CN103907005A - 制备用于微观结构诊断的样品的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及制备用于微观结构诊断的样品的方法，样品尤其用于透射电子显微镜法TEM、扫描电子显微镜法或X射线吸收光谱法，其中，利用高能束沿着平的且优选具有平行面的板的两个相对表面中的每个表面照射板，使得作为辐射引起的材料去除的结果，在两个表面中的每个表面中形成凹陷部，凹陷部优选平行于中心板平面延伸，其中，形成两个凹陷部，以在中心板平面的两侧延伸，使得在两个凹陷部的纵轴线到中心板平面上的投影中观看时，纵轴线以预定角度α>0°、优选α≥10°、优选α≥20°、优选α≥30°交叉，且使得垂直于中心板平面观看时，在两个凹陷部的交叉区域中，优选具有预定最小厚度的对于电子束可透过的材料部分在凹陷部之间剩余作为样品。本发明还涉及对应设计的设备。

Description

制备用于微观结构诊断的样品的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种制备用于微观结构诊断检测法(微观诊断法)的样品的方法和设备，特别地，该样品例如为用于透射电子显微镜法(下文也被缩写成TEM)的薄片状样品或者为用于扫描电子显微镜法或X射线吸收光谱法的样品。因此，根据本发明的方法或根据本发明的设备尤其适用于微观结构诊断法，其中，通过打薄制备品(用于最终样品)，可以减小该方法固有的激发量或信号量，因此可以增大局部分辨率。随后将参考用于透射电子显微镜法的样品的生产来详细地描述本发明。然而，该方法和设备也可以类似地用于制备用于其它微观结构诊断法的样品。
背景技术
像差校正的透射电子显微镜法的发展越来越多地引起了电子透过制备品或样品的低损坏且低时效性生产的问题。这里，该发展要求主要针对可以快速实现的方法，这些方法能够具有由此制备的微观结构或纳米结构细节，并且还能够获得微观结构的足够大的部分。
现有技术中已知不同的用于生产电子透过样品的方法。因此，对于金属，用电解液进行喷涂是已知的。脆性材料可以被碾碎。在所谓的“三脚架磨削”的实例中，楔形物的纯机械打薄被作用在陶瓷材料、半导体或玻璃上。在超薄切片法(超薄切片技术)的实例中，用复形法将制备品植入最终变硬的液态塑料材料中。利用金刚石刀具，可以从采用该方式所植入的样品中生产出切片。从而超薄切片法主要用于柔软的材料，但也可用于玻璃和陶瓷。
近年来，像差校正的透射电子显微镜法已得到发展，这允许一埃和低于一埃的分辨率。这些使得可以利用最高分辨率观看样品区域。因此，对于用材料制备在所限定的深度处是准确的电子束透过样品区域(或者样品)来说，要求也增加了。目前，利用相对低的电子能量(例如60keV或80keV的电子能量)，像差校正的TEM也已经允许在埃范围内的点分辨能力(该分辨能力随着波长的增大而减小，即随着电子能量的减小而减小)。这具有如下优势：利用TEM可以渐增地检测也相对于撞击电子能量敏感的材料，而不造成或仅造成轻微的破坏(电子能量越高，损坏或破坏越大，这尤其发生在材料具有低核电荷数的情况中)。然而，为了使具有相对低的能量(例如60keV或80keV)的电子是电子束可透过的，待检测的样品必须具有仅几十纳米到几百纳米的厚度。
然而，根据现有技术，这种薄样品的生产是极其复杂的，例如，由此制备这种样品厚度需要至少4-5小时至1天的过程因此是已知的，在这种情况下，首先通过机械的面平行磨削来形成具有例如3mm直径的薄盘，该薄盘具有例如100μm的厚度，然后通过槽磨削过程(造窝法)将该100μm厚的面平行的盘在其最薄点处削薄到约20μm-15μm。利用造窝法的进一步削薄通常在机械上不再是稳定的。因此，需要另一削薄步骤，该步骤通常通过例如基于惰性气体(例如氩离子)的离子束蚀刻以平角入射来实现(例如参看A.Strecker,PRAKT.METALLOGR.-PR.M.30:482ff.,1993)。
从现有技术中已知的另一方法是利用离子微束单位中的聚焦离子束(Focused Ion Beam，FIB)生产样品。首先，在具有附加离子柱的扫描电子显微镜中，薄的线性的铂保护层从而被准确地施加在待制备的样品部分上，随后，在紧挨该保护层的一侧，通过离子束蚀刻掉材料。利用FIB方法，可以非常准确地制备厚度在从50nm到100nm的范围内的薄样品。然而，缺点是该方法也需要约半天到一天来制备样品，同时，在待制备的区域(位于铂保护层之下)中，样品薄片中的特定植入受离子束影响(这导致实际上待检测的材料的损坏或掺杂)，该薄片的最大尺寸在约20μm×5μm的范围内，且仅可以靠近表面制备样品，而不能深入体积材料中。
现有技术中更近期的发展包括激光制导分裂法(DE102008052006A1)，以及用于生产具有倾斜的或者甚至垂直的切割边缘的长方形孔的激光钻孔法或所谓的(激光)螺旋钻切割法的使用(DE102008000306A1)。
发明内容
从现有技术出发，本发明的目的是提供一种方法(以及用于实现该方法的设备)：利用该方法(以及该设备)，对于大量的几乎各种各样的待检测的材料来说，可以由此可靠地制备TEM样品，尤其是薄片状样品，且时间需求相对于现有技术来说显著缩短。另一目的是产生更大的材料深度(几百微米μm)。
通过权利要求1所述的方法以及通过权利要求12所述的对应配置的设备实现该目的。从而相应地分别从从属权利要求推断出该方法和该设备的有利实施方式。
随后，首先总体上描述本发明，然后参考实施方式描述本发明。
