CN110082567B - 一种旋转式制备三维原子探针样品的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于材料制备领域，特别是一种旋转式制备三维原子探针样品的方法。包括如下步骤：步骤1：将平面块状材料放置于样品台，在平面块状材料上表面，沿感兴趣区域沉积Pt层；步骤2：提取类三棱柱长条样品：采用聚焦离子束，将感兴趣区域与基体分离；步骤3：旋转类三棱柱长条样品：将步骤2提取的类三棱柱长条样品转移至转动针尖上，转动针尖转动，再将转动之后的类三棱柱长条样品转移至原位纳米操纵杆上；步骤4：成形针尖样品。本申请通过将类三棱柱长条样品在仪器旋转90°后，再进一步得到针尖样品，经过激光激发后，得到的三维原子探针数据经过软件重构后可得到界面以及界面两侧组织结构的数据，利于准确地分析针尖样品中的元素分布和结构。

Description

一种旋转式制备三维原子探针样品的方法

技术领域

本发明属于微纳尺度材料样品制备领域，特别是一种旋转式制备三维原子探针样品的方法。

背景技术

三维原子探针是一种具有原子级空间分辨率的测量和分析方法。基于“场蒸发”原理，三维原子探针通过在样品上施加一个强电压脉冲或者激光脉冲，将其表面原子逐一变成离子而移走并收集，最终通过软件重构得到一个完整的针尖样品。三维原子探针对分析材料中的元素偏聚、位错成分、析出相成分以及界面成分等有显著的效果。利用三维原子探针技术来研究材料中微量元素的分布情况是近几年表征金属、半导体的一种新型方法。

在目前制备三维原子探针样品方法中，聚焦离子束系统制备三维原子探针针尖是常用的定点制样的方法，其要求样品成一个尖端直径在100nm以下的针尖状样品。因为材料在经过不同的处理工艺后，微量元素一般会发生不同程度的偏聚或者迁移，若想研究样品中微量元素的分布情况，则需要将所关注的样品区域包含于针尖样品，并根据样品的组成结构，调整成尖方向和位置，改变三维原子探针收集数据时材料的组成方式，才可以用三维原子探针技术表征出完整的分布规律。

常用的聚焦离子束制备针尖样品的方法是将取样界面垂直放置在一个针尖上，对于界面生长方向垂直于平面块状材料的上表面的样品来说，在进行环切时，界面两侧组织结构的差异导致离子束对两侧刻蚀速度不一致，难以保证最后的针尖样品中包含感兴趣的界面，无法实现对感兴趣区域随意成尖，这是在利用聚焦离子束制备针尖样品时，一直存在一个难点，即在成尖过程中会丢失掉所关注的样品区域，从而得不到期望数据。对于材料研究者而言，若可实现任意角度的样品制备，可获得表征测试时质量更高的数据，减小表征测试难度，从不同角度观察复杂结构材料，对复杂结构材料获得更加完整的测试结果。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种旋转式制备三维原子探针样品的方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种旋转式制备三维原子探针样品的方法，所述方法采用聚焦离子束系统，包括如下步骤：

步骤1：将平面块状材料放置于样品台，在平面块状材料上表面，沿感兴趣区域沉积一层长方形Pt层，所述长方形区域包含界面以及界面两侧组织，界面平行于长方形的长边，且处于长方形区域的中间位置；

步骤2：提取类三棱柱长条样品：采用聚焦离子束，将感兴趣区域与基体分离，形成类三棱柱长条样品，并采用原位纳米操纵杆进行提取；

步骤3：旋转类三棱柱长条样品：将步骤2提取的类三棱柱长条样品转移至转动针尖上，采用外置的转动装置将转动针尖转动，然后再将转动之后的类三棱柱长条样品转移至原位纳米操纵杆上；

