编者寄语：
我们说带电粒子束设备样品的照料和制备 Sample Care and Preparation的必要性，是因为一个成功被照料和制备的样品，会左右我们最终能否成功成像Imaging、分析Analysis、或加工Fabrication 的三分之一的概率；适合带电粒子束观察的样品，需要具备若干条件，比如样品必须是固态的Solid、必须是耐真空的Vacuum Resistant、还有最好是导电的Conductive之类；扫描电镜对样品的要求要比透射电镜来得简单得多，比如它们不需要严格的制备来达到厚度Thickness的要求；因为在透射电镜中只有样品够薄，电子束才能够顺利穿透Transmit......
在讨论样品制备Sample Preparation之前，非常有必要先论述一下对样品的照料Sample Care；对样品的照料，简单来讲就是如何对样品进行保持清洁的注意和处理；换句话说，就是如何在系统受到污染前，防止其受到污染；还有在系统受到污染之后，如何消除和抗击这些污染物；平日里，在和使用带电粒子束设备的老师和朋友们聊天中，提到最多的话题之一就是：“我的系统怎么那么容易就被污染了呢？”，还有：“好像我的系统的像散越来越大，表现越来越差了”、“我的光阑怎么又堵掉了呢？”，还有：“怎么我的样品总是一扫就变黑了呢？”等等困惑；
入门级别的带电粒子束科学仪器-钨灯丝扫描电镜，一般使用油润滑的旋转泵Rotary Pump，作为其前级真空泵Pre-pump，日系的厂家会使用油扩散泵Oil Diffusion Pump，作为系统的高真空泵High vacuum pump，除了这两种来自系统配置内的、导致的来自系统本身的“污染源”之外，可以很负责任地说，现代的带电粒子束设备厂家都会把系统的清洁当做第一要务来对待和处理的；所以换句话说，仪器系统本身是不会自己污染自己的；那么系统中出现的污染既然是客观存在的，这些污染到底是来自哪里的呢？答案是：绝大部分的污染源都是操作员在操作过程中、在无意间、或好意做错事，自己引入了系统中的；
这一章节中的图片和素材都来自于平日在工作中的收集，也包括对如何简单有效地防污染、和抗污染的应对法门和体会；大部分内容之前在《带电粒子束显微成像及分析基础知识》系列中有所提及，现在“老话重提”，希望对大家还能有所帮助；
上图中是对一个“正常”运行中被污染物堵掉的多孔铂制光阑Multi-hole Platinum Aperture的简单失效分析，样品来自国内一知名金属研究所的采用西门子booster专利的热场扫描电镜；形貌分析Topography显示污染物在光阑孔内上产生结晶Crystalization，逐层生长，直到全部光阑孔径内全部被堵死；X射线能谱分析显示污染物主元素由碳，氧，硅等成分构成；加上在检测限之外的氢元素，这个结果和有机质的成分基本吻合；
对于这个案子，可以断定仪器系统中的有机质是主要污染源；那么这个有机质污染物是什么、结晶中为什么还会有硅元素、还有污染源是以什么形式被引入仪器的真空系统，并继而挥发Evapuration、沉积Deposition、进而凝结Condensation在光阑内孔、形成结晶的呢？光阑是在一个常看金属样品的电子光路中使用，进而被污染的，金属样品的润滑油里含有硅元素；仪器光路与气路重合，污染渠道多半是附着于疏于清洗的金属样品上的润滑油进入真空气路、在电子束诱导下沉积、及真空低温表面上的凝结，最终导致的光路元器件污染；
相对于电子束EBeam，离子束IBeam的粒子性Particle Like强、衍射效应低、动能高，对光路Optics中的污染物Contamination更为耐受；举例，平时可以多关注系统消像散后的消像散偏转组Stigmator Deflection set的电流（EColumn）和电压（IColumn）值的变化规律；
