本發(fā)明涉及一種對樣品進(jìn)行電子衍射圖案分析的方法。在例如聚焦離子束掃描電子顯微鏡等設(shè)備的真空腔體中原位執(zhí)行該方法。

背景技術(shù)：

在掃描電子顯微鏡(SEM)中，聚焦電子束對試樣表面進(jìn)行光柵化處理。在光柵上的每個點處，電子檢測器用于記錄因已從試樣上散射或發(fā)射出的電子而變化的信號，并因此形成光柵化視場的圖像。當(dāng)試樣表面出現(xiàn)例如顆?；騼?nèi)含物等小物體或特征且要分析該特征時，聚焦電子束被引導(dǎo)至該特征上，并且發(fā)射出X射線。X射線譜可以被合適的檢測器采集，并用于識別出現(xiàn)在特征中的化學(xué)元素。不同類型的電子檢測器可以用于記錄低能二次電子(在低能二次電子中，信號被試樣形貌強(qiáng)烈影響)或高能散射電子(在高能散射電子中，信號被材料的平均原子序數(shù)強(qiáng)烈影響)。然而，如果該特征正好包含結(jié)晶材料，則這些信號都不提供關(guān)于晶體結(jié)構(gòu)的任何信息。

許多種具有相同化學(xué)成分的化合物可能具有不同的晶體結(jié)構(gòu)并且表現(xiàn)不同(例如，TiO₂的不同形式)。此外，結(jié)晶結(jié)構(gòu)可能表明材料在何種條件(例如，溫度和壓力)下形成，這在法醫(yī)調(diào)查中可能是有用的。如果特征是結(jié)晶的，則沿非常特定的方向行進(jìn)的一些電子和X射線將被晶面反射。因為通過入射束的光柵掃描來以連續(xù)方式形成SEM圖像，所以SEM中使用的X射線和電子檢測器通常是非成像的。然而，對于通常配備有熒光粉的合適攝像機(jī)，如果特征處于攝像機(jī)的直接視線中，則可以采集因電子或X射線衍射(菊池(Kikuchi)或科塞爾(Kossel))而形成的圖案的圖像。在任何時間存在的聚焦電子束下，圖案與材料對應(yīng)。

可以使用通常如圖1所示的幾何結(jié)構(gòu)得到電子背散射衍射(EBSD)圖案，其中，該圖案由從試樣表面正下方散射出的電子形成，這些電子被幾十個納米級的試樣表面中的結(jié)晶層布拉格衍射。樣品的較大傾角改進(jìn)了圖案對比度。在圖1中，EDS是X射線檢測器。EBSD是用于采集通過使電子撞擊熒光屏而形成的電子衍射圖案的攝像機(jī)。BSED和FSED是這樣的固態(tài)電子檢測器：其定位為檢測相對于向下行進(jìn)并以20度的角度撞擊樣品的入射聚焦電子束的撞擊點而向后或向前(分別)散射的電子。雖然通常教導(dǎo)使用該角度，但也可以使用其他角度。

由EBSD確定的晶體學(xué)參數(shù)的準(zhǔn)確度可能不足以唯一地識別材料，并且如US6326619說明的那樣，由X射線分析確定化學(xué)元素可以有助于晶相識別。雖然EBSD的空間分辨率通常高于100nm，但是在非常大的體積(對20KeV入射電子束而言，通常為1000nm以上)上產(chǎn)生X射線信號。結(jié)果，如果需要關(guān)于遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1000nm的特征的信息，則因為X射線譜可能包含來自不在特征中而是位于附近外圍區(qū)域的元素的X射線，所以來自EBSD和X射線的信息不是互補(bǔ)的。

對EBSD而言，如果表面相對于入射束具有大的傾斜度，則提高了由來自晶面的布拉格反射造成的銳譜線的相對于漫散射電子的雜音而言的對比度。然而，該大傾斜度增大了在傾斜方向上的散射，并導(dǎo)致傾斜表面的空間分辨率與平行于傾斜軸線相比通常變差3倍。對不規(guī)則物體而言，存在如下問題：將顯微鏡載物臺取向為使所關(guān)注特征的表面進(jìn)入X射線檢測器或具有合適取向的攝像機(jī)的視線內(nèi)，以采集EBSD。如果表面為粗糙或多面的或具有非晶外表層，則可能不能得到衍射圖案。因此，特別難以從未制備的不規(guī)則試樣(例如，法醫(yī)樣品或用于失效分析的樣品)中得到EBSD圖案。

