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使用寬離子束研磨技術為電子背散射衍射(EBSD)分析制備微電子和復合材料的高質量樣品
本文介紹了一種使用寬離子束研磨技術為“混合"晶體材料制備可靠且有效的EBSD(電子背散射衍射)樣品的方法。該方法產生的橫截面具有高質量表面,這對于EBSD分析至關重要。電子背散射衍射(EBSD)材料分析是通過掃描電子顯微鏡(SEM)進行的。制備混合材料(CPU或鋁(Al)、金剛石和石墨(C)的復合材料)的橫截面,使其具有適合EBSD分析的高質量表面,可能是一個挑戰(zhàn)。
EBSD分析是什么?
電子背散射衍射(EBSD)是一種掃描電子顯微鏡(SEM)技術,可用于研究晶體材料的結構[1-4]。它被稱為“表面"技術,因為背散射電子的衍射僅發(fā)生在樣品表面幾十nm范圍內。因此,為了獲得EBSD圖像,樣品表面應該是晶體結構,并且沒有因制備過程造成的任何損傷或污染。
EBSD樣品制備的挑戰(zhàn)
通常,為了對材料的特定區(qū)域(如橫截面)進行分析,會使用聚焦離子束(FIB)等方法進行制備。然而,當使用如EBSD等技術時,這些方法通常無法對“混合"或復合材料進行準確可靠的分析。問題在于表面以下的變形,這會導致簾幕效應 [5]。這種效應對于多相復合材料尤其成問題,因為每種材料具有不同的性質和研磨行為 [5]。FIB制備可能導致各種材料厚度不同,并使得到的樣品表面出現(xiàn)線條或變得不規(guī)則和粗糙(窗簾效應)。
方法
1
材料
分析的樣品來自一個M4 CPU(計算機的中央處理單元),其中包含嵌入在硅(Si)基體中的金(Au)線和鎢(W)(參見圖1a),以及由鋁(Al)、金剛石和石墨(C)組成的復合材料(參見圖1b) [6]。使用以下描述的方法制備了這些材料的橫截面。
圖1:a) 從中獲取CPU樣品的PCBA(印刷電路板組裝件)。b) 使用掃描電子顯微鏡(SEM)通過二次電子發(fā)射拍攝的Al/金剛石/C材料表面的概覽圖像。
2
通過寬離子束研磨的斜面切割制備橫截面
樣品橫截面首先通過鋸切、機械研磨、磨削和拋光進行制備,這些步驟在EM TXP(參見圖2a)上進行,以便在極短的時間內到達感興趣的區(qū)域 [5]。然后,使用EM TIC 3X(參見圖2b)進行寬離子束研磨,以獲得一個高質量的橫截面表面,該表面已準備好進行EBSD分析 [6,7]。
圖2:a) 為了到達感興趣的區(qū)域,首先使用EM TXP進行基礎橫截面切割,持續(xù)20分鐘。b) 然后,為了獲得高質量的橫截面表面,使用EM TIC 3X進行了寬離子束研磨;金線的制備需要3小時,而鋁/金剛石/碳材料的制備需要6小時。
3
成像與分析
使用ARGUS FSE/BSE(前向/背散射電子)系統(tǒng)對樣品橫截面進行SEM成像和EBSD分析。
結果
1
電子元件:CPU
EBSD分析僅針對CPU的Au線中高度變形的區(qū)域進行(參見圖3a)。FSE圖像顯示存在一定的簾幕效應,但是,地圖數(shù)據(jù)(特別是EDS超圖和平均錯位和核映射)均未顯示任何可察覺的簾幕效應,即沒有遵循簾幕效應的結構(請參見下面的圖3)。因此,地圖數(shù)據(jù)表明,寬離子束研磨能夠制備出高質量的橫截面表面,因為它沒有造成明顯的亞表面損傷。
圖3:a) 處理器的XRF(X射線熒光)分析,其中高度變形的Au線相關感興趣區(qū)域以紅色突出顯示。b) 感興趣Au線區(qū)域的BSE圖像和來自不同區(qū)域的EBSD圖案,從上到下:Si、W、更變形的Au和較少變形的Au。c) ARGUS彩色編碼FSE圖像,顯示一定程度的簾幕效應,方向以黃色突出顯示。d) 同時進行的EBSD/EDS分析的EDS HyperMap。e) EBSD晶粒尺寸分布圖(Au的索引率為98%)。f) 顯示應變局部化的平均錯位映射。g) 錯位核映射。
2
復合材料:鋁/金剛石/石墨
使用BSE成像、EDS(能量色散X射線光譜)和EBSD,沿X軸進行相和逆極圖(IPF)映射,檢查了Al/金剛石/C復合材料的橫截面。結果表明,鋁基體、石墨片和金剛石顆粒的表面制備質量很高,沒有明顯的窗簾效應(請參見下面的圖4)。
圖4:a) 使用TXP和TIC 3X制備后的ARGUS FSE/BSE圖像。b) 金剛石、c) Al和d) 石墨相的EBSD模式。e) 顯示制備表面總大小為3 mm的SEM圖像(使用二次電子拍攝)。f) EBSD/EDS分析的圖案質量映射。g) EBSD相圖顯示了高索引率,即使在石墨片上也是如此,其中石墨顯示為藍色,金剛石顯示為紅色,Al顯示為綠色。h) 對應的IPF-X / EBSD沿X軸的取向映射。
結論
盡管聚焦離子束(FIB)技術通常用于材料樣品的特定位置制備,但由于引入了亞表面變形和簾幕效應,它通常無法成功進行EBSD分析。對于多相復合材料來說,這一點尤其正確。在這里,我們證明了寬離子束研磨允許同時高質量地制備硬材料和軟材料。通過結合使用EM TXP和EM TIC 3X,用戶可以在短時間內從具挑戰(zhàn)性的“混合"或復合晶體材料中制備出高質量、大面積的樣品。當使用EBSD分析這些樣品時,可以獲得有用的結果。
致謝
我們要感謝Andi Kaeppel和Roald Tagle為圖3a中展示的金絲綁定的M4 CPU處理器照片做出的貢獻。
參考文獻:
1.Gang Ji, et al.: Materials Characterization 89: 132–37 (2014).
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