电子显微学领域中的认识误区（十二）

用以削弱（消除）样品荷电的仪器设备，一直都是各扫描电镜实验室必备的首要附属设备。基于热蒸发原理的蒸金和蒸碳仪，是最早用以削弱样品荷电的仪器设备。此后样品表面制膜都以蒸或喷来表述。

热蒸发方式投射到样品表面的热量大，且蒸镀的颗粒粗糙，对样品表面细节的破坏极大。因此，热蒸镀模式很快就被抛弃。

先用高压电离气体分子形成气体离子，再用气体离子冲击安装于负高压电极上的各种金属靶材（主要是金和铂），激发出金属靶材的金属粒子并沉积于样品表面，形成金属薄膜的离子溅射仪，很快就取代了早期热蒸发原理的蒸镀仪，成为各实验室蒸金的主要设备。

虽然相较于热蒸镀，离子溅射获取的薄膜颗粒更细小，对样品及其细节的破坏程度有所缓解，但还是无法完全满足测试需求。仅满足于低倍率时对较粗大细节、不易热损伤样品的测试需求。

如以下组图所示：

以上三组图片充分呈现了普通的离子溅射对表面形貌信息的破坏程度。正是基于这个缘由，许多高水准的扫描电镜操作者，都会想方设法的减少，甚至是排斥，对离子溅射的运用。

但同时也不得不承认，少量的蒸镀不仅有利于削弱荷电的影响，更有利于提升形貌像的成像质量。在对细节信息影响有限的前提下，少量溅射往往是综合效果最佳的选择，特别是应对信号不足的样品时。

场发射扫描电镜，扩大了测试条件的选择范围。使用离子溅射仪的主要目的，也从应对荷电转为提升样品信号量，以提高形貌像成像质量，特别是在低加速电压、大工作距离测试弱信号样品时。这就要求蒸镀设备能够提供更细小的蒸镀颗粒，并对样品的各种损伤更轻微。

常规的离子溅射很难满足这一要求。因此，一直以来我对普通离子溅射仪的使用背景是：低倍率观察信号不强且较耐热损伤的样品。

若样品本身容易显现附着其表面的金颗粒，如平整的硬质面，较高倍率，有些仅两、三万倍，就会在其表面清晰呈现金颗粒的信息。

由于普通溅射仪存在对形貌细节的影响和破坏过大的缺点，一直以来，对一个充分掌握样品荷电应对手段（参看误区十一）的高手来说，不蒸金获取样品表面形貌信息往往是第一选择。随着对磁约束离子溅射仪的了解和运用的深入，这种观点正逐渐得到改观。

用一个磁场将正离子和电子云团约束在负电极周边，激发位于负极的金属靶材（主要是铂和金），可增加正离子冲击金属靶材的密度，提升金属粒子的激发效能。激发效能的提升，可降低所需的负极高压值（400V以下），从而大大削弱冲击金属靶材的离子能量，使激发出的金属粒子更为细小且能量更弱。最终结果是：沉积于样品表面的金属膜层被观察到的几率，以及对样品表面的破坏程度都被大大降低。

此外，由于磁场将正离子和电子云团约束在负电极周边，从而使着落在样品表面的电子和正离子强度得到衰减，这就从另一个层面削弱了该云团对样品表面的物理和化学伤害。

所谓物理伤害主要指的是电子和离子冲击所造成的热损伤，化学伤害指的是：强氧化性正离子（O+）对样品表面阴离子活性基团的损伤。该伤害只破坏拥有阴离子活性基团的样品，表现为样品表面特性的改变。如：样品更易形成荷电和积碳现象且更不耐电子束轰击。

下面将以深圳速普仪器公司产品J20型双靶磁约束（磁控）溅射仪的大量测试实例来论述：采用磁约束溅射仪对样品表面溅射形成金属薄膜时，会拥有怎样的优势。除了削弱样品的荷电现象，又给形貌像的质量提升以及削弱样品的各种损伤带来怎样的帮助。

为了表述的简便，在进行实例呈现的文字表述时，将统一用J20来替代J20型磁约束（磁控）溅射仪。

铂颗粒溅射的特点是：颗粒小，对样品冲击小，对形貌的破坏也小，但成膜的连续性较差。金颗粒溅射的特点是：颗粒尺寸较粗大，对样品表面破坏较大，但成膜连续性较好，有利于削弱荷电现象。