因此，需要以遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于1000nm且優(yōu)選地高于100nm的空間分辨率分析小特征的晶體結(jié)構(gòu)的方法。當(dāng)分析不規(guī)則試樣時，該需要特別強(qiáng)烈。此外，對法醫(yī)分析或失效分析中的常規(guī)應(yīng)用而言，需要該方法是高效的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明，我們提供了一種用于對樣品進(jìn)行電子衍射圖案分析的方法，所述方法包括在真空腔體中進(jìn)行如下步驟：

a)使用聚焦粒子束隔離試樣的一部分，以形成樣品；

b)將操縱器端部執(zhí)行器附接至所述樣品，以在所述操縱器端部執(zhí)行器與所述樣品之間實現(xiàn)預(yù)定取向；

c)使操縱器端部執(zhí)行器相對于電子束和衍射圖案成像設(shè)備圍繞旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)，以使所述樣品形成為預(yù)定幾何關(guān)系，從而能夠在樣品仍然被固定在所述操縱器端部執(zhí)行器上的同時從樣品中得到電子衍射圖案；以及

d)使所述電子束撞擊到附接在所述操縱器端部執(zhí)行器上的所述樣品，并得到所述電子衍射圖案。

我們已經(jīng)實現(xiàn)了：可以在保持為特定幾何關(guān)系的樣品被安裝至操縱器端部執(zhí)行器的同時，從該樣品中采集衍射圖案，而無需將該樣品轉(zhuǎn)移至試樣平臺。在將樣品安裝至端部執(zhí)行器的同時從該樣品中得到衍射圖案具有如下的特別挑戰(zhàn)，該挑戰(zhàn)涉及使用例如攝像機(jī)等成像檢測器一起所需的相應(yīng)取向。本發(fā)明的關(guān)鍵實現(xiàn)手段在于：將至少具有圍繞旋轉(zhuǎn)軸線以可控角度旋轉(zhuǎn)的能力的操縱器端部執(zhí)行器與操縱器端部執(zhí)行器和要分析的樣品之間的預(yù)定取向幾何關(guān)系的使用相組合。

在例如顯微鏡等分析設(shè)備的真空腔體中實施本發(fā)明。因此，樣品從較大周圍試樣中產(chǎn)生，并隨后被安裝至端部執(zhí)行器，然后取向在針對于電子束的位置，所有步驟在設(shè)備中原位進(jìn)行。借助于本文所述的“頂端上分析”方法，這去除了將樣品轉(zhuǎn)移至試樣平臺的需要。

在步驟(a)中，使用聚焦粒子束從試樣中隔離出樣品。該粒子束可以是例如聚焦離子束(FIB)或激光等離子束。通過從試樣的將形成樣品的區(qū)域的外周去除材料來實現(xiàn)該隔離。作為隔離的一部分，材料的連接區(qū)域可以保留在試樣與樣品之間，以確保樣品保持為被固定至試樣至少直到樣品被附接至操縱器端部執(zhí)行器為止。然而，因為樣品可以在附接至端部執(zhí)行器之前被完全隔離，所以提供這種連接區(qū)域是不重要的。隔離步驟可以被控制為使樣品成形為適于電子衍射分析的幾何形狀。然而，在其他情況中，隔離步驟可以單單用于隔離材料的一區(qū)域(其可以比電子衍射分析和/或不規(guī)則成形所需的厚)。在該后者情況中，可以在分離樣品之后進(jìn)行另一個處理，以形成樣品的所需幾何形狀。

在隔離之后，使用一些已知技術(shù)中的一種(例如，使用FIB的基于氣體的焊接技術(shù))將端部執(zhí)行器附接至樣品。作為焊接法的替代，夾具類型的端部執(zhí)行器可以用于保持薄片層以便進(jìn)行分析。

將樣品固定至端部執(zhí)行器，然后使樣品與試樣分離。應(yīng)注意的是，在一些情況中，隔離步驟可以留下材料的在樣品與試樣之間的連接橋部，該連接橋部在樣品被附接至操縱器之后被去除以分離樣品。在其他情況中，隔離步驟可以使樣品在被附接至操縱器之前與試樣完全分離。通常在分離之后，通過移動端部執(zhí)行器、試樣或這兩者來使樣品脫離試樣。使試樣平臺移動遠(yuǎn)離樣品可以是優(yōu)選的，這是因為這將樣品保留在用于電子成像及例如進(jìn)一步的FIB研磨的適當(dāng)高度。

本發(fā)明依靠操縱器的如下能力：拾起沿特定取向安裝的樣品，并將該樣品重定向到可以使用電子束得到電子衍射圖案的位置。因此，優(yōu)選地，操縱器端部執(zhí)行器適于被控制為使樣品圍繞已知旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)已知角度，從而實現(xiàn)所需旋轉(zhuǎn)。端部執(zhí)行器可以采用包括針、頂端、探頭或夾具構(gòu)造在內(nèi)的多種形式。通常來說，操縱器適于沿著X、Y和Z軸線中的一者或多者平移樣品。應(yīng)理解的是，所需的旋轉(zhuǎn)和平移能力中的每一者的自由度和大小取決于設(shè)備的構(gòu)造。操縱器端部執(zhí)行器的平移和旋轉(zhuǎn)均通常用于使樣品形成所需幾何關(guān)系，以便在樣品仍然被固定在端部執(zhí)行器上的同時采集電子衍射圖案。優(yōu)選地，端部執(zhí)行器相對于操縱器的其余部分旋轉(zhuǎn)。

