透射电子显微镜样品制备所产生的污染的控制方法与流程

本揭示内容涉及透射电子显微镜(tem)样品制备技术领域，具体涉及利用聚焦离子束系统(fib)进行透射电子显微镜样品制备过程中控制样品污染的方法。

背景技术：

近在触控屏以及集成电路等半导体领域，随着线路的精细化，对分析精度要求更高。透射电子显微镜具有高分辨的优势，得到广泛应用。但透射分析对样品质量要求较为严苛，相比于传统的离子减薄、电解双喷、超薄切片等透射样品制样方式，聚焦离子束系统有其独特的优势，可实现定点取样，对于制备一些微器件的透射样品比较方便。

然而，利用聚焦离子束系统进行透射样品制备过程中，样品存在污染问题，影响样品质量。主要污染来自：一、基底污染，由于样品与铜片接触，故在减薄过程中，在样品减薄同时离子束对铜片轰击，导致在减薄末期出现铜反沉积到样品底部的状况，对样品造成污染；二、辐照损伤污染，由于离子束具有能量，在减薄过程中对样品会产生损伤污染层。

图1a示出了以习知的方式将待测元件样品固定在支撑铜片上的方式。习知的制样方式将样品与支撑铜片经由钨沉积而焊接固定。样品底部有部分会与支撑铜片直接接触或是经由钨而间接接触，导致减薄过程中铜会反沉积而污染样品。

图1b示出了以习知的方式将待测元件样品固定在支撑铜片上之后制备完成的样品的影像，可观察到样品中有许多浅色的斑点，这显示样品可能有污染问题。图1c示出了图1b的样品使用能谱仪分析所得的影像，确认污染物的主要成份为铜元素。

图2a绘示以聚焦离子束系统制备的样品的示意图，显示了样品10的第一侧12和第二侧14具有辐照损伤。由于透射电子显微镜样品需要两面减薄，最终得到一个厚度较小的薄样；然而，辐照损伤的存在使得样品两侧各形成一层损伤层，影响透射电子显微镜的讯号，给样品纳米结构的分析带来困难。图2b示出了以习知的方式用聚焦离子束系统制备样品后的透射影像，可见样品的结构失真，无法精确的分辨样品的结构。

透射电子显微镜样品的质量决定了是否能实现透射高分辨、衍射等分析，以及决定了提高成分分析的准确性。因此，针对透射样品制备中存在的污染问题，在样品制备过程中，如何优化减薄的方式，控制样品污染的产生成为样品制备技术领域亟待解决的问题。

技术实现要素：

为解决透射电子显微镜样品制备时易发生污染的问题，本揭示内容的一方案经由在减薄处理前，将样品固定于支撑铜片且使样品的待测区域的底部不会与支撑铜片接触，因此减少了离子束轰击到支撑铜片所造成的加工污染。更进一步地，在样品减薄后，再以低电压清洁处理样品的两侧，以减小甚至消除离子束所产生的辐照损伤污染。

本揭示内容提供的一技术方案为一种透射电子显微镜样品制备所产生的污染的控制方法，包含：在待测元件的预设样品区域上方沉积保护层；切断预设样品区域以得到样品，所述样品具有待测区域；将样品转移且固定到支撑铜片上，其中样品的待测区域的正下方不与支撑铜片接触；以离子束将样品的待测区域减薄；以及对待测区域进行低电压清洁处理。

本揭示内容的技术方案达到的有益效果为使得样品的基底污染和辐照损伤污染的程度减小，因此可以得到更高精度解析的待测元件样品的显微结构影像。

附图说明

本揭示内容的各方面，可由以下的详细描述，幷与所附图式一起阅读，而得到最佳的理解。值得注意的是，根据产业界的普遍惯例，各个特征并未按比例绘制。事实上，为了清楚地说明和讨论，各个特征的尺寸可能任意地增加或减小。