步骤4：成形针尖样品

步骤4-1：将旋转之后的类三棱柱长条样品转移至硅基座上；

步骤4-2：利用离子束环切，得到用于原子探针技术表征的针尖样品。

进一步的，所述平面块状材料的底面粘于样品台上，上表面处于水平状态，所述长方形区域的尺寸为13-15μm×2-3μm。

进一步的，所述步骤2提取类三棱柱长条样品具体包括如下步骤：

步骤2-1：旋转样品台至54°，利用离子束刻蚀沉积Pt的区域的其中三侧，形成三个竖直凹槽，使长条样品的三侧面与基体分离；

步骤2-2：旋转样品台至0°，利用离子束刻蚀长条样品在步骤2-1中的三侧，确保底部完全与基体分离，形成一个悬臂梁式的类三棱柱长条样品；

步骤2-3：原位纳米操纵杆在左侧进入，原位纳米操纵杆与类三棱柱长条样品左侧焊接；

步骤2-4：利用离子束将类三棱柱长条样品与基体右侧连接处切断，下降样品台，移动原位纳米操纵杆提取出类三棱柱长条样品。

进一步的，所述步骤2-1中的竖直凹槽中的其中一个贴近沉积Pt的区域的一条短边，所述短边为靠近原位纳米操纵杆的一边，以便进原位纳米操纵杆时不会碰到样品，在电子束和离子束视野下，记所述短边处于样品的左侧，另外两个分别贴近沉积Pt的区域的两条长边，且凹槽长于所述长边，在电子束和离子束视野下，记为处于样品条的上侧和下侧。

进一步的，所述步骤3旋转类三棱柱长条样品具体包括如下步骤：

步骤3-1：利用离子束刻蚀类三棱柱长条样品右上角，刻蚀两个直角边，形成一个台阶，用于与转动针尖焊接；

步骤3-2：从样品台上取下平面块状材料，将转动针尖安装在转动台上，转动台固定于样品台上，利用离子束在转动针尖尖端刻蚀出一个平台，用于放置类三棱柱长条样品；

步骤3-3：将类三棱柱长条样品转移至转动针尖上，再逆时针旋转转动针尖90°；

步骤3-4：将转动针尖上的类三棱柱长条样品再次转移至原位纳米操纵杆上，在类三棱柱长条样品的上侧直角面沉积Pt。

进一步的，所述步骤3-2具体为：将转动针尖安装在转动台上，转动台固定于样品台上，旋转样品台至54°，用离子束在转动针尖尖端的右侧垂直刻蚀出一个平台，平台尺寸为长4-8μm，宽2-8μm，刻蚀好后将转动针尖旋转90°，使得平台暴露在水平方向上，利于放置类三棱柱长条样品。

进一步的，所述步骤3-3具体为：使步骤3-1中刻蚀出的台阶完全贴于所述转动针尖的平台上，在台阶和平台接触的两个直角边处沉积Pt，Pt层厚度为0.5-0.7μm，确保类三棱柱长条样品与转动针尖紧密结合；利用离子束刻蚀使已放置在转动针尖上的类三棱柱样品，与原位纳米操作杆分离，将样品台从聚焦离子束系统取出，手动逆时针旋转转动针尖90°。

进一步的，所述步骤4-1中，在类三棱柱长条样品底部与硅基座接触处沉积Pt，Pt层厚度为0.5-0.7μm，确保Pt沉积层厚度能够将两者之间的缝隙填满，利用离子束刻蚀使已放置在硅基座上的小块类三棱柱样品，使其与类三棱柱长条样品分离，旋转硅基座180°，在小块类三棱柱样品底部与硅基座接触的另一侧沉积Pt，使其紧密连接，将剩余的类三棱柱长条样品刻蚀为同样的小块类三棱柱样品并放置于硅基座上。

进一步的，所述步骤4-2中，采用环切的方式对对硅基座上的小块类三棱柱样品进行从上至下逐步均匀刻蚀，得到一个针尖样品，针尖样品的针尖直径小于100nm。

本发明与现有技术相比，其显著优点如下：

(1)本申请通过将刻蚀得到的类三棱柱长条样品在仪器外逆时针旋转90°后，再进一步得到的针尖样品，经过三维原子探针激光激发后，得到的三维原子探针数据经过软件重构后可得到界面以及界面两侧组织结构的数据，利于准确地分析针尖样品中的元素分布和结构。

(2)本发明提供的将样品提取出并移至转动针尖的方法，在聚焦离子束显微镜仪器外手动逆时针旋转转动针尖90°，避免了常规聚焦离子束制备针尖样品时样品与基体发生碰撞的风险。