在真空腔體(通常為掃描電子顯微鏡的真空腔體)中原位進(jìn)行聚焦電子束操作和采集電子衍射圖案的操作。相對于旋轉(zhuǎn)軸線的預(yù)定取向是基于真空腔體內(nèi)部的幾何構(gòu)造的預(yù)定取向。在許多情況下，真空腔體是FIB-SEM儀器的真空腔體。

在大多數(shù)情況下，樣品的至少一部分形成為薄切片，并且所述切片的至少一個表面相對于旋轉(zhuǎn)軸線具有限定取向。通常來說，當(dāng)薄切片具有兩個表面時，這些表面為大致平行的，并且表面的間隔足夠小，以允許電子束透射。在許多情況中，樣品將由如下片層形成：該片層為具有寬廣平行表面的薄且平坦的結(jié)構(gòu)。

可以通過使用粒子束進(jìn)行研磨處理來得到這種小厚度。如上所述，作為隔離步驟的一部分，可以將樣品形成為這種幾何形狀。作為選擇，樣品可以在與試樣分離之后變薄至所需的預(yù)定厚度。

本發(fā)明可以使用完全不同的幾何關(guān)系，以便在使用典型EBSD攝像機(jī)的同時分析樣品。蓋斯等人的2013Microscopy Today，Volume 21，Issue 03，May 2013，pp16-20示出了該樣品-束幾何關(guān)系。見：

http://onlinedigeditions.com/publication/index.php？i＝156852&m＝&l＝&p＝20&pre＝&ver＝swf)

這示出了如下構(gòu)造：入射電子束行進(jìn)通過薄試樣，并且試樣下方的攝像機(jī)得到了衍射圖案。因為圖案由已透過薄試樣且被非常接近下表面的晶層布拉格衍射的電子形成，所以該方法被稱為“t-EBSD”或“透射菊池衍射(TKD)”。在該已知方法中，試樣被固定至支撐在顯微鏡載物臺上的樁部上的樣品網(wǎng)格，使得表面偏離法向入射而傾斜了通常10度和多達(dá)20度，并且攝像機(jī)觀察試樣下側(cè)。圖2示意地示出了根據(jù)蓋斯等人的該現(xiàn)有技術(shù)構(gòu)造，其中，被安裝在樣品臺上的夾子(圖2右側(cè))示出為保持支撐網(wǎng)格。用電子束(圖2上部)照射支撐網(wǎng)格，并且利用攝像機(jī)(圖2左側(cè))接收電子衍射圖案。對于具有100nm厚度量級的薄試樣，20KeV入射電子束的橫向散射顯著地小于大試樣。對于這種薄試樣，如果電子束的進(jìn)入或離開點在X射線檢測器的視線中，則對X射線信息而言的空間分辨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于100nm。此外，因為試樣不以大角度傾斜，所以對衍射圖案信息而言的空間分辨率好于對EBSD而言的空間分辨率。然而，現(xiàn)有技術(shù)的處理需要在其他處制備合適的薄試樣，并且在將樁部引入到真空腔體中之前將該薄試樣安裝在樣品網(wǎng)格中的孔上方且固定至樁部。該處理不僅耗費時間，而且還產(chǎn)生如下風(fēng)險：制備好的試樣的表面可能在制備與轉(zhuǎn)移到真空腔體之間被污染。

在本發(fā)明中通過在進(jìn)行分析的同時使用操縱器保持樣品來解決了這些問題。這是允許得到透射菊池衍射圖案的關(guān)鍵實現(xiàn)手段。

應(yīng)理解的是，進(jìn)行TKD的少數(shù)已知技術(shù)都依靠將樣品精密地安裝至顯微鏡的試樣平臺。本文不需要這樣。為了得到TKD圖案，攝像機(jī)定位為在入射電子束穿過樣品之后出現(xiàn)的位置處觀察樣品表面。因此，在該情況下，該視域是樣品的“下側(cè)”，而電子束撞擊“上側(cè)”。本發(fā)明的有利之處還在于：允許進(jìn)行常規(guī)EBSD，即，在入射電子束撞擊樣品的位置處使用攝像機(jī)觀察樣品表面。在該情況下，利用攝像機(jī)觀察“上側(cè)”。在得到TKD圖案的情況下，樣品厚度(表面之間的距離)為200nm以下，優(yōu)選地為100nm以下。

