ГЛАВА 2
Особенности электронной микроскопии ВТСП
2.1. Приготовление образцов из ВТСП для электронной микроскопии
Как было отмечено в разделе 1.3, YBCO легко разрушается атмосферной влагой и углекислым газом, т.е. в кислой среде. В связи с этим ранее предпринимались попытки приготовления образцов YBCO для электронной микроскопии методами элетролитической полировки или химического травления, однако неконтролирумое изменение химического состава и другие артефакты химических методов ограничивают их применение в данном случае.
Метод ионнного травления (ионной полировки, эрозии, распыления) получил свое применение в приготовлении образцов для электронной микроскопии из керамики примерно с конца 70-х годов, когда появились первые заграничные серийные приборы фирм Edwards, Gatan, Barna (которым выпускавшийся в то время ВУП-4 и его модификации конкуренции составить не могли). В этих приборах были воплощены идеи, развитые в работах пионеров метода M.Paulus, D.J.Barber, A.Barna, G.Carter [33-35]. К 1990 году, однако, метод приготовления образцов для ПЭМ из YBCO (в основном из прессованного и обожженного порошка) выглядел как весьма длительный и не гарантирующий стопроцентного удовлетворительного результата. Метод заключался в одностороннем удалении части материала таблетки YBCO вращающимся абразивным кольцом или полу-сферой ("dimpling") до перфорации, а затем то, что осталось вокруг отверстия, подвергалось ионному до-утонению. Развитие техники тонких плёнок ВТСП и возросшие в связи с этим требования к качеству элетронномикроскопического исследования тонких плёнок (в особенности желание получить надежный метод приготовления поперечных сечений тонкоплёночных образцов ВТСП) побудили автора совместно с сотрудниками Центра электронной микроскопии разработать в 1991-1992 годах оригинальную методику [36], которая на сегодняшний день является в мире единственной, обеспечивающей приготовление образцов из тонких плёнок различных материалов за самое короткое время (время приготовления сокращается из-за возможности одновременной шлифовки на абразиве до 4-х образцов). При этом качество образцов после шлифования и ионного травления соответствует требованиям микроскопии высокого разрешения (толщины в районе интерфейса плёнки с подложкой 20-50 нм, нет артефактов и загрязнения поверхности, размер прозрачной для электронов области - несколько микрон) [37]. Идея метода заключается в доведении толщины образца шлифованием до примерно 10 мкм, причем отклонение от этой величины по всему образцу допускается не более 1 мкм (это было продиктовано возможностями метода контроля толщины - при определении толщины на просвет в оптическом микроскопе точность зависит от точности фокусировки изображения микрометрическим винтом, перемещающим линзу; позднее были приняты другие методы контроля, пригодные для непрозрачных образцов). Опыт применения методики показал, что нет необходимости утонять образец ниже 15 мкм из-за опасности изгиба или разрушения образца под действием внутренних напряжений. При эффективности утонения в современных приборах в несколько микрон в час (это зависит от ускоряющего напряжения и угла падения ионов) минимально возможная толщина образца значительно сокращает время ионного утонения от нескольких десятков часов в других методиках [38] до нескольких часов или меньше на образец в данной методике (зависит от материала подложки). Получение равномерной толщины на участке площадью примерно два с половиной квадратных сантиметра, где располагаются образцы было бы невозможно без применения разработанного в фирме IBM (смотри R.Andeson и др. [39]) держателя TripodTM, чертеж которого представлен на рис.2.1. Как видно из рис.2.1, точность установки рабочей поверхности держателя обеспечивается тремя микрометрическими винтами, равноудаленными от оси держателя и друг от друга. На микрометрические винты, изготовленные из марганце-содержащей износоустойчивой стали, надеваются тефлоновые "заглушки", истираемые во
Рис.2.1. Приспособление для шлифования объектов с микронной точностью (вид сбоку и снизу), материалы: сталь, алюминиевый сплав и термостойкое стекло [7].
Рис.2.2. Последовательные этапы приготовления заготовки перед шлифованием (показаны резка и склеивание в пакет).
время шлифовки образца. Образец на алюминиевом круговом держателе крепится снизу двумя винтами, показанными на чертеже (рис.2.1).
Перед установкой на TripodTM образец нарезается (см. рис.2.2 ) алмазным или керамическим кругом, а также (для очень тонких заготовок) применяется резка абразивным проводом, на кусочки, шириной приблизительно равные диаметру столика держателя TripodTM , а толщиной - около миллиметра. Эти кусочки затем приклеиваются друг к другу, причем между двумя образцами, а также с двух сторон пакета приклеивается защитное стекло (рис.2.2). Весь пакет сушится под прессом на элетрической плитке при 100оС около часа, затем вся склейка переносится на TripodTM . Шлифование производится с двух сторон на алмазной пасте 25, 15, 6, 3, 1 и 0,25 мкм с лубрикантом, направление вращения диска с абразивом - от первого образца в пакете к последнему. Окончание шлифования определяется путём замеров толщины на оптическом микроскопе.
После окончания шлифования пакет разделяется на отдельные образцы, которые в свою очередь разделяются на части, подходящие по размеру к выбранному поддерживающему кольцу, а части приклеиваются к кольцу (рис.2.3)
Рис.2.3. Образец на поддерживающем кольце. Показаны направления и углы бомбардировки ионами в установке ионного травления.
так чтобы плёнка находилась близко к центру, и сушатся.
Кольцо с плёнкой ставится в установку ионного травления и выполняется утонение путем бомбардировки ионами аргона подложки с плёнкой с двух сторон (сверху и снизу) по направлению от подложки через плёнку к центру поддерживающего кольца. Первоначально устанавливается режим: ускоряющее напряжение до 5 кВ, угол падения ионов до 6о (ток в установках Gatan PIPS и Balzers RES 100 устанавливается автома