CN109839296A

CN109839296A - 一种用于原位电学测试的透射电镜样品的制备方法

Info

Publication number: CN109839296A
Application number: CN201711213560.5A
Authority: CN
Inventors: 宋志棠; 任堃; 沈佳斌; 郑勇辉; 成岩
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2017-11-28
Filing date: 2017-11-28
Publication date: 2019-06-04

Abstract

本发明提供一种用于原位电学测试的透射电镜样品的制备方法，至少包括：首先提供金属探针，将金属探针的顶端针尖削平形成平台；然后在平台表面制备相变存储器器件，包括下电极层、相变层、以及上电极层；接着在上电极层表面淀积保护层；再以保护层为掩膜，刻蚀所述相变存储器器件，在平台两侧缘形成薄片；最后对薄片进行分割，形成多个独立的透射电镜样品。本发明解决了TEM样品与原位电学测试TEM样品杆的电学连接问题，避免了常规FIB制备TEM样品所需的样品提取转移到Cu网的步骤，减小了样品制备的难度，提高了样品制备的成功率，大大降低了样品的制备成本，加快了新型高密度存储相变材料研发，为其可逆相变行为及界面相变行为的研究提供了快捷的手段。

Description

一种用于原位电学测试的透射电镜样品的制备方法

技术领域

本发明属于透射电镜样品制备技术领域，涉及一种透射电镜样品的制备方法，特别是涉及一种用于原位电学测试的透射电镜样品的制备方法。

背景技术

透射显微技术(TEM，Transmission Electron Microscopy)作为材料结构研究和表征的重要技术手段之一，其空间分辨率可以达到皮米量级，能在原子级尺度观察材料局域细微的结构并对材料的局域成分进行分析，是材料科学研究的重要手段。随着电镜技术的发展，出现了一些提供原位施加热、力、电、光等激励，并能实时观察材料微观结构及成分变化过程的新型TEM配套装置，它使电镜技术从单纯的材料结构表征扩展到结构与物性结合的新研究领域，逐渐成为研究各种功能器件微观工作机制的重要手段。但是，这些原位TEM测试方法对观测样品有一些特殊的要求，如，用于在线电学测试的样品需要与TEM样品杆构成一个良好的电流回路。因此，为了更好地满足原位测试的要求，需要对常规TEM样品加工方法进行改进，发展出简便、可行的用于原位测试的TEM样品制备方法。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于原位电学测试的透射电镜样品的制备方法，用于解决现有技术中TEM样品制备方法难以制备对高密度型相变材料进行原位电学测试用TEM样品的问题，同时创新性地解决了对于界面相变行为及可逆相变行为观测用TEM样品的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种用于原位电学测试的透射电镜样品的制备方法，所述制备方法至少包括：

1)提供金属探针，将金属探针的顶端针尖削平形成平台；

2)在所述平台表面制备相变存储器器件，所述相变存储器器件包括下电极层、制备在所述下电极层上的相变层、以及制备在所述相变层上的上电极层；

3)在所述上电极层表面淀积保护层；

4)对所述保护层进行图形化处理以形成掩膜，并刻蚀所述相变存储器器件，以形成在所述平台两侧缘的薄片，所述薄片之间暴露所述平台的表面，所述薄片自下往上包括下电极层、相变层、上电极层及保护层；

5)对所述薄片进行分割，形成多个独立的透射电镜样品。

作为本发明用于原位电学测试的透射电镜样品的制备方法的一种优化的方案，所述步骤1)中，提供的所述金属探针由以下材料中的一种或多种构成：Au、Pt、Cu、W、Ti、Al、Fe，所述金属探针的长度为1～10cm，底端直径为1～10mm。

作为本发明用于原位电学测试的透射电镜样品的制备方法的一种优化的方案，所述步骤1)中，采用刻蚀工艺将金属探针的顶端针尖削平形成平台，所述平台表面平整，且所述平台的直径为0.1～500μm。

作为本发明用于原位电学测试的透射电镜样品的制备方法的一种优化的方案，所述步骤2)中，所述相变层为单层薄膜材料或多层复合薄膜材料，所述薄膜材料为有机材料或者无机材料。

作为本发明用于原位电学测试的透射电镜样品的制备方法的一种优化的方案，所述步骤2)中，所述相变存储器器件还包括沉积在所述下电极层与所述相变层之间的第一过渡层，以及沉积在所述相变层与所述上电极层之间的第二过渡层。

