DE102013201977B3

DE102013201977B3 - Verfahren und vorrichtung zur präparation von proben für transmissionselektronenmikroskopische untersuchungen

Info

Publication number: DE102013201977B3
Application number: DE201310201977
Authority: DE
Inventors: Volker Hoffmann; Varvara Efimova; Jürgen Thomas; Thomas Gemming; Samuel Grasemann; Alexander Horst; Steffen Grundkowski; Ralf Voigtländer
Original assignee: LEIBNITZ INST fur FESTKORPER und WERKSTOFFFORSCHUNG DRESDEN E V; LEIBNITZ-INSTITUT fur FESTKORPER-UND WERKSTOFFFORSCHUNG DRESDEN EV
Current assignee: LEIBNITZ INST fur FESTKORPER und WERKSTOFFFORSCHUNG DRESDEN E V; LEIBNITZ-INSTITUT fur FESTKORPER-UND WERKSTOFFFORSCHUNG DRESDEN EV
Priority date: 2013-02-07
Filing date: 2013-02-07
Publication date: 2014-07-03
Anticipated expiration: 2033-02-08

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Werkstoffwissenschaften und betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Präparation von Proben für Untersuchungen mit Transmissionselektronenmikroskopen. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Angabe eines Verfahrens und einer Vorrichtung, mit denen mechanisch stabile, und im Wesentlichen intrinsisch unveränderte Proben hergestellt werden können. Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren, bei dem zwischen die Anode und die Kathode eine Probe eingebracht wird, nachfolgend der Raum um die gesamte Probe über ein Leitungssystem evakuiert und ein im Wesentlichen gleicher Druck realisiert wird. Die Aufgabe wird weiter gelöst durch eine Vorrichtung bestehend aus Anode und Kathode, wobei eine Probe zwischen Anode und Kathode elektrisch isolierend gelagert ist, und weiterhin ein Leitungssystem zur Evakuierung der Räume um die Probe vorhanden ist, und die Gasdichtheit der Räume um die gesamte Probe realisiert ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Werkstoffwissenschaften und betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Präparation von Proben für Untersuchungen von Proben mit Transmissionselektronenmikroskopen (TEM).
Für die Untersuchung von Proben mit TEM müssen diese Proben eine Reihe von Ausgangsbedingungen erfüllen, um dann reproduzierbare Messwerte zu erhalten. Beispielsweise darf eine TEM-Probe im Durchmesser nicht größer als 3 mm sein. Am besten eignet sich als Probe ein Scheibchen mit einem Durchmesser von 3 mm und einer Vertiefung in der Mitte. Die Dicke der Probenstelle, die analysiert werden soll, liegt ungefähr bei 100 nm, hängt aber auch vom Ziel der Untersuchung ab. Um Atome abbilden zu können, werden Proben mit sehr dünnen Probenstellen von 5–20 nm Dicke benötigt; für Untersuchungen von Versetzungen oder Kristallgrößen genügen Dicken von etwa 150 nm. Die abgedünnte zu untersuchende Probenstelle soll dabei in ihrer Fläche möglichst einige μm² betragen. Aus Gründen der mechanischen Stabilität sollen die Proben am Rand vorzugsweise um 100–200 μm dick sein.
Innerhalb der letzten 70 Jahre wurden verschiedene Verfahren für die Präparation von TEM-Proben entwickelt, die für spezielle Anwendungen gut geeignet sind. Unabhängig von der gewählten Methode haben alle diese Verfahren eines gemeinsam: die Präparation der Proben ist arbeitsintensiv und zeitaufwendig.
In der Werkstoffwissenschaft sind zur Präparation von dünnen Proben aus massivem Material nachfolgende Verfahren bekannt (J. Thomas, T. Gemming: „Analytische Transmissionselektronenmikroskopie – Eine Einführung für den Praktiker”, Springer-Verlag, Wien 2013, ISBN 978-3-7091-1439-1).

• Elektrolytisches Dünnen Diese Probenpräparation wird seit den 1950er Jahren für die Herstellung elektrisch leitender und homogener Proben verwendet. Die Probe (⌀ 3 mm, Dicke 0,5 mm) wird mit einem Elektrolytstrahl in der Mitte abgetragen bis ein Loch entsteht. Am Lochrand entstehen dünne Bereiche, die für TEM-Untersuchungen geeignet sind. Wegen dem keilförmigen Lochrand sind unterschiedliche Dicken verfügbar, die für verschiedene Fragestellungen untersucht werden können. Der Nachteil des Verfahrens ist, dass viele Voruntersuchungen und theoretische Kenntnisse erforderlich sind, um einen passenden Elektrolyt und Abtragsbedingungen für ein bestimmtes Material zu finden.
• Ultramikrotom Organische Proben werden oft mit einem Ultramikrotom geschnitten. Die Schnitte sind ca. 0,1 μm dick und einige 10 μm groß. Sie werden aus einem Wasserbad auf einem elektronenmikroskopischen Trägernetz aufgefangen.
• Schneiden, Dimpeln, Ionendünnen („Draufsicht” oder „Querschnitt”) Dieses Verfahren wird häufig verwendet, weil auch heterogene Materialien präparierbar sind und die erhaltenen Proben für die meisten Fragestellungen gut einsetzbar sind. Bei der Präparation entsteht ein Scheibchen mit einem Durchmesser von 3 mm und einem kleinen (weniger als 1 μm großen) Loch in die Mitte. Der Lochrand steigt, wie beim elektrolytischen Dünnen, keilförmig an. Die Probe kann entweder parallel zu der Probenoberfläche (Draufsicht) oder senkrecht zur Probenoberfläche (Querschnitt) präpariert sein. Ein Querschnitt ist gut für die Untersuchung von Schichtsystemen geeignet. Bei der Präparation werden zuerst die 3 mm Scheibchen mittels Stanzen, Kernlochbohren, Brechen oder Sägen aus der Probe herausgearbeitet. Wenn die Scheibchen noch zu dick sind, werden sie danach noch geschliffen. Als nächstes werden die Scheibchen in der Mitte mit einer Kugel oder einem Schleifrad gedimpelt, bis eine kalottenförmige Vertiefung entsteht. In der Mitte dieser Vertiefung beträgt die Probendicke dann 10–20 μm. Danach wird die Probe an dieser Stelle weiter mit einem Ionenstrahl (Ar-Ionen, 100–5000 eV, Beschusswinkel 5–15°) gedünnt bis ein Loch entsteht.