图1a示出以习知的方式将样品固定在支撑铜片上的影像。

图1b示出以习知的方式制备的样品的影像。

图1c示出利用能谱仪分析图1b的样品的结果。

图2a绘示以聚焦离子束制备的样品的示意图。

图2b示出具有明显的辐照损伤的样品的影像。

图3为根据本揭示内容的一些实施方式，制备透射待测元件样品的方法的流程图。

图4为根据本揭示内容的一些实施方式，以聚焦离子束系统制备样品的过程中的一步骤的影像。

图5为为根据本揭示内容的一些实施方式，以聚焦离子束系统制备样品的过程中的一步骤的影像。

图6a为根据本揭示内容的一些实施方式，将样品的侧边固定于支撑铜片的侧壁的示意图。

图6b为根据本揭示内容的一些实施方式，将样品的侧边固定于支撑铜片的侧壁的影像。

图6c为图6b的样品减薄处理后的影像。

图7a为根据本揭示内容的一些实施方式，在支撑铜片上形成凹坑的影像。

图7b为根据本揭示内容的一些实施方式，将样品固定于支撑铜片的凹坑两侧的示意图。

图8为根据本揭示内容的一些实施方式，以聚焦离子束系统制备样品的过程中的一步骤的影像。

图9a为低电压清洁处理前的样品的高分辨影像。

图9b为低电压清洁处理后的样品的高分辨影像。

图10为根据本揭示内容的一些实施方式所制备完成的样品影像。

图11根据本揭示内容的一些实施方式所制备的样品的衍射分析影像。

图12为根据本揭示内容的一些实施方式所制备的样品的高分辨分析影像。

图13a至图13f为根据本揭示内容的一些实施方式所制备的样品成分面分布分析影像。

符号说明

10:样品

12:第一侧

14:第二侧

100:方法

110:步骤

120:步骤

130:步骤

140:步骤

150:步骤

210:样品

220:支撑铜片

222:样品柱

310:样品

320:支撑铜片

322:样品柱

324:凹坑

具体实施方式

为了使本揭示内容的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图、实施方式、和实施例，对本揭示内容进一步详细说明。应当理解，本文所描述的具体实施方式和实施例仅用以解释本揭示内容，并不用于限定权利要求的范围。

请参看图3，绘示根据一些实施方式，制备透射电子显微镜的样品的方法100的流程图。

在方法100的步骤110中，在待测元件的预设样品区域的上方沉积保护层。保护层用以在后续的减薄过程中，避免离子束跟样品的上部分接触，导致样品的上部分的最表层损耗掉。在一些实施方式中，保护层为碳或钨，厚度为1至2微米。在一些实施方式中，通过控制束流及时间获取足够的保护层。请参看图4，示出保护层沉积在待测元件的预设样品区域上方的影像。

在方法100的步骤120中，切断预设样品区域以得到样品，亦即获取此待测元件的感兴趣区域(roi)，样品中包含了透射电子显微镜观察时的待测区域。在一些实施方式中，采用u型切断获取待测元件的样品，利用离子束将预设样品区域的底侧和侧面切断。请参看图5，示出正在以u型切断的方式处理预设样品区域时的影像。

在方法100的步骤130中，将样品转移且固定到支撑铜片上，其中样品的待测区域的正下方不与支撑铜片接触。换言之，样品的待测区域的正下方的底部处不会接触到支撑铜片，亦不会经由沉积的钨层而间接接触到支撑铜片。其中，在聚焦离子束系统中原位提取样品，之后利用样品杆将样品转移到支撑铜片上。

本揭示内容提供了两种将样品固定到支撑铜片的方式，以减轻基底污染。

在一些实施方式中，利用支撑铜片的侧壁进行样品制备，将样品的侧边经由钨沉积而固定在支撑铜片的侧壁。因此，样品的底部处于悬空状态。请参看图6a，绘示将样品的侧边固定在支撑铜片的示意图。样品210的一侧边固定在支撑铜片220的一样品柱222的侧壁上。图6b示出了样品以单边固定在支撑铜片时的影像。

在另一些实施方式中，对支撑铜片进行预处理，形成凹坑，之后经由钨沉积将样品固定在凹坑两侧。图7a的影像示出了支撑铜片上所形成的凹坑。图7b示出了将样品固定于支撑铜片的凹坑两侧的示意图。支撑铜片320的样品柱322具有一凹坑324，样品310的底部横跨凹坑324的两侧。

