專利名稱：一種ii-vi族軟脆晶體超精密加工樣品的定點(diǎn)原子成像方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于II-VI族軟脆晶體超精密加工及透射電鏡樣品定點(diǎn)原子成像技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及II-VI族軟脆晶體的超精密加工樣品的定點(diǎn)原子成像方法。
背景技術(shù)：
隨著科技的快速發(fā)展，第三代II-VI族軟脆半導(dǎo)體晶體在光電子、微電子、航空航天、軍事國(guó)防等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，并且增長(zhǎng)勢(shì)頭非常強(qiáng)勁。II-VI族軟脆晶體在具有卓越的光電性能的同時(shí)，也具有奇特的力學(xué)性能，如軟脆特性，這就給II-VI族軟脆晶體的加工、運(yùn)輸、包裝、以及科學(xué)研究等領(lǐng)域帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。雖然II-VI族軟脆晶體為難加工材料，然而以這些軟脆晶體為基礎(chǔ)的高性能器件一般要求其表面無(wú)任何劃痕、嵌入、微變形、破碎等加工缺陷，而且要求其表面粗糙度達(dá)到亞納米級(jí)。要想獲得超光滑無(wú)損傷的納米級(jí)精度的加工表面，需要對(duì)II-VI族軟脆晶體的納米尺度變形機(jī)理、納米尺度去除機(jī)理以及超光滑表面形成原理三個(gè)基本科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行研究，而要揭示II-VI族軟脆晶體納米制造的三個(gè)基本問(wèn)題，就要采用透射電鏡定點(diǎn)原子成像方法。II-VI軟脆晶體的獨(dú)特力學(xué)性能，使得傳統(tǒng)的透射電鏡(TEM)成像方法很難適用。如以II-VI族的典型代表碲鎘汞(HgCdTe或MCT)為例，其納米硬度為0. 5GPa，是第一代半導(dǎo)體Si(12-14GPa)納米硬度的1/24，以及第二代半導(dǎo)體GaAs (6GPa)的1/12。另一方面，MCT的斷裂韌性為0. 158MPa m1/2，是第一代半導(dǎo)體Si (IMPa *m1/2)的1/6，第二代半導(dǎo)體GaAs (0. 44MPa *m1/2)的約1/3。同時(shí)MCT的熔點(diǎn)為150°C左右，而沸點(diǎn)在250°C左右，遠(yuǎn)低于第一代半導(dǎo)體Si的熔點(diǎn)1410°C，以及第三代半導(dǎo)體GaAs的熔點(diǎn)1238°C。這種獨(dú)特的軟脆特性使得傳統(tǒng)的TEM制備方法、離子減薄方法以及原子成像方法很難適用于II-VI族軟脆晶體。如傳統(tǒng)的TEM樣品制備方法極易使得II-VI族軟脆晶體破碎，成功率低下；傳統(tǒng)的離子減薄方法極易對(duì)II-VI族樣品造成熱損傷，并使得減薄樣品出現(xiàn)贗像，而且非常容易破碎TEM樣品，尤其是對(duì)于納米壓痕和納米劃痕等定點(diǎn)減薄樣品。在原子成像階段，由于樣品本身具有的軟特性，使得電子束的轟擊對(duì)于II-VI族軟脆樣品的影響極大，樣品容易漂移，很難成像。