(3)本发明提供的方法，通过在样品的光滑表面以及上侧直角面沉积一层Pt，有效避免了在使用聚焦离子束制备针尖样品过程中，Ga离子对针尖样品的损伤。

(4)本发明根据实验过程中的实际检测需求，可以人为地控制环切过程中的工作量，即类三棱柱长条样品的长度，一次可成功制备4-5个针尖样品，大大提高实验效率。

(5)本发明提供的方法，因为顶端留有300nm以下的基体材料，为取样界面的数据提取提供了一个过渡时间。

附图说明

图1为鳍式场效应晶体管多栅极鳍结构生长方向示意图。

图2为在切好的光滑平台上镀Pt保护层示意图。

图3为悬臂梁式类三棱柱长条样品电镜图。

图4为纳米操纵杆上粘住类三棱柱长条样品电镜图。

图5为在聚焦离子束仪器外转动转动针尖的装置示意图。

图6为将类三棱柱长条样品转移至转动针尖电镜图。

图7为将转动针尖上的类三棱柱长条样品转移至纳米操纵杆电镜图。

图8为逆时针旋转90°后类三棱柱长条样品电镜图。

图9为将三棱柱长条样品放置于硅基座电镜图。

图10为已放置在硅基座上的小块类三棱柱样品电镜图。

图11为半导体针尖半成品电镜图。

图12为在晶界处的取样过程示意图；其中图(a)为带界面的样品示意图，(b)为从界面处提取出的类三棱柱长条样品示意图，(c)为将类三棱柱长条样品逆时针旋转90°后的示意图。

图13为在Cr和ZrNiSn层状合金界面处取样示意图。

图14为层状样品界面针尖成品电镜图。

附图标记说明

1-鳍结构，2-沉积Pt的区域，3-沉积Pt的区域上侧，4-沉积Pt的区域左侧，5-沉积Pt的区域下侧，6-原位纳米操纵杆，7-类三棱柱长条样品，8-样品台，9-转动针尖，10-第一组织，11-界面，12-第二组织，13-平面块状材料光滑上表面，14-长条样品下侧修出的斜面，15-长条样品上侧直角面。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

实施例1

通过利用本发明横切鳍式场效应晶体管中的鳍结构样品，能够对鳍式场效应晶体管的鳍结构进行三维原子探针针尖样品的制备。此方法不同于传统的将整个鳍结构竖直放置在一个针尖的方法，而是采用逆时针旋转90°的方法，半导体器件中的鳍结构垂直于生长方向放置，本发明的示意图如图1所示。然后使用聚焦离子束将类三棱柱长条样品切成若干小段，即在每一个三维原子探针针尖样品中只包含有一小段鳍结构的部分，后再切多个针尖样品，进行三维原子探针技术表征。

下面以鳍式场效应晶体管的三维原子探针针尖样品加工为例，利用双束聚焦离子束系统进行具体实例的说明。

将鳍式场效应晶体管沿着鳍结构1的生长方向掰断，得到的断裂面需平行于鳍结构1的生长方向，如图1所示，矩形方框即所述鳍结构1，箭头所指方向即鳍结构1生长方向。

将大块样品用导电银胶固定在载样台上，保证鳍结构1与载样台表面平行，再将载样台固定在设备的样品台8上，抽真空，在无刻蚀残留物遮挡的区域选定所要取样的鳍结构1，将样品台8倾转至54°，调节样品台8高度至工作距离为5.1μm并清楚聚焦，在鳍结构1上确定14μm*3μm的区域用来沉积Pt，即Pt沉积区域2，Pt层的厚度为0.5μm，确保将鳍结构1完全覆盖，且沉积区域的一条长边距鳍结构1μm，以便逆时针旋转90°后能确认鳍结构1的位置，如图2所示。利用离子束刻蚀沉积Pt的区域上侧3，沉积Pt的区域左侧4和沉积Pt的区域下侧5，形成一个长方形的长条样品。

