極紫外光刻技術(shù)(EUVL)采用的晶圓掃描儀的效率由多層膜反射鏡的反射率決定。反射率與多層膜界面的粗糙度、納米晶的形成、界面混合和中間夾層的形成等因素有關(guān)。最常用的Mo/Si多層膜的周期厚度約為7nm，Si層厚度為2~3nm，厚度誤差會(huì)引起反射率的降低。對(duì)于這種原子尺度的研究，透射電鏡(TEM)是必不可少的分析工具，可以直觀地得到材料形貌、結(jié)構(gòu)、界面缺陷和元素?cái)U(kuò)散等信息。
試樣制備是TEM表征的關(guān)鍵，試樣必須足夠薄(100nm以下)才能被電子束穿透。從截面方向觀察薄膜材料，才能獲得厚度和界面等信息，因此需要制備TEM截面試樣，制備過(guò)程非常復(fù)雜。聚焦離子束(FIB)被廣泛應(yīng)用于TEM截面試樣的制備，其可以準(zhǔn)確定位減薄試樣，效率較高，但設(shè)備成本較高。離子減薄技術(shù)可以減薄幾乎所有的無(wú)機(jī)材料，且操作簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是前期預(yù)減薄過(guò)程繁瑣、耗時(shí)長(zhǎng)，雖然已經(jīng)有許多改進(jìn)的方法，但這些方法研究的一次離子減薄只能制備一個(gè)試樣，效率相對(duì)較低。因此，改進(jìn)離子減薄制樣方法具有重要的研究意義。研究人員詳細(xì)介紹了一種通過(guò)一次離子減薄就能制備多個(gè)TEM截面樣品的方法，該方法極大地提高了TEM制樣的效率,同時(shí)避免了分批制樣帶來(lái)的隨機(jī)誤差。
1、 試樣制備過(guò)程
傳統(tǒng)的和改良過(guò)的離子減薄制備TEM截面試樣的方法，都采用相同的試樣進(jìn)行對(duì)黏。通過(guò)幾個(gè)小時(shí)進(jìn)行離子減薄的試樣雖有多處薄區(qū),但只需觀察一處薄區(qū)即可,只能得到一個(gè)試樣的信息。因此，可以將多個(gè)不同試樣集中在離子減薄區(qū)域，這樣進(jìn)行一次離子減薄就可以得到多個(gè)不同試樣的薄區(qū)。TEM 截面試樣制備過(guò)程如圖1所示。
1.1切割試樣
超聲切割機(jī)切割方法：先用石蠟將載玻片黏在切割臺(tái)上，再用石蠟將多個(gè)不同的薄膜試樣黏在載玻片上，膜面朝下，避免損傷膜面。用4mm×5mm(長(zhǎng)×寬)的矩形切割頭切割試樣[見(jiàn)圖1a)]。
金剛石刻刀切割方法：在試樣背面，用直尺輔助切割相同大小的矩形試樣。
1.2對(duì)黏試樣
將切割好的試樣依次用丙酮清洗干凈，將2個(gè)試樣的膜面用G1膠(Gatan公司)對(duì)黏后，放在特制的夾具中,在130℃加熱臺(tái)上固化1h[見(jiàn)圖1b)]。
1.3研磨基底
已知基底的厚度為700μm，用石蠟將對(duì)黏好的試樣黏在手動(dòng)研磨盤(pán)上的試樣托上，采用“8”字形手法,并在研磨過(guò)程中更換更細(xì)的砂紙。分別將兩面基底研磨掉600μm~650μm，最終得到一片厚度約為100μm~200μm的薄片[見(jiàn)圖1c)]。
1.4再次對(duì)黏試樣
將薄片用G1膠黏在另外2個(gè)不同試樣的中間[見(jiàn)圖1d)]。
1.5切割試樣
利用慢速鋸將對(duì)黏好的試樣切割成厚度約0.5mm的薄片[見(jiàn)圖1e)]。
1.6制作參照物
用 AB膠將厚度約30μm 的銅支撐環(huán)黏在試樣托上，并用記號(hào)筆在銅支撐環(huán)上進(jìn)行標(biāo)記。
1.7再次研磨
用手動(dòng)研磨儀將切割好的試樣先研磨掉約一半厚度，然后用石蠟將試樣黏在參照物銅支撐環(huán)的旁邊，研磨另一面[見(jiàn)圖1f)]。研磨時(shí)注意力度，將銅支撐環(huán)上的記號(hào)研磨消失，試樣厚度只有30μm左右。