因此，II-VI族軟脆晶體對(duì)于傳統(tǒng)的TCM成像方法提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，同時(shí)對(duì)于其nm制造方法基本原理的揭示及新方法的開(kāi)拓也帶來(lái)了極為不利的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種II-VI族軟脆晶體超精密加工樣品的定點(diǎn)原子成像方法，采用液氮降溫，低能量離子減薄技術(shù)，操作對(duì)象是定點(diǎn)位置與表面膠連接完好的破碎的薄片或高清晰的定點(diǎn)減薄位置，實(shí)現(xiàn)II-VI族軟脆晶體超精密加工樣品的定點(diǎn)原子成像的目的。本發(fā)明的技術(shù)方案是采用II-VI族軟脆晶體超精密加工樣品作為透射電鏡制備目標(biāo)，超精密加工圖案貫穿樣品表面寬度。透射電鏡樣品制備時(shí)第一面和第二面結(jié)束時(shí)分別采用0. 5iim和Iym的拋光薄膜。離子減薄時(shí)采用液氮冷卻,低角度及低能量轟擊的方法進(jìn)行離子減薄。定點(diǎn)成像時(shí)雙傾臺(tái)P的角度為±22°之間。定點(diǎn)成像的對(duì)象是定點(diǎn)位置與膠連接完好的碎片或定點(diǎn)減薄位置。定點(diǎn)原子成像的曝光時(shí)間<0.15秒。本發(fā)明的效果和益處是實(shí)現(xiàn)了 II-VI族軟脆晶體超精密加工樣品的定點(diǎn)高清晰原子成像效果。樣品為II-VI族軟脆晶體。II-VI族的典型代表為碲鎘汞和碲鋅鎘(CdZnTe或CZT)。定點(diǎn)原子成像對(duì)象為納米壓痕、納米劃痕、單顆粒磨削、超精密磨削、納米磨削、單點(diǎn)金剛石車削后的加工表面。由于TEM的原子成像方法，需要最終觀測(cè)的區(qū)域?yàn)閹资綆装偌{米，因此對(duì)于加工表面直徑為幾百納米到幾十微米的納米壓痕和納米劃痕加工方法，必須采用定點(diǎn)原子成像方法。對(duì)于超精密磨削、單點(diǎn)金剛石車削、納米磨削、單顆粒磨削等加工方法，加工樣品直徑可以為幾個(gè)毫米到幾十個(gè)厘米，最終制備成TEM樣品即可。然而對(duì)于特定方向或者是特殊微小區(qū)域的TEM原子成像方法，也需要采用定點(diǎn)原子成像方法。納米壓痕和納米劃痕的樣品長(zhǎng)度為4-10mm，寬度為0. 5-1. 5mm。加工位置位于長(zhǎng)度和寬度的中間，并且加工圖案貫穿整個(gè)表面寬度。由于nm壓痕和nm劃痕的深度尺寸為幾百納米或者幾個(gè)微米，而在制備TEM樣品時(shí)需要在橫截面上拋光，為了便于發(fā)現(xiàn)納米壓痕和納米劃痕，同時(shí)避免納米壓痕和劃痕相互影響，其圖案必須交錯(cuò)貫穿樣品表面寬度。貫穿表面后，無(wú)論在TEM樣品制備過(guò)程中什么位置進(jìn)行最終工序的拋光，都可以在居于中間位置尋找到納米壓痕或納米劃痕，使得TEM樣品制備成功率增加，同時(shí)減少拋光時(shí)間和精力。進(jìn)行透射電鏡樣品制備時(shí)，第一面和第二面拋光結(jié)束時(shí)分別米用0. 5 ii m和Iiim的研磨薄膜。由于II-VI族軟脆晶體具有軟特性，因此常規(guī)的Tripod技術(shù)的I y m的第一面最終拋光工序，會(huì)造成許多較為明顯的微劃痕在TEM樣品的橫截面拋光表面,這對(duì)于在光學(xué)顯微鏡下尋找定點(diǎn)目標(biāo)極為不利，因此，采用直徑更小的0. 5 的研磨薄膜，從而減少表面的劃痕數(shù)量及深度，從而更容易在光學(xué)顯微鏡下找到定點(diǎn)目標(biāo)。而采用更細(xì)化的
