用于关联原子分辨率层析成像分析的可延展薄片的的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种形成可用于透射电子显微术和原子探针显微术的样品的过程。
【背景技术】
[0002]层析成像术是一种迅速发展的成像技术，其在非常不同的领域(诸如医学、牙科学、生物学、环境学、毒理学、矿物学、和电子学)中有着广泛应用。层析成像术是使用各种工具(诸如，X射线系统、透射电子显微镜(TEM)、扫描透射电子显微镜(STEM)、和/或原子探针显微术(APM))形成样品的3-D图象的过程，以获得各种类型的信息，诸如例如样品的原子结构和化学分析。3-D层析成像术数据集通常从光子(例如，光学的或X射线)或电子显微镜通过重建一系列在不同角度穿过样品得到的2-D投影图像来获得，或者在APM的情况下通过根据撞击位置敏感检测器的一序列场蒸发原子来重建体积而获得。
[0003]TEM和STEM允许观察者看到非常小的纳米级上的特征，并允许样品的内部结构的分析。为方便起见，提及的TEM和STEM将由“S/TEM”这一术语来表明，并且提及的制备用于S/TEM的样品应理解为包括制备用于在TEM或STEM上观察的样品。样品必须足够薄以允许射束中的许多电子穿过样品并在相对侧出去。薄的S/TEM样品通常从大块样品材料上切下，并被称为“薄片”。薄片一般小于10nm厚，但对于某些应用薄片必须显著地更薄。在S/TEM层析成像术中，电子束以增加的旋转度数通过所述薄片从而穿过薄的样品形成一系列倾斜的二维投影，根据该二维投影可以构建原始结构的三维渲染。
[0004]原子探针显微镜(APM)通常包括样品载片，电极，和检测器。在分析期间，样品由试样载片承载，并且正电荷被施加到所述样品。所述样品通常是具有缩小针形尖端的支柱的形式。检测器与样品隔开，并且接地或带负电。所述电极位于所述样品和检测器之间，并且接地或带负电。电脉冲和/或激光脉冲间歇地施加到样品上，以引发在针尖端的原子电离并从所述样品分离或“蒸发”。电离的原子、分子、或原子簇通过所述电极的孔隙并冲击检测器的表面从而产生被检测到的离子或“计数”。电离原子的元素特性可以通过测量它在针表面和检测器之间的飞行时间来确定，该时间基于电离原子的质量/电荷比而变化。电离原子在针表面上的位置可以通过测量检测器上的原子冲击的位置来确定。因此，当样品蒸发时，可以构造样品组分的三维图谱。
[0005]S/TEM提供更好的结构数据，而APM提供更好的成分数据。来自单独使用的S/TEM或APM的不同层析成像数据阻碍了最优的材料分析。关联S/TEM和APM层析成像术利用来自S/TEM和APM两者的数据以从样品获得有价值的结构和化学信息。数据的质量可以根据样品的各个方面(诸如例如大小、形状、和密度以及在被分析的体积中特征的组分和空间分布)而发生变化。目前的关联S/TEM和APM层析成像术通常使用柱状针形样品，其名义上是圆柱形并且含有感兴趣的区域(ROI)。由于例如样品厚度和特征-模糊投影效果，来自柱状样品的层析成像系列中的每个单独S/TEM图像的质量比利用薄片样品可以实现的质量稍低。来自APM层析成像术数据采集实验的数据质量在很大程度上取决于横跨样品的不同区域的元素的三维排列。在一般情况下，APM样品中的元素是非均匀的，实际上导致样品横跨样品的场蒸发部分具有杂乱的蒸发场数量和分布，其中的每个区域必须形成名义上的半球形形状以同时满足控制场蒸发的基本方程=Ei= kV/r i，其中Ei是APM样品的表面的第i个元素的蒸发场，1^是APM样品的表面的第i个元素的半径，V是在数据采集实验中在任何特定时间施加到样品上的电压，并且k是在很大程度上依赖于电极和样品的几何形状的比例常数。