因此，在本发明的范围内，相互组合产生的单独的特征不一定精确地如实施方式中所示出的彼此组合产生。特别地，所示出的设备的部件中的个别部件和/或所描述的方法的步骤中的个别步骤也可以被省略(或者也可以按照不同的顺序实现步骤)。特别地，本发明的分别示出在多个实施方式中的所有的单独的特征或步骤可以甚至本身代表相对于现有技术的改进且因此有助于本发明。
本发明采用螺旋钻切割法(DE102008000306A1)的概念作为起点。关于该螺旋钻切割法的进一步测试已经揭示了，作为高机械负荷(激光烧蚀中的反冲压力)的结果，产生独立的机器加工出的(样品)腹板的破裂。由于随着加工出的腹板厚度将尽可能地薄，机械稳定性降低，因此可不再用压缩空气吹加工位置，这进一步损害加工质量。因此，螺旋钻切割法仅以非常有限的方式(或者不再)适用于可靠地生产厚度小于20μm的薄片状样品的目的。
因此，本发明可以将如DE102008000306A1中所述的螺旋钻孔法或螺旋钻切割法(也可为本公开文本的图1中所述的设备)的基础技术应用于根据本发明的样品的制备。可替选地，DE2007014933A1中所描述的开孔技术也可以用于根据本发明的示例。
在根据本发明的制备TEM样品的方法的实例中，首先，利用高能束(即，例如激光束)沿着平坦的、优选地具有平行面的盘(例如，用螺旋钻切割法机械地预先削薄的或生产的盘)的相应地相对定位的表面在两侧照射该盘，使得，作为束引起的从该盘的材料去除的结果，将凹陷部分别引入薄盘的两个相对定位的表面中。这两个引入的凹陷部优选地平行于中心盘平面延伸。通常，连续地引入两个凹陷部，即，首先在盘的一个表面中构造凹陷部，然后使盘在空间中相应地平移和/或旋转(或者使束源相应地移动)，以便在相对定位的面上构造第二凹陷部。
根据本发明，在两侧将两个凹陷部引入盘的表面中(即，在中心盘平面的两侧延伸)，使得两个凹陷部的纵轴线(在这些纵轴线到中心盘平面上的投影中观看)以大于0°的预定角度交叉，而且使得在两个引入的凹陷部的交叉区域中，在所述凹陷部之间具有预定最小厚度的材料部分仍剩余作为样品。优选地，该预定角度具有大于或等于10°的值，优选地具有大于或等于20°的值，优选地具有大于或等于30°的值。从而垂直于中心盘平面测量最小厚度。
该中心盘平面通常涉及(至少在具有平行面的盘的示例中)平行于盘的两个相对定位的表面且在这两表面之间的中心中延伸的面。然而，不是必须如此，例如，实际上在两表面之间但不精确地在两表面之间的中心中延伸的盘平面也可以用作为中心盘平面(或者甚至实际上在盘的内部延伸但相对于两表面稍微倾斜延伸的表面)。
两个凹陷部的交叉区域中仍剩余的(即未去除的)材料部分的最小厚度因此可以已经具有使该材料部分已适合作为对于TEM的样品的最小厚度(例如0.5微米到几微米)，这是由于已经描述的凹陷部的两侧交叉布置，整体结构(尤其相对于在盘的两个表面中的仅一个表面中的仅一个凹陷部的仅一侧引入)基本上增大了抗扭刚度(也参看下文)。然而，也可以将如前所述的加工出的材料部分仅在进一步削薄步骤(附加的蚀刻步骤，参看下文)之后用作为电子束透过样品(这通常也被实现成根据本发明的方法的附加有利步骤)。意图用很低能量的电子照射样品时，尤其是这种情况，很低能量的电子例如为60keV到80keV的电子，甚至可能为仅20keV的电子。
在根据本发明的方法的第一有利变型中，因此可以通过附加的离子束蚀刻将在两个凹陷部的交叉区域中且在这两个凹陷部之间引入这两个凹陷部之后保留的材料部分的厚度从如上所述所产生的厚度(或者产生的材料部分的最小厚度)开始进一步减小。因此，可以将上述最小厚度进一步削薄到减小的最小厚度。
因此，相对于凹陷部的纵轴线观看，可以利用切线入射在凹陷部中进行该离子束蚀刻。可以使用宽束离子源。然而，也可以设想利用聚焦离子束和/或离子微束单元进行作业，即完全类似于FIB的情况实现该步骤。在该附加的离子蚀刻步骤中，也可以使用两个离子源(例如，两个宽束离子源)，沿着引入的凹陷部观看，这两个离子源可以从两个方向照射到这些凹陷部中。可以例如按照US5,472,566中或“Precision Ion Polishing System(PIPS)，Model691”(Gatan Inc.，5933，Coronado Lane，普莱森顿，CA94588，USA，2001)中所描述的内容进行这种利用一个或者甚至两个宽束离子源的蚀刻步骤，因此，这种蚀刻步骤对于本领域的技术人员来说是基本上已知的。
因此，切线入射应当理解为，相对于中心盘平面且沿着纵轴线以一定平角进行入射，该平角例如小于10°，优选地约3°-5°。
在本发明的另一有利实施方式中，在凹陷部的引入期间，相对于高能束的照射方向观看，用于引入凹陷部的高能束(特别地，以聚焦激光束的形式)(例如，利用开孔透镜系统或者甚至利用螺旋钻孔透镜系统；然而，基本上，可以使用所有的束导引透镜系统，利用这些系统可以精确地构造圆柱形的或长方形孔形的凹陷部)设置成进行摆动运动。因此，可以确保可引入沿着凹陷部的纵轴线观看时具有恒定横截面(优选地，该横截面采用圆形截面或长方形孔截面的形状)的凹陷部。从而除了摆动运动之外，也可以(但不是必要的)将高能束设置成绕自身旋转。这种聚焦激光束的导引过程(以及用于该目的的设备，如也在本发明的范围内可以使用)对于本领域的技术人员来说是已知的，如上所述，例如从DE102008000306A1得知。
然而，可替选地或优选地与其相结合地，也可以在凹陷部的引入期间移动待加工的盘：可以在相对于垂直于盘平面的轴线的旋转运动和/或枢转运动中设置该盘，运动的最大角度有利地为几度。因此，减小损害交叉区域的平滑度的“垂落”效应，即不期望的阴影。