作为本发明用于原位电学测试的透射电镜样品的制备方法的一种优化的方案，所述步骤2)中，采用电子束蒸发、化学气相沉积、磁控溅射、原子层沉积或者激光消融工艺在所述平台表面制备所述下电极层、相变层以及上电极层。

作为本发明用于原位电学测试的透射电镜样品的制备方法的一种优化的方案，所述步骤2)中，所述相变存储器器件的厚度为1～1000nm。

作为本发明用于原位电学测试的透射电镜样品的制备方法的一种优化的方案，所述步骤3)中，采用电子束沉积和/或离子束沉积工艺在所述上电极层表面淀积保护层，所述保护层为单层或者多层结构，所述保护层的材质为Pt。

作为本发明用于原位电学测试的透射电镜样品的制备方法的一种优化的方案，所述步骤3)中，所述保护层为长方体，宽度为0.1～2μm，长度为0.1～500μm，厚度为0.1～2μm。

作为本发明用于原位电学测试的透射电镜样品的制备方法的一种优化的方案，所述步骤4)中，采用离子束刻蚀工艺刻蚀所述相变存储器器件，在所述平台两侧形成薄片，所述薄片的厚度为10～200nm。

作为本发明用于原位电学测试的透射电镜样品的制备方法的一种优化的方案，所述步骤5)中，采用离子束刻蚀工艺对所述薄片进行分割，形成多个独立的透射电镜样品，每个独立的所述透射电镜样品的宽度为10～1000nm，长度范围为10～1000nm。

如上所述，本发明的原位电学测试的透射电镜样品的制备方法，具有以下有益效果：

1、本发明针对原位电学TEM测试要求，提出了一种简便的制备TEM样品的方法，该方法适用于制备观测各种相变材料相变过程的TEM样品，制备过程简单、成功率高，消除了传统制备TEM样品所需的提取转移步骤，降低了TEM样品的制备难度；

2、制备的TEM样品直接与金属探针相连，可直接插入具有原位电学测试功能的TEM样品杆，并与样品杆形成良好的电接触，解决了TEM样品与原位电学测试TEM样品杆的电学连接问题，避免了常规制备TEM样品所需的样品提取转移到Cu网的步骤，减少了样品制备的难度，提高了样品制备的成功率，大大降低了样品的制备成本；

3、可以在相变层与电极层之间插入过渡层，方便在原位观测中同时观测相变材料的可逆相变行为以及相变材料与过渡层之间的界面相变行为，降低了不同相变材料样品观测可逆相变与界面相变时产生的数据偏差，大大提高观测效率，极大降低了样品制备的时间成本及材料成本。

附图说明

图1为本发明原位电学测试的透射电镜样品的制备方法的工艺流程图。

图2为本发明原位电学测试的透射电镜样品的制备方法步骤S1中未处理的金属探针示意图。

图3为本发明原位电学测试的透射电镜样品的制备方法步骤S1所呈现的结构示意图。

图4为本发明原位电学测试的透射电镜样品的制备方法步骤S2所呈现的结构示意图。

图5为本发明原位电学测试的透射电镜样品的制备方法步骤S3所呈现的结构示意图。

图6为本发明原位电学测试的透射电镜样品的制备方法步骤S4所呈现的结构示意图。

图7为本发明实施例提供的制备方法的W/TiSbTe/W/Pt/Pt相变存储器TEM样品与可移动导电探针连接的TEM照片。

图8～10为图7中实线圆圈部分相变存储器TEM样品的局部放大不同倍数的照片。

元件标号说明

1 金属探针

2 平台

3 相变存储器器件

31 下电极层

32 相变层

33 上电极层

4 保护层

5 薄片

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1所示，本发明提供一种用于原位电学测试的透射电镜样品的制备方法，所述制备方法至少包括：

首先执行步骤S1，如图2所示，提供金属探针1，然后如图3所示，将金属探针1的顶端针尖削平形成平台2。

本步骤中形成的所述平台2作为后续相变存储器器件3的制备衬底。如图2所示为未处理前的金属探针1。

作为示例，将所述金属探针1置于FIB(离子束聚焦，Focus Ion Beam)腔体内，利用刻蚀工艺将金属探针1的顶端针尖削平形成平台2，所述平台2表面平整，且所述平台的直径为0.1～500μm。

