CN102621169A - 一种ii-vi族软脆晶体超精密加工样品的定点原子成像方法 - Google Patents

Abstract

一种II-VI族软脆晶体超精密加工样品的定点原子成像方法，属于II-VI族软脆晶体超精密加工及透射电镜样品定点原子成像技术领域。其特征是采用II-VI族软脆晶体超精密加工样品作为透射电镜制备目标，超精密加工图案贯穿样品表面宽度。透射电镜样品制备时第一面和第二面结束时分别采用0.5μm和1μm的抛光薄膜。离子减薄时采用液氮冷却，低角度及低能量轰击的方法进行离子减薄。定点成像时双倾台β的角度为±22°之间。定点成像的对象是定点位置与胶连接完好的碎片或定点减薄位置。定点原子成像的曝光时间≤0.15秒。本发明的效果和益处是实现了II-VI族软脆晶体超精密加工样品的定点高清晰原子成像效果。

Description

一种II-VI族软脆晶体超精密加工样品的定点原子成像方法

技术领域

本发明属于II-VI族软脆晶体超精密加工及透射电镜样品定点原子成像技术领域，特别涉及II-VI族软脆晶体的超精密加工样品的定点原子成像方法。

背景技术

随着科技的快速发展，第三代II-VI族软脆半导体晶体在光电子、微电子、航空航天、军事国防等领域得到了广泛的应用，并且增长势头非常强劲。II-VI族软脆晶体在具有卓越的光电性能的同时，也具有奇特的力学性能，如软脆特性，这就给II-VI族软脆晶体的加工、运输、包装、以及科学研究等领域带来了极大的挑战。虽然II-VI族软脆晶体为难加工材料，然而以这些软脆晶体为基础的高性能器件一般要求其表面无任何划痕、嵌入、微变形、破碎等加工缺陷，而且要求其表面粗糙度达到亚纳米级。要想获得超光滑无损伤的纳米级精度的加工表面，需要对II-VI族软脆晶体的纳米尺度变形机理、纳米尺度去除机理以及超光滑表面形成原理三个基本科学问题进行研究，而要揭示II-VI族软脆晶体纳米制造的三个基本问题，就要采用透射电镜定点原子成像方法。II-VI软脆晶体的独特力学性能，使得传统的透射电镜(TEM)成像方法很难适用。如以II-VI族的典型代表碲镉汞(HgCdTe或MCT)为例，其纳米硬度为0.5GPa，是第一代半导体Si(12-14GPa)纳米硬度的1/24，以及第二代半导体GaAs(6GPa)的1/12。另一方面，MCT的断裂韧性为0.158MPa·m^1/2，是第一代半导体Si(1MPa·m^1/2)的1/6，第二代半导体GaAs(0.44MPa·m^1/2)的约1/3。同时MCT的熔点为150℃左右，而沸点在250℃左右，远低于第一代半导体Si的熔点1410℃，以及第三代半导体GaAs的熔点1238℃。这种独特的软脆特性使得传统的TEM制备方法、离子减薄方法以及原子成像方法很难适用于II-VI族软脆晶体。如传统的TEM样品制备方法极易使得II-VI族软脆晶体破碎，成功率低下；传统的离子减薄方法极易对II-VI族样品造成热损伤，并使得减薄样品出现赝像，而且非常容易破碎TEM样品，尤其是对于纳米压痕和纳米划痕等定点减薄样品。在原子成像阶段，由于样品本身具有的软特性，使得电子束的轰击对于II-VI族软脆样品的影响极大，样品容易漂移，很难成像。因此，II-VI族软脆晶体对于传统的TEM成像方法提出了严峻的挑战，同时对于其nm制造方法基本原理的揭示及新方法的开拓也带来了极为不利的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种II-VI族软脆晶体超精密加工样品的定点原子成像方法，采用液氮降温，低能量离子减薄技术，操作对象是定点位置与表面胶连接完好的破碎的薄片或高清晰的定点减薄位置，实现II-VI族软脆晶体超精密加工样品的定点原子成像的目的。

本发明的技术方案是采用II-VI族软脆晶体超精密加工样品作为透射电镜制备目标，超精密加工图案贯穿样品表面宽度。透射电镜样品制备时第一面和第二面结束时分别采用0.5μm和1μm的抛光薄膜。离子减薄时采用液氮冷却，低角度及低能量轰击的方法进行离子减薄。定点成像时双倾台β的角度为±22°之间。定点成像的对象是定点位置与胶连接完好的碎片或定点减薄位置。定点原子成像的曝光时间≤0.15秒。本发明的效果和益处是实现了II-VI族软脆晶体超精密加工样品的定点高清晰原子成像效果。