有利地，为了引入凹陷部，将盘定位在旋转轴上，该旋转轴优选地涉及偏心的旋转轴。可以在5轴定位机构的帮助下进行该定位(或者完全一般地，在引入凹陷部之前或者甚至在引入凹陷部期间定位盘)。使用这种定位机构的另一目标是通过穿透位置和交叉角度的特定选择来处理预定深度。出于该目的，可以使用3轴位移台和额外的旋转轴和额外的线性轴。这种5轴定位机构对于本领域的技术人员来说是已知的，例如从US2003/0223111A1得知。可替选地，然而也可以使用4轴定位机构，例如具有三个线性轴线和一个旋转轴线的4轴测角仪，出于该目的，必须通过盘位置和/或盘高度之上合适的布置或通过激光间隔测量方法确定出高能束的焦点的位置(相对于束到盘中的穿透位置)。
在另一有利实施方式(当然，其可以结合任何已描述的实施方式产生)中，在沿着盘的两个表面的照射期间，将多个凹陷部分别引入这些表面中。从而优选地进行引入使得在两个表面中的每个表面上，这些凹陷部被引入成，这些凹陷部分的纵轴线分别平行于彼此延伸。于是，一个表面的凹陷部和另一个表面的凹陷部分别以上述预定角度交叉多次，从而产生多个如上所述的交叉区域，这些交叉区域具有剩余材料部分，优选地具有已经电子束可透过的材料部分，该材料部分具有预定最小厚度。当然，可以利用附加的离子束蚀刻进一步削薄因此所产生的材料部分，如上所述。
有利地，在垂直于中心盘平面的方向上观看，将盘的两个表面中的至少一个表面的凹陷部由此以不同的深度引入到相关表面中，例如以便可以更好地评估剩下的残余厚度，即可以更好地评估电子束透过性。从而引入深度可以从凹陷部到凹陷部线性地增大或减小。深度的非线性变化也是可以的(例如，一个凹陷部具有与多个其它凹陷部不同的引入深度，所述多个其它凹陷部具有相同的引入深度)。
有利地，引入凹陷部，使得产生与盘的端侧窄面(即边缘)距离预定间隔的剩余材料部分。可以以与盘的该端侧窄面的法线成大于0°的角度引入凹陷部，该角度优选地大于或等于10°，优选地大于或等于15°。特别优选地，引入独立的凹陷部，这些凹陷部具有平行于中心盘平面延伸的纵轴线(因此，在具有平行面的盘的实例中，凹陷部平行于两个盘表面延伸)。因此，可以以圆柱形截面或长方形孔截面的形状构形凹陷部，再次如下文详细描述。
优选地，引入凹陷部，使得在交叉区域中所产生的材料部分具有预定最小厚度，该预定最小厚度在0.3μm和10μm之间，优选地在0.5μm和5μm之间。凹陷部的最大横截面延伸(垂直于凹陷部的纵轴线观看，通常也平行于中心盘平面观看)可以在50μm和500μm之间，优选地在100μm和200μm之间。垂直于中心盘平面观看，凹陷部的最大引入深度优选地在20μm和100μm之间，特别优选地在40μm和50μm之间。
高能束可以为聚焦束。因此高能束可以尤其涉及例如通过光纤激光器所产生的激光束。根据本发明，通常应当使用皮秒激光器或飞秒激光器，然而，也可以使用纳秒激光器。然而，作为通过激光产生凹陷部的替选方案，也可以使用相应聚焦的离子蚀刻束或高速率的等离子体离子源(例如，高速率的等离子体FIB离子源)的聚焦的等离子体束。
根据本发明，为了避免热影响区域，优选地使用超短脉冲激光器(具有在皮秒或飞秒范围内的脉冲持续时间)。实际上，基本上也可以使用具有纳秒脉冲的激光器，然而，相对于皮秒激光器或飞秒激光器，纳秒激光器具有如下缺点：关于损坏深度，通常在凹陷部的基于激光的引入期间在凹陷部边缘处所产生的对样品结构的损坏显著增大。
用于根据本发明的凹陷部的引入的盘可以由很多种材料(例如，半导体材料或自然存在的材料，例如石头)组成或者也呈现为材料复合物，而且具有在1mm和5mm之间的、优选地为3mm的平均延伸、平均直径或平均边缘长度。当然，圆形的盘由此也可以和矩形盘或方形盘一样被设想到。盘的平均厚度优选地在50μm和200μm之间，优选地为100μm。优选地，上述平均延伸、平均直径或平均边缘长度是盘的平均厚度的至少15倍，优选地至少25倍。例如可以利用机械磨削或锯切、激光腐蚀或等离子体电火花腐蚀来生产该盘。
如后文更为详细的描述，用于实现上述根据本发明的方法之一的根据本发明的设备包括束产生单元和样品支持器，该束产生单元用于产生高能束，利用该样品支持器可将盘定位在高能束中，以进行加工。该束产生单元优选地包括皮秒激光器或飞秒激光器，这些激光器的光束路径可以在用于定位光束的螺旋钻头之后。优选地，该样品支持器被配置成5轴定位机构或包括一个5轴定位机构。此外，优选地，至少一个宽束离子源(根据定义，这里的源具有大于或等于100μm的束直径)或离子微束单元(根据定义，这里的源具有几nm到几μm的束直径)被提供作为离子束蚀刻单元，以便在利用高能束加工盘以引入凹陷部之后能够再次削薄所形成的材料部分。例如，离子源可以在1.5keV和6keV之间的加速电压下进行运作。然而，小于1keV(例如在50eV和800eV之间)的值是有利的。
相对于从现有技术中已知的方法或设备，根据本发明的用于TEM样品的目标制备的微加工策略尤其具有如下优势：
·可以以几微米或者甚至比几微米小的精度实现样品的目标制备。该策略实质上优于目前所常用的机械方法(但不匹配FIB切削的纳米精度)。然而，如上所述，所描述的束削薄策略可以用作为随后FIB过程的初始阶段。作为束微加工法的结果，尤其是利用激光器，高速率材料移除的优势随之发生(大于106μm3/s)，这不能利用聚焦离子束达到(利用常用的FIB，仅可达到几μm3/s，即使利用高速率的等离子体FIB，也仅可达到2×103μm3/s)。此外，作为选择目标制备深度t(参看下文)的可能性的结果，甚至更大的材料深度也是可获得的。