• Schneiden, Ionendünnen Um evtl. Schädigungen durch den Schleifvorgang „Dimpeln” zu vermeiden, kann bei den im vorherigen Anstrich genannten Verfahren das Dimpeln ausgelassen werden. In dem Fall wird die Probe gleich nach dem Schneiden mit einer oder mehreren Ionenkanonen beschossen und in der Mitte abgedünnt. Dafür ist der Einsatz von Spezialgeräten erforderlich. Eine solche Präparation kann länger als mit Dimpeln dauern. Es gibt auch die Möglichkeit, 3 Ionenstrahlen gleichzeitig zu verwenden, wie z. B. beim Leica EM TIC 3X Gerät. Hier wird eine Abtragsrate von ca. 150 μm/h erreicht. Dazu müssen aber die Bedingungen des Abtragens für jede Probe optimiert werden. Bei mehrphasigen Proben können starke Topographieunterschiede entstehen. Ein anderer Nachteil des Verfahrens ist, dass solche Geräte teuer sind.
• Focused Ion Beam (FIB) Die FIB oder gerichtete Ionenstrahl-Präparation ist auch ein sehr teures Verfahren. Dazu wird ein Rastermikroskop mit einer Ionenkanone benötigt. Mit dem Ionenstrahl (Ga-Ionen, 30 keV) und unter rastermikroskopischer Beobachtung wird eine dünne Lamelle (weniger als 0,1 μm dick und einige μm groß) aus der Probe herausgeschnitten. Danach wird die Lamelle mit Hilfe eines Mikromanipulators auf ein Trägernetz abgelegt oder angeschweißt. Wenn die Probe einfach abgelegt wurde und nur durch die Adhäsionskräfte haftet, kann sie nachträglich nicht mehr nachgedünnt werden. Die FIB-Präparation dauert in der Regel 1–2 Stunden. Die schnelle Abtragrate wird durch hohe Energie der Ga-Ionen im Ionenstrahl erreicht: 30 keV. Andererseits wird die Probe durch die hochenergetischen Ionen stark beeinflusst: amorphisiert und mit Ga-Atomen verunreinigt. Diese Probleme können durch das Sputtern mit niedrigerenergetischen Ionen (5 keV) reduziert werden. Andererseits dauert die Präparation dadurch dann wieder länger.

Die hergestellten Proben können dann für Untersuchungen im TEM eingesetzt werden.
Allen bekannten Probenpräparationsverfahren ist gemeinsam, dass die Präparation der Proben arbeitsintensiv und zeitaufwendig ist.
Weiterhin sind verschiedene Sputterquellen bekannt, wie beispielsweise die Grimmschen Quellen ( DE 15 89 389 A1 ). Das Grimmsche Prinzip bedeutet hierbei, dass es keine materielle Begrenzung zwischen Probe und Anode gibt, sondern zwischen Probe und Anode ein Niederdruck herrscht, der das Plasma begrenzt.
Derartige Grimmsche Quellen bestehen daher im Wesentlichen aus den Vorrichtungselementen Anode und Kathode, wobei die Probe zwischen Anode und Kathode angeordnet und auf Kathodenpotential ist. Aufgrund der oben bereits genannten Randbedingungen für transmissionselektronenmikroskopische Untersuchungen muss auch die Vorrichtung der Grimmschen Quellen entsprechend ausgeführt sein. So ist es erforderlich, dass der Entladungsraum mit der Probe gegenüber der Atmosphäre abgedichtet ist. Weiterhin benötigt die Probe eine Auflage, deren Material für Untersuchungen möglichst unberücksichtigt bleiben kann. Weiterhin ist der Abstand zwischen Anode und Probe bei einer Grimmschen Quelle mit nur 0,15 mm sehr gering und ein Kurzschluss muss vermieden werden.
Hinzu kommt, dass die geringen Abmessungen der Probe und deren mechanische Instabilitäten bei der Probenpräparation berücksichtigt werden müssen.
Aufgrund dieser Schwierigkeiten sind die bisher bekannten Grimmschen Quellen für die Präparation von Proben für TEM-Untersuchungen nicht geeignet.
Weiterhin ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ätzen von Probeobjekten in der US 3,097,154 angegeben, bei der radioaktive Proben in einem Raum evakuiert und als Probe für metallographische oder kristallographische Untersuchungen aufbereitet werden. Die Vorrichtung enthält eine Kammer, die evakuiert werden kann. Auf einer Seite der Probe wird ein anderer Druck eingestellt als auf der anderen Seite der Probe. Weiter enthält die Vorrichtung eine Elektrode innerhalb der Kammer, eine per Druck bedienbare Vorrichtung zum Positionieren der Probe und eine Kühlung zur Kühlung der Probe sowie eine Verbindung zwischen Probe und Elektrode. Bei der Ätzung wird die Probe als Kathode zur elektrischen Entladung verwendet.
In der US 3,268,644 , die auf der US 3,097,154 basiert, ist ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung einer Probe angegeben, die geätzt und poliert wird. Die Oberfläche der Probe wird dabei nur teilweise freigelegt für das Ätzen durch elektrische Entladung. Die Probe wird in einem Block aus schmelzbarem, elektrisch leitfähigem Material eingebettet, anschließend gepresst und einer thermischen Behandlung unterzogen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Angabe eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Präparation von Proben für TEM-Untersuchungen, mit denen auf einfache und kostengünstige Art und Weise mechanisch stabile, ausreichend große und im Wesentlichen intrinsisch unveränderte Proben hergestellt werden können.
Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Präparation von Proben für TEM-Untersuchungen wird zwischen die Anode und die Kathode einer Grimmschen Sputterquelle eine Probe eingebracht, wobei Teile der Probe in einen stoffschlüssigen Kontakt mit der Kathode gebracht und elektrisch isolierend gelagert werden, nachfolgend der Raum um die gesamte Probe evakuiert wird, wobei die Evakuierung der Räume auf der Anoden- und Kathodenseite der Probe über ein Leitungssystem realisiert wird, und wobei mindestens nach der Evakuierung und während des Sputterns mindestens im Bereich um die gesamte Probe ein im Wesentlichen gleicher Druck realisiert wird, wobei ein Druckunterschied zwischen der Anoden- und Kathodenseite der Probe von maximal 5 hPa realisiert wird.
Vorteilhafterweise wird eine zylindrische Probe eingesetzt.
Ebenfalls vorteilhafterweise wird eine zylindrische Probe mit den Abmessungen Durchmesser bis 3 mm und Höhe bis 1,0 mm eingesetzt.
Weiterhin vorteilhafterweise wird die Probe ringförmig elektrisch isolierend gelagert.
Und auch vorteilhafterweise wird eine hohlzylinderförmige und stabförmige Anode eingesetzt, wobei eine Stirnfläche der Anode in Richtung der Probe angeordnet wird.
Vorteilhaft ist es auch, wenn eine hohlzylindrische Kathode eingesetzt wird, wobei einerseits die Öffnung in der hohlzylindrischen Kathode über der Probe angeordnet und andererseits ein ringförmiger stoffschlüssiger Kontakt der Kathode mit der Probe realisiert wird.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn die elektrisch isolierende Probenlagerung durch ein keramisches Material realisiert wird.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn während und nach der Evakuierung und während des Sputterns mindestens im Bereich um die gesamte Probe ein gleicher Druck realisiert wird.
Es ist auch vorteilhaft, wenn während und nach der Evakuierung und während des Sputterns mindestens im Bereich um die gesamte Probe ein Druck mit einem Druckunterschied von der Anodenseite der Probe zur Kathodenseite der Probe von 0,001 hPa bis 5 hPa realisiert wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Präparation von Proben für TEM-Untersuchungen besteht mindestens aus einer Anode und einer Kathode einer Grimmschen Sputterquelle, wobei eine Probe zwischen Anode und Kathode in einem stoffschlüssigen Kontakt mit der Kathode steht und elektrisch isolierend gelagert ist, wobei die Lagerung der Probe durch eine hohlzylindrische Vorrichtung aus elektrisch isolierendem Material realisiert ist, die einerseits einen Entladungsraum zwischen Anode und Probe und andererseits auf der Kathodenseite der Probe die optische Beobachtung der Probe realisiert, und weiterhin ein Leitungssystem vorhanden ist, mit welchem die Evakuierung der Räume auf der Anodenseite der Probe und die Evakuierung der Räume auf der Kathodenseite der Probe realisiert, und weiterhin die Gasdichtheit der Räume um die gesamte Probe mittels einer oder mehrerer Dichtungen und Andrückvorrichtungen realisiert ist.
Vorteilhafterweise ist die Anode hohlzylinderförmig und stabförmig und die Kathode hohlzylinderförmig ausgebildet.
Weiterhin vorteilhafterweise ist die Probe zylinderförmig ausgebildet.
Ebenfalls vorteilhafterweise ist die Kathode mit der Probe ringförmig stoffschlüssig verbunden, wobei auf dem offenen kreisförmigen Teil der Probe die optische Beobachtung realisiert ist.
Und auch vorteilhafterweise ist ein Leitungssystem vorhanden, welches aus dem Raum, in und um die Anode durch Kanäle in der Lagerung der Probe von der Probe weg die Evakuierung von Gas realisiert.
Vorteilhaft ist es auch, wenn ein Leitungssystem vorhanden ist, welches aus dem Raum auf der Kathodenseite, über den die optische Beobachtung der Probe realisiert ist, und weiterhin durch Kanäle in der Kathode, die sich im stoffschlüssigen Kontakt mit der Probe befindet, von der Probe weg die Evakuierung von Gas realisiert.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn die Halterung der Anode gleichzeitig eine mechanisch stabile Halterung der Lagervorrichtung der Probe realisiert.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn die Dichtungen durch die Andrückvorrichtungen in die Dichtungshalterungen gedrückt und dadurch die Gasdichtheit der Vorrichtung realisiert ist.
Und auch vorteilhaft ist es, wenn die Andrückvorrichtungen gleichzeitig die zur Herstellung der Gasdichtheit anzudrückenden Vorrichtungselemente andrücken und in ihrer Position arretieren.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist es erstmals möglich, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Präparation von Proben für transmissionselektronenmikroskopische Untersuchungen anzugeben, mit dem auf einfache und kostengünstige Art und Weise mechanisch stabile, ausreichend große und im Wesentlichen intrinsisch unveränderte Proben hergestellt werden können.
Bei den ursprünglichen Grimmschen Quellen ( DE 15 89 389 A1 ) dichtet die Probe den Entladungsraum von der Atmosphäre durch eine Dichtung ab. Für die hohlzylinderförmige Anode mit einem 2.5 mm Sputterfleck hat der Dichtring einen Durchmesser von ca. 6 mm und bei 4 mm Sputterflecken wird eine Dichtung mit ca. 14 mm Durchmesser eingesetzt. Es sind auch Anoden bekannt, die kleinere Sputterflecken bis ca. 0.3 mm Durchmesser erlauben. Hierdurch verringert sind aber nicht der äußere Durchmesser der Anoden und der Durchmesser des benötigten Dichtringes.
Solche unmodifizierten Grimmschen Quellen scheiden daher für die erfindungsgemäße Präparation von Proben mit kleinerem Durchmesser als der Dichtring aus. Der Einsatz von größeren Proben und anschließende „Extraktion”, also das Heraustrennen der bearbeiteten scheibenförmigen Probe mit 3 mm Durchmesser, ist mindestens aus den nachfolgend angeführten Gründen unpraktisch oder unmöglich:

– Es liegt häufig nicht genügend Probenmaterial vor.
