樣品薄區(qū)少而且薄區(qū)不一定就是所要觀察的區(qū)域[1]，因而制樣成功率低。筆者以在硅基底上生長(zhǎng)的金剛石薄膜樣品為例，較詳細(xì)地介紹了一種制備tem截面樣品的新方法，這種方法操作簡(jiǎn)單，用到的制樣設(shè)備少，產(chǎn)生的薄區(qū)少，制樣成本低且制樣成功率高，可以有效地彌補(bǔ)以上tem截面樣品制樣方法的不足。
1. 樣品制備
筆者提出的制備tem截面樣品新方法的過(guò)程示意圖如圖1所示，具體制備步驟如下。
圖 1 tem截面樣品制備過(guò)程示意圖
fig. 1 schematic diagram of process of preparing cross-sectional tem specimen
(a) fixing specimen (b) cutting the rectangular slices
(c) stacking the rectangular slices into block (d) pressing the stacking block
(e) cutting the stacking block (f) pasting specimen and silicon slice
(g) grinding specimen (h) pasting brass ring (i) immersing in acetone
(j) cutting round specimen (k) ion milling
1.1. 切取矩形薄片
首先將樣品臺(tái)放在130℃的加熱臺(tái)上加熱5min，然后用石蠟把載玻片粘在樣品臺(tái)上；再在載玻片上涂少量石蠟，把樣品粘在載玻片上，將樣品旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度使石蠟分布均勻，如圖1(a)所示。然后用超聲波切割機(jī)的矩形切割鉆頭在粘貼好的樣品上切出6片4mm×5mm的矩形薄片，如果樣品尺寸有限，可以切4~5片的硅片或玻璃片做陪片，如圖1(b)所示。將切下的矩形薄片和陪片同時(shí)放在丙醇中超聲振蕩清洗，以除去石蠟以及樣品表面的污垢，防止制樣過(guò)程中樣品被污染，必要時(shí)還可以用無(wú)水乙醇再清洗一次。
1.2. 層疊矩形薄片成塊狀
將切好的矩形薄片及陪片表面涂上一層g-1膠，g-1膠要涂得盡量薄，將需要觀察的薄片樣品置于中間位置層疊矩形薄片得到塊狀樣品，如圖1(c)所示。然后放入特制的聚四氟乙烯模具中，用彈簧夾將模具與樣品加緊，放置在130℃的加熱臺(tái)上加熱10min，自然狀態(tài)下冷卻至室溫，如圖1(d)所示。這樣可以使薄片之間的膠體比較薄，而且粘合后薄片之間的結(jié)合比較牢固。
1.3. 切割塊狀樣品得截面薄片
將粘合好的層疊塊狀樣品，用低速鋸在垂直于薄片的方向上切割出厚幾百微米的截面薄片，如圖1(e)所示，并將截面薄片的一面進(jìn)行拋光處理。
1.4. 粘貼樣品和硅片
用石蠟將截面薄片(注意拋光處理面朝下)和純凈硅片或單晶硅片(厚度同截面薄片樣品相當(dāng))粘貼在同一個(gè)樣品柱上，樣品柱一定要選擇能透光的有機(jī)玻璃柱，如圖1(f)所示。用棉花棒輕壓截面薄片樣品和硅片，讓樣品和硅片旋轉(zhuǎn)一定角度，使石蠟分布得薄且均勻，而且盡可能保證樣品和硅片下的石蠟厚度一致。
1.5. 研磨樣品