采用双靶溅射的优势在于：先溅射对样品表面破坏程度较小的铂颗粒，可削弱溅射时对样品弱小细节的热损伤。铂颗粒嵌入样品表层，可在样品表层形成支撑骨架（如同混凝土中的石子），从而提升弱小细节的强韧度，有效应对随后金颗粒溅射时的强大冲击力。溅射金颗粒可大幅增加样品表层金属膜的连续性以及形貌信息的信号量，从而极大的改善形貌像的荷电现象和成像质量。因此双靶溅射可充分有效组合铂、金溅射时的优势，同时将各自的缺陷予以充分抑制。

实例如下：

离子溅射仪对样品表面形貌的破坏主要来自两个方面：强氧化性的正离子（O+）对样品表面阴离子活性基团的破坏；以及电子及正离子冲击样品表面带来的热损伤和机械损伤。

相对于普通的离子溅射仪，磁约束溅射仪在溅射过程中，由于将离子及电子云团约束在靶电极周边，从而使得该云团对样品表面的侵蚀程度被大大降低，极大的削弱了形貌细节的破坏程度。

以上是相同条件下，磁约束（磁控）溅射仪和普通溅射仪对样品物理损伤（热损伤）的结果比对。结合铂靶的运用结果更优。

下一组是化学损伤（样品表面结构及性质的破坏）的结果比对。

形貌像的细节是否能被充分呈现，形貌像的清晰度是否足够，形貌像的成像质量是否优异，前提条件是：形貌信息的信号量是否充足。

许多提升样品表面形貌信息信号量的方式，不可避免地会给形貌像带来负面影响。提升束流会影响形貌像的清晰度，溅射金属材料（铂、金），对细节的覆盖和破坏不可避免。普通的溅射仪，样品笼罩在离子和电子云团之中，其对样品细节覆盖和破坏使其运用范围被局限在低倍（万倍以下），否则该影响很容易被观察到。采用双靶的磁约束（磁控）溅射仪极大的抑制了这个缺点。速普J20结合特有的旋转台设计，更进一步的抑制该缺点，使其提升细节分辨的能力更为突出。

即便少量的铂金属溅射也会对荷电现象有一定抑制，使其在更大倍率下也不影响对更微小的形貌细节进行观察。如下图所示：

以上是磁约束（磁控）溅射仪的使用优势。但要充分发挥出来，关键点在于：依据样品特性和溅射仪的成膜特性，合理选择工作参数。

前文提到，要充分发挥磁约束（磁控）溅射仪的优势，需要依据样品特性以及溅射仪的成膜特性，选择合理的溅射参数。那么样品特性和溅射仪成膜特性，会如何影响溅射仪的工作效能？

2.1 样品特性与成膜特性

选择合理溅射参数，获取最佳溅射效果，对样品特性以及溅射仪成膜特性的了解是绕不过去的前提条件，本节的焦点将聚焦于此。

本文在前述部分已经用充分事例呈现出这样一个事实：平整且硬质的表面更容易呈现溅射的金属颗粒信息，而粗糙的表面更容易掩盖溅射的金属颗粒。此外，溅射的金属颗粒更容易嵌入柔软的样品表面，因此这类样品的表面不容易呈现出金属颗粒的信息，如下组图。

溅射仪的成膜特性：

1.铂颗粒粒径小于金颗粒，对细节破坏小，缺点是成膜连续性差。

2.多次溅射比单次溅射成核堆积小，颗粒间隔小，成膜连续性好。

以上是在最易显现金属颗粒的硬质光滑硅片表面，溅射总时长60秒的金颗粒形貌像，呈现出典型金颗粒薄膜溅射时的岛状堆积形态。对比这两种薄膜成膜方式（分段间隔、单次溅射）的结果可见：分段间隔溅射的薄膜（左图），成核及间隙小，薄膜的连续性更为优异。

具体到普通样品，如下图，分段间隔对荷电的削弱效果更佳。

铂颗粒不同溅射方式的对比结果（总时长60秒）：

单独金属溅射成核的过程，都存在大量间隙，因此不利于金属薄膜的连续性。当成核颗粒较大的金属覆盖在成核颗粒较小金属底膜之上，可形成较好的搭桥效果。获取更好的薄膜连续性，使其漏电性更强。