·通过在引入长方形孔(参看下文)(具有不同引入深度的凹陷部的引入)时可能出现的非线性轨道的交叉导向，可以额外地提供指示区域，利用该指示区域可以评估剩下的残余厚度(例如通过视觉观察)，因此可以评估电子透过性。出于该目的，也可以使用(当为了进一步减小剩余材料部分的厚度而实施离子束蚀刻步骤时)例如R.Salzer等人的REM透过性方法(显微镜学与微量分析的会刊(Proceedingsof Microscopy and Microanalysis),2009,剑桥大学出版社(CambridgeUniversity Press)，纽约,USA(2009)340到341)。
·例如，相对于DE102008000306A1所描述的方法，本发明具有如下优势：体积材料的基本上较厚的腹板(约100μm厚)有助于样品的稳定，而且仅非常小的区域(该区域由以一定角度交叉的凹口所形成，即对应于交叉区域中的剩余材料部分)是很薄的。可以利用低的激光功率产生这些凹口或凹陷部，而不具有延长所需的加工时间的缺点。同时，损坏(也参看下文)被降低至最小。因此，采用该方式所产生的结构非常适合作为可能随后发生的沿着凹陷部的离子宽束蚀刻步骤的初始阶段，由于薄凹口交叉区域(即具有其最小厚度的材料部分)的可实现的低剩余厚度，使得可以预料几十分钟(而不是很多个小时)的蚀刻时间。
·实际上可以发现另一个优势，通常重要的，(例如在材料复合物中的)交界面可以被称为精确地关于深度t的交叉区域或凹口重叠区域，因此，深藏在材料的内部的结构也是可接近的(例如，在问题来自联合技术的领域的情况下，作为本发明的结果，复杂的背面削薄方法因此成为不必要的)。
·该方法因此也可以利用块状材料的区域(例如在大的深度处)而有意义地补充FIB技术，利用FIB技术不可接近块状材料的区域，块状材料的区域能够具体地利用几微米的精度而进行制备。此外，可以通过生产多个凹口重叠区域或材料部分来进行明显更为有意义的联合分析。
·因此本发明具有使离子束蚀刻之前的所有繁琐过程(例如，金刚石线切割、机械磨削和抛光、超音速割芯和槽式研磨)不必要的优势。相比于那些被取代的方法，根据本发明的方法是明显更为精确的且明显更为省时的(几分钟，而不是例如4-8小时)。
·可以在台设备的范围内产生本发明，该台设备包括皮秒激光器和螺旋钻头，该台设备本质上并不较昂贵，可能甚至比上述被取代的装置的总和便宜，且不需要高的运转成本(除了维护成本外)。根据本发明的这种设备不需要消耗品，例如与金属相关联的金刚石研磨盘或用于超音速割芯的碳化硼粉末，例如用于锯切的金刚石线或例如用于槽式研磨的金刚石悬浮液。
附图说明
下文参照具体实施方式描述本发明。从而示出：
图1为用于激光微加工的具有平行面的初始形状(直径3mm的约100μm厚的盘部分)的示意图。
图2示出分别在图1中所示的盘的正面和背面上引入的凹陷部的几何布置，0.5μm到几微米厚的区域(材料部分)产生在两个凹陷部的重叠区域(交叉区域)中。
图3示出对应于图2的几何布置，然而，在该实例中不是圆柱形的凹陷部，而是长方形孔形的凹陷部。
图4示出根据本发明的设备，利用该设备可以实现图1至图3中所示的结构制作。
图5示出穿过利用螺旋钻头和皮秒激光器在硅晶片中产生的切割边缘的横截面。
图6示出多个正面凹口和背面凹口的几何布置，在所述多个正面凹口和背面凹口的重叠区域中，相应地几微米厚的材料部分保留。
图7示出多个正面凹陷部和背面凹陷部的布置，由于不同加工深度(作为角度γ的函数)，所述多个正面凹陷部和背面凹陷部的重叠区域或交叉区域具有不同的厚度。
具体实施方式
图1示出盘1，该盘1作为用于根据本发明的方法的开始基础，用广泛的面平行方式将该盘1打薄到100μm的厚度d1。利用从现有技术中已知的机械磨削、激光腐蚀或等离子体电火花腐蚀或者其它加工技术来生产该盘，该盘被制造成由于其3mm的直径而可以被容纳在标准的TEM支持器中。也可以利用激光微加工系统很容易地实现将盘1的尺寸切削到3mm的直径，该激光微加工系统也用于根据本发明的凹陷部的引入(例如参看DE102008000306A1或图4)。这里，盘的取向为朝向观看者的表面用2a表示，盘的取向为背离观看者的背面用附图标记2b表示。在这两个表面中，如下文更详细地描述，凹陷部被构造在内部。为了更好的说明，盘1仅被示出成沿着直径的一部分，盘1的对应于该部分的端侧窄面被示出成位于顶端且具有附图标记12。进行根据本发明的过程的随后的几何描述，为了简化说明，犹如所示出的来自盘1的该部分作为真正的样品(即端侧窄面12实际上存在)经受加工。然而可以对应地加工真正的待加工的薄盘，优选地以完整圆形的盘的形状配置的薄盘(对应地选择圆形物的边缘作为端侧窄面)。
按照该TEM兼容的初始结构的形状，盘1适用于进一步加工，如下文所述(在根据本发明的方法结束之后，可以被直接插入TEM中)。对于更小的样品尺寸和/或不完全圆形的盘(例如，图1中所示的部分的形状)，必须使用适当调整的样品容纳部件，或者制备件必须被嵌入在适当直径的完整圆形的盘中。
图2示出图1中所示的盘部分1如何通过聚焦激光束3(也参看图4)的照射而分别在两侧上设置有一个凹陷部5，利用平行于盘1的中心盘平面4的激光束进行该照射。这里，中心盘平面4被限定为在盘1的两个表面2a和2b之间的中心区域内延伸且与这两个表面平行的平面。这里，盘部分1的端侧窄面12垂直于两个表面2a和2b以及垂直于中心盘平面4延伸。这里，以固定的方式，用三个空间坐标x'、y'和z'表征与盘1相关联的笛卡儿坐标系。
如图2所示，首先利用激光束3(在图2中未示出，参看图4)沿着盘1的取向为朝向观看者(即平行于盘平面4)的表面2a进行照射，从而将凹陷部5a引入到该表面2a中，该凹陷部5a垂直于其纵轴线方向6a且在截面中是圆弓形形状的。这里，被引入的该凹陷部(相对于表面或在垂直于盘平面4的方向上或在z'方向上观看)具有Δt＝47.5μm的最大深度。如图进一步所示，实现引入，使得凹陷部5a的纵轴线6a定位成平行于中心盘平面4且相对于端侧窄面12的法线N成倾角α/2，这里是15°。
