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。
 

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

通常，為了對材料的特定區域（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線條或變得不規則和粗糙（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域，首先使用EM TXP進行基礎橫截面切割，持續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，地圖數據（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，地圖數據表明，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線相關感興趣區域以紅色突出顯示。b) 感興趣Au線區域的BSE圖像和來自不同區域的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極具挑戰性的“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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