專利名稱：一種軟脆光電晶體透射電鏡樣品制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于軟脆光電晶體透射電鏡樣品制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及軟脆光電半導(dǎo) 體晶體的透射電鏡樣品制備方法。
背景技術(shù)：
隨著紅外、光電、航空、航天等高新技術(shù)的快速發(fā)展，新興的II-VI族軟脆光 電器件對碲鎘汞表面質(zhì)量及完整性的要求越來越高，然而目前的加工方法多采用游離磨 料的研磨與機械拋光來完成，這種傳統(tǒng)的應(yīng)用于硬脆材料的加工方法非常容易導(dǎo)致碲鎘 汞晶體斷裂、破碎、產(chǎn)生劃痕、嵌入、變形等缺陷。因此，針對這種新興的軟脆光電晶 體，必須采用納米加工技術(shù)，以避免傳統(tǒng)加工技術(shù)帶來的缺陷。然而，目前人們對這類 軟脆光電晶體納米尺度材料去除機理，納米尺度變形機制還不了解，因此需要進行納米 尺度的材料變形機制研究。透射電鏡技術(shù)是目前最為先進的對亞表面損傷變形進行表征 的手段。因此，軟脆光電晶體的透射電鏡(TEM)樣品制備技術(shù)是研究其納米尺度材料變 形的前提。傳統(tǒng)的透射電鏡制備技術(shù)是采用多個樣品并列的方式，在精磨階段采用游離 磨料的研磨膏或者研磨劑來完成。而這種傳統(tǒng)的針對硬脆材料的透射電鏡制備技術(shù)并不 適于軟脆光電晶體的TEM制備。如在粗研磨階段，軟脆光電晶體就會破碎、斷裂、劃 傷、產(chǎn)生微變形等缺陷，而采用游離磨料的研磨膏或研磨劑，其游離磨料會嵌入軟脆光 電晶體表面，最終的離子減薄系統(tǒng)無法消除這些缺陷，或者根本就無法進入離子減薄系 統(tǒng)，軟脆光電晶體就已經(jīng)破碎。因此必須開發(fā)新型的軟脆光電晶體TEM制備技術(shù)，以達 到制備TEM樣品的目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種軟脆光電晶體透射電鏡樣品制備方法，采用增加硬脆 半導(dǎo)體保護層的方式降低軟脆光電晶體在樣品制備過程中發(fā)生脆性斷裂的可能性，半導(dǎo) 體保護層具有超光滑表面，以降低熱固化高強度膠的厚度，在最終研磨階段采用無壓力 研磨的方法，實現(xiàn)薄區(qū)透射電鏡樣品的目的。本發(fā)明的技術(shù)方案是采用顯微維氏硬度為8GPa以上的硬脆半導(dǎo)體作為軟脆光電 晶體的保護層。保護層的超光滑表面要達到Ralnm以下，厚度在650微米以下。粗磨 階段采用#120-800的砂紙，精磨階段采用0.1-30微米的金剛石研磨薄膜。保護層與樣品 之間采用不溶于有機溶劑的熱固化膠進行粘接，而研磨好的透射電鏡樣品第一面與襯底 間采用能夠溶于有機溶劑的熱固化膠進行粘接。在精磨的最終階段，采用無壓力研磨的 方法獲得透射樣品及保護層的薄區(qū)。采用顯微維氏硬度為8GPa以上的硅、鍺、砷化鎵、III-VI族半導(dǎo)體、硬脆半導(dǎo)
體作為軟脆光電晶體的保護層。只有保護層的硬度達到一定值以后，才能起到很好的保 護作用，對于不同的軟脆光電晶體，應(yīng)視其顯微硬度值，選擇不同硬度的保護層。對于 顯微硬度低的軟脆光電晶體，可適當選擇硬度較低的保護層，對于硬度較高的軟脆光電晶體，應(yīng)選擇高硬度的保護層。一般應(yīng)選擇保護層的硬度比軟脆光電晶體的硬度高10倍 以上。保護層一面為超光滑表面，其Ra在lnm以下，另一面可為相對粗糙表面Ra可 達100-800納米，單片保護層的厚度在650微米以下，對于要觀察的透射電鏡樣品表面， 視保護層的厚度放置2-3片，另一面相對觀察面層數(shù)減少1片。