完全类似地，第二凹陷部5b被引入在位于正面2a对面的背面2b上。出于这个目的，在引入第一凹陷部5a之后，将盘1对应地旋转角度α(参看图4中所示的定位机构11)。从背面引入的该凹陷部5b在垂直于中心盘平面4的方向上也具有Δt＝47.5μm的最大深度。第二凹陷部5b(或其纵轴线6b)现在实际上也平行于盘平面4延伸，但相对于第一凹陷部5a或第一凹陷部的纵轴线6a旋转等于30°的角度α(即，相对于其纵轴线6b，第二凹陷部5b被构造成与法线N也具有α/2的倾角但相对于法线N沿着与纵轴线6a相反的方向倾斜)。
通过上述过程，因此在交叉区域7中，在深度t处产生非常薄的腹板8(在法线方向N上观看)，该深度t对应于盘部分1在法线方向N上的延伸的一半(这里，t≈300μm)，两个引入的凹陷部在交叉区域7中交叉，在利用离子束蚀刻的进一步打薄切割之后(或者，在TEM中的适当高电压的情况下，甚至也可没有该附加的打薄步骤)，腹板8可以用作电子束透射样品P。由于上述几何体，保留在两个凹陷部5a、5b之间的交叉区域中且配置成相对于中心盘平面4镜像对称的该腹板或该材料部分8具有最小厚度d3(在垂直于中心盘平面4的方向上或者在z'方向上观看)，d3＝d1-2×Δt＝100μm-2×47.5μm＝5μm(Δt为两个凹陷部5a、5b在z'方向上的最大引入深度)。
因此，两个引入的凹陷部5a、5b的主方向6a、6b不平行延伸，而包括等于30°的角度α(当然，该角度可以选择成大于或小于30°)。在两个凹陷部5a、5b的重叠区域或交叉区域7中，产生非常薄的材料部分8，这里，材料部分8具有5μm的最小残余厚度(然而，利用根据本发明所使用的设备(参看图4)中的适当精确的束引导和定位精度，在0.5μm-2μm的范围中的更小的残余厚度也是可实现的)。
如已经所描述的，对于足够高的TEM能量，薄的材料部分8已经是电子束可透过的，或者薄的材料部分8可以通过附加的离子束蚀刻I(下文将进行描述)进一步减小其厚度，从而即使对于低的TEM能量，也可以实现电子束透过性。
由于凹陷部5的交叉布置7，整体结构的抗扭刚度基本上增强了，从而在两个凹陷部5的重叠区域7中，可以实现小的材料残余厚度d3。从而优选地利用超短脉冲激光器14来实现凹陷部5a和凹陷部5b的产生，在螺旋钻头9(参看图4)或开孔透镜系统的帮助下制备该光束，从而使得可以钻出孔直径例如为100μm或250μm的完全圆柱形的孔(实际上，如图所示，仅该孔的一个圆弓形部分从盘1的材料构造出来)。对应地，长方形孔的引入也是可以的(图3)。超短脉冲激光器14的使用提供了操作的可能性，这是因为容易实现的多光子吸收，而不考虑盘1的加工材料对于所用波长的透过性。然而，也可以设想使用脉冲在纳秒范围内的短脉冲激光器，但是必须接受的是，因为进一步扩展的热影响区(每面2a、2b，几微米)，而修改制备件的微结构。
此外，如图2所示，仅在将盘1(参看图4)安装在旋转轴10上之后引入凹陷部。这有助于能够利用定位机构11来调整盘1在空间x、y、z(参看图4)中的位置和取向，从而相对于盘1所观看的光束3进入盘1，聚焦在预定位置上。特别地，则该位置可以位于(例如，以精度小于10μm)端面12上，也可以位于端面12下，即在盘1的内部。在精确间距测量的基础上，如果需要，则也可以进行重新聚焦。为了简化说明，这里，可将该旋转轴10呈现为在z'方向上延伸且延伸穿过上部的端面12的轴。从而轴10与法线N交叉，法线N即，两个纵轴线6a、6b之间的角平分线，因此在深度方向t上或在y'方向上观看，轴10精确地位于交叉区域7的中心或加工出的材料部分8的中心的上方。这里，轴10例如被选择为偏心轴。
作为交叉角α和在腹板8的两侧的加工位置(在图2中被标为“a”和“b”)的选择的结果，在加工方向上的重叠区域7且因此在加工后剩余的材料部分8可以被定位在所需深度t处。因此，可以展现出两个隐藏的结构(例如晶片复合物的交界面)，特别地，可以制备靠近表面的区域。对于不同移除率的复合物的制备，从具有较低移除率的材料的方向进行制备是有优势的。
作为在广泛偏心的旋转轴10上定位的结果，在旋转运动和/或枢转运动中引入凹陷部5期间，通过用附加装置激光加工盘1，另外存在大大降低所谓的“垂落”效应(即，凹陷部的表面的不期望的界面波动或其它制品)的可能性。盘1的这种附加的枢转运动和/或旋转运动的典型振荡角β为±5°到±10°。对于盘1相对于入射激光束3的精确定位，精确的5轴系统是有优势的，能够用该系统的轴x、轴y和轴z(图4)和偏心的旋转轴10(旋转轴和联合移动的另一线性轴，这方面也参看图4)来实现加工位置的定位和加工深度t的确立，确保在盘1的附加的枢转和/或旋转的情况下，围绕两个凹陷部5a、5b的交叉点7，尽可能精确地以角β进行振荡。
在所示出的方法的优选实施方式中，交叉的凹陷部5a、5b被用低的激光能量密度构造成，使得有效地防止结构损坏(由于烧蚀期间的反冲压力而造成的缺陷形成)。例如，可以使用33μJ或100μJ的脉冲能量。然而，由于在低激光功率(能量密度略高于多脉冲烧蚀能量密度)的情况下，在凹陷部5a和凹陷部5b的剩余壁中(即，相对于平面4观看，也在材料部分8的外部定位区域中)靠近表面的大约0.1μm厚的区域被损坏，有利地在作为初始阶段的所述微加工之后，因此，利用切线入射到凹陷部5a和凹陷部5b中进行另一后续的离子束蚀刻步骤。