– Die Proben biegen sich mit < 0.2 mm Dicke beim Evakuieren durch und erzeugen im Falle metallischer Proben einen Kurzschluss.
– Die Extraktion der Scheibchen mit 3 mm Durchmesser aus größeren Proben ist schwierig und führt häufig zur Zerstörung der präparierten Stellen.

Nach dem Stand der Technik sind weiterhin Quellen bekannt, bei denen die Abdichtung des Entladungsraumes zur Atmosphäre nicht durch die Probe sondern mit einer Kappe erfolgt (G. Ehrlich, et al: Spectrochim. Acta Part B 1991; 46: 115). Die kleinsten verfügbaren derartigen Sputterquellen weisen einen Anodendurchmesser von 2.5 mm auf und haben eine Probenauflage von ca. 2.8 mm. Damit ist es äußerst schwierig, hier eine Probe mit 3 mm Durchmesser zu positionieren. Die Auflage ist außerdem nur ca. 0.1 mm dick, wodurch mechanische Instabilitäten vorbestimmt sind. Das Sputtern dieser Auflage stellt eine weitere Problematik dar, da dadurch die Probe verunreinigt wird, was die nachfolgenden Untersuchungen beeinträchtigt. Die Dicke der Auflagefläche bestimmt zusammen mit deren Abstand zur Anode den Abstand zwischen Probe und Anode. Da dieser Abstand bei den Grimmschen Sputterquellen nur 0.15 mm beträgt, bleibt nur ein sehr geringer Abstand zwischen Auflage und Anode und es kommt nach Deposition der gesputterten Probe schnell zu einem Kurzschluss. Wird der Abstand zwischen Auflage und Anode vergrößert, kommt es zur Ausbreitung des Plasmas bis zur Auflage und dem Sputtern derselben.
Daher wurde im Stand der Technik nach Lösungen gesucht, beispielsweise das Grimmsche Prinzip zu umgehen und eine Keramikscheibe zur Isolation zwischen Anode und Probe zu verwenden. Diese Technik ist aus dem Gebiet der Glimmentladungsmassenspektrometrie (GD-MS) für flache Proben bekannt, wo Krater mit ca. 8 mm Durchmesser bei niedrigem Druck gesputtert werden.
Tests mit einer konischen Anode und einem Kraterdurchmesser von ca. 1 mm zeigten jedoch, dass die Keramik nach kurzer Zeit durch Ablagerung des gesputterten Materials beschichtet und damit leitfähig wurde. Das führte zu Überschlägen und verhinderte das Sputtern tiefer Krater.
Dieses Problem ist für die GD-MS weniger von Interesse, da bei niedrigerem Druck gearbeitet wird und dadurch größere Abstände möglich sind, und die Isolation in größerem Abstand vom Krater beginnen kann. Bei der vorhandenen 3 mm Probe und ca. 1 mm Sputterkrater ist nur ein Abstand von ca. 1 mm realisierbar.
Diese Lösungen waren somit nicht für die Probenpräparation für TEM-Untersuchungen einsetzbar, da weder mechanisch stabile, ausreichend große und im Wesentlichen intrinsisch unveränderte Proben hergestellt, noch diese dann reproduzierbar untersucht werden können.
Dies wird jedoch mit der erfindungsgemäßen Lösung möglich.
Erreicht wird dies erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Präparation von Proben für TEM-Untersuchungen, bei dem zwischen Anode und Kathode einer Grimmschen Sputterquelle eine Probe eingebracht wird.
Die Besonderheit der Grimmschen Sputterquelle, dass es einen Abstand von 0,15 mm zwischen Probe und Anode gibt und dass zwischen Probe und Anode ein Niederdruck herrscht, der das Plasma begrenzt, werden für das erfindungsgemäße Verfahren ausgenutzt.
Dementsprechend besteht kein Kontakt zwischen der Anode und der Probe, aber Teile der Probe werden in einen stoffschlüssigen Kontakt mit der Kathode gebracht. Die Probe wird weiterhin elektrisch isolierend gelagert. Nachfolgend wird der Raum um die gesamte Probe evakuiert und mit einem Arbeitsgas (vorzugsweise Inertgas, wie Ar) bei niedrigem Druck durchflutet. Dadurch wird der Niederdruck im Entladungsraum zwischen Anode und Probe realisiert.
Erfindungswesentlich ist, dass während der Evakuierung der Räume um die Probe in technisch realisierbarem Umfang und aber in jedem Fall nach der Evakuierung der Räume um die Probe und während des Sputterns mindestens im Bereich um die gesamte Probe ein im Wesentlichen gleicher Druck realisiert wird. Dadurch wird einerseits das Plasma auf die Anodenseite der Probe begrenzt und ein Sputtern auf die Lagervorrichtung vermieden und gleichzeitig wird eine mechanische Belastung, beispielsweise ein Verbiegen der Probe, verhindert und es kann das Zerbrechen insbesondere spröder Proben ebenfalls vermieden werden.
Die im Wesentlichen möglichst gleiche Evakuierung des Raumes um die gesamte Probe wird erfindungsgemäß über mindestens ein Leitungssystem realisiert, durch welches gewährleistet wird, dass der gesamte Raum um die Probe evakuiert und mit einem Arbeitsgas geflutet werden kann.
Damit wird auf der Anodenseite einerseits der Raum zwischen Anode und Probe, der der Entladungsraum ist, ebenso wie der Raum in und um die Anode evakuiert. Dies wird über Leitungen oder Kanäle im Anodenraum und zwischen Anode und Lagervorrichtung realisiert. Kathodenseitig wird der Raum über der Probe, der sich nicht im stoffschlüssigen Kontakt mit der Kathode befindet über das Leitungssystem evakuiert. Dabei wird die Evakuierung über Leitungen in und um die Kathode und/oder außerhalb der Lagervorrichtung realisiert.
