一種原位高分辨觀察相變材料電致相變過程的透射電鏡薄膜窗口的制作方法
【專利摘要】一種高分辨觀察相變材料電致相變過程的透射電鏡薄膜窗口，包括以下步驟：在金屬片上通過激光切割或金屬刻蝕的方法在掩模板上加工出電極的形狀；將掩模板覆蓋在SiNx薄膜窗口上，利用鍍膜機(jī)鍍上金屬電極；在所得的電極兩端使用FIB進(jìn)行電子束沉積，制備出小間距Pt電極；利用聚焦離子束，對(duì)電極之間的SiNx薄膜對(duì)Pt電極之間的薄膜進(jìn)行切割加工橋狀結(jié)構(gòu)的樣品平臺(tái)；在已經(jīng)做好電極的SiNx薄膜窗口上，使用磁控濺射鍍上薄膜樣品；用導(dǎo)電膠將透射電鏡通電樣品桿與電極相連進(jìn)行原位電學(xué)實(shí)驗(yàn)。本發(fā)明解決了相變材料在器件中不能進(jìn)行原位觀察相變過程的問題，并避免了常規(guī)FIB制備的樣品損傷，降低了樣品的制備難度。
【專利說明】一種原位高分辨觀察相變材料電致相變過程的透射電鏡薄膜窗口
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種透射電子顯微鏡薄膜窗口，具體為利用聚焦離子束和掩模板方法，實(shí)現(xiàn)制備一種可以原位高分辨觀察相變材料電致相變過程的透射電鏡薄膜窗口。屬于納米材料性能原位測(cè)試領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]相變存儲(chǔ)器(PCRAM)最為核心的是以硫?qū)倩衔餅榛A(chǔ)的相變材料。目前，相變存儲(chǔ)器被認(rèn)為是最有可能取代目前的主流產(chǎn)品而成為未來存儲(chǔ)器的主流產(chǎn)品的下一代半導(dǎo)體存儲(chǔ)技術(shù)。相變存儲(chǔ)就是利用相變材料如硫?qū)倩衔镌诰B(tài)與非晶態(tài)兩種狀態(tài)下性能的巨大區(qū)別來實(shí)現(xiàn)01存儲(chǔ)，例如光學(xué)上折射率，電學(xué)上電阻值的差異。通過熱或其他方式，PCM就能在兩相間進(jìn)行轉(zhuǎn)換:用脈沖較短振幅較大的脈沖實(shí)現(xiàn)非晶化，而通過脈沖較長振幅較小的脈沖實(shí)現(xiàn)晶化。對(duì)于其相變過程的機(jī)制，通常的理解是:大振幅的脈沖實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的加熱(電能轉(zhuǎn)換為焦耳熱)，在焦耳熱的作用下，當(dāng)溫度升高到材料熔點(diǎn)以上時(shí)，然后通過快速冷卻(降溫速率高達(dá)109K/s)把原子固定在一種無序的位置，材料由熔融態(tài)直接進(jìn)入非晶態(tài)；通過施加一個(gè)時(shí)間較長、強(qiáng)度中等的電脈沖，對(duì)材料進(jìn)行加熱，使溫度到達(dá)結(jié)晶溫度以上，熔化溫度以下，從而晶化。隨著科技的發(fā)展，人們對(duì)相變機(jī)制的傳統(tǒng)解釋提出了疑問，對(duì)多種相變材料微觀結(jié)構(gòu)與相變機(jī)制研究成為近幾年來相變材料研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)，尤其實(shí)際應(yīng)用中因?yàn)橄嘧儾牧咸幱谄陂g內(nèi)部，相變過程很難實(shí)時(shí)跟蹤，也成了其結(jié)構(gòu)與電性能研究的難點(diǎn)。其可逆相變機(jī)理、相變過程的載流子的突變與電脈沖在其中的作用在國際上還沒有統(tǒng)一的說法，在這些方面的突破可為開發(fā)出性能優(yōu)良的相變材料提供理論指導(dǎo)。因此，人們希望能揭示該材料快速相變的原子機(jī)理，及其在電場(chǎng)、電脈沖作用下真實(shí)的相變過程，以解決在這一領(lǐng)域存在的爭(zhēng)議，以更好的指導(dǎo)相變存儲(chǔ)器件的設(shè)計(jì)與使用。
[0003]透射電子顯微鏡是研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的有力工具，是揭示相變存儲(chǔ)材料相變過程原子機(jī)制的重要手段。目前透射電鏡的分辨率已經(jīng)到達(dá)亞埃級(jí)。但是由于對(duì)樣品厚度的要求極高，一般厚度不超過lOOnm。隨著納米技術(shù)的發(fā)展和納米器件的開發(fā)，納米材料在外場(chǎng)尤其是電場(chǎng)作用下的電學(xué)性能和電場(chǎng)效應(yīng)，成為人們研究的焦點(diǎn)。但是，由于現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中所用的垂直相變存儲(chǔ)器中相變材料處于器件中間，不能直接觀察。因此需要將材料做成可以觀察的水平相變存儲(chǔ)器，而這又要求材料在一個(gè)短而狹長的區(qū)域中，才能保證熱量集中在一個(gè)很小的區(qū)域內(nèi)，并完成材料的相變過程。