2.2 磁约束（磁控）溅射仪参数选择的建议

基于上述探讨，在扫描电镜测试过程中，要获取高质量成膜效果，必须坚持多次间隔蒸镀的模式，单次蒸镀时长最好不要超过20秒。

铂颗粒对样品的损伤较小，因此对于十分柔弱的样品，如：电池隔膜、各种高分子纳米丝线所组成的薄膜（氟化聚四氟乙烯），则需要先溅射铂颗粒来加以保护（建议三次，每次20秒），然后溅射一次金（时长不超过20秒）来增加薄膜连续性和信号量，消除荷电影响并获取最佳形貌像。如荷电未消除干净，可适当增加一到两次金的溅射。

J20样品台倾转设计有利于形成连续的金属薄膜，同时避免样品某个侧面遭受各种粒子的连续冲击，使样品细节得到更优的保护。可以说没有这个样品台，将很难获得最佳的成膜效果。手动倾斜加上自动旋转设计，可使样品的调控不过于格式化，有利于充分调配各角度的溅射量。自动旋转参数的设定，建议基本置于每分钟20转以内。角度倾斜量和调整速度，可依样品表面平整度加以控制，不易过快。

上述探讨的实例如下：

以上实例操作都在样品台倾转条件下完成。合理的运用双靶、样品台倾转以及Z轴的位移，可有效提升磁约束（磁控）溅射的溅射质量。

自2023年11月初用深圳速普公司的磁约束（磁控）溅射仪来应对扫描电镜测试过程中的荷电现象，至今大致有三个多月的时间。这台设备的使用体会，彻底改变了本人数十年来对溅射仪使用场景的设定。具体表现为：

1.早期认为溅射仪对样品形貌细节的掩盖和破坏是主旋律，从没想过还能利用溅射仪来对柔弱的样品细节进行保护。正是由于磁约束（磁控）溅射仪对样品柔弱细节的保护，使得对这类细节的测试条件（加速电压）选择范围，被大大扩展，从而可获取更多的形貌信息。

2.一直认为溅射仪可以提升样品表面的信号量，但破坏力将限制其使用范围，只适合改善低倍（五万倍以下）粗细节的形貌像。但是合理的运用磁约束（磁控）溅射仪，可以将形貌像成像质量的改善扩展到，对极细小细节的呈现中，且不对形貌信息产生太大的影响。

溅射仪的作用，一直被行业内的技术专业人士限定在消除（削弱）荷电的领域。但随着磁约束（磁控）溅射仪对其溅射缺陷的改善，则可大大提高扫描电镜对形貌信息的获取质量，从而为提升扫描电镜的分辨力提供强大助力。下面将用两个实例来加以呈现。

1. 电池干法隔膜（单拉）的信息扩展

本实例所选用的电池干法隔膜（单拉）的极表层覆盖一层阴离子活性物，故该干法膜很容易形成荷电现象并被电子束所伤害（扩孔现象），同时该膜层也十分容易被电子束分解，形成碳污染。

上述所有实例，仅是本人三个月来众多测试结果中有代表性且可以被公开样本的一部分。还有许多更具参考意义的样本不便公开。

三个多月的测试经历给我的感受是：磁约束（磁控）溅射仪已经完全超越了其固有的削弱（消除）荷电现象的功能。对离子（电子）云团的约束作用，极大抑制了该云团对样品的各种损伤。而采用双靶及样品台倾转的设计方案，再辅以合理的程序编写，可为其在样品细节保护以及高分辨信息的观察等方面提供极大的助力，从而提升扫描电镜的样品应对能力和细节分辨力。随着对该设备运用的深入剖析，必将使其在扫描电镜测试过程中的运用范围更加的宽泛且重要。

目前该设备的运用缺陷主要在于：还不能完全消除阳离子对阴离子活性基团的影响。选用高真空环境下，置换惰性气体，形成离子云团的溅射效果值得探索。此外贵重金属靶材的使用效能亟待提高。随着各种方案的加入，该设备的运用前景和使用效能值得期待。

参考书籍：

购书链接：https://item.jd.com/13079249.html

                          林中清

2024年2月20日

于安徽大学磬苑校区

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