电子显微学报
Journal of Chinese Electron Microscopy Society
第40卷第1期
2021年2月
Vol. 40,No. 12021-02
文章编号：1000-6281（ 2021） 01-0050-05
王 磊曲 迪▽* ，姬静远w ，白国人w
收稿日期：2020-05-24；修订日期：2020-06-29
基金项目：天津市支持京津冀科技成果转化项目（No.l8YFCZZC00360）；中新天津生态城2019年度科
技型中小企业升级专项. 作者简介：王磊（1992-），男（汉族），山东荷泽人，工程师.E-mail : wanglei@
玻璃纤维膨体纱*通讯作者：曲迪（1981-），男（满族），河北沧州人，博士，高级工程师.E-mail ： qudi@
（1.天津华慧芯科技集团有限公司，天津300467； 2.清华大学天津电子信息研究院
shenh高端光电子芯片创新中心，天津300467）
摘要 针对尖晶石微米颗粒材料，利用聚焦离子束扫描电镜双束系统（FIB-SEM ），在传统透射电镜样品制备 方法的基础上进行技术性改进，成功制备了高质量的球差校正透射电镜样品。并利用球差校正透射电镜成功观察
到了尖晶石颗粒的截面原子结构，为更深入地研究尖晶石材料的结构和性能奠定了基础。
关键词 聚焦离子束扫描电镜双束系统；微米颗粒；球差校正透射电镜样品
中图分类号：TH73；O766+.1 文献标识码：B doi ： 10. 3969/j.issn .1000-6281.2021.01.010
透射电子显微镜（TEM ）是材料、物理、化学和 生物等科学研究领域非常重要的表征手段之一，其
可以表征材料的微观结构。随着透射电镜技术的
发展，配有球差校正器的球差校正透射电镜（球差 TEM ）可以观察材料的原子结构。而TEM 样品的制
备质量对TEM 表征结果起关键作用。聚焦离子束 扫描电镜双束系统（FIB-SEM ）是在SEM 的基础上
增加了聚焦离子束镜筒的双束设备，并配有纳米机 械手、气体注入系统等附件，同时具有高精度的加
工能力和高分辨的成像能力，可用于制备TEM 样
品［円。与离子减薄法和电解双喷法相比,FIB-SEM
制备TEM 样品具有独特的优势,FIB-SEM 可用于制 备特定位置、特定取向的TEM 样品，对原始样品破
坏小，制样周期短，可以制备原位加热、加电、拉伸
TEM 样品713］。
如上所述，特殊形状、特定位置、复合结构、特 殊需求的TEM 样品制备都需要FIB-SEM 来完成。
目前已经报道多篇关于FIB-SEM 制备各类TEM 样 品的工作，利用FIB-SEM 制备金刚石/M （M = Cu,
Al,AlN ）双相复合材料高分辨TEM （ HRTEM ）样
品［9］；制备与样品表面平行的TEM 样品［10］；制备基
于加热芯片的原位TEM 样品［11］；利用FIB-SEM 外
置取出法制备SiC p/Al TEM 样品［12］o 本文介绍一 种利用FIB-SEM 制备尖晶石颗粒截面球差TEM 样
品的方法。本文用到的尖晶石颗粒的对角顶点间
其长度在500 nm~2 im 之间，需要将其制备成贯穿 顶角平台的截面球差TEM 样品，然后利用球差TEM
观察其原子结构。该样品的制备难点主要有以下 几点：颗粒尺寸较小，机械手不能单独提取一个颗
粒；颗粒顶角平台尺寸很小（100 nm -200 nm ），需要 精确控制减薄过程，使得最终薄区留在平台
范围
内。本文通过在常规的FIB-SEM 制备TEM 样品方
法的基础上，进行了一些技术性改进，成功制备了
高质量的尖晶石颗粒截面球差 TEM 样品。
1 实验方法
基于FIB 制备HRTEM 样品的传统方法是U- cut 法，如图1所示。主要分六个步骤：（1）沉积Pt
保护层，即在目标区域离子束辅助沉积10 imX2 imX1 im 的Pt 保护层；（2）挖大槽，即在Pt 保护层
的两侧挖大槽，得到厚度1〜1.5 im 的薄片；（3）U- cut，即对薄片进行U 形切，将薄片底部和一端完全
切断，而另一端留下一部分；（4）提取，即缓慢降下
纳米机械手，使其轻轻接触薄片悬空的一端后，沉
积Pt 将薄片和纳米机械手焊接牢固，然后切断薄片
另一端，再缓慢升起纳米机械手，提出薄片；（5）放 样，即移动样品台，使铜网移动到视野中心，再次降
下焊有薄片样品的纳米机械手，与铜网上柱子的侧
第1期王磊等：基于FIB-SEM制备尖晶石微米颗粒的球差校正透射电镜样品51
图1传统U-cut法制备TEM样品的流程示意图。
Fig.1Schematic diagram of the traditional U-cut method for preparing TEM samples.