作为上述基于激光的微加工的结果，根据凹陷部宽度(也参看图3)的选择，平行于平面4观看，形成有延伸的非常薄的区域8(这里，约100×100μm2或50×50μm2)。因此，对于分别待制备的材料1来说，凹陷部在平面4中的最大横截面延伸的选择(这也可以用不同的方式实现在腹板8的两侧上或两个表面2a、2b上)是待优化的尺寸。
按照所描述的方式，可以在5μm或更小的范围内产生材料部分8的材料残余厚度d3，而腹板8不经受大的机械负荷。如图3所示，在另一实施方式中(相同的附图标记指示与图2中相同的特征；图3的下部分示出在法线N的方向上的平面图)，可以引入凹陷部5a和凹陷部5b，特别优选地为具有比图2中更大的最大横截面的长方形孔(平行于平面4且垂直于凹陷部的纵轴线方向观看)。相比于图2中所示的情况，这具有如下优势：材料部分8在盘平面4中的延伸或区域更大。由于在引入凹陷部5期间在x方向上移动盘1同时保持激光束聚焦(参看图4)，例如可以很容易地引入长方形孔。
图4示出根据本发明的设备的示例，利用该设备可以实现图1至图3中所描述的结构制作。这里，相比于图1至图3，也是相同的附图标记指示本发明的相同的特征。这里的笛卡儿空间坐标系x、y和z指示世界坐标系，在该世界坐标系中，可以利用指示的样品支持器(其包括下文描述的定位机构11)来定位和定向盘1(具有其坐标系x'、y'、z')。
首先，该设备包括束产生单元15，束产生单元15被配置成类似于DE102008000306A1中的束产生单元，或者该设备包括甚至另一螺旋钻头或开孔头，在该螺旋钻头或开孔头的情况下，借助镜子33和束补偿板32将皮秒激光器14所产生的激光束导向到合适的棱镜30中。这里，镜子33、束补偿板32和棱镜30形成螺旋钻头9的必要部件。激光束3从螺旋钻头9射出且设置用于引入凹陷部，该激光束3的主束方向用E表征，由于所示出的螺旋钻头9，该激光束3可以被设置成，相对于照射方向E观看，其进行摆动运动PT和自身旋转R。然而，由此自身的旋转不是绝对必要的。这使激光束3(在盘1相对于激光束3静止的情况下)能够精确地引入圆柱形的或长方形的凹陷部5。
利用所示的样品支持器的5轴定位机构11产生盘1在光束3中或相对于光束3的定位和定向，该样品支持器为偏心的5轴测角仪的形式。该样品支持器包括3轴位移台单元，该3轴位移台单元可在3个空间方向x、y和z上几乎自由地移动且这里用附图标记20表示。在该位移台单元20上，固定能够实现旋转运动的设备21，通过该设备，旋转单元22、被固定在旋转单元22的支持器24上的盘1可以围绕旋转轴线r旋转，这里，该旋转轴线r垂直于所示的截面平面x、y(即在z方向上)延伸。该旋转轴线r因此代表所示的定位机构11的第四轴线。
旋转单元22还具有线性轴单元23，这里，该线性轴单元23被配置成主轴驱动器，而且利用该线性轴单元23可以产生平移运动，该平移运动被导向成朝向欧拉(Euler)平衡的中心或者朝向旋转轴线r(所示的定位机构11的平移方向或第五轴线)。
同步于利用5轴定位机构11使盘1运动，进行借助螺旋钻头9调整光束3的焦点位置，从而在盘1的参考点处产生光束3的上述聚焦穿透，该参考点优选地位于端侧边缘面12上。
如图4中右侧所示，示出的根据本发明的设备(这里，该设备被简单地画成单个设备；实际上，该设备通常包括彼此分离的激光束单元15和离子束单元11)还包括宽束离子源13，在完成凹陷部5的引入之后，可以利用该宽束离子源13进行交叉区域7中所产生的薄腹板8的进一步削薄。出于这个目的，首先利用定位机构11的3轴定位台将盘1横向地移出激光束3的照射范围(这里，在x方向上)。一旦将盘1从激光加工位置16移出到离子源13的照射范围内的合适位置(指示的位置16')中，则开始离子束蚀刻I。这可以如上文所述进行实现。
可替选地(这里未示出)，根据本发明的设备也可以被生产成使得离子源13和螺旋钻头9被定向成朝着同一个加工区域，因此不需要盘1在激光加工步骤和离子加工步骤之间移动。
在图5中，E再次示出激光束3的照射方向，图5阐述了在激光加工之后的附加实施的离子束蚀刻步骤I的优势：在科学技术文献中描述到，仅作为飞秒激光加工的结果，可以产生结构损坏的区域，该区域在宽度上约1μm-2μm延伸到加工结构1的材料内部(参看Y.N.Picard，S.M.Yalisove，Appl.Phys.Lett.92(2008)，014102)。然而，通常在块状材料的情况下，该块状材料例如为硅(图5中示出)，在利用螺旋钻头9和皮秒激光器14组合加工期间，仅结构损坏发生，这不仅是低的，而且局限于靠近壁的区域，并且延伸到加工结构1的内部至多100nm。通常，靠近表面且延伸小于100nm的该损坏关注例如变为非晶形的，这很可能可以归因于表面与烧蚀等离子体的相互作用，该烧蚀等离子体也从出口侧呈出。此外，在图5中所示的情况下，可以在实际的切割边缘上检测到移除产品(很可能为SiO2)的约200nm厚的层。该层之下还隐藏有至多100nm厚的层，在该至多100nm厚的层中，不能排除对于硅衬底的结构损坏。
因此，在检查结构化样品或对应的材料部分8之前移除这些小于100nm至约200nm厚的层部分是明智的，从而避免因TEM期间的激光加工而造成的加工品。出于这个目的，可以使用通过附加的离子束蚀刻步骤I将剩余的材料部分8的厚度d3进一步削薄到减小的最小厚度d3+I。不利用该附加的离子束蚀刻I，可能会在TEM中呈现材料部分8的受损的、模糊的图像。
图6示出根据本发明的另一实施方式，在本实施方式中，在盘1的两个表面2a、2b中的每个表面中构造多个凹陷部，完全类似于图2和图3中所示的情况。
如图6的左侧所示，在所示的实例中，多个单独的凹陷部5a-1、5a-2，…被构造到盘1的前表面2a中，凹陷部5a-1、5a-2等各自的纵轴线6a-1、6a-2等互相平行且平行于中心盘平面4。
