离子束抛光技术

离子束抛光是通过高能离子束轰击指定区域,从而达到样品表面抛光的效果。这种方式可以有效去除表面材料,但是也会导致离子注入损伤,产生非晶层或引起晶体结构改变。离子束抛光可以分为常规的离子抛光和聚焦离子束抛光。

离子抛光是在真空条件下,利用高能离子束轰击样品表面指定区域,达到抛光的效果。离子轰击可以去除样品表面物质,但是也会由于离子注入而形成非晶层。因此,样品旋转,束流能量和轰击角度都非常重要。通常,采用样品旋转和减小离子束轰击角度,可以获得比较均匀刻蚀,并使样品损伤程度最小。但是对于某些特定取向的晶粒,晶界和物相有可能会产生不同的刻蚀速率。离子抛光技术可以获得相对较高效的刻蚀效率,也可以通过类似气态碘等反应气体来提高刻蚀效率。反应废气的排出需要妥善处理,以保证无害化,详情请参考设备供应商的操作手册。

离子抛光无需太多前处理,就能制备出适合EBSD分析的样品,特别是对于传统金相方法很难制备的样品,比如:锆及其合金材料。

钛合金的离子抛光效果: 左图为机械抛光,右图为离子抛光。

钛合金的离子抛光效果: 左图为机械抛光,右图为离子抛光。

需要注意的是,离子抛光是一种比较剧烈的过程,可能会对样品表面造成损伤。样品倾斜和旋转可以尽可能减弱这种影响。在上述示例中,随着离子抛光过程的进行,已经出现了比较明显的刻蚀和表面浮凸。

离子研磨Mg样品的背散射电子图像。离子研磨Mg样品的EBSD花样。离子研磨Mg样品的IPF面分布图。
EBSP from ion milled magnesium
Inverse pole figure map from ion milled magnesium

镁合金的背散射电子图像、EBSD花样和IPF-Z取向面分布图

聚焦离子束是类似SEM的技术,它采用激发的离子束代替电子束成像。离子束可以气化样品表面材料,实现样品微加工,制备表面沟槽,去除镀层等操作,也可以剥离样品截面或感兴趣的表面,用来成像或EBSD分析。通常,聚焦离子束结合电子束组合成双束电镜或FIB-SEM,这样电子束和离子束可以聚焦在样品的同一区域,可以实现在高真空条件下,原位制备、观察样品。尤其是对于那些容易发生反应或氧化的特殊材料,常规的制备方法不再适用。FIB也可以制备那些对于常规制样方法来说太过柔软的材料。.

因为FIB制备的样品表面在微观尺度上直接适合EBSD分析,无需进一步的处理或调整,所以特别适合半导体行业的样品制备,这种小尺度的元器件对于传统常规制备方法的来说太困难。

在最近的十几年中,FIB-SEM技术得到了显著的发展,可以为不同的应用,提供不同的离子束。

最常见的离子源,是Ga(FIB)和Xe(Plasma FIB),当然还有其他不同的选择。

Xe离子束可以提供更快速的刻蚀速率,因此可以比Ga离子束制备更大的样品。最新进展还将聚焦离子束与飞秒激光(Laser FIB)结合,从而可以获得覆盖从mm到nm尺度的更大范围的材料加工解决方案。

SEM-FIB法制备的金丝截面
金线的EBSD衍射带对比度图
金线的EBSD反极图面分布图

FIB-SEM制备金线截面,花样衬度面分布图和IPF-Z取向面分布图。

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