用于關(guān)聯(lián)原子分辨率層析成像分析的可延展薄片的的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種形成可用于透射電子顯微術(shù)和原子探針顯微術(shù)的樣品的過程。
【背景技術(shù)】
[0002]層析成像術(shù)是一種迅速發(fā)展的成像技術(shù)，其在非常不同的領(lǐng)域(諸如醫(yī)學(xué)、牙科學(xué)、生物學(xué)、環(huán)境學(xué)、毒理學(xué)、礦物學(xué)、和電子學(xué))中有著廣泛應(yīng)用。層析成像術(shù)是使用各種工具(諸如，X射線系統(tǒng)、透射電子顯微鏡(TEM)、掃描透射電子顯微鏡(STEM)、和/或原子探針顯微術(shù)(APM))形成樣品的3-D圖象的過程，以獲得各種類型的信息，諸如例如樣品的原子結(jié)構(gòu)和化學(xué)分析。3-D層析成像術(shù)數(shù)據(jù)集通常從光子(例如，光學(xué)的或X射線)或電子顯微鏡通過重建一系列在不同角度穿過樣品得到的2-D投影圖像來獲得，或者在APM的情況下通過根據(jù)撞擊位置敏感檢測器的一序列場蒸發(fā)原子來重建體積而獲得。
[0003]TEM和STEM允許觀察者看到非常小的納米級上的特征，并允許樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的分析。為方便起見，提及的TEM和STEM將由“S/TEM”這一術(shù)語來表明，并且提及的制備用于S/TEM的樣品應(yīng)理解為包括制備用于在TEM或STEM上觀察的樣品。樣品必須足夠薄以允許射束中的許多電子穿過樣品并在相對側(cè)出去。薄的S/TEM樣品通常從大塊樣品材料上切下，并被稱為“薄片”。薄片一般小于10nm厚，但對于某些應(yīng)用薄片必須顯著地更薄。在S/TEM層析成像術(shù)中，電子束以增加的旋轉(zhuǎn)度數(shù)通過所述薄片從而穿過薄的樣品形成一系列傾斜的二維投影，根據(jù)該二維投影可以構(gòu)建原始結(jié)構(gòu)的三維渲染。
[0004]原子探針顯微鏡(APM)通常包括樣品載片，電極，和檢測器。在分析期間，樣品由試樣載片承載，并且正電荷被施加到所述樣品。所述樣品通常是具有縮小針形尖端的支柱的形式。檢測器與樣品隔開，并且接地或帶負(fù)電。所述電極位于所述樣品和檢測器之間，并且接地或帶負(fù)電。電脈沖和/或激光脈沖間歇地施加到樣品上，以引發(fā)在針尖端的原子電離并從所述樣品分離或“蒸發(fā)”。電離的原子、分子、或原子簇通過所述電極的孔隙并沖擊檢測器的表面從而產(chǎn)生被檢測到的離子或“計(jì)數(shù)”。電離原子的元素特性可以通過測量它在針表面和檢測器之間的飛行時(shí)間來確定，該時(shí)間基于電離原子的質(zhì)量/電荷比而變化。電離原子在針表面上的位置可以通過測量檢測器上的原子沖擊的位置來確定。因此，當(dāng)樣品蒸發(fā)時(shí)，可以構(gòu)造樣品組分的三維圖譜。
[0005]S/TEM提供更好的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，而APM提供更好的成分?jǐn)?shù)據(jù)。來自單獨(dú)使用的S/TEM或APM的不同層析成像數(shù)據(jù)阻礙了最優(yōu)的材料分析。關(guān)聯(lián)S/TEM和APM層析成像術(shù)利用來自S/TEM和APM兩者的數(shù)據(jù)以從樣品獲得有價(jià)值的結(jié)構(gòu)和化學(xué)信息。數(shù)據(jù)的質(zhì)量可以根據(jù)樣品的各個方面(諸如例如大小、形狀、和密度以及在被分析的體積中特征的組分和空間分布)而發(fā)生變化。目前的關(guān)聯(lián)S/TEM和APM層析成像術(shù)通常使用柱狀針形樣品，其名義上是圓柱形并且含有感興趣的區(qū)域(ROI)。由于例如樣品厚度和特征-模糊投影效果，來自柱狀樣品的層析成像系列中的每個單獨(dú)S/TEM圖像的質(zhì)量比利用薄片樣品可以實(shí)現(xiàn)的質(zhì)量稍低。來自APM層析成像術(shù)數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)質(zhì)量在很大程度上取決于橫跨樣品的不同區(qū)域的元素的三維排列。在一般情況下，APM樣品中的元素是非均勻的，實(shí)際上導(dǎo)致樣品橫跨樣品的場蒸發(fā)部分具有雜亂的蒸發(fā)場數(shù)量和分布，其中的每個區(qū)域必須形成名義上的半球形形狀以同時(shí)滿足控制場蒸發(fā)的基本方程=Ei= kV/r i，其中Ei是APM樣品的表面的第i個元素的蒸發(fā)場，1^是APM樣品的表面的第i個元素的半徑，V是在數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)中在任何特定時(shí)間施加到樣品上的電壓，并且k是在很大程度上依賴于電極和樣品的幾何形狀的比例常數(shù)。在所述APM樣品的表面上的任何一個或多個場蒸發(fā)元素?zé)o法滿足所述場蒸發(fā)方程的要求的情況下，樣品可能會以無法控制的方式(不與電壓或激光脈沖關(guān)聯(lián))自發(fā)地蒸發(fā)，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯失(artifact)或樣品的災(zāi)難性斷裂。