對于硬脆材料的超光滑 表面，可以采超精密磨削和化學機械拋光的方式獲得，另一粗糙面可以采用超精密磨削 或者化學腐蝕的方法即可達到。由于TEM的銅環(huán)直徑為3.05mm，因此必須限制保護層 樣品的厚度，保護層太厚會使得樣品不能在銅環(huán)的中心或附近位置。受到TEM銅環(huán)直徑 的限制，保護層一般放置2-3片。為了便于在TEM下找尋軟脆光電晶體，要觀察的表面 要有標記。通過增加保護層的片數(shù)可以獲得在TEM下的膠的縫隙，從而容易識別軟脆光 電晶體待觀察表面。采用小型三面支撐裝置作為研磨工具，研磨透射電鏡樣品的一面固定不動，其 余兩面為具有千分尺的進給機構(gòu)。這種小型三面支撐裝置，可以實現(xiàn)較為精確的手工研 磨實驗。由于初始的TEM樣品高度會不一樣，因此需要調(diào)節(jié)具有千分尺的進給裝置，從 而實現(xiàn)與樣品在同一平面的目的。另一方面，在最終的精磨階段，為了得到薄區(qū)，需要 將TEM樣品傾斜一個角度，這種微小的傾角調(diào)節(jié)也需要精確的千分尺結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。因 此，這種三面支撐結(jié)構(gòu)，能夠完成研磨階段的各種角度調(diào)整任務(wù)。采用固結(jié)磨料的研磨片作為研磨工具，粗磨階段采用#120-800的氧化鋁、碳化 硅、氮化硅、立方氮化硼或金剛石砂紙，精磨階段采用0.1-30微米的金剛石研磨薄膜作 為研磨工具。由于初始階段的TEM樣品是經(jīng)過金剛石切割刀具切割制備的，高度方面 一般是不一致的。對于保護層較高的情況，可以采用較粗的#120的砂紙，然后采用號數(shù) 逐漸升高的方式，逐漸降低亞表面損傷層的厚度，以便于進入精密磨削階段。不同類型 的砂紙是根據(jù)保護層的硬度來選擇的，對于保護層硬度較低的，可以采用氧化鋁、氮化 硅來完成，較高的采用碳化硅、立方氮化硼來完成，硬度極高的保護層采用金剛石砂紙 來完成。精密階段也是采用循序漸進的方式，降低亞表面損傷層的厚度。首先可以采用 30微米的金剛石薄膜來研磨，然后是9微米，3微米，1微米。一般1微米即可達到獲 得TEM樣品薄區(qū)的目的，有時候也需要輔助使用0.5微米和0.1微米的金剛石研磨薄膜。 為了防止研磨過程中的磨屑飛揚，粗研磨和精研磨階段，均采用濕研磨方法，冷卻液為 自來水即可。透射電鏡樣品與載物臺之間用石蠟進行粘接，保護層與樣品之間采用不溶于有 機溶劑的高強度熱固化膠進行粘接，而研磨好的透射電鏡樣品第一面與襯底間采用能夠 溶于有機溶劑的熱固化膠進行粘接。研磨第一面時，為了獲得較快的去除速率，可以采 用較厚的石蠟最為粘接劑，而且石蠟的熱熔性好，可以方便的在稍微加熱的情況下取下 樣品，剩余在載物臺上的石蠟，可以在加熱的情況下用紙擦拭干凈即可。如果想徹底清 除載物臺上的石蠟，也可以放入有機溶劑中溶解。一般可以采用兩個可裝卸的三面支撐 裝置載物臺，一個專門用來研磨第一面，放置石蠟用，研磨時只需裝卸樣品，不用去除 石蠟，也可節(jié)省石蠟；另一個載物臺專門用來第二面精研磨。保護層與樣品之間采用 不溶于有機溶劑的高強度熱固化膠是為了防止其在有機溶劑中被溶解。而采用高強度熱 固化膠將銅環(huán)粘接于TEM的樣品上，經(jīng)過熱固化后，必須將研磨階段的襯底去掉，而襯底與TEM樣品是采用的溶于有機溶劑的熱固化膠，放于有機溶劑中浸泡一段時間即可去 除。而TEM樣品不能溶解，因此樣品與保護層間要采用不溶性的熱固化膠。研磨第一 面時，只要在50倍以上的顯微鏡下觀察沒有大的劃痕即可。在精研磨階段，即已經(jīng)將第 一面粘接與保護層的襯底上。