面接触，沉积Pt将薄片与铜网上的柱子焊接牢固，将薄片与纳米机械手连接的一端切断，移开纳米机械手，完成薄片的转移；（6）减薄和低电压清洗，即先用30kV加速电压的离子束将薄片减薄至150 nm左右，再利用5kV加速电压对其清洗减薄至50 nm左右。对于本文，基于Zeiss Crossbeam540型号的FIB-SEM制备尖晶石微米颗粒的球差校正TEM 样品，是在上述传统的制样方法基础上，做了以下几点技术改进。
1.1制样和筛选颗粒
传统的U-cut制样方法可以用来制备块体、薄膜样品或大尺寸粉末样品（单个颗粒＞10pm），制样过
程没有特殊处理，用双面碳胶带直接将样品固定在样品台上即可。但对于该尖晶石粉末样品，颗粒的对角顶点间长度在500nm~2pm之间，尺寸太小，纳米机械手不能单独提取一个颗粒，本文改进的方法是把颗粒分散到衬底片上，提取的时候，将颗粒和衬底片的—部分一起提取。首先准备一片1cmX1cm干净硅片。用牙签或棉签蘸取适量粉末样品，轻轻蹭在硅片上，然后用高压氮间断的吹5~10次，确保剩余颗粒可以牢固的静电吸附在硅片表面。最后用双面碳胶带将硅片固定在样品台上。
相对于传统的U-cut制样方法，制备尖晶石TEM样品对目标区域（颗粒）的选择有严格的要求和特殊的处理。首先，进样后，移动样品台，在SEM 下寻单独的、无损坏的、待观察的截面垂直于硅片表面的颗粒。然后，通过旋转样品台，将要提取的颗粒截面方向转平。图2是颗粒减薄过程中的前侧切割面（前切割面）在平面视图和截面视图上的对应关系示意图，W为前切割面的顶边长度,w】为样品减薄后剩余150nm厚的薄区在厚度方向的中间位置与颗粒顶角平台的中间位置一致时，前切割面的顶边长度。为了便于后面减薄过程判断减薄位置，需要分别在样品台倾斜角度T=0°和54°下对颗粒进行拍照（如图3所示），并测量w1长度。
Fig.2Schematic diagram of the corresponding relationship between the front milling surface on the plan
view and the cross-sectional view.
1.2沉积Pt保护层
沉积Pt保护层的目的是保护样品在最后减薄过程中不被离子束损伤。在该步骤，主要有两点改进。其一，由于后续TEM实验需要表征距离颗粒表面几纳米深区域的原子结构，而离子束辅助沉积Pt 会损伤到距离样品表面约30nm深的区域，所以在离子束辅助沉积Pt之前先进行电子束辅助沉积Pt，其对样品表面的损伤＜5nm。其二，因为颗粒和衬底之间存在较大的缝隙，而该缝隙会随着后面减薄过程变的越来越大，导致最终的TEM样品有裂开和
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脱落的风险，所以需要沉积比传统U-cut制样方法更厚的Pt尽可能的填充该缝隙。电子束和离子束辅助沉积Pt的总厚度为1〜2im。另外为了减少颗粒和衬底之间的缝隙，可以尝试在不同倾斜角度下进行多次电子束沉积的方法，图4b是依次在样品台倾斜角度T=45。、30。、20。、10。下进行电子束沉积后的结果，可以看出该方法产生的缝隙明显少于仅在一个角度T=10°下进行电子束沉积的方法。
图3a,b.尖晶石颗粒在样品台倾斜角度T=0°,54°下的SEM像。Bar=500nm
Fig.3SEM images of spinel particles at the tilt angle of the sample stage T=0°(a)and54°(b).