雖然原則上操縱器可以是例如被安裝至腔體中的顯微鏡的試樣平臺上或被安裝至腔體內(nèi)表面上的某處的內(nèi)部操縱器，但優(yōu)選地將操縱器經(jīng)由真空腔體中的孔口插入到顯微鏡中。

在得到(任一類型的)電子衍射圖案之后，利用電子衍射圖案的分析來確定材料的結(jié)晶特性。通常來說，這種分析是由計算機(jī)執(zhí)行的。這種分析可以單獨提供使用者所需的信息。然而，使用端部執(zhí)行器保持樣品的另一個優(yōu)點在于：可以如采集電子衍射圖案所用一樣，以相同幾何關(guān)系且從樣品的共用重疊區(qū)域中得到X射線譜。X射線檢測器僅必須具有由入射束激發(fā)的小體積材料的視線場，并且在樣品懸置在端部執(zhí)行器上的情況下，由平臺或提取出樣品的大試樣造成遮擋的可能性更小。如果樣品以片層的形式呈現(xiàn)，則材料的產(chǎn)生電子衍射圖案的區(qū)域與發(fā)射X射線的區(qū)域之間將存在良好的相關(guān)性。然后，可以與來自X射線譜分析的化學(xué)元素信息結(jié)合使用材料的分析后結(jié)晶特性(來自電子衍射分析)來確定材料在這種區(qū)域中的相。

該方法可以擴(kuò)展為對樣品的多個位置進(jìn)行這種分析。因此，可以從樣品上的一系列電子束位置中收集數(shù)據(jù)，以構(gòu)建示出了在該范圍的位置上不同材料的分布的行掃描或圖譜。

實際上，可能遇到如下情況：起初得不到電子衍射圖案或低質(zhì)量電子衍射圖案。在這種情況下，可能需要使用粒子束進(jìn)行進(jìn)一步拋光或研磨處理。因此，有利的是操縱器端部執(zhí)行器的旋轉(zhuǎn)及可選的平移用于使試樣形成為用于粒子束處理的所需幾何關(guān)系并隨后恢復(fù)為在不使端部執(zhí)行器與試樣分離的情況下采集電子衍射圖案的所需幾何關(guān)系。該構(gòu)思可以進(jìn)一步擴(kuò)展使得操縱器端部執(zhí)行器的旋轉(zhuǎn)及可選的平移能夠使試樣形成為FIB處理、EBSD和TKD所需的每個不同的幾何關(guān)系。

附圖說明

現(xiàn)在參考附圖對根據(jù)本發(fā)明的方法的一些實例進(jìn)行描述，在附圖中：

圖1示出了針對電子束衍射和X射線分析構(gòu)造的SEM腔體的示意性構(gòu)造；

圖2示出了用于進(jìn)行透射菊池衍射的已知構(gòu)造；

圖3是聚焦離子束掃描電子顯微鏡的圖像，該聚焦離子束掃描電子顯微鏡具有適于執(zhí)行本發(fā)明的操縱器；

圖4示出了具有端部執(zhí)行器的操縱器并示出了旋轉(zhuǎn)和平移操作；

圖5示出了當(dāng)沿著電子束觀察時，顯微鏡腔體中的部件的示意性構(gòu)造；

圖6示出了使用聚焦粒子束隔離樣品片層；

圖7是被附接至操縱器端部執(zhí)行器頂端的樣品的圖像；

圖8示出了當(dāng)電子束位于用于FIB處理的位置時沿著電子束看到的樣品；

圖9示出了在樣品位于與圖8類似的位置的情況下來自FIB的視域；

圖10示出了當(dāng)樣品位于用于進(jìn)行TKD的位置時，沿著電子束看到的樣品的視圖；

圖11示出了實例TKD圖案；

圖12示出了遵循標(biāo)引的圖11的圖案；

圖13示出了從樣品的相似區(qū)域得到的實例X射線譜；

圖14示出了通過在樣品上的一系列位置上進(jìn)行重復(fù)分析而形成的圖譜；

圖15是在樣品以不同的預(yù)定取向附接在端部執(zhí)行器上的情況下沿著電子束觀察的視圖；以及

圖16是示出了實例方法的流程圖。

具體實施方式

現(xiàn)在，我們描述實現(xiàn)如下處理的實例方法：在真空腔體中從主試樣中提取出包含所關(guān)注特征在內(nèi)的小樣品，并將小樣品固定至具有圍繞軸線的可控旋轉(zhuǎn)的探頭端部。相對于要分析的樣品的表面沿特定取向布置探頭。然后，對被操縱器保持的樣品進(jìn)行電子衍射分析。首先，我們將描述與一般方法相關(guān)的一些實際問題。