同样地，多个单独的凹陷部5b-1等被构造到盘1的背面2b中，凹陷部5b-1等随其纵轴线6b-1等延伸，这些纵轴线互相平行且平行于平面4。因此，对应于图2中所示的情况，相对于背面2b的凹陷部，以常规的预定角度α进行正面2a的凹陷部的构入，这里，该角度α也约为30°。
因此，产生大量的交叉区域7a、7b等，在这些交叉区域中，正面和背面的各个凹陷部以角度α交叉，而且相应地已经可透过电子的(也可能仅在附加的离子束削薄之后的)材料部分8a、8b等保留。从而，图6在左侧示出凹陷部5的引入，这些凹陷部5在横截面中是圆柱部分形状的；图6在右侧示出长方形孔的引入。相比于图6的左侧，在图6的右侧中，引入的凹陷部5的最大横截面q在垂直于纵轴线方向6的方向上且在平面4中增大了。通过该最大横截面q的适当选择，因此可以根据需要调整中心盘平面4中的材料部分8的区域。
这里，正面2a中的凹陷部5a和背面2b中的凹陷部5b的最大引入深度Δt(垂直于平面4观看)再次如图2中所示的情况，为Δt＝(d1-d3)/2。
因此，图6示出，在盘1的正面和背面上不仅可以引入各个凹口，而且可以产生大量的以曲折轨迹形式的凹陷部，从而可以产生大量的对应的削薄区域8，在各自的重叠区域7中，这些削薄区域仅几微米厚d3。
对于通过激光器所产生的材料部分8的进一步离子束削薄，优选地，这里使用两个离子源(图4中未示出)，这两个离子源以与正面和背面(参看位于图2顶端的窄侧12和相对定位的下侧)呈平角(例如，4°到10°)地随后按照需要削薄引入的凹陷部5，直到因此移除例如已经变为非晶形的区域或者对于低的电子能量实现了电子束透过性为止。优选地，两个离子源沿着凹陷部(即在纵轴线方向6上)仅在极其受限的角度范围(作为最大凹陷宽度q的函数)内进行照射，从而避免再沉积。类似凹口的凹陷部的布置可以考虑削薄过程，因此提供离子束的畅通无阻的攻击，该离子束通常具有0.5mm半值直径。
最后，图7示出另一实施方式，该实施方式示出根据本发明的基于激光的结构制作的对应过程，如同图6中，从而下文仅描述区别。
当如图6中所示的情况，在图7中引入背面2b的凹陷部5b时，以不同的最大引入深度Δt(垂直于平面4观看)进行正面2a的凹陷部5a的引入(在各个正面2a的凹陷部5a的引入之间，通过借助定位机构11使盘1适当移动)。因此，相对于平面4观看，利用定位机构使盘1以微小角度γ移动，这里，该微小角度γ例如为2°。因此，在正面2a上，从凹陷部到凹陷部，减小凹陷部5a-1、凹陷部5a-2和凹陷部5a-3的最大引入深度Δt。相应地，对应构造的材料部分8a等的最小厚度d3增大(这里，增大的最小厚度d3用附图标记d3-1、d3-2、d3-3表征)。
加工出的材料部分8的不同厚度(作为角度γ的函数)具有如下优势：在后续的离子束蚀刻I中，当实现样品8的减小的最小目标厚度时，其可以更容易地通过用户的视觉观察进行建立。
最终，根据本发明(未示出)，为了避免由于激光入口侧和激光出口侧的表面攻击而造成的在图5中左侧上可检测到的损坏，在激光加工之前，根据本发明，也可在盘1的表面上涂覆牺牲层(例如由导电材料(例如铂)制成)，在加工期间，盘1的该表面将转向激光器或相应地避开激光器，从而保护该制备区域不受因烧蚀等离子体而造成的结构影响。

Claims (13)

1.一种制备用于微观结构诊断的样品(P)的方法，所述样品尤其用于透射电子显微镜法TEM、扫描电子显微镜法或X射线吸收光谱法，
利用高能束(3)分别沿着平坦的、优选地具有平行面的盘(1)的两个相对定位的表面(2a，2b)照射所述盘(1)，使得，由于束(3)引起的材料去除，将凹陷部(5a，5b)分别引入到这两个表面(2a，2b)中，所述凹陷部(5a，5b)优选地平行于中心盘平面(4)延伸，
引入这两个凹陷部(5a，5b)，所述两个凹陷部(5a，5b)在所述中心盘平面(4)的两侧上延伸，使得在所述两个凹陷部(5a，5b)的纵轴线(6a，6b)到所述中心盘平面(4)上的投影中观看时，所述纵轴线(6a，6b)以预定角度α>0°、优选地α≥10°、优选地α≥20°、优选地α≥30°交叉，而且使得垂直于所述中心盘平面(4)观看时，在所述两个凹陷部(5a，5b)的交叉区域(7)中，具有预定最小厚度d3的优选地已经电子束可透过的材料部分(8)在所述凹陷部(5a，5b)之间剩余作为样品(P)。
2.如前一项权利要求所述的方法，其特征在于：
在引入所述两个凹陷部(5a，5b)之后剩余在所述两个凹陷部(5a，5b)的交叉区域(7)中且剩余在所述两个凹陷部(5a，5b)之间的所述材料部分(8)的厚度通过离子束蚀刻(I)而进一步减小，即，垂直于所述中心盘平面(4)观看时，从所述预定最小厚度d3开始，所述材料部分(8)被削薄到减小的最小厚度d3+I，其中，d3+I<d3，
优选地根据以下特征中的一个、几个或全部特征实现所述离子束蚀刻(I)：
·相对于所述中心盘平面(4)切线入射在所述凹陷部(5a，5b)中，
·利用宽束离子源(13)或利用聚焦离子束FIB和/或离子微束单元，
和/或
·借助两个离子源，优选地两个宽束离子源，沿着引入的凹陷部(5a，5b)的纵轴线(6a，6b)观看时，利用两个离子源从两个方向照射到所述凹陷部(5a，5b)中。
3.如前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于：
在所述凹陷部(5a，5b)的引入期间，所述高能束(3)、尤其是聚焦激光束相对于其照射方向(E)观看，设置成进行摆动运动(PT)，此外，优选地也设置成自身旋转(R)，以便引入沿着所述凹陷部(5a，5b)的纵轴线(6a，6b)观看时具有恒定横截面的凹陷部(5a，5b)，优选地，所述横截面为圆形截面或长方形孔截面的形状，