样品为II-VI族软脆晶体。II-VI族的典型代表为碲镉汞和碲锌镉(CdZnTe或CZT)。

定点原子成像对象为纳米压痕、纳米划痕、单颗粒磨削、超精密磨削、纳米磨削、单点金刚石车削后的加工表面。由于TEM的原子成像方法，需要最终观测的区域为几十到几百纳米，因此对于加工表面直径为几百纳米到几十微米的纳米压痕和纳米划痕加工方法，必须采用定点原子成像方法。对于超精密磨削、单点金刚石车削、纳米磨削、单颗粒磨削等加工方法，加工样品直径可以为几个毫米到几十个厘米，最终制备成TEM样品即可。然而对于特定方向或者是特殊微小区域的TEM原子成像方法，也需要采用定点原子成像方法。

纳米压痕和纳米划痕的样品长度为4-10mm，宽度为0.5-1.5mm。加工位置位于长度和宽度的中间，并且加工图案贯穿整个表面宽度。由于nm压痕和nm划痕的深度尺寸为几百纳米或者几个微米，而在制备TEM样品时需要在横截面上抛光，为了便于发现纳米压痕和纳米划痕，同时避免纳米压痕和划痕相互影响，其图案必须交错贯穿样品表面宽度。贯穿表面后，无论在TEM样品制备过程中什么位置进行最终工序的抛光，都可以在居于中间位置寻找到纳米压痕或纳米划痕，使得TEM样品制备成功率增加，同时减少抛光时间和精力。

进行透射电镜样品制备时，第一面和第二面抛光结束时分别采用0.5μm和1μm的研磨薄膜。由于II-VI族软脆晶体具有软特性，因此常规的Tripod技术的1μm的第一面最终抛光工序，会造成许多较为明显的微划痕在TEM样品的横截面抛光表面，这对于在光学显微镜下寻找定点目标极为不利，因此，采用直径更小的0.5μm的研磨薄膜，从而减少表面的划痕数量及深度，从而更容易在光学显微镜下找到定点目标。而采用更细化的0.1μm的研磨薄膜时，由于去除率极低，会造成表面微划痕的增多，因此0.5μm的研磨薄膜较为合适。在第二面的最终抛光面采用1μm的研磨薄膜，是为了提高TEM样品的最终成功率，因为已经达到定点位置，如果采用0.5μm的研磨薄膜，由于去除率较1μm的低，在Tripod技术的楔形尖端容易造成研磨薄膜上的微颗粒在定点位置的划痕，甚至破坏TEM的样品及定点位置，而1μm的研磨薄膜在楔形尖端的薄区更容易获得良好的定点余量及成功率。为了提高离子减薄的成功率，最终的定点位置的抛光余量在几百纳米到几个微米为宜，以便于离子减薄，从而获得理想的减薄区域。

离子减薄时的液氮冷却温度设定范围为0℃到-150℃，离子枪的倾角为3°-6°，轰击能量为2.5-3.5keV。由于离子减薄时会对样品进行离子轰击，从而导致温升，而II-VI族软脆晶体可能由于轻微的温升而导致晶格变形或发生相变，从而产生赝像。因此在离子轰击的过程中用液氮降温，设定液氮的冷却温度在0℃到-150℃。由于II-VI族软脆晶体具有软脆特性，因此离子枪的倾角在较低的范围内进行离子减薄，如3°-6°，轰击能量为2.5-3.5keV。既可有效避免温升，又可减少定点薄区的轰击破碎的发生。

定点原子成像时双倾台的β倾角为-22°到+22°之间。虽然采用低角度和低能量轰击方法，但是由于II-VI族晶体的独特软脆特性，以及超精密加工样品定点表面较厚的胶，导致II-VI族定点位置的薄区的强度不足，仍然难以避免将II-VI族定点样品轰击成破碎的薄片。在这种情况下，定点原子成像时的操作对象是，定点位置与表面胶连接完好的破碎的薄片，尺寸长度为几十纳米到几个微米，或高清晰的定点减薄位置，原子成像曝光时间≤0.15秒。这种定点位置与表面连接完好的破碎的薄片一般是沿胶的方向的长度较长，而垂直于胶的长度方向较短。这种样品使得双倾台的α方向的角度调整范围很小，而β方向则可以有较大的调整空间。因此β倾角为-22°到+22°之间，也可以获得高分辨的原子像。TEM样品可以进行薄区原子成像的区域约为几百纳米，因此定点位置轰击成薄区以后，后面的连接完好的大片区域由于较厚，将无法进行薄区原子成像，因此不得不在破碎的薄片上进行定点原子成像。在这种情况下，破碎的薄片由于本身是悬浮在胶上的，在定点原子成像时受到电子束的轰击，以及本身具有软特性，因此样品在TEM中总是呈现漂移的状态，这就需要在极短的曝光条件下进行原子成像，如果成像时间长的话，原子像就会模糊，从而无法得到高清晰原子像。因此破碎薄片的原子成像曝光时间≤0.15秒。