優(yōu)選地通過使用可以是激光束或聚焦離子束(FIB)的聚焦粒子束進(jìn)行研磨，來實現(xiàn)從較大試樣中隔離出樣品的初始過程。使用“FIB提取(lift-out)”處理，F(xiàn)IB研磨可以用于從試樣中隔離出小樣品，將材料的小樣品附接至操作器端部執(zhí)行器(探頭)并將小樣品從試樣中提起。具體而言，F(xiàn)IB可以用于在所關(guān)注特征周圍研磨出溝槽，來制備“提取”片層，“提取”片層是包含所關(guān)注特征且厚度通常小于200nm的試樣薄切片，并具有明確限定的取向?？梢酝ㄟ^將氣體噴射到附近并使界面暴露于FIB束來將小片層焊接至操縱器探頭頂端。具體而言，片層邊緣可以用于將片層沿特定取向固定至探頭頂端，然后，例如通過FIB研磨掉材料的殘留作為隔離樣品與試樣之間的唯一連接部的小區(qū)域來從大試樣(bulk specimen)中提起該片層。

操縱器可以優(yōu)選地沿x，y和z方向移動，并具有至少一個可控旋轉(zhuǎn)軸線。這提高了操縱器將片層(仍然粘附在探頭頂端上)移動到所需位置以采集TKD圖案的能力。如果操縱器頂端趨于振動或移動，則可以如WO2013022917中所述那樣進(jìn)行穩(wěn)定。

當(dāng)使用位于試樣的相反側(cè)上的攝像機(jī)將TKD圖案采集至電子束的進(jìn)入點時，則還優(yōu)選地需要X射線譜，從而從入射電子束周圍的樣品的小區(qū)域中得到TKD和X射線信息這兩者。

當(dāng)檢查圖案時，如果圖像質(zhì)量糟糕到使得不能推導(dǎo)出晶體結(jié)構(gòu)，則操縱器可以用于平移并旋轉(zhuǎn)片層直到FIB的軸線與表面接近平行為止。然后，在通常將FIB電壓設(shè)定為合適的低值的情況下，F(xiàn)IB可以用于去除非晶態(tài)材料，并因此在不損傷下述晶體結(jié)構(gòu)的情況下“拋光”表面。然后，可以再一次使用操縱器，以將片層移回到用于獲取另一個TKD圖案的位置。

一旦圖案質(zhì)量是足夠的，則以常見方式(參見蓋斯(Geiss)等人)使用來自TKD圖案的測量值計算晶體參數(shù)。優(yōu)選地與晶體參數(shù)結(jié)合地使用來自X射線譜分析的元素成分信息，以取得由入射電子束限定的位置處的相的唯一識別。

在另一個使用情況中，將聚焦電子束定位在樣品上的一系列點處。因此，在片層上的網(wǎng)格位置上得到一系列TKD圖案及優(yōu)選的一系列X射線譜，并用于產(chǎn)生如下的圖譜，該圖譜示出了區(qū)域上的化學(xué)元素和晶相的空間分布。如果這些圖譜的空間分辨率不足以確定所需細(xì)節(jié)，則操縱器可以用于將片層移動到FIB能夠用于蝕刻片層并使該片層變薄的位置。然后，使進(jìn)一步變薄的片層返回至分析位置，在該位置，可以以因電子束的側(cè)向散射減少而提高的空間分辨率得到圖譜。

上述方法的變型例涉及使用FIB提取來移除附接至操縱器端部執(zhí)行器的任意形狀的試樣的小樣品。然后，使用操縱器把樣品移動且旋轉(zhuǎn)至如下的位置中，在該位置，F(xiàn)IB研磨可以用于將樣品形成為如下薄切片，該薄切片具有大致平行的表面以及相對于操縱器端部執(zhí)行器的旋轉(zhuǎn)軸線明確限定的取向。因此，在該情況下，在提取之后在除了隔離平臺之外的部位處形成樣品的幾何形狀。該切片形成為足夠薄，以允許透射電子束。然后，可以將操縱器平移和旋轉(zhuǎn)到適于得到TKD圖案以及進(jìn)行下述的后續(xù)操作的位置。