0.Ium的研磨薄膜時(shí)，由于去除率極低，會(huì)造成表面微劃痕的增多，因此0. 5 y m的研磨薄膜較為合適。在第二面的最終拋光面采用Ium的研磨薄膜，是為了提高TEM樣品的最終成功率，因?yàn)橐呀?jīng)達(dá)到定點(diǎn)位置，如果采用0. 5 y m的研磨薄膜，由于去除率較I U m的低，在Tripod技術(shù)的楔形尖端容易造成研磨薄膜上的微顆粒在定點(diǎn)位置的劃痕，甚至破壞TEM的樣品及定點(diǎn)位置，而I U m的研磨薄膜在楔形尖端的薄區(qū)更容易獲得良好的定點(diǎn)余量及成功率。為了提高離子減薄的成功率，最終的定點(diǎn)位置的拋光余量在幾百納米到幾個(gè)微米為宜，以便于離子減薄，從而獲得理想的減薄區(qū)域。離子減薄時(shí)的液氮冷卻溫度設(shè)定范圍為0°C到_150°C，離子槍的傾角為3° -6°，轟擊能量為2. 5-3. 5keV。由于離子減薄時(shí)會(huì)對(duì)樣品進(jìn)行離子轟擊，從而導(dǎo)致溫升，而II-VI族軟脆晶體可能由于輕微的溫升而導(dǎo)致晶格變形或發(fā)生相變，從而產(chǎn)生贗像。因此在離子轟擊的過(guò)程中用液氮降溫，設(shè)定液氮的冷卻溫度在0°C到_150°C。由于II-VI族軟脆晶體具有軟脆特性，因此離子槍的傾角在較低的范圍內(nèi)進(jìn)行離子減薄，如3° -6°，轟擊能量為
2.5-3. 5keV。既可有效避免溫升，又可減少定點(diǎn)薄區(qū)的轟擊破碎的發(fā)生。定點(diǎn)原子成像時(shí)雙傾臺(tái)的P傾角為-22°到+22°之間。雖然采用低角度和低能量轟擊方法，但是由于II-VI族晶體的獨(dú)特軟脆特性，以及超精密加工樣品定點(diǎn)表面較厚的膠，導(dǎo)致II-VI族定點(diǎn)位置的薄區(qū)的強(qiáng)度不足，仍然難以避免將II-VI族定點(diǎn)樣品轟擊成破碎的薄片。在這種情況下，定點(diǎn)原子成像時(shí)的操作對(duì)象是，定點(diǎn)位置與表面膠連接完好的破碎的薄片，尺寸長(zhǎng)度為幾十納米到幾個(gè)微米，或高清晰的定點(diǎn)減薄位置，原子成像曝光時(shí)間<0. 15秒。這種定點(diǎn)位置與表面連接完好的破碎的薄片一般是沿膠的方向的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，而垂直于膠的長(zhǎng)度方向較短。這種樣品使得雙傾臺(tái)的a方向的角度調(diào)整范圍很小，而@方向則可以有較大的調(diào)整空間。因此P傾角為-22°到+22°之間，也可以獲得高分辨的原子像。TEM樣品可以進(jìn)行薄區(qū)原子成像的區(qū)域約為幾百納米，因此定點(diǎn)位置轟擊成薄區(qū)以后，后面的連接完好的大片區(qū)域由于較厚，將無(wú)法進(jìn)行薄區(qū)原子成像，因此不得不在破碎的薄片上進(jìn)行定點(diǎn)原子成像。在這種情況下，破碎的薄片由于本身是懸浮在膠上的，在定點(diǎn)原子成像時(shí)受到電子束的轟擊，以及本身具有軟特性，因此樣品在TEM中總是呈現(xiàn)漂移的狀態(tài)，這就需要在極短的曝光條件下進(jìn)行原子成像，如果成像時(shí)間長(zhǎng)的話，原子像就會(huì)模糊，從而無(wú)法得到高清晰原子像。因此破碎薄 片的原子成像曝光時(shí)間< 0. 15秒。本發(fā)明的效果和益處是實(shí)現(xiàn)了 II-VI族軟脆晶體超精密加工樣品的定點(diǎn)高清晰原子成像效果。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合技術(shù)方案詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，聚焦離子束(FIB)方法容易造成II-VI族樣品的熱損傷及人工贗像，同時(shí)也很難獲得高清晰的原子像。另一方面，其表面的金屬納米保護(hù)層對(duì)于分析加工樣品表面的選區(qū)電子衍射(SAED)圖譜造成不便。