由于這次是最終的研磨階段，要獲得TEM樣品的薄區(qū)，因 此要求已經(jīng)磨好的第一面與襯底之間的可溶于有機溶劑的膠的厚度非常薄，如果這層膠 的厚度較厚的話，是很難得到非常好的TEM薄區(qū)的。為了使得這層膠的厚度非常薄，并 且在精研磨中具有一定的強度，不能再采用石蠟，而要選擇具有較高強度的熱固化膠來 完成。由于最終完成銅環(huán)的粘接后，襯底必須被取下，因此要求這種膠還得能夠溶于有 機溶劑，才能方便地將襯底去除。襯底采用保護層材料，尺寸較透射電鏡樣品稍大，表面用3微米的金剛石研磨 薄膜進行加工。襯底一般比TEM樣品稍大即可。一般選用保護層的超光滑表面作為襯 底，由于襯底與TEM樣品的膠的厚度非常薄，因此襯底應(yīng)有一定的粗糙度，否則難以將 樣品與襯底粘牢，因此將襯底用3微米的金剛石薄膜加工。對于襯底與載物臺的粘接， 同樣采用這種能夠溶于有機溶劑的熱固化膠。由于TEM樣品制備完成后，薄區(qū)非常容易 破碎，為了減少工序，同時也盡量避免加熱對薄區(qū)的晶格變形產(chǎn)生影響，固襯底與載物 臺的粘接同樣采用這種熱固化膠。為了提供足夠的抗研磨剪切應(yīng)力，這層膠的厚度可以 比襯底與TEM樣品間的膠厚一些。在精磨的最終階段，采用無壓力研磨的方法獲得透射樣品及保護層的薄區(qū)。由 于軟脆光電晶體在納米尺度下可以實現(xiàn)塑性加工，因此采用這種無壓力研磨的方法來最 終實現(xiàn)TEM樣品的薄區(qū)。另一方面，由于軟脆光電晶體具有軟脆特性，即使三面支撐裝 置本身在重力作用下產(chǎn)生的下壓力，也足以使得最終的軟脆光電晶體破碎。這種無壓力 研磨的方法，即采用手工將重力抵消，就是將載有TEM樣品的三面支撐裝置懸浮，然后 實現(xiàn)TEM樣品平面與最終的金剛石研磨薄膜平面接觸，輕輕研磨，在完全平面接觸的情 況下，避免任何振動，可聽到輕微的“沙沙”聲。制備成功的薄區(qū)可在50倍以上的光 學顯微鏡下，在適當?shù)妮椛涔庠凑找?，保護層一般會出現(xiàn)桔紅色，即可進行粘接銅環(huán) 的操作。粘接銅環(huán)的膠與粘接保護層與軟脆光電晶體的膠是一樣的。為了避免銅環(huán)上的 膠粘到載物臺上，可以將粘接銅環(huán)的邊緣區(qū)域涂敷一薄層粘接襯底與TEM樣品的膠，銅 環(huán)粘接完成，并采用金剛石刀具將銅環(huán)樣品與其余部分切割分離后，即可完成銅環(huán)的制 備。放入有機溶劑，去除襯底，即可進入離子減薄系統(tǒng)進行減薄。當放入離子減薄系統(tǒng) 后，減薄一段時間后，在輻射光源的照耀下，可以看到干涉條紋，即可取出，到高分辨 透射電鏡下進行觀察。本發(fā)明的效果和益處是實現(xiàn)了軟脆光電晶體的透射電鏡樣品制備，獲得了高分 辨透射電鏡原子像。采用硬脆材料最為保護層，可以有效保護軟脆光電晶體在研磨邊 緣發(fā)生斷裂，并抵抗研磨剪切力對軟脆光電晶體造成的損傷，防止軟脆光電晶體發(fā)生斷 裂。保護層的超光滑表面，可以有效降低軟脆光電晶體與保護層之間高強度熱固化膠的 厚度，從而降低軟脆光電晶體邊緣發(fā)生破碎的可能性。在精磨階段，采用無壓力研磨方 法，可以有效降低薄區(qū)薄膜厚度，降低軟脆光電晶體發(fā)生破裂的可能性。實現(xiàn)了軟脆光 電晶體TEM樣品制備，獲得了高分辨TEM原子像。
具體實施例方式以下結(jié)合技術(shù)方案詳細敘述本發(fā)明的具體實施方式
