扫描电镜常见搭档——喷金仪相关问题详解

喷金仪是什么？

在封闭腔室中，放置阳极靶材，充入气体，保持一定的真空度，在阳极和阴极之间加载高压，会发生辉光放电现象。电离的气体离子会轰击、侵蚀阳极靶材。靶材原子会因此向四周扩散，并在样品上沉积，最终在样品表面形成一个均匀的镀层。这个镀层可以抑制荷电，减小热损伤，提高二次电子产率，从而改善扫描电镜观察效果。

平时使用时，最常见靶材的是金靶。正是这个原因，离子溅射仪也俗称“喷金仪”。

然而，为了获得更细小的晶粒尺寸、更薄的连续镀层，有时候也会使用其他靶材（比如铬）。这些靶材对真空度的要求更高，需要额外配置分子泵方可达到要求。

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喷金的优势

选择合适的气体以及靶材，就可以用来为扫描电镜的样品镀层。对样品表面溅射金属镀层有以下好处：

减少电子束对样品的损伤

提高导热性能

减少样品荷电（提高导电性）

提高二次电子产率

减小电子束穿透效应，提高边缘分辨率

保护电子束敏感样品

使用扫描电镜观察时，改善样品导电性是一个最基本的要求，之后才是各种参数的调节。从下图可以明显地看到，即使采用同样加速电压和束斑大小，喷金之后的图像（右）明显比不喷金的图像（左）效果要好很多。

没喷金时（左），信号量较少，图像中噪点很多；喷金之后（右），信号产率提高，图像的细节也细腻了很多。

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溅射镀膜速率

一个经常被提及的问题是，不同靶材的溅射速率到底有多大差别？表 1 列出了不同靶材相对于金靶（假定为 1）的理论溅射速率。由于实际溅射速率会受到各种溅射条件的影响，此处提到的只是理论溅射速率。

元素名称

符号

相对溅射速率

金Au

1.0

银Ag

1.2

钴Co

0.5

铬Cr

0.5

铜Cu

0.7

铁Fe

0.5

钼Mo

0.3

镍Ni

0.5

钯Pd

0.85

铂Pt

0.6

钽Ta

0.2

钨W

0.2

表1. 不同靶材的相对溅射速率（金靶为1）

不同靶材在不同溅射电流时对应的理论溅射速率（Quorum SC7620）

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如何选择靶材

1铬靶

最近几年，使用铬靶镀膜开始变得越来越流行了。铬靶可以提供较薄的连续致密膜，而且比其他靶材所产生的背散射电子更少。

当然，铬靶也有它的局限性。为了使用铬靶溅射，它需要高真空。为了达到最理想的效果，甚至有时候还需要样品的真空转移，以避免氧化问题。亚表面的电子有时候会透过超薄镀层，因此用扫描电镜观察镀铬样品，有时候会有一种穿透效应。

2铱靶

最新研究表明，使用铱进行溅射，同样也可以获得超精细的薄膜（亚纳米级），比起铬靶镀膜也不相上下。但无论是使用铬靶还是铱靶，都需要配备高真空设备，从而才能进行有效的溅射。

3铂靶

数据表明，高品质、设计优良的旋片泵磁控离子溅射仪（比如 Quorum K550X），可以使用铂靶制备连续镀膜，晶粒尺寸在 2 nm 左右。铂膜比铬膜有更好的二次电子产率。镀铬的照片有时候看起来会比较亮，对比度过高。

我们推测可能是这样的：在样品被彻底包覆之前，每个铬晶粒都被氧化了，最终的铬膜并不是完全连续的，因此每个铬颗粒就会各自发生荷电现象。而使用铱靶就不会有这种过亮的现象。

4银靶

银虽不是最常用的溅射靶材。但使用银靶溅射镀膜，有以下诸多优势：

银的性价比较高

银的二次电子产率很高

溅射银比蒸镀银的晶粒更小

银是已知的导电性最好的金属

银的特征 X 射线和硫、磷（常见与生物样品）的特征线分得很开

银靶的另一个优势就是：用银给镀膜，这种操作是可逆的。如果亲自冲洗过照片，就知道使用珐玛减薄液是可以处理掉银的。因此，许多样品在镀银观察之后，都可以通过处理，再复原到初始状态。

（请注意，银会和卤素反应形成结晶，并沉积在样品表面，这种情况下就不容易处理了）

除了镀银之外，另一种解决样品荷电问题，而又不改变样品表面形貌的方法就是使用飞纳电镜的降低荷电模式或使用降低荷电样品杯。

降低荷电效应样品杯的开发避免了对非导电样品额外的制样环 节。借助它可以观察如纸张、聚合物、有机材料、陶瓷、玻璃和涂料等样品在原始状态下的图像。

5

金/钯靶

对于很多样品来说，金/钯（8: 2）靶现在是非常受欢迎的靶材选择。之所以选择这种合金是因为钯可以起到壁垒作用，防止金变成更大的岛状团簇，从而影响最分辨率。此外，钯所引起的二次电子产率损失也很难在电镜中观察到。

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溅射镀层厚度

氩气环境，溅射电压 2.5 千伏，金/钯靶，样品靶材距离  50 毫米，溅射镀膜。使用光学干涉法可测得厚度：

H = 7.5*I*T

其中 T 表示溅射时间（分钟），I 表示溅射电流（毫安），H = 镀层厚度（埃）。

不同靶材的溅射速率不同。相对于金/钯靶，铂靶的溅射速率大约只有它的一半。

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改善喷金效果的几个技巧

腔室一定要保持干净！如果可以的话，不要在喷金仪的腔室中进行蒸碳操作，最好用另一台设备进行蒸碳。（防止蒸碳污染溅射仪腔室）。

可以用热肥皂水定期清洁腔室，并充分干燥。不建议使用试剂，这可能会影响健康安全。如果沉积物太顽固，可以考虑使用厨房百洁布（比如思高、3M、妙洁）。

可以使用异丙醇清洗金属表面。但不要用丙酮，它不仅会影响健康安全，而且更难回姂干净，会影响真空性能。

千万不要在没有隔断真空泵的情况下，让溅射腔长时间处于真空状态。通常情况下，手动操作阀门可以隔断真空泵与腔室。如果没有阀门隔断，隔膜泵的泵油可能会回流，污染溅射腔室。

确保设备干燥。开始溅射前，设备要抽到要求的真空度。否则，会明显影响溅射响效率，并带来污染。

把机械泵固定在一个牢固的基台上。并记得定期维护机械泵。

溅射气体：请使用高纯氩气（> 99.999%），这可以确保更快的溅射速率和更短的抽气时间。

如果想在表面不规则的样品上获得均匀的溅射镀层，最好使用行星式旋转样品台。

延伸阅读

扫描电镜样品需要喷金吗？

扫描电镜特殊类型样品制备系列 03

参考文献

Sputter Coater Principles：

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

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