因此，采用Tripod技術(shù)進(jìn)行手工制備高分辨TEM樣品的工作。選擇Hga78Cda22Te (111)單晶體為納米壓痕的樣品。將直徑為10mm、厚度為0. 5mm的MCT單晶體切割成長(zhǎng)為0. 8_、寬為0. 8mm的小長(zhǎng)條。將5個(gè)這種小長(zhǎng)條用美國(guó)Allied公司的Loetite 460粘接于美國(guó)Hysitron Tribolndenter 納米壓痕儀的載物臺(tái)上。采用Berkovich三棱錐針尖，針尖曲率半徑為150_200nm，在Tribolndenter 納米壓痕儀上進(jìn)行納米壓痕實(shí)驗(yàn)。壓痕的最大載荷為500mN，加載、卸載、保持時(shí)間均為10s。相鄰兩個(gè)納米壓痕的中心距離為150i!m。為了相鄰的納米壓痕不相互影響，共打印兩排納米壓痕貫穿整個(gè)表面寬度。第一排納米壓痕中心與第二排中心的距離為150 iim。第二排納米壓痕的開(kāi)始位置為第一排壓痕起始位置右移75 ym。納米壓痕的尺寸約為50 左右，因此，需要16個(gè)納米壓痕來(lái)貫穿MCT表面寬度。完成納米壓痕后，將載物臺(tái)侵入丙酮中，約4個(gè)小時(shí)后，可取下納米壓痕后的樣品。將4英寸的單晶Si(IOO)切割為長(zhǎng)I. 0mm、寬I. Omm的小長(zhǎng)條。選用美國(guó)Allied公司的雙組分膠，按照I : 10的比例進(jìn)行均勻混合。將MCT和Si長(zhǎng)條放入丙酮中0. 5小時(shí)取出，以去除表面雜質(zhì)。用切割好的Si單晶長(zhǎng)條的拋光面與壓痕表面粘合。為了便于標(biāo)記，采用兩個(gè)Si長(zhǎng)條與壓痕表面進(jìn)行雙組分膠粘接，拋光面與壓痕表面粘接，另一個(gè)Si長(zhǎng)條的拋光面與第一個(gè)Si長(zhǎng)條的背面粘接。MCT的壓痕表面的背面與一個(gè)Si長(zhǎng)條的拋光面粘接。用能夠覆蓋Si長(zhǎng)條寬度的鑷子纏繞膠帶紙后夾持已經(jīng)粘好的4個(gè)長(zhǎng)條樣品的兩面，從而能夠看見(jiàn)4個(gè)長(zhǎng)條的橫截面。MCT長(zhǎng)條被3個(gè)Si長(zhǎng)條包裹于中間，從而實(shí)現(xiàn)Tripod制樣時(shí)的保護(hù)。將4個(gè)長(zhǎng)條樣品對(duì)齊后，用小夾子夾持鑷子的外表面，放入100度的烘箱中，恒溫烘烤2小時(shí)，雙組分膠固化后，將樣品取出，粘接完畢。將雙組分膠粘接好的4個(gè)小長(zhǎng)條樣品，用石蠟粘接于標(biāo)準(zhǔn)的銷型掃描電鏡(SEM)載物臺(tái)上，載物臺(tái)直徑為12.6mm。采用Allied公司生產(chǎn)的Tripod楔形拋光器,進(jìn)行樣品的手工拋光工作。依次采用#400的碳化娃砂紙,30 u m、6 u m>3 u m>l u m、0. 5 u m的金剛石研磨薄膜進(jìn)行研磨，獲得光滑的橫截面拋光表面，在50X的光學(xué)顯微鏡下能夠看到納米壓痕即可。將石蠟加熱，然后將樣品取下，并將樣品臺(tái)上的石蠟用丙酮擦洗干凈，或者更換一個(gè)新的標(biāo)準(zhǔn)銷型SEM樣品臺(tái)。將Si(IOO)單晶切割成長(zhǎng)11mm、寬為6mm的矩形，用460膠粘接于載物臺(tái)上，將載物臺(tái)放到一個(gè)直徑為10臟，具有內(nèi)孔為13mm、高度為12mm的小黃銅座上，放入100度的烘箱恒溫烘烤15min，進(jìn)行460膠固化，然后取出。