此外，可能難以形成ROI的不可見或隱藏特征在支柱內(nèi)適當(dāng)定位的柱狀樣品。將使用柱狀樣品的S/TEM和APM相關(guān)聯(lián)的再另外一個缺點(diǎn)是:在APM數(shù)據(jù)集的視場被限制到所形成的柱狀樣品內(nèi)部的50%左右的情況下，在S/TEM數(shù)據(jù)質(zhì)量和APM中的分析體積之間存在折衷。另外，對于成功經(jīng)過ROI的那些APM運(yùn)行，在原始數(shù)據(jù)中經(jīng)常有顯著失真和錯失，其在分析的重建或數(shù)據(jù)渲染階段期間不能充分地校正。在例如 Larson 等人的 “Atom probe tomography spatial reconstruct1n:Status and direct1ns，，Current Opin1n in Solid State and Materials Science17 (2013pp.236-247)中對在APM數(shù)據(jù)采集、重建和分析中的當(dāng)前問題進(jìn)行了描述。關(guān)聯(lián)S/TEM和APM的層析成像術(shù)的另一個問題是，先進(jìn)的S/TEM成像和分析技術(shù)(諸如例如，全息攝影術(shù)、微分相位對比，相位-板對比增強(qiáng)，以及甚至晶格成像和分析)很大程度上與柱狀樣品不兼容。
[0006]發(fā)明概述
[0007]因此本發(fā)明的目的是提供一種改進(jìn)關(guān)聯(lián)S/TEM和APM分析的分析系統(tǒng)。
[0008]在一些實(shí)施方式中，用于關(guān)聯(lián)S/TEM和APM的層析成像術(shù)的樣品提供具有S/TEM的微觀精度和分辨率以及APM的化學(xué)靈敏性的質(zhì)量數(shù)據(jù)。
[0009]在一些實(shí)施例中，制備實(shí)現(xiàn)位點(diǎn)特定S/TEM和APM分析的試樣，其可以在廣泛的工業(yè)相關(guān)材料中持續(xù)地產(chǎn)生高分辨率的S/??Μ傾斜系列數(shù)據(jù)和最小失真的APM的數(shù)據(jù)。所述樣品優(yōu)選定位到S/TEM-和APM-兼容的樣品保持器上，以使得包含感興趣區(qū)域(ROI)的超薄薄片可被研磨并用于S/TEM分析，并且然后重新定形成用于APM分析的針形樣品。這提供了 ROI的新樣品形式，其位于嵌入在用于APM的針形樣品內(nèi)的薄片中。
[0010]一些實(shí)施例還提供了形成用于關(guān)聯(lián)S/TEM和APM的層析成像術(shù)的APM側(cè)的針形樣品的方法。含有ROI的薄片從大塊材料形成，并涂布有選定材料來表現(xiàn)(compliment)ROI的元素成分的場蒸發(fā)屬性。涂布步驟完成后薄片被形成為用于利用APM分析的針形樣品。
[0011]一些實(shí)施例還提供了執(zhí)行關(guān)聯(lián)S/TEM和APM分析的方法。含有ROI的樣品從大塊樣品材料上切下并形成薄片。然后利用S/TEM分析所述薄片以形成圖像。薄片樣品和載片可以可選地被清潔，以移除在S/TEM成像時(shí)間和后續(xù)的用于APM分析的樣品再處理之間累積的任何污染物。然后，含有ROI的薄片嵌入所選擇的材料中，并且形成為針形樣品。隨后利用APM分析所述針形樣品，并且所得數(shù)據(jù)與S/TEM數(shù)據(jù)合并和相關(guān)聯(lián)。
[0012]盡管薄片可以用于S/TEM分析，根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例制備的樣品提供了改進(jìn)的APM數(shù)據(jù)，并且可以在APM上進(jìn)行分析而且不用在S/TEM上觀察。
[0013]前面已經(jīng)相當(dāng)廣泛地概述了本發(fā)明的特征和技術(shù)優(yōu)點(diǎn)以便隨后的本發(fā)明的詳細(xì)描述可以被更好地理解。本發(fā)明的附加特征和優(yōu)點(diǎn)將在下文描述。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是，公開的概念和具體的實(shí)施例可以容易地用作修改或設(shè)計(jì)用于實(shí)施本發(fā)明相同目的的其它結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員還應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，此類等效構(gòu)造并不脫離如在所附的權(quán)利要求中闡述的本發(fā)明的精神和范圍。
【附圖說明】
[0014]為了更全面地理解本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在參考與附圖一起做出的以下描述，其中:
[0015]圖1示出了用于從基片制備用于TEM分析的樣品薄片的初始取向的FIB系統(tǒng)。圖2A-2C示出了以各個取向定位在載片上的樣品薄片。
[0016]圖3示出了具有材料涂層的樣品薄片。
[0017]圖4是類似于圖3的視圖，示出了感興趣區(qū)域?qū)⑷绾伪欢ㄎ挥卺樞螛悠返募舛藘?nèi)。
[0018]圖5是具有位于針尖端內(nèi)的感興趣區(qū)域的針形樣品的程式化視圖。