噴金儀是什么？

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

平時使用時，最常見靶材的是金靶。正是這個原因，離子濺射儀也俗稱“噴金儀”。

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

噴金的優勢

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

· 減少電子束對樣品的損傷
· 提高導熱性能
· 減少樣品荷電（提高導電性）
· 提高二次電子產率
· 減小電子束穿透效應，提高邊緣分辨率
· 保護電子束敏感樣品

使用掃描電鏡觀察時，改善樣品導電性是一個最基本的要求，之后才是各種參數的調節。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。

沒噴金時（左），信號量較少，圖像中噪點很多；噴金之后（右），信號產率提高，圖像的細節也細膩了很多。

濺射鍍膜速率

一個經常被提及的問題是，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于金靶（假定為 1）的理論濺射速率。由于實際濺射速率會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. 不同靶材的相對濺射速率（金靶為1）

不同靶材在不同濺射電流時對應的理論濺射速率（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越流行了。鉻靶可以提供較薄的連續致密膜，而且比其他靶材所產生的背散射電子更少。

當然，鉻靶也有它的局限性。為了使用鉻靶濺射，它需要高真空。為了達到最理想的效果，甚至有時候還需要樣品的真空轉移，以避免氧化問題。亞表面的電子有時候會透過超薄鍍層，因此用掃描電鏡觀察鍍鉻樣品，有時候會有一種穿透效應。

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

3. 鉑靶：數據表明，高品質、設計優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率。鍍鉻的照片有時候看起來會比較亮，對比度過高。

我們推測可能是這樣的：在樣品被徹底包覆之前，每個鉻晶粒都被氧化了，最終的鉻膜并不是完全連續的，因此每個鉻顆粒就會各自發生荷電現象。而使用銥靶就不會有這種過亮的現象。

4. 銀靶：銀雖不是最常用的濺射靶材。但使用銀靶濺射鍍膜，有以下諸多優勢：

· 銀的性價比較高
· 銀的二次電子產率很高
· 濺射銀比蒸鍍銀的晶粒更小
· 銀是已知的導電性最好的金屬
· 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

銀靶的另一個優勢就是：用銀給鍍膜，這種操作是可逆的。如果親自沖洗過照片，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，都可以通過處理，再復原到初始狀態。（請注意，銀會和鹵素反應形成結晶，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。

降低荷電效應樣品杯的開發避免了對非導電樣品額外的制樣環 節。借助它可以觀察如紙張、聚合物、有機材料、陶瓷、玻璃和涂料等樣品在原始狀態下的圖像。

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

濺射鍍層厚度

氬氣環境，濺射電壓 2.5 千伏，金/鈀靶，樣品靶材距離  50 毫米，濺射鍍膜。使用光學干涉法可測得厚度：

H = 7.5*I*T

其中 T 表示濺射時間（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行蒸碳操作，最好用另一臺設備進行蒸碳。（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，它不僅會影響健康安全，而且更難回姂干凈，會影響真空性能。

4. 千萬不要在沒有隔斷真空泵的情況下，讓濺射腔長時間處于真空狀態。通常情況下，手動操作閥門可以隔斷真空泵與腔室。如果沒有閥門隔斷，隔膜泵的泵油可能會回流，污染濺射腔室。

5. 確保設備干燥。開始濺射前，設備要抽到要求的真空度。否則，會明顯影響濺射響效率，并帶來污染。

6. 把機械泵固定在一個牢固的基臺上。并記得定期維護機械泵。

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

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

參考文獻

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