取出后將載物臺(tái)用螺栓固定于拋光器上，在直徑為150mm的玻璃盤(pán)上進(jìn)行調(diào)平，調(diào)平后用30 y m和3 y m的金剛石研磨薄膜進(jìn)行研磨，直到磨平整個(gè)表面。取下載物臺(tái)，放在小銅座上，將拋光好的4個(gè)長(zhǎng)條樣品的第一面用460膠粘接于拋光好的Si表面，在粘牢的情況下，還要使粘接膠能夠盡量的薄。粘接好后，將載物臺(tái)放入100度的烘箱中，恒溫烘烤15min，然后取出，安裝于拋光器上。先依次采用30 ii m、6 u m、3 U m>I u m、0. 5 u m的金剛石研磨薄膜將表面拋光成鏡面，在50X光學(xué)顯微鏡下找到納米壓痕，然后用金剛石筆在硅矩形片上做出納米壓痕定點(diǎn)位置的記號(hào)。然后采用#400的碳化硅砂紙，將4個(gè)長(zhǎng)條樣品的橫截面的高度減薄到Imm左右，然后開(kāi)始傾斜角度。將Tripod拋光器的距離拋光者近的一只腳向下旋轉(zhuǎn)一圈，沿著拋光方向的另一只腳向上旋轉(zhuǎn)一圈，然后開(kāi)始進(jìn)行研磨。待楔形尖端已經(jīng)開(kāi)始去除的時(shí)候，換上6 的金剛石研磨薄膜。調(diào)整剛才調(diào)過(guò)的兩只腳的高度，使得磨縫與4個(gè)長(zhǎng)條樣品的3條縫垂直。待距離定點(diǎn)納米壓痕位置約3_時(shí)，換3 y m的金剛石研磨薄膜，并經(jīng)常在50 X的光學(xué)顯微鏡下觀察，距離定點(diǎn)位置的遠(yuǎn)近。當(dāng)距離定點(diǎn)位置約0. 5mm時(shí)，換I y m的金剛石研磨薄膜，直到研磨到與定點(diǎn)位置相差約幾個(gè)Pm時(shí)，Si長(zhǎng)條在50 X光學(xué)顯微鏡下出現(xiàn)明顯的桔紅色微區(qū)后停止研磨。取下載物臺(tái)，放到小銅座上。將外直徑為3mm、內(nèi)部為長(zhǎng)2mm、寬Imm的TEM標(biāo)準(zhǔn)銅環(huán)，沿著一個(gè)端口切開(kāi)，用雙組分膠粘接到磨好的樣品表面。除了需要粘接銅環(huán)的部分，銅環(huán)其余部分用460膠覆蓋，進(jìn)行保護(hù)，涂好后，放入100度恒溫烘箱烘烤15分鐘，然后取出，粘接銅環(huán)。粘接標(biāo)準(zhǔn)是使得楔形尖端的磨縫在切好的銅環(huán)的中間，定點(diǎn)位置縫隙在切好的銅環(huán)的中間。粘好雙組分膠后，放入100度烘箱中，恒溫烘烤2h。取出后，用金剛石筆沿著銅環(huán)的外直徑切割，使得銅環(huán)和長(zhǎng)條徹底分開(kāi)。然后放入丙酮中浸泡約12h，磨好的TEM樣品下面的460膠在丙酮中溶解，從矩形Si上脫落，用鑷子小心夾持到另一個(gè)干凈的丙酮溶液中繼續(xù)浸泡12h，以去除460膠及雜質(zhì)。將浸泡24h的銅環(huán)取出，放到Gatan Model 691的離子減薄儀中，進(jìn)行離子減薄。將銅環(huán)安裝到離子減薄儀上時(shí)，使得定點(diǎn)位置在離子減薄儀的光學(xué)顯微鏡下位于減薄位置的中心。采用液氮冷卻，設(shè)定冷卻溫度為-50°。開(kāi)始時(shí)，采用3. 5keV的轟擊能量以及6°的離子槍角度去除定點(diǎn)位置以前的余量，在離子減薄區(qū)域快要到達(dá)定點(diǎn)位置時(shí)，采用3. OkeV以及4°的離子槍的傾角，直到達(dá)到離子減薄位置。離子減薄后，將銅環(huán)裝入雙傾臺(tái)，進(jìn)行TEM高分辨原子成像。TEM設(shè)備為FEITecnai F30場(chǎng)發(fā)射TEM。操作電壓為300kV。在TEM下2200X放大倍數(shù)下，找到定點(diǎn)位置，找到一個(gè)較薄的定點(diǎn)位置與表面膠連接完好的破碎的薄片作為定點(diǎn)原子成像的區(qū)域。