。選擇II-VI族軟脆光電晶體的代表Hgc^Cdc^Tedll)作為TEM樣品制備對象。 保護層選用Si(lOO)，厚度為625微米左右，超光滑表面的粗糙度Ra為0.4nm，另一面 Ra為496nm，即為商業(yè)的4英寸硅片。采用金剛石筆，將硅片和碲鎘汞晶體切割成長為 8mm、寬為2mm左右的小條。碲鎘汞晶體的厚度為600微米。選擇硅片小條3片，碲 鎘汞小條1片。選擇碲鎘汞的一面作為TEM觀察表面，用2片硅片進行粘接，硅片的 0.4nm的一面與碲鎘汞表面粘接，硅片的496nm的一面與另一個硅片的0.4nm的一面進行 粘接。為了便于識別，碲鎘汞的另一面用一片硅片小條進行粘接。不溶于有機溶劑的熱 固化膠選用Allied公司的AB膠，按照AB兩種膠體積比為1 10的比例混合均勻，即可 進行粘接。粘接完成后放入100度的保溫爐中保溫2小時，取出作為TEM的初始樣品。TEM的初始樣品用石蠟粘接于直徑為1.5厘米的Applied公司Tripod三面支撐 裝置自帶的載物臺上，即可開始粗研磨工作。將Tripod的三個平面用兩個千分尺結(jié)構(gòu)調(diào) 平，可以放在較大的玻璃平面上調(diào)平。然后在直徑為25厘米的玻璃上進行研磨。選用 #600的碳化硅防水砂紙，自來水作為冷卻液。為了防止研磨液與手部接觸，帶上一次性 的膠皮手套進行研磨。首先研磨約1小時作用，使得4個小片的截面均勻整齊即可。換 用30微米的金剛石研磨薄膜，研磨3分鐘左右即可，換用3微米的金剛石研磨砂紙，研 磨5分鐘左右，然后用1微米的金剛石研磨薄膜，研磨5分鐘左右，放到50倍的白光顯 微鏡下觀察，沒有較大的劃痕，在自來水下沖洗干凈，然后用丙酮沖洗干凈即可。將載物臺卸下，放到Tripod的黃銅合金載物座上，經(jīng)過小型加熱臺加熱，將樣 品取下，研磨光亮面放到濾紙上，以防污染。用軟紙將加熱的石蠟擦拭干凈，然后涼至 室溫。用Loctite公司的460熱固化膠將長為8mm，寬為6mm的Si (100)襯底的粗糙面 粘接到載物臺上。粘好后，將Tripod的三個平面調(diào)平，放入100度的保溫箱中加熱15分 鐘。保溫完成后去除，在30微米的金剛石研磨薄膜上研磨3分鐘，使得整個平面均磨 粗糙即可，然后在3微米的金剛石研磨薄膜上研磨5分鐘即可。用自來水沖洗干凈，吹 干。用Loctite公司的460熱固化膠將研磨好的碲鎘汞面與襯底進行粘接，膠的厚度要盡 可能薄。放入100度的放入100度的保溫箱中加熱15分鐘。加熱完成后取出，首先用 #600的碳化硅砂輪研磨研磨1-2小時，使得TEM樣品的厚度達到300-400微米，然后到 玻璃平面上將TEM樣品調(diào)成楔形平面。將TEM樣品面對著實驗者，將后面的右側(cè)的千 分尺螺栓松開，向下進給2圈，鎖緊在#600的砂紙上繼續(xù)進行研磨。研磨的過程中需要 繼續(xù)調(diào)節(jié)兩個千分尺結(jié)構(gòu)，使得TEM上初始階段出現(xiàn)的斜面的右邊緣線與兩個千分尺形 成的直線垂直。然后繼續(xù)向下研磨即可。待左側(cè)的硅片襯底出現(xiàn)磨削痕跡時，改用30 微米的金剛石研磨薄膜開始進行精研磨。在30微米的金剛石研磨薄膜上研磨到斜面邊緣 距離碲鎘汞約2mm時，改用3微米的金剛石研磨薄膜。在金剛石研磨薄膜上研磨5_30 分鐘，在50倍的光學顯微鏡下觀察獲得比較整齊的研磨邊緣直線及沒有較大的劃痕即可 換到1微米的金剛石研磨薄膜上進行最終的薄區(qū)研磨。將Tripod用手懸浮，在研磨薄膜 上進行嚴格的平面磨削，盡量避免任何的Tripod的振動，每研磨3分鐘左右到50倍的光 學顯微鏡下觀察，獲得整齊的磨削邊緣，并在適合的白光照射下看到明顯的桔紅色的薄 區(qū)，表面沒有明顯的大劃痕即可完成薄區(qū)制備。
