同時(shí)制備多個(gè)透射電鏡截面試樣的離子減薄方法

張 革 ,崔 云 ,趙嬌玲 ,王 濤 ,趙元安

(1.中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所薄膜光學(xué)實(shí)驗(yàn)室,上海 201800;2.中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所強(qiáng)激光材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 201800)

極紫外光刻技術(shù)(EUVL)采用的晶圓掃描儀的效率由多層膜反射鏡的反射率決定[1]。反射率與多層膜界面的粗糙度、納米晶的形成、界面混合和中間夾層的形成[2-3]等因素有關(guān)。最常用的Mo/Si多層膜的周期厚度約為7 nm,Si層厚度為2～3 nm,厚度誤差會引起反射率的降低。對于這種原子尺度的研究,透射電鏡(TEM)是必不可少的分析工具,可以直觀地得到材料形貌、結(jié)構(gòu)、界面缺陷和元素?cái)U(kuò)散等信息[3-6]。

試樣制備是TEM 表征的關(guān)鍵,試樣必須足夠薄(100 nm 以下)才能被電子束穿透。從截面方向觀察薄膜材料,才能獲得厚度和界面等信息,因此需要制備TEM 截面試樣,制備過程非常復(fù)雜[7]。聚焦離子束(FIB)[8-10]被廣泛應(yīng)用于TEM 截面試樣的制備,其可以準(zhǔn)確定位減薄試樣,效率較高,但設(shè)備成本較高。離子減薄技術(shù)可以減薄幾乎所有的無機(jī)材料,且操作簡單。缺點(diǎn)是前期預(yù)減薄過程繁瑣、耗時(shí)長,雖然已經(jīng)有許多改進(jìn)的方法[11-14],但這些方法研究的一次離子減薄只能制備一個(gè)試樣,效率相對較低。因此,改進(jìn)離子減薄制樣方法具有重要的研究意義。筆者詳細(xì)介紹了一種通過一次離子減薄就能制備多個(gè)TEM 截面樣品的方法,該方法極大地提高了TEM 制樣的效率,同時(shí)避免了分批制樣帶來的隨機(jī)誤差。

1 試樣制備過程

傳統(tǒng)的和改良過的離子減薄制備TEM 截面試樣的方法,都采用相同的試樣進(jìn)行對黏。通過幾個(gè)小時(shí)進(jìn)行離子減薄的試樣雖有多處薄區(qū),但只需觀察一處薄區(qū)即可,只能得到一個(gè)試樣的信息。因此,可以將多個(gè)不同試樣集中在離子減薄區(qū)域,這樣進(jìn)行一次離子減薄就可以得到多個(gè)不同試樣的薄區(qū)。TEM 截面試樣制備過程如圖1所示。

圖1 TEM 截面試樣制備過程示意

1.1 切割試樣

超聲切割機(jī)切割方法:先用石蠟將載玻片黏在切割臺上,再用石蠟將多個(gè)不同的薄膜試樣黏在載玻片上,膜面朝下,避免損傷膜面。用4 mm×5 mm(長×寬)的矩形切割頭切割試樣[見圖1a)]。

金剛石刻刀切割方法:在試樣背面,用直尺輔助切割相同大小的矩形試樣。

1.2 對黏試樣

將切割好的試樣依次用丙酮清洗干凈,將2個(gè)試樣的膜面用G1膠(Gatan公司)對黏后,放在特制的夾具中,在130℃加熱臺上固化1 h[見圖1b)]。

1.3 研磨基底

已知基底的厚度為700μm,用石蠟將對黏好的試樣黏在手動研磨盤上的試樣托上,采用“8”字形手法,并在研磨過程中更換更細(xì)的砂紙。分別將兩面基底研磨掉600μm～650μm,最終得到一片厚度約為100μm～200μm 的薄片[見圖1c)]。