在电子束的消像散调节中，我们需要对消像散线圈做经常性的调节，以适应电子束在不同状态下对光路内污染物不同的反应，比如不同大小的束流Beam I、和不同高低的加速电压Acceleration High Tension等；有时在电子束状态完全不变的情况下，我们仍然需要不断检查来确认不断变化的像散；而在离子束成像及加工中，对消像散器的调节就不用那么频繁操作了；在氦离子束Helium Ion Beam成像和加工中，我时常注意到氦束光路的消像散调节通常可以坚持数个小时、甚至数天，都变化极小；
我们还看到，光阑结晶污染物的能谱中还有锆Zr元素；热场灯尖的钨单晶上镀有氧化锆ZrO涂层，所以这里有很大的可能性是：过热的热场灯尖在被强电场和高热量“混合驱动”产生电子束的同时，也携带下一些ZrO镀层中的锆元素，最终也组成了导致光路堵塞的污染源的一部份；另一种可能性是：这个被标为锆的元素不是Zr，铂Pt和锆的部分能谱峰线较为接近，在较低激发能量下，被误判成了Zr；
既然这里提到热场发射灯丝过热的问题，那么我们也就这个话题做一个简短的讨论吧；
热场灯丝是热量辅助下的场致发射类型Heat Assisted Field Induced的电子源，在实践中发现，热场灯丝的拔出电流Extraction I在加载加速高压EHT前后的电流值越接近，灯丝温度Filament T就越高；当两个值过于接近的时候，就是灯丝过热Overheat的表现；
重点是在灯丝过热的时候，是不会对发射电流Total emission的增长有帮助的，反而只会加速损耗热场灯丝的材料、进而缩短其使用寿命Filament Lifetime；
这个时候，就需要及时调节热场灯丝的加热电流Heating I、和引出电压Extraction V 这两个参数，让加载加速高压前后的两个发射电流值Emission的比率Extraction Ratio增大，借此达到降低灯丝过热的温度的目的，这样灯丝的使用寿命也就会得以延长，灯丝发射束流的表现力也同时会有所提高；
那么，这个比率一般在多大范围内合适呢？用户自己是否可以调节呢？还有调节之后是否真的不会影响系统的分辨率和灯丝的寿命呢？大致上说，一般对于一根热场新的灯丝，这个被称作拔出电流比率Extraction ratio的参数在30%左右是比较合适的；如果小于10%，这就表明灯丝已经过热了；而大于40%的时候，说明灯丝其实是处在相反的状态-过冷；
强烈建议，操作员可以先让有经验的厂家工程师示范如何调节热场灯丝的加热电流、和引出电压这两个参数；待需要自己上手调节时，还要时刻记住，一定要避免在灯丝温度过高的时候，同时出现引出电压加载的不足；因为这样的灯丝的场和热的环境，会导致灯尖由于场和热的分配不均衡而变圆，其尖端直径Tip Radius会变大，进而导致最终束斑增大，损失分辨能力Resolution；在明白基本原理、和汲取了操作经验之后，操作员自己上手做这个调节也是很简单的；
实际上，操作员能够实时监测、及时调节这个比率是非常有必要的；强烈建议尽早干预调节，并在调节后，监测每1000小时的这个比率的变化状况，及时跟进调节；灯丝过热时间拖得越久，灯丝对其环境的适应“惰性”就会增大，而“干扰”其既定工作“习惯”状态的后期调节，反而会适得其反，产生影响灯丝寿命的风险；
这里的一条“不传之秘”是：有条件的用户，可以在周末两天和各个节假日，在严格保证电子枪真空的前提下，关闭热场灯丝的加热电流；这样做，不仅不会影响灯丝寿命，而且每周还能节省50个小时左右的灯丝寿命，一年下来就能节省约3000个小时；按照每颗热场灯丝平均两万个小时的寿命来计算，这样做会至少延长30%的灯丝寿命，可以节省不少运营的成本呢；
这里需要注意的是，在每周一早、或节假日复岗之后，回到实验室开启灯丝后，要先预热Pre-heating一到两个小时，待到拔出电流基本稳定后再做分析类相关实验，以保证发射信号的稳定性；如果只是成像，则妨碍不大，可以随时进行；
