噴金儀是什么？

在封閉腔室中，放置陽(yáng)極靶材，充入氣體，保持一定的真空度，在陽(yáng)極和陰極之間加載高壓，會(huì)發(fā)生輝光放電現(xiàn)象。電離的氣體離子會(huì)轟擊、侵蝕陽(yáng)極靶材。靶材原子會(huì)因此向四周擴(kuò)散，并在樣品上沉積，最終在樣品表面形成一個(gè)均勻的鍍層。這個(gè)鍍層可以抑制荷電，減小熱損傷，提高二次電子產(chǎn)率，從而改善掃描電鏡觀察效果。
 

平時(shí)使用時(shí)，最常見靶材的是金靶。正是這個(gè)原因，離子濺射儀也俗稱“噴金儀”。

然而，為了獲得更細(xì)小的晶粒尺寸、更薄的連續(xù)鍍層，有時(shí)候也會(huì)使用其他靶材（比如鉻）。這些靶材對(duì)真空度的要求更高，需要額外配置分子泵方可達(dá)到要求。

噴金的優(yōu)勢(shì)

選擇合適的氣體以及靶材，就可以用來(lái)為掃描電鏡的樣品鍍層。對(duì)樣品表面濺射金屬鍍層有以下好處：

· 減少電子束對(duì)樣品的損傷
· 提高導(dǎo)熱性能
· 減少樣品荷電（提高導(dǎo)電性）
· 提高二次電子產(chǎn)率
· 減小電子束穿透效應(yīng)，提高邊緣分辨率
· 保護(hù)電子束敏感樣品

使用掃描電鏡觀察時(shí)，改善樣品導(dǎo)電性是一個(gè)最基本的要求，之后才是各種參數(shù)的調(diào)節(jié)。從下圖可以明顯地看到，即使采用同樣加速電壓和束斑大小，噴金之后的圖像（右）明顯比不噴金的圖像（左）效果要好很多。

    

沒(méi)噴金時(shí)（左），信號(hào)量較少，圖像中噪點(diǎn)很多；噴金之后（右），信號(hào)產(chǎn)率提高，圖像的細(xì)節(jié)也細(xì)膩了很多。

濺射鍍膜速率

一個(gè)經(jīng)常被提及的問(wèn)題是，不同靶材的濺射速率到底有多大差別？表 1 列出了不同靶材相對(duì)于金靶（假定為 1）的理論濺射速率。由于實(shí)際濺射速率會(huì)受到各種濺射條件的影響，此處提到的只是理論濺射速率。

表1. 不同靶材的相對(duì)濺射速率（金靶為1）

不同靶材在不同濺射電流時(shí)對(duì)應(yīng)的理論濺射速率（Quorum SC7620）

如何選擇靶材

1. 鉻靶：最近幾年，使用鉻靶鍍膜開始變得越來(lái)越流行了。鉻靶可以提供較薄的連續(xù)致密膜，而且比其他靶材所產(chǎn)生的背散射電子更少。

當(dāng)然，鉻靶也有它的局限性。為了使用鉻靶濺射，它需要高真空。為了達(dá)到最理想的效果，甚至有時(shí)候還需要樣品的真空轉(zhuǎn)移，以避免氧化問(wèn)題。亞表面的電子有時(shí)候會(huì)透過(guò)超薄鍍層，因此用掃描電鏡觀察鍍鉻樣品，有時(shí)候會(huì)有一種穿透效應(yīng)。

2. 銥靶：最新研究表明，使用銥進(jìn)行濺射，同樣也可以獲得超精細(xì)的薄膜（亞納米級(jí)），比起鉻靶鍍膜也不相上下。但無(wú)論是使用鉻靶還是銥靶，都需要配備高真空設(shè)備，從而才能進(jìn)行有效的濺射。

3. 鉑靶：數(shù)據(jù)表明，高品質(zhì)、設(shè)計(jì)優(yōu)良的旋片泵磁控離子濺射儀（比如 Quorum K550X），可以使用鉑靶制備連續(xù)鍍膜，晶粒尺寸在 2 nm 左右。鉑膜比鉻膜有更好的二次電子產(chǎn)率。鍍鉻的照片有時(shí)候看起來(lái)會(huì)比較亮，對(duì)比度過(guò)高。

我們推測(cè)可能是這樣的：在樣品被徹底包覆之前，每個(gè)鉻晶粒都被氧化了，最終的鉻膜并不是完全連續(xù)的，因此每個(gè)鉻顆粒就會(huì)各自發(fā)生荷電現(xiàn)象。而使用銥靶就不會(huì)有這種過(guò)亮的現(xiàn)象。