本发明的效果和益处是实现了II-VI族软脆晶体超精密加工样品的定点高清晰原子成像效果。

具体实施方式

以下结合技术方案详细叙述本发明的具体实施方式。

根据我们的经验，聚焦离子束(FIB)方法容易造成II-VI族样品的热损伤及人工赝像，同时也很难获得高清晰的原子像。另一方面，其表面的金属纳米保护层对于分析加工样品表面的选区电子衍射(SAED)图谱造成不便。因此，采用Tripod技术进行手工制备高分辨TEM样品的工作。选择Hg_0.78Cd_0.22Te(111)单晶体为纳米压痕的样品。将直径为10mm、厚度为0.5mm的MCT单晶体切割成长为0.8mm、宽为0.8mm的小长条。将5个这种小长条用美国Allied公司的

460粘接于美国Hysitron

纳米压痕仪的载物台上。采用Berkovich三棱锥针尖，针尖曲率半径为150-200nm，在

纳米压痕仪上进行纳米压痕实验。压痕的最大载荷为500mN，加载、卸载、保持时间均为10s。相邻两个纳米压痕的中心距离为150μm。为了相邻的纳米压痕不相互影响，共打印两排纳米压痕贯穿整个表面宽度。第一排纳米压痕中心与第二排中心的距离为150μm。第二排纳米压痕的开始位置为第一排压痕起始位置右移75μm。纳米压痕的尺寸约为50μm左右，因此，需要16个纳米压痕来贯穿MCT表面宽度。完成纳米压痕后，将载物台侵入丙酮中，约4个小时后，可取下纳米压痕后的样品。将4英寸的单晶Si(100)切割为长1.0mm、宽1.0mm的小长条。选用美国Allied公司的双组分胶，按照1∶10的比例进行均匀混合。将MCT和Si长条放入丙酮中0.5小时取出，以去除表面杂质。用切割好的Si单晶长条的抛光面与压痕表面粘合。为了便于标记，采用两个Si长条与压痕表面进行双组分胶粘接，抛光面与压痕表面粘接，另一个Si长条的抛光面与第一个Si长条的背面粘接。MCT的压痕表面的背面与一个Si长条的抛光面粘接。用能够覆盖Si长条宽度的镊子缠绕胶带纸后夹持已经粘好的4个长条样品的两面，从而能够看见4个长条的横截面。MCT长条被3个Si长条包裹于中间，从而实现Tripod制样时的保护。将4个长条样品对齐后，用小夹子夹持镊子的外表面，放入100度的烘箱中，恒温烘烤2小时，双组分胶固化后，将样品取出，粘接完毕。将双组分胶粘接好的4个小长条样品，用石蜡粘接于标准的销型扫描电镜(SEM)载物台上，载物台直径为12.6mm。采用Allied公司生产的Tripod楔形抛光器，进行样品的手工抛光工作。依次采用#400的碳化硅砂纸，30μm、6μm、3μm、1μm、0.5μm的金刚石研磨薄膜进行研磨，获得光滑的横截面抛光表面，在50×的光学显微镜下能够看到纳米压痕即可。将石蜡加热，然后将样品取下，并将样品台上的石蜡用丙酮擦洗干净，或者更换一个新的标准销型SEM样品台。将Si(100)单晶切割成长11mm、宽为6mm的矩形，用460胶粘接于载物台上，将载物台放到一个直径为10mm，具有内孔为13mm、高度为12mm的小黄铜座上，放入100度的烘箱恒温烘烤15min，进行460胶固化，然后取出。取出后将载物台用螺栓固定于抛光器上，在直径为150mm的玻璃盘上进行调平，调平后用30μm和3μm的金刚石研磨薄膜进行研磨，直到磨平整个表面。取下载物台，放在小铜座上，将抛光好的4个长条样品的第一面用460胶粘接于抛光好的Si表面，在粘牢的情况下，还要使粘接胶能够尽量的薄。粘接好后，将载物台放入100度的烘箱中，恒温烘烤15min，然后取出，安装于抛光器上。先依次采用30μm、6μm、3μm、1μm、0.5μm的金刚石研磨薄膜将表面抛光成镜面，在50×光学显微镜下找到纳米压痕，然后用金刚石笔在硅矩形片上做出纳米压痕定点位置的记号。然后采用#400的碳化硅砂纸，将4个长条样品的横截面的高度减薄到1mm左右，然后开始倾斜角度。将Tripod抛光器的距离抛光者近的一只脚向下旋转一圈，沿着抛光方向的另一只脚向上旋转一圈，然后开始进行研磨。待楔形尖端已经开始去除的时候，换上6μm的金刚石研磨薄膜。调整刚才调过的两只脚的高度，使得磨缝与4个长条样品的3条缝垂直。待距离定点纳米压痕位置约3mm时，换3μm的金刚石研磨薄膜，并经常在50×的光学显微镜下观察，距离定点位置的远近。当距离定点位置约0.5mm时，换1μm的金刚石研磨薄膜，直到研磨到与定点位置相差约几个μm时，Si长条在50×光学显微镜下出现明显的桔红色微区后停止研磨。取下载物台，放到小铜座上。将外直径为3mm、内部为长2mm、宽1mm的TEM标准铜环，沿着一个端口切开，用双组分胶粘接到磨好的样品表面。除了需要粘接铜环的部分，铜环其余部分用460胶覆盖，进行保护，涂好后，放入100度恒温烘箱烘烤15分钟，然后取出，粘接铜环。粘接标准是使得楔形尖端的磨缝在切好的铜环的中间，定点位置缝隙在切好的铜环的中间。粘好双组分胶后，放入100度烘箱中，恒温烘烤2h。取出后，用金刚石笔沿着铜环的外直径切割，使得铜环和长条彻底分开。然后放入丙酮中浸泡约12h，磨好的TEM样品下面的460胶在丙酮中溶解，从矩形Si上脱落，用镊子小心夹持到另一个干净的丙酮溶液中继续浸泡12h，以去除460胶及杂质。将浸泡24h的铜环取出，放到Gatan Model 691的离子减薄仪中，进行离子减薄。将铜环安装到离子减薄仪上时，使得定点位置在离子减薄仪的光学显微镜下位于减薄位置的中心。采用液氮冷却，设定冷却温度为-50°。开始时，采用3.5keV的轰击能量以及6°的离子枪角度去除定点位置以前的余量，在离子减薄区域快要到达定点位置时，采用3.0keV以及4°的离子枪的倾角，直到达到离子减薄位置。