回到样品照料，在和页岩气Shale Gas油气开发服务公司甲方打交道的2010年前后，我在哥伦比亚亚马逊河上游的小镇Bucaramanga做设备蹲点babysitting；这一蹲就蹲了三个月；来自美国Texas的Ingrain公司在他们的页岩气井附近，临建了基于大型集装箱的户外实验室；记得当时为了赶上圣诞节的项目期限，用户并没有按预期对他们的页岩岩心样品进行足够时长的真空预抽Pre-pumping清洁；可想而知，这导致在电镜真空系统中，不断积累的来自页岩样品的有机质污染，一台崭新的热场电镜在使用了仅仅一个半月后，样品仓、甚至镜筒中的探头、以及真空计Vacuum Gauge陆续报废；
好在用户“心虚”，预判到了这一状况，再加上腰包充足，事先就在现场准备了足够组装一台电镜的各类配件，一通更换探头和真空计，解决了燃眉之急；当时，我还记得用户一直在报怨镜筒里的Inlens探头像的充电条纹Charging Bands越来越密集；取出探头后，发现探头的集成式闪烁体Scintilator上居然覆有一层反光的油膜；闪烁体虽然只是一片镀满磷粉的涂层，但和光导管Light Guide一体化的信号高转换效率的设计，决定了这个探头传感器已经寿终正寝；
在长期与电镜污染做斗争的职业生涯中，实践证明，闪烁体类的探头传感器，被污染后多半不能逃脱需要更换的命运；而固体式探头的硅二极管传感器Silicon Diode，是可以用无水乙醇Ethanal清洗除污的，而且成功率很高；能谱探头绝大多数使用镀铝膜的高分子聚合物超薄窗口Polymer Ultra Thin Window，用以隔绝真空、并保护探测晶体Crystal；大概率受到污染最严重的部分不会是晶体，而是这个超薄窗；尝试在现场不能有效清洁窗口上的污染之后，将探头送回工厂换窗翻新，就成为这些能谱探头唯一的选择了；
说了这么多样品照料中的系统污染现象，那么，如何防污染抗污染呢？在上一章节中，我们提到过，样品照料的方法和相关设备主要有：吹扫清洁Purge cleaning、加热清洁heating cleaning、冷阱清洁Cold trap、紫外清洁UV cleaning、臭氧清洁O3 cleaning、样品表面等离子亲水性处理Plasma glow discharging、等离子清洗处理Plasma cleaning、样品真空保护传输 Vacuum transfer，等；
等离子清洗Plasma Cleaning，是去除碳沉积Carbon Deposition污染最有效的方法之一；
利用粒子束能量电离纯氧产生臭氧O3清洗碳沉积也是另一个有效的方法，在样品允许范围内，安全第一的前提下也建议使用；
冷阱Cold Trap，是透射电镜和环境扫描电镜标配的防污染手段，既便宜又有效，强烈推荐在所有带电粒子束设备上标配使用；
样品在低温保护下进行观测、分析和加工，可以帮助克服和抑制样品在与电子束对撞过程中产生的污染物；
还有，对于发气Outgassing、和多孔Porous的样品，预抽Pre-pumping应该是最基本的样本照料手段，有条件的用户最好能在加热的环境下预抽，以提高清洁效率；有样品交换仓loadlock的用户，多数会忘记loadlock是可以做原位的In-Situ预抽清洁操作的；这样的原位预抽，比起单独使用的真空预抽设备来，杜绝了样品在二次转移过程中再次暴露在大气中所造成的二次污染，可以以真空对真空，直接将样品从真空换样室推送进真空样品仓；
这里还有最重要的一项防污染的建议，就是：不建议用户使用碳基胶带Carbon Based Tape、或碳胶Carbon adhensive来固定样品；碳污染是电镜最大的敌人，在不得不用的情况下，也要尽量少用；建议可以尽量使用铜导电胶带Copper Tape，在不防碍成分分析前提下，可以使用银胶Silver adhensive；