在透射電子顯微鏡中如何對(duì)相變材料進(jìn)行固定和電場(chǎng)的加載，從納米尺度和原子層次揭示相變材料在外加電場(chǎng)作用下的電學(xué)性能和電場(chǎng)效應(yīng)成為擺在研究者面前的難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中所用的垂直相變存儲(chǔ)器中相變材料處于器件中間不能直接觀察的缺陷，提供一種電極間距和樣品尺寸可控的透射電鏡電學(xué)測(cè)量載網(wǎng)，能夠利用透射電子顯微鏡原位實(shí)時(shí)記錄相變材料在電場(chǎng)作用下的結(jié)構(gòu)演變和電學(xué)性能變化。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案。
[0006]—種高分辨觀察相變材料電致相變過程的透射電鏡薄膜窗口，其特征是制備方法包括以下步驟:
[0007]步驟一:用金屬片作為掩模板，在掩模板上加工出電極的形狀，中空部分通過激光切割或金屬刻蝕的方法得到；
[0008]步驟二:將掩模板覆蓋在Si3N4薄膜窗口上，利用鍍膜機(jī)鍍上金屬電極，然后將掩模板取下獲得兩個(gè)電極；
[0009]步驟三:在所得的兩個(gè)電極之間使用聚焦離子束FIB進(jìn)行電子束沉積，制備出兩個(gè)Pt電極；然后利用FIB對(duì)兩個(gè)電極之間的Si3N4薄膜以及對(duì)兩個(gè)Pt電極之間的薄膜進(jìn)行切割加工橋狀結(jié)構(gòu)的樣品平臺(tái)；
[0010]步驟四:在上述樣品平臺(tái)使用磁控濺射鍍上薄膜樣品；用導(dǎo)電膠將透射電鏡通電樣品桿與電極相連進(jìn)行原位電學(xué)實(shí)驗(yàn)。
[0011]在上述方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明可以有如下改進(jìn):
[0012]進(jìn)一步，所述步驟一掩模板材料為金、鑰、銅、鐵、鋁或鎳。
[0013]進(jìn)一步，步驟二中兩個(gè)電極間距為10?100 μ m。
[0014]進(jìn)一步，步驟三中兩個(gè)Pt電極間距為0.1?10 μ m。
[0015]進(jìn)一步，橋狀結(jié)構(gòu)的樣品平臺(tái)寬度為10?lOOOnm。
[0016]進(jìn)一步,所述步驟一中掩模板材料可以由以下材料中的一種或多種組成:Au、Pt、Cu、W、Fe、N1、Al、Ti。掩模板厚度為 0.0lmm ?2mm。
[0017]進(jìn)一步,所述步驟二中的商用Si3N4薄膜窗口 Si3N4薄膜厚度為Inm?500nm。
[0018]進(jìn)一步,所述步驟三中電極材料可以由以下材料中的一種或多種組成:Au、Pt、Cu、W、Fe、N1、Al、Ti。電極距離 2 μ m ?100 μ m。
[0019]進(jìn)一步，所述步驟四中兩電極間距為IOnm?10 μ m,電極寬度為IOnm?10 μ m。
[0020]進(jìn)一步，所述步驟五中所述薄膜材料可以為單層或多層，可以通過磁控濺射、原子層沉積、化學(xué)氣相沉積、電子書蒸發(fā)沉積得到。
[0021]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下明顯的優(yōu)勢(shì)和有益效果:
[0022]1.本發(fā)明可以直接在透射電鏡樣品上制備電極，電極間距可控，可以保證相變材料完成相變過程，并可以研究尺寸不同情況下納米材料的電學(xué)響應(yīng)；
[0023]2.本發(fā)明直接應(yīng)用了透射電鏡載網(wǎng)，可以方便的裝入高分辨透射電鏡中，可以在原位通電的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高分辨觀察；
[0024]3.本發(fā)明在透射電鏡樣品上可以同時(shí)制備多個(gè)電極，每個(gè)電極區(qū)域之間均存在待測(cè)樣品，且樣品之間互不影響。
[0025]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明針對(duì)原位TEM測(cè)試要求，提出一種制備TEM電學(xué)樣品的方法。制備過程簡(jiǎn)單、成功率高，消除了傳統(tǒng)FIB制備TEM所需的提取轉(zhuǎn)移步驟，并避免傳統(tǒng)FIB加工對(duì)樣品的傷害。
【專利附圖】