另一個方法涉及在提取之前或之后通過FIB研磨制備薄切片樣品，使得薄切片的所選表面相對于附接有薄切片的操縱器端部執(zhí)行器的旋轉(zhuǎn)軸線具有限定取向。通過操縱器端部執(zhí)行器的平移和旋轉(zhuǎn)操作，使薄切片進(jìn)入到入射電子束與樣品的所選表面形成淺角度(優(yōu)選地但不一定為約20度)的位置，使得對攝像機(jī)而言電子束的進(jìn)入點(不是離開點)是可見的。在該位置中，采集EBSD圖案(而不是TKD圖案)。在該情況下，切片樣品可以比對TKD而言所需的厚度而言厚很多，并不必具有平行平面。然而，所選表面必須適當(dāng)?shù)亟Y(jié)晶，并且如果EBSD圖案槽糕，則可以將操縱器移動且旋轉(zhuǎn)至如下位置：允許表面被合適的FIB束拋光，以移除表面損傷。衍射圖案的后續(xù)分析、X射線數(shù)據(jù)的收集選擇以及在樣品上繪制區(qū)域的可能性與所述TKD方法大致一樣。

現(xiàn)在將參考圖16的流程圖描述實例方法。

圖3示出了“FIB-SEM”電子顯微鏡構(gòu)造中的聚焦束和檢測器的典型構(gòu)造，其中，X射線檢測器和常規(guī)EBSD攝像機(jī)安裝在腔體的相同側(cè)上。在該構(gòu)造中，當(dāng)電子束撞擊試樣時，進(jìn)入點在X射線檢測器的視線上，而攝像機(jī)可以采集衍射圖案。

在FIB-SEM中使用的普通操縱器構(gòu)造涉及通過可用顯微鏡端口安裝操縱器(見圖3中的“操縱器”)。在該方案中，支撐端部執(zhí)行器或探頭的操作器軸延伸到與束重合部位對準(zhǔn)的腔體中。探頭頂端可以圍繞軸線旋轉(zhuǎn)并沿正交方向平移。圖4示出了具有平移或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動能力的這種操縱器的實例。真空密封凸緣被安裝至腔體的可用端口。操縱器軸延伸到腔體中，并且探頭頂端用于在試樣上進(jìn)行操作。例如，Omniprobe 400操縱器(可以從Omniprobe股份有限公司獲得)的有利之處在于：Omniprobe 400操縱器具有同心或“同心修正”的探頭旋轉(zhuǎn)，使得旋轉(zhuǎn)軸線被固定且設(shè)計為與軸共線，從而當(dāng)頂端旋轉(zhuǎn)時，存在沿x、y或z方向的最小位移，并且頂端停留在顯微鏡的視場中，并優(yōu)選地具有小于20微米的位移。這是特別有利的從而能針對快速分析進(jìn)行定位并且當(dāng)在受限區(qū)域中移動小試樣時避免了碰撞。

操縱器軸在安裝時通常相對于電子柱以傾斜角向下傾斜，并且探頭的旋轉(zhuǎn)軸線以通常小于90度的角度與電子束軸線交叉。在本實例中使用的角度是53度。

在圖5中，從入射電子束的方向(即，沿著電子束觀察)示出了與圖3相同的設(shè)備的俯視圖。FIB通常向下指向，并且在該實施例中，離子束軸線與電子束方向形成54度的角度。

現(xiàn)在參考圖16，在步驟100中，將要分析的大試樣搭載到FIB-SEM中，大試樣在顯微鏡載物臺上取向到如下位置：FIB束可以用于研磨試樣，以形成所需幾何形狀。

在步驟105中，F(xiàn)IB進(jìn)行操作以在試樣的一部分周圍研磨出溝槽，從而隔離片層。片層面可以與電子束平行或相對于電子束稍微傾斜。圖6是示出了研磨完試樣以隔離片層的實例的圖像?？梢钥吹降氖?，片層突出遠(yuǎn)離試樣，并僅保持為沿著一側(cè)邊緣與材料附接。在該情況下，平臺已傾斜為使得片層壁相對于入射電子束成10度。

一旦形成所需尺寸的片層，則在步驟110中將該片層附接至探頭頂端。在本實例中，這點通過使探頭頂端與片層的附接點接觸并隨后在附接點處使用氣體噴射器和FIB照射使得探頭頂端被焊接至片層邊緣來實現(xiàn)。探頭頂端和片層的相對取向具體配置為使得頂端軸線與片層側(cè)壁接近平行。根據(jù)需要通過FIB研磨去除將樣品連接至試樣的任意殘留材料。

然后，在步驟115中，降低平臺或升起操縱器，以使片層與大材料分離。因此，片層以特定相對取向附接至探頭頂端。圖7示出了附接至探頭頂端并從試樣中提起的片層。

除了用FIB進(jìn)行焊接之外，作為選擇，也可以使用本領(lǐng)域中的任意已知附接方法與提取出的樣品一起作用來將樣品固定至端部執(zhí)行器。這些方法包括：使用夾具、使用電子束誘導(dǎo)沉積的焊接、使用例如膠粘物等粘合材料、使用摩擦力(通過研磨出用作探針插入點的小孔)或使用具有間隙(其比與該間隙接合的樣品區(qū)域稍小)的端部執(zhí)行器。對焊接而言，各種前驅(qū)氣體是已知的，并且優(yōu)選的是，所使用的前驅(qū)體將不會產(chǎn)生在EDS/EBSD/TKD分析期間實質(zhì)上影響信號質(zhì)量的額外材料。如果端部執(zhí)行器是由鎢制成的探針，則W(CO)6前驅(qū)體的使用產(chǎn)生強(qiáng)固焊縫，并適于樣品的后續(xù)分析。