將樣品柱放入手動(dòng)研磨盤(pán)中，在水砂紙上手動(dòng)磨薄樣品。為了使樣品和硅片均勻減薄，手動(dòng)研磨時(shí)要不斷變換角度，一般采用“8”字軌跡的手法以使樣品均勻減薄，避免過(guò)早出現(xiàn)樣品邊緣傾角，如圖1(g)所示。在研磨過(guò)程中還應(yīng)注意要用以白熾燈或者鹵素?zé)魹楣庠吹娘@微鏡觀察硅片透光的顏色，通過(guò)單晶硅片厚度與透光顏色的關(guān)系來(lái)判斷硅片的厚度，進(jìn)而可以推斷出截面薄片樣品的厚度。為了減少在研磨過(guò)程中產(chǎn)生的機(jī)械損傷，當(dāng)硅片的厚度改變，也就是截面薄片樣品的厚度改變時(shí)，水砂紙規(guī)格也要改變。初可用400號(hào)的水砂紙；樣品厚度為50μm左右時(shí)，換用1000號(hào)的水砂紙；樣品厚度為20μm左右時(shí)，換用2000號(hào)的水砂紙；樣品厚度為10μm時(shí)，換用5000號(hào)的水砂紙。水砂紙?jiān)郊?xì)，機(jī)械損傷越小但研磨時(shí)間需越長(zhǎng)。每次更換水砂紙，都要用清水將試樣沖洗干凈；隨著水砂紙?zhí)枖?shù)的增加，研磨的速率則要逐漸降低。當(dāng)硅片透紅光(厚度8μm左右)后改用拋光膏進(jìn)行機(jī)械拋光，有的樣品可以磨到硅片透黃光(厚度4μm 左右)。拋光結(jié)束后將粘在樣品柱上的樣品用毛筆在乙醇中清洗干凈。
1.6. 粘貼銅環(huán)
用體積比為1：1的ab膠(改性丙烯酸酯膠粘劑)將φ3mm的銅環(huán)粘貼在樣品表面，輕壓后除去銅環(huán)外多余的ab膠，否則多余的ab膠會(huì)影響樣品的后續(xù)離子減薄，如圖1(h)所示。然后將整個(gè)樣品柱浸入盛有丙酮的燒杯中，浸泡一段時(shí)間后使樣品自然脫落，因?yàn)闃悠诽。饬σ苿?dòng)很容易碎裂，所以燒杯底放一張濾紙，使樣品脫落在濾紙上，方便樣品取出，如圖1(i)所示。粘貼銅環(huán)是為了支撐樣品，不用石蠟粘貼銅環(huán)是為了防止銅環(huán)在丙酮中浸泡時(shí)脫落，不用g-1膠粘貼銅環(huán)是因?yàn)槠鋬r(jià)格較高。
1.7. 刀切圓形樣品
將脫落后的樣品放置在濾紙上，有銅環(huán)的一面朝上，用*沿銅環(huán)的形狀切除銅環(huán)以外的多余部分，使樣品被切成φ3mm的小圓片，如圖1(j)所示。如果樣品易碎，可以先在另一面也粘上銅環(huán)后再切，這樣更有利于支撐和保護(hù)樣品。
1.8. 離子減薄
將φ3mm的圓形薄片樣品放入離子減薄儀中，選擇適當(dāng)?shù)慕嵌群碗妷河脷咫x子轟擊樣品表面進(jìn)行離子減薄，如圖1(k)所示。離子減薄電壓和角度越大，離子減薄的時(shí)間越短，但產(chǎn)生的薄區(qū)少；離子減薄電壓和角度越小，產(chǎn)生的薄區(qū)越多，但離子減薄時(shí)間延長(zhǎng)，增加了產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變等缺陷的機(jī)會(huì)。所以應(yīng)根據(jù)樣品材料選擇合適的離子減薄角度和電壓。
與常規(guī)的tem截面樣品制樣方法相比，上述tem截面樣品制備方法省去了將塊狀截面樣品切成φ2.3mm的圓柱，把圓柱嵌套入銅管，再將嵌套后的圓柱切成截面薄片，然后研磨凹坑等這些步驟[7]，而是全部用手動(dòng)研磨完成。這樣不僅操作方便，而且避免了多次移粘樣品可能導(dǎo)致樣品碎裂等問(wèn)題。通過(guò)硅片的厚度與透光顏色的變化規(guī)律，可以推斷出截面樣品的厚度。這樣的截面樣品改變了凹坑樣品只有碗狀凹坑的部才可以進(jìn)行減薄的不足，大大擴(kuò)大了可以減薄的區(qū)域，也就是擴(kuò)大了減薄后可以得到的薄區(qū)面積，有利于用透射電鏡進(jìn)行觀察?？傊?，這種tem截面樣品制備方法可以簡(jiǎn)化制樣步驟，擴(kuò)大樣品的薄區(qū)面積，提高制樣的成功率，降低制樣成本。