离子减薄后，将铜环装入双倾台，进行TEM高分辨原子成像。TEM设备为FEI Tecnai F30场发射TEM。操作电压为300kV。在TEM下2200×放大倍数下，找到定点位置，找到一个较薄的定点位置与表面胶连接完好的破碎的薄片作为定点原子成像的区域。调整TEM高度，然后调整好<110>带轴及高度，本次带轴的角度为α10.7°，β19.3°。调好像散，以及电子束在700k下的x、y聚焦以及旋转中心的重合。将曝光时间设置为0.05s，聚焦完成后，即可出现纳米压痕的定点位置的高清晰的原子像。高清晰的原子像显示纳米压痕后MCT发生了位错墙的变形，每个位错墙均包含孪晶，SAED出现规则的双点模型，与孪晶的特征吻合。

Claims (1)

1.一种II-VI族软脆晶体超精密加工样品的定点原子成像方法，采用液氮降温，低能量离子减薄技术，操作对象是定点位置与表面胶连接完好的破碎的薄片或高清晰的定点减薄位置，实现II-VI族软脆晶体超精密加工样品的定点原子成像的目的，其特征是：

(1)样品为II-VI族软脆晶体；

(2)定点原子成像对象为纳米压痕、纳米划痕、单颗粒磨削、超精密磨削、纳米磨削、单点金刚石车削后的加工表面；

(3)纳米压痕和纳米划痕的样品长度为4-10mm，宽度为0.5-1.5mm；

(4)加工位置位于长度和宽度的中间，并且加工图案贯穿整个表面宽度；

(5)进行透射电镜样品制备时，第一面和第二面抛光结束时分别采用0.5μm和1μm的研磨薄膜；

(6)离子减薄时的液氮冷却温度设定范围为0℃到-150℃，离子枪的倾角为3°-6°，轰击能量为2.5-3.5kev；

(7)定点原子成像时双倾台的β倾角为-22°到+22°之间；

(8)定点原子成像时的操作对象是，定点位置与表面胶连接完好的破碎的薄片，尺寸长度为几十纳米到几个微米，或高清晰的定点减薄位置，原子成像曝光时间≤0.15秒。