【附圖說明】[0026]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0027]圖1是本發(fā)明實(shí)施例未加工前所用的Si3N4薄膜的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]圖2是本發(fā)明實(shí)施例所用金屬掩模板的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029]圖3本發(fā)明實(shí)施例磁控濺射Au、Pt等金屬電極后Si3N4薄膜的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030]圖4是本發(fā)明實(shí)施例聚焦離子束沉積Pt電極和切割加工后的Si3N4薄膜的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0031]圖5是本發(fā)明實(shí)施例加工完成后的完整實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)圖。
[0032]圖6是本發(fā)明實(shí)施例提供的制備方法制備的Ge2Sb2Te5的相變存儲(chǔ)器TEM樣品的TEM照片。
[0033]圖中1.Si3N4薄膜，2.金屬掩模板，3.Au、Pt等金屬電極，4.FIB沉積的Pt電極，
5.FIB加工切割掉的Si3N4薄膜，6樣品平臺(tái)。
【具體實(shí)施方式】
[0034]以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明的應(yīng)用范圍。
[0035]實(shí)施例1
[0036]本發(fā)明用于原位電學(xué)測(cè)試的透射電鏡的制備方法包括以下步驟:
[0037]步驟一:用容易加工的鎳片作為掩模板，在掩模板上加工出電極的形狀，中空部分通過激光切割或金屬刻蝕的方法得到，掩模板厚度約為0.2_，且掩模板表面保持平整。
[0038]步驟二:將掩模板覆蓋在SiNx薄膜窗口上，利用鍍膜機(jī)鍍上200nm厚的Au作為電極，然后將掩模板取下獲得電極，電極之間為薄膜材料。由于濺射陰影區(qū)域的存在，電極之間距離設(shè)計(jì)為10 μ m。
[0039]步驟三:在所得的電極兩端使用FIB進(jìn)行電子束沉積，制備出間距I μ m的Pt電極。然后利用聚焦離子束，對(duì)電極之間的Si3N4薄膜對(duì)Pt電極之間的薄膜進(jìn)行切割加工，得到寬度為50nm的橋狀結(jié)構(gòu)的樣品平臺(tái)。
[0040]步驟四:在已經(jīng)做好電極的Si3N4薄膜窗口上，使用磁控濺射鍍上薄膜樣品。用導(dǎo)電膠將透射電鏡通電樣品桿與電極相連進(jìn)行原位電學(xué)實(shí)驗(yàn)，通過合適的電脈沖即可實(shí)現(xiàn)相變材料的可逆相變。
[0041]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改，等同替換，改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種高分辨觀察相變材料電致相變過程的透射電鏡薄膜窗口，其特征是制備方法包括以下步驟: 步驟一:用金屬片作為掩模板，在掩模板上加工出電極的形狀，中空部分通過激光切割或金屬刻蝕的方法得到； 步驟二:將掩模板覆蓋在Si3N4薄膜窗口上，利用鍍膜機(jī)鍍上金屬電極，然后將掩模板取下獲得兩個(gè)電極； 步驟三:在所得的兩個(gè)電極之間使用聚焦離子束FIB進(jìn)行電子束沉積，制備出兩個(gè)Pt電極；然后利用FIB對(duì)兩個(gè)電極之間的Si3N4薄膜以及對(duì)兩個(gè)Pt電極之間的薄膜進(jìn)行切割加工橋狀結(jié)構(gòu)的樣品平臺(tái)； 步驟四:在上述樣品平臺(tái)使用磁控濺射鍍上薄膜樣品；用導(dǎo)電膠將透射電鏡通電樣品桿與電極相連進(jìn)行原位電學(xué)實(shí)驗(yàn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高分辨觀察相變材料電致相變過程的透射電鏡薄膜窗口，其特征是:所述步驟一掩模板材料為金、鑰、銅、鐵、鋁或鎳。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高分辨觀察相變材料電致相變過程的透射電鏡薄膜窗口，其特征是步驟二中兩個(gè)電極間距為10?100 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高分辨觀察相變材料電致相變過程的透射電鏡薄膜窗口，其特征是步驟三中兩個(gè)Pt電極間距為0.1?10 μ m。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高分辨觀察相變材料電致相變過程的透射電鏡薄膜窗口，其特征是橋狀結(jié)構(gòu)的樣品平臺(tái)寬度為10?lOOOnm。
【文檔編號(hào)】G01N1/28GK103954636SQ201410140893
【公開日】2014年7月30日 申請(qǐng)日期:2014年4月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月10日
【發(fā)明者】韓曉東, 邵瑞文, 鄭坤, 張韜, 王疆靖, 張澤 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)