雖然操縱器通常被安裝到可以位于腔體壁中或腔體門上的真空端口上，但作為選擇操縱器可以停留在真空腔體中，并被固定至例如平臺上。在任一構(gòu)造中，操縱器應(yīng)包括具有圍繞軸線的可控旋轉(zhuǎn)的端部執(zhí)行器，該軸線可以相對于要分析的小試樣表面的法線被設(shè)定在特定取向。

在步驟120中，操縱器上的平移控制用于將片層定位在與FIB和電子束的交叉處接近的空間中的部位(被稱為“重合部位”)處，并且將x、y和z及旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)保存為“初始位置”。然后，在步驟125中，將探針沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)49.5度，并且圖8示意性地示出了電子束視域。如圖9所示，當(dāng)從FIB束方向觀察時，F(xiàn)IB束則與片層表面接近平行。將用于操縱器的x、y、z和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)保存為限定“FIB處理位置”。在步驟130中，在該位置處，將FIB束(例如，30KeV Ga+離子，200pA以下的電流)用于蝕刻片層各側(cè)，以使該片層更薄，且厚度理想地小于100nm。應(yīng)注意的是，如果初始FIB研磨提供足夠薄的片層，則可能不需要該變薄步驟。此外，如果有需要，也可以將已知的低-KeV FIB清除步驟用于移除Ga損傷。

在步驟135中，利用操縱器使片層返回至“初始位置”，然后使頂端沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)65度。在圖10所示的該位置中，相對于電子束的表面傾斜度為約35度，并且EBSD攝像機(jī)可以看見片層下側(cè)。雖然該傾斜度大于TKD所建議(蓋斯等人)的10度至20度，但我們發(fā)現(xiàn)在該幾何關(guān)系中仍然可以獲得TKD圖案，并且將相應(yīng)操縱器坐標(biāo)記錄作為“TKD位置”。實際上，一些對操縱器的小調(diào)節(jié)可以提高圖案質(zhì)量。圖10示出了“TKD位置”中的片層的電子束視域。

在一些情況中，因表面損傷而不能夠得到TKD位置附近的TKD圖案。在該情況下，可以將操縱器驅(qū)動返回至“FIB處理位置”，在該位置，可以為FIB槍設(shè)定特定條件(例如，較低的keV，較小的電流)，并且對頂端進(jìn)行裕量調(diào)節(jié)，以給予掠射入射角，從而在不進(jìn)一步損傷下面的任意晶層的情況下實現(xiàn)用于去除表面損傷的“拋光”作用。在拋光表面之后，操作器返回至“TKD位置”，以收集分析數(shù)據(jù)。

在步驟140中，在樣品位于“TKD位置”中的情況下，將入射電子束引導(dǎo)至表面上的一個位置，并且如圖11所示從EBSD攝像機(jī)中記錄TKD圖案。

在步驟145中，使用用于分析EBSD圖案的典型軟件，可以“解決”TKD圖案，以推導(dǎo)出合適的晶體結(jié)構(gòu)和取向以及導(dǎo)致菊池圖案中的線的平面標(biāo)引。圖12是示出了預(yù)測線的TKD圖案，該預(yù)測線在尖晶石ICSD 4/mmm(ICSD80853)的該情況下與晶體的各個平面上的電子布拉格反射對應(yīng)。在電子束位于相同位置時，也可以如圖13所示那樣記錄X射線譜。

TKD圖案的分析常?？梢蕴峁┳銐蛐畔ⅲ源_定材料的晶相，具體而言，可以提供一些關(guān)于可能存在何種類型的材料的先備知識。在要求更高的情況中，從X射線譜推導(dǎo)出的化學(xué)元素和成分可以提供用于解決相測定中的任何不確定性的附加信息。因此，利用TKD或TKD和X射線數(shù)據(jù)的組合，可以確定電子束位置處的相。

在步驟150中，從樣品上的許多不同位置中得到TKD圖案和X射線數(shù)據(jù)(可選的)。例如，如果現(xiàn)在將電子束引導(dǎo)至覆蓋了一維線或二維網(wǎng)格的點的一系列位置，則1D行掃描或2D圖譜可以構(gòu)造成示出了各像素位置處的成分信息。這在步驟155中執(zhí)行。圖14是示出了疊加在相同視場的電子圖像上的不同相的分布的這種圖譜的實例。