和/或
利用螺旋钻孔或螺旋钻切割进行所述凹陷部(5a，5b)的引入，优选地，利用螺旋钻头(9)或在开孔透镜系统的帮助下实现所述螺旋钻孔或螺旋钻切割。
4.如前述任一项权利要求所述的方法，优选地，如前一项权利要求所述的方法，其特征在于：
在所述凹陷部(5a，5b)的引入期间，所述盘(1)设置为围绕垂直于所述中心盘平面(4)的轴线进行旋转运动和/或枢转运动(β)。
5.如前述任一项权利要求所述的方法，优选地，如前两项权利要求中任一项所述的方法，其特征在于：
相对于所述盘(1)的参考点，优选地相对于位于所述盘的端侧窄面(12)上的参考点，将所述高能束(3)的焦点调整到预定间隔，优选地调整到零间隔，
和/或
在所述凹陷部(5a，5b)引入之前和/或在所述凹陷部(5a，5b)引入期间，将所述盘(1)定位在旋转轴上，优选地定位在偏心的旋转轴(10)上，
和/或
在所述凹陷部(5a，5b)引入之前和/或在所述凹陷部(5a，5b)引入期间，通过5轴定位机构(11)或4轴定位机构，优选地通过3轴位移台(轴x、轴y、轴z)和旋转轴(轴r)和线性轴(轴l)，来定位所述盘(1)。
6.如前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于：
通过沿着所述盘(1)的两个表面(2a，2b)进行照射(3)，将多个凹陷部(5a-1、5a-2、…、5b-1、5b-2、…)分别引入所述两个表面(2a，2b)中，
优选地在所述两个表面(2a，2b)中的每个表面上引入所述凹陷部，所述凹陷部的纵轴线(6a-1、6a-2、…6b-1、6b-2、…)分别平行于彼此延伸，使得一个表面(2a)的凹陷部(5a-1，5a-2，…)和另一个表面(2b)的凹陷部(5b-1，5b-2，…)相应地以预定角度α交叉，因此产生多个这样的交叉区域(7a，7b，…)，所述交叉区域具有剩余的、优选地已经电子束可透过的材料部分(8a，8b，…)，所述材料部分具有预定最小厚度d3。
7.如前一项权利要求所述的方法，其特征在于：
在垂直于所述中心盘平面(4)的方向上观看时，所述盘(1)的所述表面中的至少一个表面(2a)的凹陷部(5a-1，5a-2，…)以不同的深度引入相关表面(2a)中，优选地，引入深度从凹陷部到凹陷部线性地(γ)增大或减小。
8.如前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于：
引入所述凹陷部(5a，5b，5a-1，…，5b-1，…)，使得产生与所述盘(1)的端侧窄面(12)距离预定间隔(t)的剩余材料部分(8，8a，8b，…)，
和/或
以与所述盘(1)的端侧窄面(12)的法线(N)成角度α/2，引入所述凹陷部(5a，5b，5a-1，…，5b-1，…)，其中，α/2>0°，优选地α/2≥10°，优选地α/2≥15°，
和/或
所述凹陷部(5a，5b，5a-1，…，5b-1，…)中的多个凹陷部、优选地全部凹陷部被引入成，其纵轴线(6a，6b，6a-1，…，6b-1，…)平行于所述中心盘平面(4)延伸，
和/或
以圆柱形截面或长方形孔截面的形状引入所述凹陷部(5a，5b，5a-1，…，5b-1，…)。
9.如前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于：
剩余的、优选地已经电子束可透过的所述材料部分(8，8a，8b，…)具有预定最小厚度d3，所述预定最小厚度d3在0.3μm和10μm之间，优选地在0.5μm和5μm之间，
和/或
平行于所述中心盘平面(4)观看，所述凹陷部(5a，5b)的最大横截面延伸(q)在50μm和500μm之间，优选地在100μm和200μm之间，
和/或
垂直于所述中心盘平面(4)观看，所述凹陷部(5a，5b)的最大引入深度在20μm和100μm之间，优选地在40μm和50μm之间。
10.如前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于：
将所述高能束(3)聚焦，和/或激光束、尤其借助皮秒激光器(14)或飞秒激光器所产生的激光束是反应离子蚀刻束或等离子体束。
11.如前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于：
所述盘(1)具有在1mm和5mm之间的、优选地为3mm的平均延伸、平均直径和/或平均边缘长度，在50μm和200μm之间的、优选地为100μm的平均厚度d1，和/或所述盘的所述平均厚度d1的至少15倍、优选地至少25倍的平均延伸、平均直径和/或平均边缘长度，
和/或
利用机械磨削、锯切、激光腐蚀或等离子体电火花腐蚀来产生所述盘(1)。
12.一种设备，所述设备构造成实现如前述任一项权利要求所述的方法，所述设备包括：
束产生单元(15)，所述束产生单元(15)用于产生所述高能束(3)，所述束产生单元(15)优选地包括皮秒激光器(14)或飞秒激光器和/或优选地包括螺旋钻头(9)或开孔头，以及
样品支持器，所述样品支持器优选地包括用于将所述盘(1)定位在所述高能束(3)中的5轴定位机构(11)。
13.如前一项权利要求所述的设备，所述设备构造成实现如前述任一项权利要求所述的方法，参照权利要求2，
其特征在于：
所述设备具有离子束蚀刻单元，所述离子束蚀刻单元优选地包括用于实现离子束蚀刻I的至少一个宽束离子源(13)或离子微束单元。
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