作为示例，提供的所述金属探针1可以由以下材料中的一种或多种构成：Au、Pt、Cu、W、Ti、Al、Fe，所述金属探针1的长度为1～10cm，底端直径为1～10mm。

例如，本实施例中，采用FIB刻蚀工艺将长度为10cm、底端直径为3mm的钨(W)金属探针顶端加工出一个直径为10μm的平台，并且通过调节FIB离子刻蚀过程中的加速电压和刻蚀电流来保证平台表面的平整度，如图3所示，为形成表面平整平台2的金属探针1。

然后执行步骤S2，如图4所示，在所述平台2表面制备相变存储器器件3，所述相变存储器器件3包括下电极层31、制备在所述下电极层31上的相变层32、以及制备在所述相变层32上的上电极层33。

作为示例，采用电子束蒸发、化学气相沉积、磁控溅射、原子层沉积或者激光消融工艺在在所述平台表面制备依次所述下电极层31、相变层32以及上电极层33。

作为示例，所述相变层32为单层薄膜材料或多层复合薄膜材料，所述薄膜材料为有机材料或者无机材料。所述下电极层31和上电极层33的材料可以为W、Pt、Au、TiN、Ti、Al、Ag、Cu或者Ni中的一种或两种以上所组成的材料，但并不限于在此。

作为示例，所述相变存储器器件3的厚度为1～1000nm。

例如，本实施例中，采用物理气相沉积(PVD)薄膜制备工艺，在所述金属探针1的顶端平台2上依次淀积下电极层/相变层/上电极层结构的相变存储器器件3。具体地，将加工后的W金属探针1采用合适的夹具固定后放入磁控溅射的溅射腔中，依次生长W下电极层、高密度型相变材料TiSbTe层和W上电极层，形成W/TST/W三层相变存储器件器件3，其中各层薄膜厚度分别为50nm、200nm、50nm。

进一步地，本步骤中，所述相变存储器器件3还可以包括沉积在所述下电极层31与所述相变层32之间的第一过渡层(未予以图示)，以及沉积在所述相变层32与所述上电极层33之间的第二过渡层(未予以图示)。所述第一过渡层和第二过渡层的材料可以为C、SiC、Ti、TiN中的一种。这种TEM样品结构可以用于研究相变层32与过渡层间的界面反应，为观测界面相变行为提供了有效的解决方案。

接着执行步骤S3，如图5所示，在所述上电极层33表面淀积保护层4。

作为示例，可以采用电子束沉积和/或离子束沉积工艺在所述上电极层33表面淀积保护层4，所述保护层4为单层或者多层结构，所述保护层4的材质为Pt。

作为示例，所述保护层4为长方体，宽度为0.1～2μm，长度为0.1～500μm，厚度为0.1～2μm。

如图4所示，将样品放入FIB腔体，然后，先用电子束沉积工艺、再用离子束沉积工艺在W/TST/W器件表面，即W上电极层33上表面淀积两层总计约1μm厚的Pt保护层4，保护层4为长方体，宽度为1μm，长度为8μm。

所述保护层4可以防止步骤S4刻蚀过程对样品表面形成损伤，同时Pt保护层4具有良好的电导性，利于后续TEM测试使用。

再执行步骤S4，如图6所示，对所述保护层4进行图形化处理以形成掩膜，并刻蚀所述相变存储器器件3，以形成在所述平台两侧缘的薄片5，所述薄片5之间暴露所述平台2的表面，所述薄片5自下往上包括下电极层31、相变层32、上电极层33及保护层4。

本步骤可以采用离子束刻蚀工艺刻蚀所述相变存储器器件3，进行减薄，在所述平台2两侧缘形成薄片5，所述薄片5的厚度为10～200nm。

本实施例中，以Pt保护层4为掩膜，利用FIB离子刻蚀工艺将W/TST/W器件加工成100nm厚的薄片5，在减薄过程的后期，需要通过减少离子束加速电压和减小离子束束流来降低TEM样品的损伤。

最后执行步骤S5，对所述薄片5进行分割，形成多个独立的透射电镜样品。

作为示例，可以采用离子束刻蚀工艺对所述薄片5进行分割，形成多个独立的透射电镜样品，每个独立的所述TEM样品的宽度为10～1000nm，长度范围为10～1000nm。