将样品台倾转角度改为0°，利用离子束刻蚀长条样品上侧和左侧，刻蚀终止线距Pt沉积层的上边缘1μm，刻蚀2-3次；旋转样品台180°，利用离子束刻蚀长条样品下侧，直至将类三棱柱长条样品7底部切穿，与基体分离；然后旋转样品台-180°至初始位置，在保证类三棱柱长条样品7的右侧与基体相连紧密的情况下，将类三棱柱长条样品7的左侧与基体切穿；切穿后，利用离子束刻蚀长条样品下边缘，形成一个斜面，如图12(b)，宽度取决于样品落到硅基座的中心，最后略微清理一下刻蚀过程中在凹槽内形成的反沉积，得到悬臂式类三棱柱长条样品7，如图3所示。

将原位纳米操纵杆6在2nA电流下用离子束刻蚀得到一个合适的针尖形状，该针尖顶端直径在2-5μm，校准类三棱柱长条样品7在电子束与离子束视野下的位置，使之在所述两个视野下的位置一致，进Pt针，随后进原位纳米操纵杆6，交替切换电子束和离子束视野，同时观察原位纳米操纵杆6的移动状态，始终保持原位纳米操纵杆6置于类三棱柱长条样品7的左上方。原位纳米操纵杆6移动速度从快到慢，当原位纳米操纵杆6尖端接触到类三棱柱长条样品7时，离子束视野的图像会有明暗衬度的变化。

利用Pt沉积方式将原位纳米操纵杆6尖端与类三棱柱长条样品表面紧密焊接，沉积面积为3μm*2μm，厚度为0.5μm，Pt沉积面积中，类三棱柱长条样品7与原位纳米操纵杆6尖端各占二分之一，以便Pt均匀沉积，确保类三棱柱长条样品7与原位纳米操纵杆6之间有足够的连接强度。

用离子束将类三棱柱长条样品7的右侧与基体切断，断开瞬间可以观察到原位纳米操纵杆6有轻微抖动。

以0.1nm/s的速度往左侧移动原位纳米操纵杆6，观察类三棱柱长条样品7是否与基体完全分离，如图4所示。若完全分离，下将样品台，利用离子束刻蚀类三棱柱长条样品7右上角，长约2μm，宽约类三棱柱长条样品三分之一，形成两个直角边，以便类三棱柱长条样品7落到转动针尖上使能沉积Pt，然后退出原位纳米操纵杆6。

将样品台从聚焦离子束仪器中取出，换上转动针尖9，将转动针尖9纵向平行粘于样品台8上，如图5所示，利用离子束在针尖顶端刻蚀出一个平台，用于放置类三棱柱长条样品7。

将类三棱柱长条样品7留出的直角边贴近所述转动针尖9平台，使所述直角边贴于所述转动针尖9平台上，在两者接触的棱边处沉积Pt 2次，确保类三棱柱样品7与转动针尖9紧密结合，避免样品脱落，如图6所示。利用离子束刻蚀已放置在转动针尖9上的类三棱柱样品，使其与原位纳米操作杆6分离；在聚焦离子束显微镜仪器外手动逆时针旋转转动针尖90°，使类三棱柱长条样品7的侧面朝上。

旋转样品台8至24°，进原位纳米操作杆6，在类三棱柱长条样品7的上侧直角面沉积Pt，避免环切样品时离子束损伤到样品，如图7所示；将原位纳米操纵杆6与类三棱柱长条样品7进行焊接，利用离子束刻蚀使样品条右端，使之与转动针尖9分离。

取出转动针尖9，选择可使用的硅基座固定于样品台8上，如图8所示，使用小电流切换到电子束模式，将电子束与离子束视野在同一个硅基座上对准。

先进Pt针，再在电子束状态下进原位纳米操纵杆6，先用大速度进原位纳米操纵杆6，当原位纳米操纵杆6距离硅基座只有1μm时，用0.1nm/s的速度慢慢接近硅基座，将类三棱柱长条样品7右侧长为3μm的区域放置于硅基座圆口合适的位置上，如图9所示，保证小块类三棱柱样品可刚好放置于硅基座中心。

当纳米操纵杆上粘住的类三棱柱长条样品触碰到硅基座时，电子束视野有明暗衬度的变化，立即冻结电子束视野，画一个与硅基座大小一致的方框，沉积面积为2μm*2μm，厚度为0.5μm，调整好参数，利用沉积Pt的方法，填满小块类三棱柱样品与硅基座之间的缝隙。