Auf diese Art und Weise wird durch eine gleichmäßige und in gleicher Art und Weise realisierte Evakuierung aller Räume um die Probe durch das Leitungssystem erreicht, wodurch zu jeder Zeit ein möglichst geringer Druckunterschied zwischen der Anoden- und Kathodenseite der Probe realisiert wird. Maximal soll der Druckunterschied 5 hPa betragen.
Durch die elektrisch isolierende Lagerung der Probe wird ein Kurzschluss zwischen Anode und Kathode vermieden. Diese Lagervorrichtung wird bevorzugt aus Keramik gefertigt, um einerseits ein Sputtern dieser Lagervorrichtung zu vermeiden und andererseits die umgebenden thermisch empfindlichen Bauteile, z. B. aus PEEK oder PTFE, vor heißen Gasen des Plasmas zu schützen.
Nachdem die Probe erfindungsgemäß in der Grimmschen Sputterquelle angeordnet ist, wird der gesamte Raum um die Probe evakuiert.
Unter dem im Wesentlichen gleichen Druck soll erfindungsgemäß verstanden werden, dass während der Evakuierung der Räume um die Probe in technisch realisierbarem Umfang und nach der Evakuierung des Raumes um die gesamte Probe und während des Sputterns zwischen Anodenseite und Kathodenseite der Probe ein möglichst gleicher Druck vorhanden ist, wobei vorteilhafterweise ein Druckunterschied zwischen Anodenseite und Kathodenseite der Probe von maximal 5 hPa, vorteilhafterweise von 0,001 hPa bis 5 hPa, realisiert wird.
Vorteilhafterweise ist die Probe zylindrisch ausgebildet, ebenfalls vorteilhafterweise mit den Abmessungen Durchmesser bis 3 mm und Höhe bis 0,5 mm.
Hinsichtlich der Anoden und Kathoden werden vorteilhafterweise eine hohlzylinder- und stabförmige Anode eingesetzt, deren eine Stirnfläche in Richtung der Probe angeordnet wird, und eine hohlzylindrische Kathode, wobei die Öffnung in der hohlzylindrischen Kathode über der Probe angeordnet wird, so dass eine optische Beobachtung der Kathodenseite der Probe realisiert ist. Durch diese hohlzylindrische Form der Kathode wird gleichzeitig ein ringförmiger stoffschlüssiger Kontakt der Kathode mit der Probe realisiert.
Weiterhin wird die Probe vorteilhafterweise ringförmig elektrisch isolierend gelagert, wobei die elektrisch isolierende Probenlagerung vorteilhafterweise durch ein keramisches Material, wie Al₂O₃- oder AlN-Keramik realisiert wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Präparation von Proben für TEM-Untersuchungen besteht mindestens aus einer Anode und einer Kathode einer Grimmschen Sputterquelle.
Die Probe ist erfindungsgemäß zwischen Anode und Kathode angeordnet, wobei sich die Probe in einem stoffschlüssigen Kontakt mit der Kathode befindet. Von der Probe zur Anodenstirnfläche besteht keine stoffliche Verbindung.
Die Probe ist elektrisch isolierend gelagert, wobei die Lagerung der Probe durch eine hohlzylindrische Vorrichtung aus elektrisch isolierendem Material realisiert ist. Vorteilhafterweise ist diese Vorrichtung zur Lagerung der Probe aus einem keramischen Material, wie beispielsweise Al₂O₃- oder AlN-Keramik, aufgebaut.
Durch die Lagervorrichtung der Probe ist einerseits ein Entladungsraum zwischen Anode und Probe geschaffen, in dem das Plasma realisiert wird. Weiterhin realisiert die Lagervorrichtung der Probe auf der Kathodenseite die optische Beobachtung der Probe, das heißt, dass mindestens Teile der Probe auf der Kathodenseite nicht von der Lagervorrichtung, aber auch nicht von der Kathode bedeckt sind und beispielsweise durch einen Lichtleiter für eine optische Beobachtung zugänglich sind. Dies kann vorteilhafterweise realisiert werden, indem die Lagerung der Probe nur ringförmig auf der Anodenseite und an den Seiten der Probe realisiert ist und die Kathodenseite nicht in Kontakt mit der Lagervorrichtung steht. Weiterhin ist dann die Kathode ebenfalls hohlzylinderförmig ausgebildet, so dass der stoffschlüssige Kontakt von Probe und Kathode ringförmig ausgebildet ist. Die im Inneren frei bleibende Fläche der Probe dient der optischen Beobachtung.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht weiterhin aus mindestens einem Leitungssystem, mit welchem die Evakuierung der Räume auf der Anodenseite der Probe und die Evakuierung der Räume auf der Kathodenseite der Probe realisiert wird.
Vorteilhafterweise ist für die Evakuierung der Räume um die Probe auf der Anodenseite ein Leitungssystem vorhanden, welches aus dem Raum, in dem sich die Anode befindet und aus dem Anodeninnenraum, und weiterhin durch Kanäle in der Lagerung der Probe von der Probe weg die Evakuierung von Gas realisiert.
Ebenfalls vorteilhafterweise ist für die Evakuierung der Räume um die Probe auf der Kathodenseite ein Leitungssystem vorhanden, welches aus dem Raum auf der Kathodenseite, über den die optische Beobachtung der Probe realisiert ist, und aus dem Raum um die Probe von der Probe weg die Evakuierung von Gas realisiert.
Der besondere Vorteil des Leitungssystems besteht darin, dass relativ aufwändige Leitungen, wie Kanäle, und Dichtungen in der insgesamt doch recht kleinen Grimmschen Sputterquelle vermieden und bereits vorhandene Räume für die Evakuierung mit genutzt werden können. So ist es besonders vorteilhaft, dass der Raum, in dem sich die Anode befindet, insgesamt mit evakuiert werden kann und das Leitungssystem am von der Probe aus gesehen entgegengesetzten Ende der Anode angebracht werden kann. Dies kann beispielsweise durch Öffnungen in der Anodenhalterung realisiert werden. Ebenfalls können in die Lagervorrichtung Kanäle eingebracht werden, durch die die Evakuierung des Gases aus dem Bereich der Probenlagerung auf der Anodenseite und von den Seiten der Probe realisiert werden kann. Die weitere Ableitung des Gases kann dann auf der Außenseite der Lagervorrichtung realisiert werden.