用自來水將表面用極其輕微的水流沖洗干凈，用丙酮輕微沖洗，晾干。在50倍 的光學顯微鏡下在粘接銅環(huán)的邊緣區(qū)域涂敷一層薄薄的LOCtite460熱固化膠，涂敷完成后 放到100度的保溫箱保溫15分鐘。將直徑為3.05mm，內(nèi)孔為2X 1mm2的銅環(huán)將一邊的 圓弧部分切除，形成一個半通孔，以便離子束進入。將銅環(huán)在50倍的光學顯微鏡下用 Allied公司的剛才調(diào)好的AB膠粘接到TEM樣品表面。使得待觀察的碲鎘汞的縫隙處于 切割后銅環(huán)孔的中心位置。薄區(qū)位置也處于寬度為1mm的銅環(huán)的中心位置即可。放入 100度的保溫箱中保溫2小時。取出后，在50倍光學顯微鏡下用金剛石筆沿銅環(huán)的外邊 緣與TEM樣品的截面切斷。將裝有TEM銅環(huán)的載物臺侵入丙酮中約12小時，去除襯 底。去除后，侵入干凈的丙酮溶液中10分鐘，將表面清洗干凈。即可送入離子減薄系 統(tǒng)進行離子減薄。采用Gatan公司的離子減薄儀，選擇離子減薄能量為3.5keV，旋轉(zhuǎn)速度為3轉(zhuǎn)每 分，前10分鐘離子槍的角度為8度，最后的5分鐘為4度。離子減薄后，放到FEIT20F 高分辨透射電鏡下進行原子成像。高壓為200kV，放大倍數(shù)為70萬倍，在110帶軸上觀 察，調(diào)整合適的像散，即可獲得高分辨透射原子圖像。
權(quán)利要求
1. 一種軟脆光電晶體透射電鏡樣品制備方法，采用增加硬脆半導(dǎo)體保護層的方式降 低軟脆光電晶體在樣品制備過程中發(fā)生脆性斷裂的可能性，半導(dǎo)體保護層具有超光滑表 面，以降低熱固化高強度膠的厚度，在最終研磨階段采用無壓力研磨的方法，實現(xiàn)薄區(qū) 透射電鏡樣品的目的，其特征是(1)采用顯微維氏硬度為SGPa以上的硅、鍺、砷化鎵、III-VI族半導(dǎo)體、硬脆半導(dǎo) 體作為軟脆光電晶體的保護層；(2)保護層一面為超光滑表面，其Ra在Inm以下，另一面可為相對粗糙表面Ra可達 100-800納米，單片保護層的厚度在650微米以下，對于要觀察的透射電鏡樣品表面，視 保護層的厚度放置2-3片，另一面相對觀察面層數(shù)減少1片；(3)采用小型三面支撐裝置作為研磨工具，研磨透射電鏡樣品的一面固定不動，其余 兩面為具有千分尺的進給機構(gòu)；(4)采用固結(jié)磨料的研磨片作為研磨工具，粗磨階段采用#120-800的氧化鋁、碳化 硅、氮化硅、立方氮化硼或金剛石砂紙，精磨階段采用0.1-30微米的金剛石研磨薄膜作 為研磨工具；(5)透射電鏡樣品與載物臺之間用石蠟進行粘接，保護層與樣品之間采用不溶于有機 溶劑的高強度熱固化膠進行粘接，而研磨好的透射電鏡樣品第一面與襯底間采用能夠溶 于有機溶劑的熱固化膠進行粘接；(6)襯底采用保護層材料，尺寸較透射電鏡樣品稍大，表面用3微米的金剛石研磨薄 膜進行加工；(7)在精磨的最終階段，采用無壓力研磨的方法獲得透射樣品及保護層的薄區(qū)。
全文摘要
一種軟脆光電晶體透射電鏡樣品制備方法，屬于軟脆光電晶體透射電鏡樣品制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及軟脆光電半導(dǎo)體晶體的透射電鏡樣品制備方法。其特征是采用顯微維氏硬度為8GPa以上的硬脆半導(dǎo)體作為軟脆光電晶體的保護層。保護層的超光滑表面要達到Ra 1nm以下，厚度在650微米以下。粗磨階段采用#120-800的砂紙，精磨階段采用0.1-30微米的金剛石研磨薄膜。保護層與樣品之間采用不溶于有機溶劑的熱固化膠進行粘接，而研磨好的透射電鏡樣品第一面與襯底間采用能夠溶于有機溶劑的熱固化膠進行粘接。在精磨的最終階段，采用無壓力研磨的方法獲得透射樣品及保護層的薄區(qū)。本發(fā)明的效果和益處是實現(xiàn)了軟脆光電晶體的透射電鏡樣品制備，獲得了高分辨透射電鏡原子像。
文檔編號G01N1/28GK102023111SQ20101053179
公開日2011年4月20日 申請日期2010年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月2日
發(fā)明者周紅秀, 張振宇, 趙東杰, 霍鳳偉 申請人:大連理工大學