切换到大电流，将已经与硅基座粘牢的类三棱柱长条样品的左侧与类三棱柱长条样品一端分离，观察到类三棱柱长条样品断开后，将纳米操纵杆右上移，使纳米操纵杆处于合适的位置，确保在移动微尖硅阵列时纳米操纵杆不会触碰到硅基座。

重复以上操作，直到将类三棱柱长条样品以3μm×3μm的横截面放置于微尖硅阵列的硅基座上，如图10所示，一般13μm长的类三棱柱长条样品可成功制备3-4个小块类三棱柱样品，退出纳米操纵杆。

下降样品台，将微尖硅阵列旋转180°后，上升到合适的工作距离后，对小块类三棱柱样品的背面进行同样步骤的沉积Pt，确保小块类三棱柱样品牢固，对所有小块类三棱柱样品进行Pt加固后，退出Pt针。

样品台下降5μm，样品倾角转到54°，上升样品台，使样品台工作距离调整到5.1μm，角度补偿改为36°。

选择小电流，切换到离子束视野，将小块类三棱柱样品放置于视野中间。

用聚焦离子束环形刻蚀方法加工小块类三棱柱样品，将刻蚀环放置于小块类三棱柱样品中心，大小调整合适，确保刻蚀量不会过大，先用大电流刻蚀，再用小电流刻蚀，对小块类三棱柱样品从上至下进行离子束刻蚀，如图11所示，在整个刻蚀过程中，要求同时观察电子束下小块类三棱柱样品的刻蚀情况，若发现离子束对鳍结构有较大的刻蚀量，马上停止刻蚀，重新调整刻蚀环的位置，确保鳍结构可保留在针尖中。

最后当针尖顶端仅剩200nm时，将电流调整为50pA，继续用离子束刻蚀，直至针尖顶端达到100nm以下，且针尖中的鳍结构与针尖顶端的最大高度距离为300nm，如图10所示。

逆时针旋转90°制备半导体三维原子探针针尖样品结束。

实施例2

本发明同样适用于具有层状结构的样品，能够对层与层之间的界面进行三维原子探针样品制备。本实施例样品为一层Cr组织和一层ZrNiSn组织形成的层状合金以及两者相互扩散形成的界面，如图12(a)所示。针尖样品制备方法同实施例1，在界面处提取出类三棱柱长条样品，如图12(b)所示，然后逆时针旋转90°使得长条样品上侧直角面15水平朝上，而平面块状材料光滑上表面13垂直于硅基座的平台面，以便于长条样品下侧修出的斜面14能与硅基座接触，在接触处沉积Pt。如图13所示为所述界面以及取样点。三维原子探针样品成品如图14所示，可以明显地看见所述针尖由两种不同组织与其界面构成。

本发明利用聚焦离子束(聚焦离子束显微镜)制备三维原子探针样品的加工方法，该加工方法制备的三维原子探针针尖样品为逆时针旋转90°得到的针尖样品。与其他利用聚焦离子束(聚焦离子束显微镜)制备的方法相比，该方法不仅能保证三维原子探针样品在收集数据时能更加顺利，不容易断裂，而且经过三维原子探针激光激发后，得到的三维原子探针数据经过软件重构后可得到界面11以及界面两侧第一组织10和第二组织12的数据，利于准确地分析针尖样品中的元素分布和结构，可避免数据丢失。此外，该方法加工的三维原子探针样品可以确保材料中感兴趣的微小结构被保留在100nm直径的针尖样品内。

Claims (1)

1.一种旋转式制备三维原子探针样品的方法，其特征在于，所述方法采用聚焦离子束系统，包括如下步骤：

步骤1：将平面块状材料放置于样品台，在平面块状材料上表面，沿感兴趣区域沉积一层长方形Pt层，长方形区域包含界面以及界面两侧组织，界面平行于长方形的长边，且处于长方形区域的中间位置；