Durch diese Anordnung des Leitungssystems auf der Anodenseite wird während der Evakuierung gesichert, dass die Abstände zwischen Probenlagerung und Anode und Anode und Probe nicht verändert werden.
Durch diese Leitungssysteme ist einerseits gesichert, dass die Räume direkt um die Probe herum möglichst gleichmäßig und vollständig evakuiert und mit einem Arbeitsgas geflutet werden und andererseits kann die Gasdichtheit der Vorrichtung räumlich weiter entfernt von der Probe realisiert werden.
Die Gasdichtheit der Räume um die gesamte Probe wird mittels Dichtungen und Andrückvorrichtungen realisiert.
Dabei wird durch die Andrückvorrichtungen, vorteilhafterweise durch Schrauben, ein Teil der gesamten Vorrichtung gegen den anderen Teil der gesamten Vorrichtung gedrückt und damit die Dichtungen in den Dichtungsraum gedrückt, wodurch die Gasdichtheit der Räume um die Probe realisiert wird.
Vorteilhafterweise kann der Endzustand der Andrückvorrichtungen auch arretiert werden, wodurch während und nach der Evakuierung eine räumliche Veränderung von Teilen der gesamten Vorrichtung verhindert wird. Gleichzeitig wird durch den stoffschlüssigen Kontakt der Probe mit der Kathode ebenfalls eine räumliche Veränderung der Probe während der Evakuierung vermieden, wobei wiederum auch durch die Arretierung der Vorrichtungsteile durch die Andrückvorrichtung eine räumliche Veränderung auch der Kathode verhindert wird.
Weiterhin vorteilhafterweise kann durch die Halterung der Anode gleichzeitig eine mechanisch stabile Halterung der Lagervorrichtung der Probe realisiert werden. Dies kann beispielsweise durch einen stufenförmigen Aufbau der Halterung der Anode erreicht werden, dessen negative Form in der Lagervorrichtung für die Probe im Bereich der Halterung der Anode vorhanden ist. Dadurch kann ein einfacher Zusammenbau der gesamten Vorrichtung und eine mechanisch stabile und bezüglich der Anode zentrische Halterung der Lagervorrichtung erreicht werden.
Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist folgende.
Nach Zusammenbau der Vorrichtung mit Probe werden ein Teil der Vorrichtungsbauteile mittels der Andrückvorrichtungen gegen die Probe gedrückt und alle Vorrichtungsbauteile in dieser Position arretiert. Anschließend wird mittels weiterer Schrauben auf die Dichtung gedrückt bis der Dichtungsraum vollständig ausgefüllt und die Gasdichtheit der Vorrichtung realisiert ist.
Dies kann beispielsweise realisiert werden, indem die Kathode durch 3 Schrauben an die Probe gedrückt wird; weitere 3 Schrauben arretieren die Position der Kathode und die Dichtung wird dann erst in diesem Zustand durch weitere 6 Schrauben angepresst. Durch die Arretierung werden alle Vorrichtungsbestandteile in ihrer Position vor der Evakuierung gehalten und es kann auch durch die Evakuierung keine Positionsänderung einzelner Vorrichtungsbestandteile erfolgen.
Dadurch kann auch der Unterdruck, der beim Evakuieren der gesamten Vorrichtung entsteht, die Kathode und die Probe in ihrer Position nicht mehr verändern, da sie durch die 3 Abstandsschrauben im konstanten Abstand gehalten werden. Damit wird die Probe mechanisch nicht mehr belastet und ein Verbiegen oder gar Zerstören der Probe wird verhindert. In die Kathode ist eine Aufnahme für einen Lichtleiter integrierbar, der die optische Beobachtung der Probe auf der Kathodenseite durch Messung der Transparenz der Probe realisiert. Dazu wird ein Lichtstrahl, vorzugsweise ein Laserstrahl durch die Anode auf die Probe gerichtet.
Nachfolgend wird über das Leitungssystem die in der gesamten Vorrichtung vorhandene Luft abgesaugt. Als Leitungssystem sollen im Rahmen dieser Erfindung Kanäle, Bohrungen und Rohrleitungen verstanden werden, die zusammen das Absaugen der Luft aus den Räumen der Vorrichtung und insbesondere um die Probe realisieren.
Das Leitungssystem realisiert die Absaugung der Luft einerseits über die Leitungen vom Fußpunkt der Anode und von der Lagerung der Probe über Leitungen in der Lagervorrichtung und über weitere Leitungen die Absaugung der Luft aus dem Raum über der Probe auf der Kathodenseite über die Außenseite der Lagerung und über Leitungen in und um die Kathode im Bereich des stoffschlüssigen Kontaktes mit der Probe. Die Evakuierung der Luft über das Leitungssystem erfolgt in gleicher Art und Weise, so dass ein im Wesentlichen gleicher Druck, vorteilhafterweise ein gleicher Druck oder ein maximaler Druckunterschied zwischen Anoden- und Kathodenseite der Probe von 5 hPa, realisiert wird. Damit ist in allen Räumen der Vorrichtung bis zu den jeweiligen angedrückten Dichtungen die Luft evakuiert.
Nachdem die Räume um die Probe evakuiert sind, kann das Sputtern der Probe durchgeführt werden. Dazu wird zwischen Probe und Anode ein Plasma erzeugt, welches durch den herrschenden Niederdruck räumlich in seiner Position direkt an der Anodenseite der Probe gehalten wird. Damit werden ein Besputtern der Lagervorrichtung und Fremdeinflüsse auf die Probe weitestgehend vermieden.
Nachdem das Sputtern der Probe begonnen hat, wird mittels optischer Beobachtung der Sputterfleck überprüft und solange gesputtert, bis eine gewünschte Schichtdicke oder ein Loch im gesputterten Probenbereich realisiert ist. Damit ist dann die Probe für die TEM-Untersuchungen bereit.