进一步而言，在后续的减薄处理中，离子束减薄样品的待测区域处的样品的两面(亦即前侧和后侧)，例如可参见图8，在图8的影像中，中间较薄的区域为样品的待测区域。在一些实施方式中，支撑铜片上的凹坑的尺寸略大于样品的待测区域。

在一些实施方式中，凹坑的尺寸为(5至12微米)x(5至12)微米，例如，例如8微米x8微米，或10微米x10微米。在一些实施方式中，在将样品转移前，选择合适的离子束束流，例如60至70na，在支撑铜片上溅射出一凹坑。

之后，请再参看图3，方法100的步骤140中，以离子束将样品的加工区域减薄。样品的减薄过程可能分成数个阶段，例如预减薄、粗减薄、精减薄等，将样品减薄至小于100纳米的厚度。在一些实施方式中，以30至50kev的加工电压，例如40kev的加工电压，分别地处理样品的前侧和后侧。

在一些实施方式中，当样品的固定方式为以侧边固定在支撑铜片时，在进行减薄处理时，离子束的加工方向为“自上而下”，分别地减薄样品前侧和后侧。因样品与铜片底部距离较远，因此在减薄时离子束不会加工到铜片，避免产生铜的反沉积。因此，可避免来自支撑铜片的基底污染。图6c示出了图6b的样品减薄后的影像。

在另一些实施方式中，当样品的固定方式为固定在支撑铜片的凹坑的两侧时，在以离子束进行减薄时，在最终减薄过程中，需适当选择样品小于凹坑宽度的区域进行减薄。通过控制离子束的加工深度及样品的倾转角度，可使得离子束不会加工到铜片。或者，控制减薄处理时的加工的宽度也可实现离子束不会加工到铜片的效果。

之后，在方法100的步骤150中，进行低电压清洁处理。由于辐照损伤污染与进行减薄时的加速电压有关。因此本揭示内容通过增加低电压清除处理，可有效消除辐照损伤污染。在一些实区方式中，进行低电压清洁处理时，样品的倾转角度为±(5至10度)，加速电压为3至8kev，停留时间为1至10微秒，加工时间为30秒至30分钟。例如，在一实施例中，分别地对样品进行前后倾斜10度，一侧的加工方向为由上往下，另一侧的加工方向为由下往上，加速电压为5kev，光阑孔为80微米，停留时间为3微秒，加工时间为1分钟，分别地对样品的前侧和后侧进行低电压清洁处理。

图9a示出了一样品在以低电压清洁处理前的高分辨影像。图9b示出了此样品在以低电压清洁处理后的高分辨影像。显示清洁后样品微观结构更清晰，说明辐照损伤污染得到明显的减小。

图10为一制备完成的样品的影像，显示样品的待测区域结构完整，无形变，符合透射电子显微镜的样品需求。

本揭示内容的实施方式可有效避免污染对透射电子显微镜影像造成的干扰，改善制备的样品品质，可实现原子的排列观察，及纳米尺度上对成分进行分析，实现透射高分辨、衍射等分析及提高成分分析的准确性，例如以下图11至图13f的影像所示。

图11示出样品衍射分析结果。可见因为制样所产生的污染减小，因此得到质量高的样品，之后得到清晰高品质的影像。

图12示出为样品的高分辨分析影像。因为制样所产生的污染减小，因此得到质量高的样品，之后得到清晰高品质的影像，可显示样品的微观结构。

图13a至图13f示出了一样品的成分面分布分析影像，其中图13a为二次电子影像，图13b为钛(ti)分布影像，图13c为铝(al)分布影像，图13d为氧(o)分布影像，图13e为碳(c)分布影像，图13f为氮(n)分布影像。图13a至图13f显示样品的影像清晰，没有基底元素污染所引起的杂讯並且降低了辐照损伤的影响。

综上，本揭示内容的实施方式和实施例在不降低透射电子显微镜样品制备效率的情况下，控制样品制备时的基底污染和辐照损伤污染，从而减小在制样过程中所产生的污染对影像所造成的干扰和影响，有效地提高了所制备的样品的质量，满足高精度解析的需求。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式和实施例而已，幷不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。