步骤2：提取类三棱柱长条样品：采用聚焦离子束，将感兴趣区域与基体分离，形成类三棱柱长条样品，并采用原位纳米操纵杆进行提取；

步骤2提取类三棱柱长条样品具体包括如下步骤：

步骤2-1：旋转样品台至54°，利用离子束刻蚀沉积Pt的区域的其中三侧，形成三个竖直凹槽，使长条样品的三侧面与基体分离；所述步骤2-1中的竖直凹槽中的其中一个贴近沉积Pt的区域的一条短边，所述短边为靠近原位纳米操纵杆的一边，以便进原位纳米操纵杆时不会碰到样品，在电子束和离子束视野下，记所述短边处于样品的左侧，另外两个分别贴近沉积Pt的区域的两条长边，且凹槽长于所述长边，在电子束和离子束视野下，记为处于样品条的上侧和下侧

步骤2-2：旋转样品台至0°，利用离子束刻蚀长条样品在步骤2-1中的三侧，确保底部完全与基体分离，形成一个悬臂梁式的类三棱柱长条样品；

步骤2-3：原位纳米操纵杆在左侧进入，原位纳米操纵杆与类三棱柱长条样品左侧焊接；

步骤2-4：利用离子束将类三棱柱长条样品与基体右侧连接处切断，下降样品台，移动原位纳米操纵杆提取出类三棱柱长条样品；

步骤3：旋转类三棱柱长条样品：将步骤2提取的类三棱柱长条样品转移至转动针尖上，采用外置的转动装置将转动针尖转动，然后再将转动之后的类三棱柱长条样品转移至原位纳米操纵杆上；

步骤3旋转类三棱柱长条样品具体包括如下步骤：

步骤3-1：利用离子束刻蚀类三棱柱长条样品右上角，刻蚀两个直角边，形成一个台阶，用于与转动针尖焊接；

步骤3-2：从样品台上取下平面块状材料，将转动针尖安装在转动台上，转动台固定于样品台上，利用离子束在转动针尖尖端刻蚀出一个平台，用于放置类三棱柱长条样品；所述步骤3-2具体为：将转动针尖安装在转动台上，转动台固定于样品台上，旋转样品台至54°，用离子束在转动针尖尖端的右侧垂直刻蚀出一个平台，平台尺寸为长4-8μm，宽2-8μm，刻蚀好后将转动针尖旋转90°，使得平台暴露在水平方向上，利于放置类三棱柱长条样品；

步骤3-3：将类三棱柱长条样品转移至转动针尖上，再逆时针旋转转动针尖90°；所述步骤3-3具体为：使步骤3-1中刻蚀出的台阶完全贴于所述转动针尖的平台上，在台阶和平台接触的两个直角边处沉积Pt，Pt层厚度为0.5-0.7μm，确保类三棱柱长条样品与转动针尖紧密结合；利用离子束刻蚀使已放置在转动针尖上的类三棱柱样品，与原位纳米操作杆分离，将样品台从聚焦离子束系统取出，手动逆时针旋转转动针尖90°；

步骤3-4：将转动针尖上的类三棱柱长条样品再次转移至原位纳米操纵杆上，在类三棱柱长条样品的上侧直角面沉积Pt；

步骤4：成形针尖样品

步骤4-1：将旋转之后的类三棱柱长条样品转移至硅基座上；在类三棱柱长条样品底部与硅基座接触处沉积Pt，Pt层厚度为0.5-0.7μm，确保Pt沉积层厚度能够将两者之间的缝隙填满，利用离子束刻蚀使已放置在硅基座上的小块类三棱柱样品，使其与类三棱柱长条样品分离，旋转硅基座180°，在小块类三棱柱样品底部与硅基座接触的另一侧沉积Pt，使其紧密连接，将剩余的类三棱柱长条样品刻蚀为同样的小块类三棱柱样品并放置于硅基座上；

步骤4-2：利用离子束环切，得到用于原子探针技术表征的针尖样品；步骤4-2中，采用环切的方式对硅基座上的小块类三棱柱样品进行从上至下逐步均匀刻蚀，得到一个针尖样品，针尖样品的针尖直径小于100nm；

所述平面块状材料的底面粘于样品台上，上表面处于水平状态，所述长方形区域的尺寸为13-15μm×2-3μm。

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