4. 銀靶：銀雖不是最常用的濺射靶材。但使用銀靶濺射鍍膜，有以下諸多優(yōu)勢(shì)：

· 銀的性價(jià)比較高
· 銀的二次電子產(chǎn)率很高
· 濺射銀比蒸鍍銀的晶粒更小
· 銀是已知的導(dǎo)電性最好的金屬
· 銀的特征 X 射線和硫、磷（常見與生物樣品）的特征線分得很開

銀靶的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是：用銀給鍍膜，這種操作是可逆的。如果親自沖洗過(guò)照片，就知道使用琺瑪減薄液是可以處理掉銀的。因此，許多樣品在鍍銀觀察之后，都可以通過(guò)處理，再?gòu)?fù)原到初始狀態(tài)。（請(qǐng)注意，銀會(huì)和鹵素反應(yīng)形成結(jié)晶，并沉積在樣品表面，這種情況下就不容易處理了）

除了鍍銀之外，另一種解決樣品荷電問(wèn)題，而又不改變樣品表面形貌的方法就是使用飛納電鏡的降低荷電模式或使用降低荷電樣品杯。

降低荷電效應(yīng)樣品杯的開發(fā)避免了對(duì)非導(dǎo)電樣品額外的制樣環(huán) 節(jié)。借助它可以觀察如紙張、聚合物、有機(jī)材料、陶瓷、玻璃和涂料等樣品在原始狀態(tài)下的圖像。

5. 金/鈀靶：對(duì)于很多樣品來(lái)說(shuō)，金/鈀（8: 2）靶現(xiàn)在是非常受歡迎的靶材選擇。之所以選擇這種合金是因?yàn)殁Z可以起到壁壘作用，防止金變成更大的島狀團(tuán)簇，從而影響最分辨率。此外，鈀所引起的二次電子產(chǎn)率損失也很難在電鏡中觀察到。

濺射鍍層厚度

氬氣環(huán)境，濺射電壓 2.5 千伏，金/鈀靶，樣品靶材距離  50 毫米，濺射鍍膜。使用光學(xué)干涉法可測(cè)得厚度：

H = 7.5*I*T

其中 T 表示濺射時(shí)間（分鐘），I 表示濺射電流（毫安），H = 鍍層厚度（埃）。

不同靶材的濺射速率不同。相對(duì)于金/鈀靶，鉑靶的濺射速率大約只有它的一半。

改善噴金效果的幾個(gè)技巧

1. 腔室一定要保持干凈！如果可以的話，不要在噴金儀的腔室中進(jìn)行蒸碳操作，最好用另一臺(tái)設(shè)備進(jìn)行蒸碳。（防止蒸碳污染濺射儀腔室）。

2. 可以用熱肥皂水定期清潔腔室，并充分干燥。不建議使用試劑，這可能會(huì)影響健康安全。如果沉積物太頑固，可以考慮使用廚房百潔布（比如思高、3M、妙潔）。

3. 可以使用異丙醇清洗金屬表面。但不要用丙酮，它不僅會(huì)影響健康安全，而且更難回姂干凈，會(huì)影響真空性能。

4. 千萬(wàn)不要在沒(méi)有隔斷真空泵的情況下，讓濺射腔長(zhǎng)時(shí)間處于真空狀態(tài)。通常情況下，手動(dòng)操作閥門可以隔斷真空泵與腔室。如果沒(méi)有閥門隔斷，隔膜泵的泵油可能會(huì)回流，污染濺射腔室。

5. 確保設(shè)備干燥。開始濺射前，設(shè)備要抽到要求的真空度。否則，會(huì)明顯影響濺射響效率，并帶來(lái)污染。

6. 把機(jī)械泵固定在一個(gè)牢固的基臺(tái)上。并記得定期維護(hù)機(jī)械泵。

7. 濺射氣體：請(qǐng)使用高純氬氣（> 99.999%），這可以確保更快的濺射速率和更短的抽氣時(shí)間。

8. 如果想在表面不規(guī)則的樣品上獲得均勻的濺射鍍層，最好使用行星式旋轉(zhuǎn)樣品臺(tái)。

參考文獻(xiàn)

Sputter Coater Principles：
https://www.emsdiasum.com/microscopy/technical/datasheet/sputter_coating.aspx