使用薄片層試樣的優(yōu)點在于：減少側(cè)向電子散射，并因此將X射線的激發(fā)以及用于電子衍射的有效源限制成較小區(qū)域，使得與大試樣相比材料可以解決在精細(xì)很多的空間尺度上的差異。因為片層可以被保持在片層于“TKD位置”與“FIB處理位置”之間直接旋轉(zhuǎn)的位置，所以用于第一實施例的設(shè)備構(gòu)造是特別適宜的。此外，如果操縱器返回至“初始位置”并沿順時針方向旋轉(zhuǎn)39度，則片層傾斜69度，并與電子束形成21度的角度，使得可以從上表面采集常規(guī)EBSD圖案。在該“EBSD位置”中，電子散射在傾斜方向上被加強(qiáng)約3倍，使得空間分辨能力不如“TKD位置”中那樣好。然而，在“EBSD”位置收集攝像機(jī)數(shù)據(jù)可以幫助確定表面質(zhì)量適于得到衍射圖案，并且根據(jù)需要促使利用FIB進(jìn)行拋光處理。此外，如果速度比空間分辨率更重要，則“EBSD位置”分析不需要對樣品進(jìn)行任何小心的FIB變薄處理。

在“TKD位置”傾斜35度的情況下，電子散射體積的延伸率為約1.2倍?？梢允褂每蛇x實施例得到片層在“TKD位置”具有較小傾斜度的幾何關(guān)系，并且可以利用相同原理獲得零傾斜度。該方法需要將操縱器頂端以特定角度固定至片層邊緣，而不是沿著邊緣定位操縱器頂端。作為實例，在提取之前，對片層蝕刻并沿著電子束方向取向，并且如圖6所示平臺傾斜10度，但是隨后在將探頭頂端固定至片層邊緣之前，使平臺沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)52度。在“初始位置”中，電子束視域隨后如圖15那樣顯現(xiàn)。

頂端沿順時針方向旋轉(zhuǎn)157度，使得片層表面在法線與電子束成20的情況下傾斜偏離攝像機(jī)，這是為常規(guī)TKD建議的條件之一。此外，頂端自“初始位置”起沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)32度，使得片層表面進(jìn)入用于FIB處理的適當(dāng)位置。作為選擇，自“初始位置”起沿順時針方向旋轉(zhuǎn)43度，使得片層到達(dá)表面法線與電子束成70度的位置，在該位置，片層形成為對EBSD而言正確的幾何關(guān)系。

應(yīng)理解的是，上述實例角度針對于FIB、電子柱、操縱器、EBSD攝像機(jī)和X射線檢測器的特定構(gòu)造。然而，相同的原理可以應(yīng)用于其他構(gòu)造。本發(fā)明的另一個有利之處在于：在EBSD攝像機(jī)和X射線檢測器不位于腔體中的相同側(cè)或以廣角分離的構(gòu)造中，可以同時采集TKD圖案和X射線譜這兩者，然而對大試樣使用常規(guī)EBSD是無法實現(xiàn)這點的。

當(dāng)材料區(qū)域的尺寸小于100nm時，組合的操縱器和設(shè)備方案也必須充分地保持樣品，使得電子束持續(xù)落入到用于持續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的區(qū)域中，以便得到明確的結(jié)果。操縱器探頭優(yōu)選地由剛性材料制成，以提供穩(wěn)定支撐。如果因電子圖像的模糊而檢測到振動，則可以將支撐部設(shè)置作為試樣平臺的一部分，使得漸變力可以施加在探頭一側(cè)上直到振動減小至可接受的程度為止。如果察覺到逐漸的漂移，則通過對電子圖像的常規(guī)快速捕捉，可以使用軟件算法在期望區(qū)域中規(guī)則地重定位電子束，并因此對漂移進(jìn)行補(bǔ)償。當(dāng)要得到樣品的高分辨率圖譜時，這些措施特別有用。在一些情況下，可能需要嚴(yán)格控制設(shè)備所處的環(huán)境，使得溫度被保持為具有0.1℃的穩(wěn)定性，并且不允許來自外部源的氣流下降到設(shè)備上。

通過本發(fā)明，現(xiàn)在可以以遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于1000nm且通常高于100nm的空間分辨率來分析不規(guī)則試樣中的小特征的晶體結(jié)構(gòu)。此外，因為是在真空腔體中而不是在其他處有效地制備試樣，所以處理是高效的。至關(guān)重要的是，不需要將試樣的樣品轉(zhuǎn)移且固定至特殊網(wǎng)格和/或樁部，并且容易地借助于迭代法來再處理樣品，以得到改進(jìn)的分析結(jié)果。