同理，清洗样品时，也要尽量不去使用碳基的溶剂比如乙醇，而使用去离子水Deionilized water；不得不用的情况下，可以先使用碳基溶剂，再用去离子水将样品清洗干净、并用氮气吹干。
另外，大家处理样品时，除了佩戴无粉无尘的手套之外，一定要使用清洁的和专业的工具，以避免对样品的二次污染；
在利用带电粒子束做微纳加工Micro/Nano Fabrication的世界里，无论我们所做的是切割Milling也好，是沉积Deposition也可，还有腐蚀Etching也罢，在达到加工的目的以外，都会给加工所在的平台系统造成较大等级的污染；
毋庸置疑，首先，这些污染大部分来自于带电粒子束和样品的对撞Particle Solid Interaction，污染来源分为大致来自三个方面：第一方面，是带电粒子束对样品的注入Implatation，所带来的对样品的污染，排除对样品去除和改性的影响，这个污染的等级最小；
第二方面，是切割加工所造成的微纳级别的碎屑Debris，对带电粒子束设备真空系统、和探测系统造成的污染；
第三方面的污染级别最大，对系统的损伤也最大，就是在引进了气体注入系统Gas Injection System后，对样品的沉积和腐蚀；增强型Enhanced、或选择型Selective的腐蚀操作比起沉积，需要引入具有腐蚀性的卤素气体；这些卤素元素在完成腐蚀加工任务之后，被真空泵清除出系统的同时，也会在沿途“顺便”腐蚀真空部件Vacuum Components；
这里可以讲一个实际经历的案例：一台早期的双束设备第一次配备气体注入系统，气体的前驱物Precursor里，除了配备了沉积常用的铂元素和钨元素之外，有用于针对金刚石和硅基做增强型蚀刻Enhanced Etching的水元素、和氟化氙XeF2，还有针对铝合金做选择型蚀刻Selective Etching的碘元素；在安装完毕并试用了碘腐蚀后一个小时，系统的分子泵就从发出异响、到功耗增加、最后彻底罢工，停止转动了；当时口瞪目呆，分析原因后显而易见，就是因为碘元素不仅蚀刻了铝合金样品，也同时腐蚀了铝制的分子泵轴承组件；这个教训告诉我们：在利用带电粒子束做刻、沉、和蚀之类的加工时，一定要对系统的真空系统做好相应的保护；比如一定不要忘记，开启对分子泵的氮气冲洗Nitrigen Purge功能；而在有像碘元素一类的前驱物注入时，更要提前选用适合的、有涂层包裹保护叶片和轴承的、特殊抗腐蚀型号的分子泵；更有条件的用户，可以选用没有物理轴承的磁悬浮Magnetic Levitation分子泵；
目前，带电粒子束微纳加工业界越来越多地采用了在换样室Loadlock内，先利用激光Laser做粗烧蚀Coarse ablation，再在样品室Chamber内，利用离子束作精加工Fine Milling的、带特殊换样室附件的双束和多束设备；好处显而易见，就是尽可能多地，将切割碎屑污染在进入样品室之前，就搞定它们的污染源清除作业；即便是这样，下一步还是要不得不使用带电粒子束来搞定精加工；这类微纳加工所带来的污染是不能完全避免的，只能尽可能地减少；所以说，微纳加工是一项成本很高的操作，因为这类操作很“脏”；每位微纳加工的用户，都必须有足够的安排和预算，来应对更换由于污染而引发的消耗品Consumables；
谈到X射线能谱探头EDS的污染，主要来自两个方面：第一方面是：由于能谱探头的温度在带电粒子束设备样品室内是最低点，不可避免地吸附了大部分样品仓室内的污染物，并凝结Condense在探头杆Detector Rod、和超薄窗Ulta Thin Window表面，利用液氮冷却的老式SiLi能谱探头常年处在接近负186摄氏度的低温，还有帕尔贴制冷Peltier Cooling下的SDD探头，虽然只处在负30摄氏度上下，但在污染源严重介入的情况下，仍甚至会在探头末端形成油滴，让人触目惊心；