Das gesamte Verfahren vom Einbringen der Probe in die erfindungsgemäße Vorrichtung, dem Absaugen der Luft, dem Sputtern, dem Einfüllen von Luft und dem Ausbringen der Probe dauert erfindungsgemäß zwischen 1 bis 2 Stunden je nach Probenmaterial, Sputter- und Absaugleistung. Dies ist ein deutlicher Vorteil gegenüber allen bekannten Verfahren zur Probenpräparation für TEM-Untersuchungen, die deutlich mehr Zeit (viele Stunden bis Tage) benötigen.
Weiterhin vorteilhaft ist die geringe Energie der sputternden Teilchen von weniger als 100 eV, wodurch die intrinsischen Eigenschaften der Probe erhalten bleiben.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht auch darin, dass sich die Position der Dichtungen außerhalb der Lagerung und des Entladungsraumes befindet und somit einerseits die Evakuierung durch Leitungssysteme in Form von Bohrungen und Saugkanälen erfolgen kann, deren Dimensionierung ein Zünden eines Plasmas außerhalb der Anode verhindert und andererseits die mechanische Lagerung der Probe trotzdem stabil, im Abstand von 0.15 mm und zentrisch bezüglich der Anode gesichert werden kann.
Eine besondere Herausforderung stellt die Fertigung und Einbringung der Anode dar, die einen Innendurchmesser von 1 mm, einen Außendurchmesser von 1.6 mm und eine Länge des zylindrischen Rohres von ca. 15 mm besitzt.
Untersuchungen zeigten, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren und durch die erfindungsgemäße Vorrichtung mehr als 200 μm tiefe und auch konkave Krater (für die Präparation von Löchern entscheidend) aber auch Löcher in der Probe realisiert werden können und dadurch der Einsatz dieser Proben für TEM-Untersuchungen möglich ist.
Damit ist dann eine schnelle und reproduzierbare Charakterisierung der Proben mittels TEM-Untersuchungen für die Werkstoffforschung möglich, da in sehr kurzer Zeit, in vielen Fällen innerhalb weniger als 1 Stunde, die Proben präpariert, das heißt in der Vorrichtung positioniert, gesputtert und dann im TEM untersucht werden können. Weiterhin sind die Proben wenig oder gar nicht mit Fremdpartikeln kontaminiert.
Nachstehend wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Dabei zeigt
1: das Profil des Sputterkraters mit Loch in einer 180 μm dicken Cu Probe und
2: die schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
Beispiel
Eine Grimmsche Sputterquelle weist eine Anode aus Kupfer mit einem Außendurchmesser von 1,6 mm und einer Länge des zylindrischen Teils von 15.85 mm auf. Die Anode ist an ihrem Fuß in einer Halterung aus Aluminium befestigt, wobei die Halterung einen Sockel um die Anode mit den Abmessungen 60 mm aufweist. Die Halterung der Anode ist gegenüber der Halterung für die gesamte Vorrichtung mit einer Dichtung aus Fluor-Kautschuk (Viton) abgedichtet.
Auf die Anode wird eine hohlzylinderförmige Lagervorrichtung aus Al₂O₃-Keramik mit den Abmessungen ⌀ 10 mm und 17 mm Länge aufgesetzt, wobei die Stirnfläche der Lagervorrichtung in Richtung des Anodenfußes eine Aussparung aufweist, die die negative Form und Abmessungen des Sockels der Anodenhalterung aufweist. Damit ist die Lagervorrichtung gegenüber der Anode in ihrer Position arretiert. Weiterhin sind ausgehend von dieser Aussparung 6 Kanäle mit den Abmessungen 1·1 mm gleichmäßig über den Durchmesser der Lagervorrichtung in der Fußfläche ausgespart. An der Außenseite der Lagervorrichtung werden diese Kanäle in einem Hohlraum abgesaugt. Zur Öffnung der hohlzylindrischen Lagervorrichtung in der Stirnseite in Richtung Kathode weist die Lagervorrichtung eine Aussparung mit den Abmessungen ⌀ 3.05 mm und 1 mm Tiefe als Probenauflage auf.
Die Lagervorrichtung ist über die Halterung der Anode und über die Halterung der Kathode und den darin befindlichen Dichtungen abgedichtet.
In die Aussparung in der Lagervorrichtung wird eine scheibenförmige Probe aus Kupfer mit einem Durchmesser von 3 mm und einer Dicke von 180 μm eingelegt.
Nachfolgend wird die hohlzylinderförmige Kathode aus Kupfer mit den Abmessungen Außendurchmesser 3 mm und 1 mm Länge auf die Lagervorrichtung aufgesetzt. Der Innendurchmesser der Kathode beträgt 1 mm. Damit liegt die Kathode kreisringförmig und stoffschlüssig auf der Probe auf. Die freie Fläche auf der Kathodenseite wird insgesamt durch die Kathode begrenzt, in der ein Lichtleiter über der Probe integriert ist. Sowohl die Lagerung der Kathode als auch der Lichtleiter in der Kathode sind gasdicht über Dichtungen aus Fluor-Kautschuk (Viton) verschließbar.
Die Kathode erweitert sich zu einem scheibenförmigen Deckel mit den Abmessungen ⌀ 60 mm und Dicke 10 mm und mit 12 Öffnungen für Schrauben. Jeweils 6 Öffnungen sind gleichmäßig über den Umfang verteilt und vom Mittelpunkt des Deckels aus in einem Abstand von 10 mm und 20 mm angeordnet (je 6 Schrauben). Drei der Schrauben im Abstand 20 mm sind 120° zueinander versetzt und führen beim Anziehen der Schrauben zu einem Andrücken des Deckels auf die Probe. Die drei anderen Schrauben im Abstand von 20 mm werden bis zu der oberen Fläche der PEEK-Platte geführt und arretieren somit die Lage der Kathode.