調(diào)整TEM高度，然后調(diào)整好〈110〉帶軸及高度，本次帶軸的角度為a 10. 7°，￠19.3°。調(diào)好像散，以及電子束在700k下的x、y聚焦以及旋轉(zhuǎn)中心的重合。將曝光時(shí)間設(shè)置為0.05s，聚 焦完成后，即可出現(xiàn)納米壓痕的定點(diǎn)位置的高清晰的原子像。高清晰的原子像顯示納米壓痕后MCT發(fā)生了位錯(cuò)墻的變形，每個(gè)位錯(cuò)墻均包含孿晶，SAED出現(xiàn)規(guī)則的雙點(diǎn)模型，與孿晶的特征吻合。
權(quán)利要求
1.一種II-VI族軟脆晶體超精密加工樣品的定點(diǎn)原子成像方法，采用液氮降溫，低能量離子減薄技術(shù)，操作對(duì)象是定點(diǎn)位置與表面膠連接完好的破碎的薄片或高清晰的定點(diǎn)減薄位置，實(shí)現(xiàn)II-VI族軟脆晶體超精密加工樣品的定點(diǎn)原子成像的目的，其特征是 (1)樣品為II-VI族軟脆晶體； (2)定點(diǎn)原子成像對(duì)象為納米壓痕、納米劃痕、單顆粒磨削、超精密磨削、納米磨削、單點(diǎn)金剛石車削后的加工表面； (3)納米壓痕和納米劃痕的樣品長(zhǎng)度為4-10_，寬度為0.5-1. 5mm ； (4)加工位置位于長(zhǎng)度和寬度的中間，并且加工圖案貫穿整個(gè)表面寬度； (5)進(jìn)行透射電鏡樣品制備時(shí)，第一面和第二面拋光結(jié)束時(shí)分別采用0.5 y m和I y m的研磨薄膜； (6)離子減薄時(shí)的液氮冷卻溫度設(shè)定范圍為0°C到_150°C，離子槍的傾角為3°-6°，轟擊能量為2. 5-3. 5kev ； (7)定點(diǎn)原子成像時(shí)雙傾臺(tái)的P傾角為-22°到+22°之間； (8)定點(diǎn)原子成像時(shí)的操作對(duì)象是，定點(diǎn)位置與表面膠連接完好的破碎的薄片，尺寸長(zhǎng)度為幾十納米到幾個(gè)微米，或高清晰的定點(diǎn)減薄位置，原子成像曝光時(shí)間< 0. 15秒。
全文摘要
一種II-VI族軟脆晶體超精密加工樣品的定點(diǎn)原子成像方法，屬于II-VI族軟脆晶體超精密加工及透射電鏡樣品定點(diǎn)原子成像技術(shù)領(lǐng)域。其特征是采用II-VI族軟脆晶體超精密加工樣品作為透射電鏡制備目標(biāo)，超精密加工圖案貫穿樣品表面寬度。透射電鏡樣品制備時(shí)第一面和第二面結(jié)束時(shí)分別采用0.5μm和1μm的拋光薄膜。離子減薄時(shí)采用液氮冷卻，低角度及低能量轟擊的方法進(jìn)行離子減薄。定點(diǎn)成像時(shí)雙傾臺(tái)β的角度為±22°之間。定點(diǎn)成像的對(duì)象是定點(diǎn)位置與膠連接完好的碎片或定點(diǎn)減薄位置。定點(diǎn)原子成像的曝光時(shí)間≤0.15秒。本發(fā)明的效果和益處是實(shí)現(xiàn)了II-VI族軟脆晶體超精密加工樣品的定點(diǎn)高清晰原子成像效果。
文檔編號(hào)G01N23/04GK102621169SQ20121010489
公開(kāi)日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2012年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月11日
發(fā)明者張念民, 張振宇, 郭東明, 霍艷霞 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)