這種方法不僅適用于制備tem截面樣品，同樣可應(yīng)用于制備tem平面樣品。值得注意的是，盡管用上述步驟可以成功地制備出tem截面樣品，但樣品的材質(zhì)不同，得到的結(jié)果也會(huì)存在一定的差異?？梢?jiàn)要想獲得高質(zhì)量的tem截面樣品，豐富的制樣經(jīng)驗(yàn)也是十分重要的。
2. 應(yīng)用舉例
以在硅基底上負(fù)載金剛石薄膜的樣品為例，用上述方法進(jìn)行制樣。離子減薄時(shí)，先在±10°，5kev條件下進(jìn)行減薄，即將穿孔時(shí)改為±8°，4kev，剛穿孔時(shí)再減小角度為±6°、減小電壓為3kev，以擴(kuò)大薄區(qū)的范圍。當(dāng)有較大薄區(qū)范圍后，再用±4°，1kev的低電壓和小角度吹掃樣品，以減少前面步驟中引起的損傷，并達(dá)到清潔樣品的目的。將制好的橫截面樣品用fei公司的tecnai g2 f30 s-twin型300kv場(chǎng)發(fā)射透射電子顯微鏡進(jìn)行觀察和分析，點(diǎn)分辨率為0.20nm，樣品大傾角為±40°，觀察結(jié)果如圖2所示。
圖 2 硅基底負(fù)載金剛石薄膜截面樣品的tem形貌及其電子衍射花樣
fig. 2 tem images and saed pattern of the cross-sectional specimen of diamond film on si substrate
(a),(b) images at low magnification (c) images at high magnification (d) saed pattern
圖2(a)中深色部分邊緣的帶狀區(qū)即為金剛石薄膜的截面形貌，由于樣品的薄區(qū)面積比較大，因而可以觀察的范圍也比較廣。圖2(b)是圖2(a)的局部放大形貌，可見(jiàn)薄膜的厚度約100nm。圖2(c)是薄膜與硅基底交界處的高分辨透射電鏡形貌，其中箭頭1所指向區(qū)域的晶格間距約0.3177nm，與si(111)的晶面間距相符；箭頭2所指向區(qū)域的晶格間距約0.2080nm，與金剛石(111)的晶面間距相符。另外，從截面處到薄膜邊緣可以觀察到不同部位的金剛石顆粒形貌，由此可以分析薄膜的生長(zhǎng)機(jī)理。圖2(d)為薄膜的電子衍射花樣，由此可以確定該金剛石薄膜為多晶薄膜。
3. 結(jié)論
新的制備透射電鏡截面樣品的方法是，先層疊矩形薄片成塊狀，然后用低速鋸切割得到層疊截面薄片，再將截面薄片和一厚度相當(dāng)?shù)墓杵瑫r(shí)粘貼在有機(jī)玻璃樣品柱上，然后對(duì)樣品進(jìn)行研磨拋光，通過(guò)觀察硅片的透光顏色確定樣品的厚度，后將樣品從樣品柱上取下，粘貼上銅片，切成圓片狀，進(jìn)行離子減薄，完成樣品的制備。這種制樣方法減少了部分制樣儀器的使用，降低了制樣成本，提高了制樣成功率，且擴(kuò)大了透射電鏡可觀察的薄區(qū)范圍。
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