1.4 再次對黏試樣

將薄片用G1膠黏在另外2個(gè)不同試樣的中間[見圖1d)]。

1.5 切割試樣

利用慢速鋸將對黏好的試樣切割成厚度約0.5 mm 的薄片[見圖1e)]。

1.6 制作參照物

用AB膠將厚度約30μm 的銅支撐環(huán)黏在試樣托上,并用記號筆在銅支撐環(huán)上進(jìn)行標(biāo)記。

1.7 再次研磨

用手動研磨儀將切割好的試樣先研磨掉約一半厚度,然后用石蠟將試樣黏在參照物銅支撐環(huán)的旁邊,研磨另一面[見圖1f)]。研磨時(shí)注意力度,將銅支撐環(huán)上的記號研磨消失,試樣厚度只有30μm左右。

1.8 黏支撐環(huán)

選用內(nèi)徑分別為2,1 mm的橢圓銅支撐環(huán),對離子束的遮擋更少。用微量AB膠將支撐環(huán)黏在試樣上,與試樣托一起加熱,待試樣與試樣托之間的石蠟完全融化后,試樣與支撐環(huán)之間的AB膠已經(jīng)固化,用牙簽將試樣從試樣托上取下,放入丙酮中浸泡并清洗干凈。

1.9 修剪試樣

用鑷子尖將支撐環(huán)邊緣的多余試樣切掉。

1.10 離子減薄

試樣對黏面要?jiǎng)偤么怪庇陔x子減薄的鴨嘴夾,否則G1膠和薄膜在減薄過程中會先消失。先采用5 k V電壓和±8°角度穿孔,然后采用4 k V 電壓和±4°擴(kuò)大薄區(qū)。減薄好的試樣如圖1h)所示。

2 應(yīng)用舉例

以Si基底上沉積的Mo、Si單層膜和Mo/Si多層膜為例,采用上述一次離子束減薄的方法同時(shí)制備了4個(gè)TEM 截面試樣,利用TEM 分析薄膜的厚度和晶體結(jié)構(gòu)等信息,結(jié)果如圖2所示。厚度為32.4 nm 的Mo薄膜完全結(jié)晶,晶體結(jié)構(gòu)為體心立方;厚度為31.2 nm 的Si薄膜為非晶體結(jié)構(gòu)。Mo/Si多層膜有40個(gè)周期,其中150℃退火的Mo/Si多層膜的周期厚度為8.10 nm,Mo 層厚度為4.1 nm。300℃退火的Mo/Si多層膜的周期厚度為7.99 nm,Mo層厚度為4.5 nm。說明Mo元素可能發(fā)生了擴(kuò)散。TEM 截面試樣Si基底[110]的晶格條紋十分清晰,有大面積的薄區(qū)。由此可以看出,該方法制備出的TEM 截面試樣成功率高。

圖2 Si基底的Mo、Si單層膜和Mo、Si多層膜截面試樣的TEM 形貌

3 討論

該方法可以靈活變動,在試樣數(shù)量上,可以直接用兩個(gè)不同的薄膜試樣對黏,或者在其中間加入1對或多對薄膜試樣的薄片,根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行選擇,但中間加入的薄片厚度應(yīng)控制在500μm 以內(nèi),否則遠(yuǎn)離中心的試樣難以減薄。特別注意的是,在TEM 下無法區(qū)分的試樣,需要提前記錄試樣的對黏順序,可以通過增加不同的試樣或者控制基底的厚度來區(qū)分。另外,可采用自動精密研磨機(jī)或者其他研磨方法研磨試樣[15-17];研磨基底時(shí)不用將兩個(gè)試樣對黏,可分別研磨兩個(gè)試樣的基底后再對黏,但由于膜面沒有G1 膠的保護(hù),可能會引入較大的應(yīng)力。

4 結(jié)語

介紹了一種通過一次離子減薄同時(shí)制備多個(gè)TEM 截面試樣的方法,不僅極大地提高了TEM 制樣的效率,同時(shí)避免了分批制樣帶來的隨機(jī)誤差。在控制最終研磨厚度時(shí),采用銅支撐環(huán)作為參照物,進(jìn)一步提高了效率。