Die 6 Schrauben im Abstand von 10 mm werden anschließend angezogen und führen damit zu einem Andrücken der Dichtung und damit zur Herstellung der Gasdichtheit im Bereich der Kathode.
Nachfolgend wird die Quelle bis zum einem Druck im Wert von 0,07 hPa evakuiert. Danach wird der Ar-Fluss angeschaltet und in der Quelle entsteht ein Druck von 4,2 hPa. Jetzt wird das Licht des Lasers angeschaltet und ein Strom eines Photomultipliers von 1 nA gemessen. Nachdem an die Quelle eine Gleichspannung von 650 V angelegt wird, zündet das Plasma und das Sputtern der Probe beginnt mit 1 mA. Nach 43 Minuten steigt der Strom des Photomultipliers an, was bedeutet, dass die Probe ein Loch aufweist, und die Gleichspannung wird ausgeschaltet. Nun wird der Ar-Fluss geschlossen, die Pumpe ausgeschaltet und die Quelle über ein Nadelventil belüftet. Anschließend werden die 6 Schrauben im Abstand von 10 mm, die die Dichtung an der Kathode anpressen, gelöst. Jetzt werden die 3 Schrauben im Abstand von 20 mm, die die Kathodeneinheit auf die Probe drücken, entfernt und die Kathodeneinheit abgenommen.
Als letzter Schritt wird die Probe zusammen mit der Lagervorrichtung oder mit einer Vakuumpinzette entnommen und steht für die TEM-Untersuchung zur Verfügung.
Im Ergebnis wurde festgestellt, dass die Probe innerhalb von 43 Minuten durchsputtert wurde. Die TEM-Aufnahmen der gesputterten Probe zeigen, dass die TEM-Präparation mit Glimmentladung erfolgreich war.
Bezugszeichenliste

1: Anode
2: Kathode
3: Lagervorrichtung
4: Probe
5: Leitungssystem

Claims

Verfahren zur Präparation von Proben für TEM-Untersuchungen, bei dem zwischen die Anode und die Kathode einer Grimmschen Sputterquelle eine Probe eingebracht wird, wobei Teile der Probe in einen stoffschlüssigen Kontakt mit der Kathode gebracht und elektrisch isolierend gelagert werden, nachfolgend der Raum um die gesamte Probe evakuiert wird, wobei die Evakuierung der Räume auf der Anoden- und Kathodenseite der Probe über ein Leitungssystem realisiert wird, und wobei mindestens nach der Evakuierung und während des Sputterns mindestens im Bereich um die gesamte Probe ein im Wesentlichen gleicher Druck realisiert wird, wobei ein Druckunterschied zwischen der Anoden- und Kathodenseite der Probe von maximal 5 hPa realisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine zylindrische Probe eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem eine zylindrische Probe mit den Abmessungen Durchmesser bis 3 mm und Höhe bis 1,0 mm eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Probe ringförmig elektrisch isolierend gelagert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine hohlzylinderförmige und stabförmige Anode eingesetzt wird, wobei eine Stirnfläche der Anode in Richtung der Probe angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine hohlzylindrische Kathode eingesetzt wird, wobei einerseits die Öffnung in der hohlzylindrischen Kathode über der Probe angeordnet und andererseits ein ringförmiger stoffschlüssiger Kontakt der Kathode mit der Probe realisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die elektrisch isolierende Probenlagerung durch ein keramisches Material realisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem während und nach der Evakuierung und während des Sputterns mindestens im Bereich um die gesamte Probe ein gleicher Druck realisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem während und nach der Evakuierung und während des Sputterns mindestens im Bereich um die gesamte Probe ein Druck mit einem Druckunterschied von der Anodenseite der Probe zur Kathodenseite der Probe von 0,001 hPa bis 5 hPa realisiert wird.
Vorrichtung zur Präparation von Proben für TEM-Untersuchungen, mindestens bestehend aus einer Anode und einer Kathode einer Grimmschen Sputterquelle, wobei eine Probe zwischen Anode und Kathode in einem stoffschlüssigen Kontakt mit der Kathode steht und elektrisch isolierend gelagert ist, wobei die Lagerung der Probe durch eine hohlzylindrische Vorrichtung aus elektrisch isolierendem Material realisiert ist, die einerseits einen Entladungsraum zwischen Anode und Probe und andererseits auf der Kathodenseite der Probe die optische Beobachtung der Probe realisiert, und weiterhin ein Leitungssystem vorhanden ist, welches die Evakuierung der Räume auf der Anodenseite der Probe und die Evakuierung der Räume auf der Kathodenseite der Probe realisiert, und weiterhin die Gasdichtheit der Räume um die gesamte Probe mittels einer oder mehrerer Dichtungen und Andrückvorrichtungen realisiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der die Anode hohlzylinderförmig und stabförmig und die Kathode hohlzylinderförmig ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der die Probe zylinderförmig ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der die Kathode mit der Probe ringförmig stoffschlüssig verbunden ist, wobei auf dem offenen kreisförmigen Teil der Probe die optische Beobachtung realisiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der ein Leitungssystem vorhanden ist, welches aus dem Raum, in und um die Anode durch Kanäle in der Lagerung der Probe von der Probe weg die Evakuierung von Gas realisiert.
Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der ein Leitungssystem vorhanden ist, welches aus dem Raum auf der Kathodenseite, über den die optische Beobachtung der Probe realisiert ist, und weiterhin durch Kanäle in der Kathode, die sich im stoffschlüssigen Kontakt mit der Probe befindet, von der Probe weg die Evakuierung von Gas realisiert.
Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der die Halterung der Anode gleichzeitig eine mechanisch stabile Halterung der Lagervorrichtung der Probe realisiert.
Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der die Dichtungen durch die Andrückvorrichtungen in die Dichtungshalterungen gedrückt und dadurch die Gasdichtheit der Vorrichtung realisiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der die Andrückvorrichtungen gleichzeitig die zur Herstellung der Gasdichtheit anzudrückenden Vorrichtungselemente andrücken und in ihrer Position arretieren.