吸附在超薄窗表面的污染物，会造成对低能量特征X射线脉冲信号的吸收，导致到达探测晶体的低能量X射线事件计数率Low Energy X-ray event Count Rate的下降，进而导致低能量元素定量结果的偏差；第二方面是：来自大气的水蒸汽，在系统放弃真空时，穿透处于微漏状态的能谱探头的超薄窗，凝结在探测晶体上；凝结的水冰中的氧元素，在电子束对撞下会产生氧的谱峰，叠加在样品的同等样品特征能量谱峰上，导致到达探测晶体的对氧元素X射线事件的计数率的上升，进而导致氧元素定量结果的偏差；
常用的可以监测能谱探头是否被污染、或污染的程度到底如何的手段是：通过对特定元素或样品特定谱峰的观察来判断；对于窗口的油污染，我们可以利用纯铜、或纯镍样品，观察处在它们谱峰的低能量部的La谱线相对于高能量部Ka谱线的计数率比值，即K对L比值K to L Ratio；
如果窗口有油污染，必然会导致铜或镍的La谱线计数偏少，也就是K对L比值，要比正常的没有污染的比值要高，这个比值越高，就表示窗口的油污染越严重；
同理，我们还可以利用纯石英矿石样品Quartz，来观察它谱峰的低能量部的氧Ka谱线相对于高能量部硅Ka谱线的计数率比值，即硅对氧比值Si to O Ratio；如果窗口有油污染，必然会导致石英的氧Ka谱线计数偏少，也就是硅对氧比值，要比正常的没有污染的比值要高；这个比值越高，就表示窗口的油污染越严重；
也同理，对于能谱晶体的冰污染，我们可以利用纯铬样品Cr，观察处在铬谱峰的低能量部的LI的0.5KeV的谱线中间峰，和La0.571KeV的谱线中间峰；正常的没有被冰污染的能谱晶体，会观测到铬的La谱线高度，相对于铬LI谱峰，会处在大致一样的高度；氧的Ka谱峰中间峰能量在0.531KeV，如果能谱探头的晶体受到了冰的污染，必然会导致铬的La谱线计数，相对于铬LI谱峰要高；铬La谱峰比LI谱峰高得越多，就表明晶体所受到的冰污染越严重；
针对能谱探头窗口的油污染，我们可以在室温下使用无水乙醇Ethanal清洁窗口来去除；针对附着于晶体上的冰污染，我们需要将探头晶体加热，并及时更换微漏的窗口来解决；因为只有在窗口微漏的状态下，水蒸汽才有可能穿透超薄窗凝结在探头的晶体之上；
在和QemSCAN打交道的时间里，我见识到了最“离谱”的电镜系统污染：蜡污染；用户是做煤矿的自动化找矿的，为了能够从背景中凸现有效煤粉组分在整体矿粉中的分布，在电子束下，只有用蜡基包埋embedding煤矿粉，才能在背散射图像的Z衬度上突出并观测到碳的分布信息；这种样品制备方法，是行业通用的方法，是无可厚非的，可惜用户为了节省成本，没有采用价格很高的carnauba wax，而是选用了便宜很多的Paraffin wax，就是常见的做蜡烛的那种蜡；结果可想而知，Paraffin wax是对电镜真空系统的致命的有机质污染源；图片中的能谱探头，在被有机质白色粉末“蒸镀”后，除了固体式背散射探头Soild State Detector侥幸得以清洁，仍然“存活”，恢复使用之外，ET探头只能宣布报废，电镜样品仓中占据温度最低点的能谱探头，在几经清洁窗口后，依然收效甚微，最终只能将四个能谱探头发回厂家更换窗口，并清洁翻新；这样的教训可谓“刻骨铭心”；
这里稍加一段：严格来讲，携带磁性的样品，和采用浸没式电磁物镜的外溢磁场，各自相对于对方都是一类污染源；在这个话题上，非浸没式物镜是更为合理的选择；
在这章样品照料手段的最后，建议实验室采购标准的样品承载钉台，转移保护盒、和储藏盒，最大程度保持样品的清洁；
应用于系统校验的标样，也需要严格的储藏和转移保护，只有保证了标样的标准性，才能利用它们校验您的仪器设备，不是吗？