1.8黏支撐環(huán)
選用內(nèi)徑分別為2，1mm的橢圓銅支撐環(huán)，對(duì)離子束的遮擋更少。用微量AB膠將支撐環(huán)黏在試樣上，與試樣托一起加熱,待試樣與試樣托之間的石蠟完全融化后，試樣與支撐環(huán)之間的AB膠已經(jīng)固化，用牙簽將試樣從試樣托上取下，放入丙酮中浸泡并清洗干凈。
1.9修剪試樣
用鑷子尖將支撐環(huán)邊緣的多余試樣切掉。
1.10離子減薄
試樣對(duì)黏面要?jiǎng)偤么怪庇陔x子減薄的鴨嘴夾，否則G1膠和薄膜在減薄過(guò)程中會(huì)先消失。先采用5kV電壓和±8°角度穿孔，然后采用4kV電壓和±4°擴(kuò)大薄區(qū)。減薄好的試樣如圖1h)所示。
2、 應(yīng)用舉例
以Si基底上沉積的Mo、Si單層膜和 Mo/Si多層膜為例，采用上述一次離子束減薄的方法同時(shí)制備了4個(gè)TEM截面試樣，利用TEM分析薄膜的厚度和晶體結(jié)構(gòu)等信息，結(jié)果如圖2所示。厚度為32.4nm的Mo薄膜完全結(jié)晶,晶體結(jié)構(gòu)為體心立方；厚度為31.2nm的Si薄膜為非晶體結(jié)構(gòu)。Mo/Si多層膜有40個(gè)周期，其中150℃退火的Mo/Si多層膜的周期厚度為8.10nm，Mo層厚度為4.1nm。300℃退火的Mo/Si多層膜的周期厚度為7.99nm，Mo層厚度為4.5nm。說(shuō)明Mo元素可能發(fā)生了擴(kuò)散。TEM截面試樣Si基底的晶格條紋十分清晰，有大面積的薄區(qū)。由此可以看出，該方法制備出的 TEM截面試樣成功率高。
3、 討論
該方法可以靈活變動(dòng)，在試樣數(shù)量上，可以直接用兩個(gè)不同的薄膜試樣對(duì)黏，或者在其中間加入1對(duì)或多對(duì)薄膜試樣的薄片，根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行選擇，但中間加入的薄片厚度應(yīng)控制在500μm以內(nèi)，否則遠(yuǎn)離中心的試樣難以減薄。特別注意的是，在TEM下無(wú)法區(qū)分的試樣，需要提前記錄試樣的對(duì)黏順序，可以通過(guò)增加不同的試樣或者控制基底的厚度來(lái)區(qū)分。另外，可采用自動(dòng)精密研磨機(jī)或者其他研磨方法研磨試樣；研磨基底時(shí)不用將兩個(gè)試樣對(duì)黏，可分別研磨兩個(gè)試樣的基底后再對(duì)黏，但由于膜面沒(méi)有G1膠的保護(hù)，可能會(huì)引入較大的應(yīng)力。
4、 結(jié)語(yǔ)
介紹了一種通過(guò)一次離子減薄同時(shí)制備多個(gè)TEM截面試樣的方法，不僅極大地提高了TEM制樣的效率，同時(shí)避免了分批制樣帶來(lái)的隨機(jī)誤差。在控制最終研磨厚度時(shí)，采用銅支撐環(huán)作為參照物，進(jìn)一步提高了效率。
作者：張革1，2，崔云1，2，趙嬌玲1，2，王濤1，2，趙元安1，2
單位：1.中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所 薄膜光學(xué)實(shí)驗(yàn)室；
2.中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所 強(qiáng)激光材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
來(lái)源：《理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè)》2023年第10期
京公網(wǎng)安備11010802046783號(hào)
