摘要：截面样品的制备是采用透射电镜（TEM）观察薄膜微结构的关键之一，本文分析了离子减薄法生产薄膜截面TEM试样成功率较低的原因，对原方法作了改进，提出粘贴优半圆环阻挡单边离子束的方法，本实用新型提供了一种避免正面轰击待观测膜的膜断面TEM试样的制作方法，其不但操作简单，还能显着提高制样成功率。
气相沉积薄膜在现代工业和高科技领域内得到越来越多的应用。由于气相沉积薄膜厚度仅为微米量级，甚至达到纳米量级，加之具有极细密的非平衡结构，因而其微结构的表征是非常困难的。透射电子显微镜（TEM）的高分辨率以及所附属的能谱仪（EDS）、电子能量损失谱仪（EELS）等功能，使其成为薄膜微结构分析表征最有力的仪器设备。
根据入射电子束方向，薄膜TEM表征有平面观察与截面观察2种形式。通过比较发现截面观察能够得到比平面观察更多关于薄膜生长形貌和与界面关系方面的数据，但是截面观察试样制备要比平面试样困难得多，正是这一难点，制约着截面观察方法用于薄膜TEM表征。
在当前众多薄膜截面样品制备手段中离子减薄法使用最多，尽管有大量文献对其步骤及细节进行了描述，但用这种方法得到截面样品，成功率较低。为此，小编分析了离子减薄法制备薄膜截面TEM样品成功率低的原因，并对现有的工艺进行了改进，大大提高了薄膜截面TEM样品制备的成功率。
现有薄膜截面TEM样品制备
成功率低的原因分析
现有薄膜截面TEM样品制备方法的典型工序如下：
1、从带有薄膜的金属基片上采用电火花线切割获得2个约Φ2mm的圆柱，使膜面位于柱体的平面；
2、2个圆柱与膜面相对粘一个圆柱，柱体外圆面涂胶后，插入直径Φ2mm左右、外径Φ3mm左右的金属管（铜、不锈钢等）内，固化；
3、用金刚石锯片将Φ3mm的柱状样品切割成厚度为0.3~0.5mm的薄圆片；
4、薄片样品研磨变薄到50~70μm时，再进一步用凹坑研磨方法将样品中心的凹坑磨掉，直到样品凹坑底厚度10μm左右；
5、最后采用离子减薄仪对样品的凹坑底部进一步减薄直至获得厚度为30·50nm的薄区供TEM观察。
尽管以上方法已经较为成熟，但用此法制备薄膜截面TEM样品成功率不高，表现为样品薄取时很难发现待测薄膜，因其往往在离子减薄时受到轰击。对此，作了以下的成因分析。
当离子变薄后，离子束由上、下两个面分别轰击转动中试样的近中心部位，其间处于试样中心部位的粘结缝始终被离子束以各种角度轰击着。见图1（a），减薄开始时试样粘缝及两边薄膜与基体减薄速率不一致，粘结胶通常因减薄速率高而首先被轰击掉，使得粘缝两侧的薄膜因失去了粘结胶的保护而在离子束的直接轰击下被去除，如图1（b）所示。最终的样品只能靠偶然残留下的薄膜获得可供观察的机会。
通过上述分析表明：由于薄膜截面只有2条微米量级直线，所以它的宽度最小，只在粘结缝两边有，粘结胶轰击脱落时，离子束会通过所形成的缝隙直接轰击薄膜表面使制样成功率显着下降。因而，屏蔽离子束在减薄最后阶段对膜面的直接轰击是提高样品制备成功率的关键所在。
改进的薄膜截面TEM样品制备方法
保护薄膜，使之在减薄最后阶段免受离子束的直接轰击，除制样前能在薄膜上预镀厚保护层外（金属或陶瓷等），或者使用离子束不灵敏的粘结胶，使之不会受到事先轰击而脱落，还可以通过在Φ3mm的TEM样品上粘贴一个阻挡离子束轰击的优半圆环，即“优半圆环贴片法”（优半圆是指圆周弧超过半圆的大半圆环）。
如图2所示，按现有方法获得Φ3mm的截面样品并将其厚度研磨减薄至约5μm后，在样品的一侧粘上一个Φ3mm的优半圆环，该环的圆周弧超过半圆（约200°），厚度约30μm，内经1~1.5mm（视减薄时采用的离子束入射角而定）。该种优半圆环可以通过电火花线切割方法加工获得，也可采用市场购得的TEM制样圆环自行修剪出所需弧度。
粘环过程中优半圆环圆周角等分线需要垂直于试样粘结缝，同时注意避免粘结胶对试样造成污染。由于优半圆环涵盖Φ3mm试样的大部分粘结缝（包括环缝对接直缝）而使试样结构稳定性增强。凹坑研磨应从样品未粘优半圆环的一侧进行，而粘环面的不平整并不重要，因为用于固定的松香可作为其支撑。
对于粘贴优半圆环的样品，在离子减薄初期，可按通常的减薄方法进行，即采用两个离子束分别从样品的粘环面和未粘环面同时进行大角度（6°~7°）的轰击，至样品即将穿孔时，再将两个离子束调整为同时从样品额粘环面进行小角度（3°~4°）的轰击减薄。
这时，因优半圆环屏蔽作用而从优半圆环方向向外发射的离子束并不轰击对缝远端的膜，如图3（a）；而优半圆环缺口方向发射的离子束将对该侧薄膜及基体产生减薄效果（以及同时正面轰击优半圆环近侧面薄膜）。
由此，虽然最终样品优半圆环近侧的薄膜已被轰击掉，但优半圆环远侧的薄膜则可得以保留并获得可观察的薄区，如图3（b）所示。
应用举例
以下为制样实例，待观察薄膜为沉积于不锈钢基体上的Al-Zr固溶体纳米多层膜，多层膜的总厚度约为1.5μm，周期性沉积的两种调制层分别由低锆含量（锆原子分数为3.3%）和 高锆含量（锆原子分数为18.3%）的Al-Zr合金组成，各调制层的厚度均为纳米量级，只有截面TEM才能表征该种纳米多层膜的调制结构。
图4是贴有优半圆环的试样中心经过离子减薄处理后在光学显微镜下的形态。可见粘结缝中部粘结胶已被轰击（缝中浅色区域），但两侧材料表现出不同轰击效果，包括上部薄膜和邻近一些基材已被轰除，而下侧薄膜因优半圆环遮挡还保留着少量粘结胶（黑色）和它与基体之间的薄膜，从中有机会发现可以观察到的薄区。
图5给出了Al-Zr固溶体纳米多层膜截面的结构，图中低锆含量的晶体调制层厚度约为15nm，高锆含量的非晶调制层厚度约为1~2nm。尽管平衡态锆无法固溶在铝晶体中，但是气相沉积非平衡特征导致含原子分数为3.3%锆合金比饱和固溶体合金更容易形成，这些固溶体是呈柱状晶形式长大，晶粒直径在5nm左右，由于长大受高锆含量非晶层约束，所以这些柱状晶高度不应大于调制层厚度，同样在15nm左右。
结束语
对已有薄膜截面TEM制样工艺进行了分析，发现离子减薄最后一步因粘结胶受到轰击而脱落，离子束直接轰击薄膜是制样成功率不高的一个重要原因。
基于这一分析，提出了一种在样品上粘结优半圆环的改进方法，该方法与现有TEM制样工序有较好的相容性，简单易行，且实践证明可大大提高薄膜截面TEM样品的制样成功率。
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