在所述APM样品的表面上的任何一个或多个场蒸发元素无法满足所述场蒸发方程的要求的情况下，样品可能会以无法控制的方式(不与电压或激光脉冲关联)自发地蒸发，从而导致数据错失(artifact)或样品的灾难性断裂。此外，可能难以形成ROI的不可见或隐藏特征在支柱内适当定位的柱状样品。将使用柱状样品的S/TEM和APM相关联的再另外一个缺点是:在APM数据集的视场被限制到所形成的柱状样品内部的50%左右的情况下，在S/TEM数据质量和APM中的分析体积之间存在折衷。另外，对于成功经过ROI的那些APM运行，在原始数据中经常有显著失真和错失，其在分析的重建或数据渲染阶段期间不能充分地校正。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)中对在APM数据采集、重建和分析中的当前问题进行了描述。关联S/TEM和APM的层析成像术的另一个问题是，先进的S/TEM成像和分析技术(诸如例如，全息摄影术、微分相位对比，相位-板对比增强，以及甚至晶格成像和分析)很大程度上与柱状样品不兼容。
[0006]发明概述
[0007]因此本发明的目的是提供一种改进关联S/TEM和APM分析的分析系统。
[0008]在一些实施方式中，用于关联S/TEM和APM的层析成像术的样品提供具有S/TEM的微观精度和分辨率以及APM的化学灵敏性的质量数据。
[0009]在一些实施例中，制备实现位点特定S/TEM和APM分析的试样，其可以在广泛的工业相关材料中持续地产生高分辨率的S/??Μ倾斜系列数据和最小失真的APM的数据。所述样品优选定位到S/TEM-和APM-兼容的样品保持器上，以使得包含感兴趣区域(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分析的针形样品。这提供了 ROI的新样品形式，其位于嵌入在用于APM的针形样品内的薄片中。
[0010]一些实施例还提供了形成用于关联S/TEM和APM的层析成像术的APM侧的针形样品的方法。含有ROI的薄片从大块材料形成，并涂布有选定材料来表现(compliment)ROI的元素成分的场蒸发属性。涂布步骤完成后薄片被形成为用于利用APM分析的针形样品。
[0011]一些实施例还提供了执行关联S/TEM和APM分析的方法。含有ROI的样品从大块样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图像。薄片样品和载片可以可选地被清洁，以移除在S/TEM成像时间和后续的用于APM分析的样品再处理之间累积的任何污染物。然后，含有ROI的薄片嵌入所选择的材料中，并且形成为针形样品。随后利用APM分析所述针形样品，并且所得数据与S/TEM数据合并和相关联。
[0012]尽管薄片可以用于S/TEM分析，根据本发明的一个实施例制备的样品提供了改进的APM数据，并且可以在APM上进行分析而且不用在S/TEM上观察。
[0013]前面已经相当广泛地概述了本发明的特征和技术优点以便随后的本发明的详细描述可以被更好地理解。本发明的附加特征和优点将在下文描述。本领域技术人员应当理解的是，公开的概念和具体的实施例可以容易地用作修改或设计用于实施本发明相同目的的其它结构的基础。本领域的技术人员还应当认识到，此类等效构造并不脱离如在所附的权利要求中阐述的本发明的精神和范围。
【附图说明】
[0014]为了更全面地理解本发明及其优点，现在参考与附图一起做出的以下描述，其中:
[0015]图1示出了用于从基片制备用于TEM分析的样品薄片的初始取向的FIB系统。图2A-2C示出了以各个取向定位在载片上的样品薄片。
[0016]图3示出了具有材料涂层的样品薄片。
[0017]图4是类似于图3的视图，示出了感兴趣区域将如何被定位于针形样品的尖端内。
[0018]图5是具有位于针尖端内的感兴趣区域的针形样品的程式化视图。