本实施例中，将8μm宽的W/TST/W器件薄片5分割成15个独立的TEM样品，分割后形成的透射电镜样品整体呈柱状结构，这样可以在相同的制样时间内获得更多可用的原位电学测试样品，大大减小单个样品的成本。

图7给出了该制备方法下获得W/TST/W器件的TEM图片，可以看出，采用这种方法，可以在一根金属探针上制备出多个相变存储器器件的TEM样品，大大提高了TEM样品制备效率，成倍地减小了FIB的使用机时。图8～10给出了其中一个W/TST/W器件放大后的TEM照片，整个相变存储器件的多层薄膜结构都非常完整，说明通过减小聚焦离子束的电压和电流，器件材料的损伤是可控的。

综上所述，本发明提供一种用于原位电学测试的透射电镜样品的制备方法，所述制备方法至少包括：首先提供金属探针，将金属探针的顶端针尖削平形成平台；然后在所述平台表面制备相变存储器器件，所述相变存储器器件包括下电极层、制备在所述下电极层上的相变层、以及制备在所述相变层上的上电极层；接着在所述上电极层表面淀积保护层；再以所述保护层为掩膜，刻蚀所述相变存储器器件，在所述平台两侧形成薄片；最后对所述薄片进行分割，形成多个独立的透射电镜样品。本发明解决了TEM样品与原位电学测试TEM样品杆的电学连接问题，避免了常规FIB制备TEM样品所需的样品提取转移到Cu网的步骤，减小了样品制备的难度，提高了样品制备的成功率，大大降低了样品的制备成本，加快了新型高密度存储相变材料研发，为其可逆相变行为及界面相变行为的研究提供了快捷的手段。

所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种用于原位电学测试的透射电镜样品的制备方法，其特征在于，所述制备方法至少包括：

1)提供金属探针，将所述金属探针的顶端针尖削平形成平台；

3)在所述上电极层表面淀积保护层；

5)对所述薄片进行分割，形成多个独立的透射电镜样品。

2.根据权利要求1所述的用于原位电学测试的透射电镜样品的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中，提供的所述金属探针由以下材料中的一种或多种构成：Au、Pt、Cu、W、Ti、Al、Fe，所述金属探针的长度为1～10cm，底端直径为1～10mm。

3.根据权利要求1所述的用于原位电学测试的透射电镜样品的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中，采用刻蚀工艺将金属探针的顶端针尖削平形成表面平整的平台，且所述平台的直径为0.1～500μm。

4.根据权利要求1所述的用于原位电学测试的透射电镜样品的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中，所述相变层为单层薄膜材料或多层复合薄膜材料，所述薄膜材料为有机材料或者无机材料。

5.根据权利要求1所述的用于原位电学测试的透射电镜样品的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中，所述相变存储器器件还包括沉积在所述下电极层与所述相变层之间的第一过渡层，以及沉积在所述相变层与所述上电极层之间的第二过渡层。

6.根据权利要求1所述的用于原位电学测试的透射电镜样品的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中，采用电子束蒸发、化学气相沉积、磁控溅射、原子层沉积或者激光消融工艺在所述平台表面依次制备所述下电极层、相变层以及上电极层。

7.根据权利要求1所述的用于原位电学测试的透射电镜样品的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中，所述相变存储器器件的厚度为1～1000nm。

8.根据权利要求1所述的用于原位电学测试的透射电镜样品的制备方法，其特征在于：所述步骤3)中，采用电子束沉积和/或离子束沉积工艺在所述上电极层表面淀积保护层，所述保护层为单层或者多层结构，所述保护层的材质为Pt。

9.根据权利要求1所述的用于原位电学测试的透射电镜样品的制备方法，其特征在于：所述步骤3)中，所述保护层为长方体，宽度为0.1～2μm，长度为0.1～500μm，厚度为0.1～2μm。

10.根据权利要求1所述的用于原位电学测试的透射电镜样品的制备方法，其特征在于：所述步骤4)中，采用离子束刻蚀工艺刻蚀所述相变存储器器件，暴露出所述平台表面，在所述平台两侧形成薄片，所述薄片的厚度为10～200nm。

11.根据权利要求1所述的用于原位电学测试的透射电镜样品的制备方法，其特征在于：所述步骤5)中，采用离子束刻蚀工艺对所述薄片进行分割，形成多个独立的透射电镜样品，每个独立的所述透射电镜样品的宽度为10～1000nm，长度为10～1000nm。