标准电阻器图4 a.在样品台倾斜角度T=10°下进行电子束沉积后的SEM像;b.依次在T=45°、30°、20°、10°下
进行电子束沉积后的SEM像。Bar=500nm
Fig.4 a.The SEM image after electron beam deposition at tilt angle of stage T=10°；
燃料乙醇
b.The SEM image after electron beam deposition at T=45°,30°,20°,and10°.
1.3减薄和低电压清洗
传统的U-cut制样方法在减薄阶段只需要两侧交替减薄，控制最终的薄区厚度即可，不需要关注待观察的位置是否在最终的薄区范围内，因为对于这些样品，Pt覆盖的整个区域都是目标区域。而对于本文中的尖晶石颗粒TEM样品制备，最终薄区需要控制在颗粒顶角平台范围内，即目标区域是颗粒的顶角平台。在本阶段，提出了一种精确减薄的方法。首先减薄SEM可以观察到的一侧（前切割面），先用30kV700pA条件减薄，在可以看到颗粒的截面时，换小束流30kV50pA继续减薄，并实时观察和测量前切割面的顶边长度，当其长度W=w1时立刻停止，如图5a所示。然后减薄另一侧（后切割面），减薄至在SEM加速电压5kV、样品室内二次电子探头下样品薄区透亮（如图5b所示），此时样品薄区的厚度约为150nm，且薄区厚度方向的中间位置与颗粒顶角平台的中间位置一致。
对于TEM样品的质量，
低电压清洗阶段起到非
第1期王磊等：基于FIB-SEM制备尖晶石微米颗粒的球差校正透射电镜样品53
图5a,b.前切割面，后切割面在30kV下减薄后的SEM像。a：Bar=500nm；b：Bar=1pm Fig.5a，b.SEM images of the front milling surface and the back milling surface after thinning at30kV.
常关键的作用。球差TEM样品要求比HRTEM样品更薄和损伤层更少，而损伤层的多少受加速电压的影响，样品越薄越不耐离子束轰击，所以需要采用一种逐级清洗的方法。首先在加速电压和束流为5kV10pA下，前后两侧交替对称处理样品，并逐级降低每侧清洗的时间，直到在SEM加速电压3 kV、样品室内二次电子探头下样品薄区透亮。然后离子束电压和束流切换到2kV10pA，继续交替对称处理样品，并逐级降低每侧清洗的时间，直到在SEM加速电压2kV、二次电子探头下样品薄区比较透亮，如图6所示。
图6低电压清洗后的SEM像°Bar=lpm
Fig.6SEM image of sample after low voltage cleaning.
2实验结果与讨论
图7是使用JEOL JEM-ARM300F球差TEM的STEM模式拍摄的上述方法制备样品的HAADF像，图中可看到清晰的原子像，且衬度均匀。这表明制备的球差TEM样品非常薄且损伤层很少。
图7尖晶石颗粒截面原子分辨级的HAADF像。
Bar=2nm
Fig.7Atomic resolution HAADF image of cross section
of spinel particle.
3结论
本文提出了一种基于FIB-SEM制备尖晶石微米颗粒球差TEM样品的方法。在传统U-cut TEM 制样方法的基础上进行了技术性改进，主要有将颗粒制备在硅衬底片上，离子束辅助沉积Pt前先采用电子束辅助沉积Pt，沉积的Pt总厚度较厚，精确减薄、逐级清洗等措施，成功制备了高质量的尖晶石
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球差TEM样品。对尖晶石颗粒和其他特征尺寸较小样品的结构和性能研究具有指导意义。
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Preparation of spherical aberration corrected
TEM samples of Spinel micro-sized particles
based on FIB-SEM
WANG Lei1,2,QU Di1，2*,JI Jing-yuan1，2,BAI Guo-ren1，2
(1.Tianjin H-Chip Technology Group Corporation,Tianjin300467； 2.Innovation Center of Advanced Optoelectronic Chip,
Institute for Electronics and Information Technology in Tianjin,Tsinghua University,Tianjin300467,China)
Abstract Aiming at Spinel micro-sized particles,the technology was improved based on the traditional TEM sample preparation method,and the high-quality spherical aberration corrected TEM(AC-TEM)samples were successfully prepared focused ion beamscanning electron microscope dual-beam device(FIB-SEM).The atomic structure of Spinel micro-sized particles was successfully observed by spherical aberration corrected TEM,which lays a foundation for further research on the structure and properties of Spinel micro-sized particles.
Keywords FIB-SEM；micro-sized particles；spherical aberration corrected TEM sample
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