一、超高真空系統
超高真空系統是進行現代表面分析及研究的主要部分。XPS譜儀的激發源,樣品分析室及探測器等都安裝在超高真空系統中。通常超高真空系統的真空室由不銹鋼材料制成,真空度優于1×10-9 托。在X射線光電子能譜儀中必須采用超高真空系統,原因是(1)使樣品室和分析器保持一定的真空度,減少電子在運動過程中同殘留氣體分子發生碰撞而損失信號強度;(2) 降低活性殘余氣體的分壓。因在記錄譜圖所必需的時間內,殘留氣體會吸附到樣品表面上,甚至有可能和樣品發生化學反應,從而影響電子從樣品表面上發射并產生外來干擾譜線。
一般XPS采用三級真空泵系統。前級泵一般采用旋轉機械泵或分子篩吸附泵,極限真空度能達到10-2Pa;采用油擴散泵或分子泵,可獲得高真空,極限真空度能達到10-8Pa;而采用濺射離子泵和鈦升華泵,可獲得超高真空,極限真空度能達到10-9Pa。這幾種真空泵的性能各有優缺點,可以根據各自的需要進行組合。現在新型X射線光電子能譜儀,普遍采用機械泵-分子泵-濺射離子泵-鈦升華泵系列,這樣可以防止擴散泵油污染清潔的超高真空分析室。標準的AXIS Ultra DLD就是利用這樣的泵組合。樣品處理室(Smaple Treatment Center,簡稱為STC)借助于一個為油擴散泵所后備的渦輪分子泵進行抽真空。樣品分析室(Sample Analysis Center,簡稱為SAC)借助于一個離子泵和附加于其上的鈦升華泵(TSP)來抽空。
二、快速進樣室
為了保證在不破壞分析室超高真空的情況下能快速進,X射線光電子能譜儀多配備有快速進樣室。快速進樣室的體積很小,以便能在40～50分鐘內能達到10-7托的高真空。
三、X射線激發源
XPS中最簡單的X射線源,就是用高能電子轟擊陽極靶時發出的特征X射線。通常采用Al Kα(光子能量為1486.6eV)和Mg Kα(光子能量為1253.8eV)陽極靶,它們具有強度高,自然寬度小(分別為830meV和680meV)的特點。這樣的X 射線是由多種頻率的X 射線疊加而成的。為了獲得更高的觀測精度,實驗中常常使用石英晶體單色器(利用其對固定波長的色散效果),將不同波長的X射線分離,選出能量最高的X射線。這樣做有很多好處,可降低線寬到0.2 eV,提高信號/本底之比,并可以消除X射線中的雜線和韌致輻射。但經單色化處理后,X射線的強度大幅度下降。
四、離子源
離子源是用于產生一定能量、一定能量分散、一定束斑和一定強度的離子束。在XPS中,配備的離子源一般用于樣品表面清潔和深度剖析實驗。在XPS譜儀中,常采用Ar離子源。它是一個經典的電子轟擊離子化源,氣體被放入一個腔室并被電子轟擊而離子化。Ar離子源又可分為固定式和掃描式。固定式Ar離子源,將提供一個使用靜電聚焦而得到的直徑從125μm到mm量級變化的離子束。由于不能進行掃描剝離,對樣品表面刻蝕的均勻性較差,僅用作表面清潔。對于進行深度分析用的離子源,應采用掃描式Ar離子源,提供一個可變直徑(直徑從35μm到mm量級)、高束流密度和可掃描的離子束,用于精確的研究和應用。
五、荷電中和系統
用XPS測定絕緣體或半導體時,由于光電子的連續發射而得不到足夠的電子補充,使得樣品表面出現電子“虧損”,這種現象稱為“荷電效應”。 荷電效應將使樣品出現一個穩定的表面電勢VS,它對光電子逃離有束縛作用,使譜線發生位移,還會使譜鋒展寬、畸變。因此XPS中的這個裝置可以在測試時產生低能電子束,來中和試樣表面的電荷,減少荷電效應。
六、能量分析器
能量分析器的功能是測量從樣品中發射出來的電子能量分布,是X射線光電子能譜儀的核心部件。常用的能量分析器,基于電(離子)在偏轉場(常用靜電場而不再是磁場)或在減速場產生的勢壘中的運動特點。通常,能量分析器有兩種類型,半球型分析器和筒鏡型能量分析器。 半球型能量分析器由于對光電子的傳輸效率高和能量分辯率好等特點,多用在XPS譜儀上。 而筒鏡型能量分析器由于對俄歇電子的傳輸效率高,主要用在俄歇電子能譜儀上。對于一些多功能電子能譜儀,由于考慮到XPS和AES的共用性和使用的側重點,選用能量分析器的主要依據是哪一一種分析方法為主。以XPS為主的采用半球型能量分析器,而以俄歇為主的則采用筒鏡型能量分析器。
七、檢測器系統
光電子能譜儀中被檢測的電子流非常弱,一般在10-13A/s～10-19A/s,所以現在多采用電子倍增器加計數技術。電子倍增器主要有兩種類型:單通道電子倍增器和多通道電子檢測器。單通道電子倍增器可有106～109 倍的電子增益。為提高數據采集能力,減少采集時間,近代XPS譜儀越來越多地采用多通道電子檢測器。最新應用于光電子能譜儀的延遲線檢測器(Delay Line Detector,簡稱為DLD),采用多通道電子檢測器,尤其在微區(10μm左右)分析時,可以大大提高收譜和成像的靈敏度。
八、成像XPS
表面分析時的成像XPS可以提供表面相鄰區中空間分布的元素和化學信息。對使用其他表面技術難以分析的樣品而言,成像XPS是特別有用途的。這包括從微米到毫米尺度范圍內非均勻材料、絕緣體、電子束轟擊下易損傷的材料或要求了解化學態在其中如何分布的材料。在成像XPS中,除了提供元素和化學態分布外,還能用于標出覆蓋層稠密度,以估算X射線或離子束斑大小和位置,或檢驗儀器中電子光學孔徑的準直。因而成像XPS成為能得到空間分布信息的常規應用方法。
XPS成像把小面積能譜的接收與非均質樣品的光電子成像結合起來,可以在接近15μm的空間分辨率下通過連續掃描的方法采集。商品化的儀器現在組合了成像和小束斑譜采集的能力,能夠在微米尺度上進行微小特征的表面化學分析。該技術的未來方向是在更小的區域內達到更高的計數率,將XPS成像推向真正的亞微米化學表征技術。
九、數據系統
X射線電子能譜儀的數據采集和控制十分復雜,涉及大量復雜的數據的采集、儲存、分析和處理。數據系統由在線實時計算機和相應軟件組成。在線計算機可對譜儀進行直接控制并對實驗數據進行實時采集和處理。實驗數據可由數據分析系統進行一定的數學和統計處理,并結合能譜數據庫,獲取對檢測樣品的定性和定量分析知識。常用的數學處理方法有譜線平滑,扣背底,扣衛星峰,微分,積分,準確測定電子譜線的峰位、半高寬、峰高度或峰面積(強度),以及譜峰的解重疊(Peak fitting)和退卷積,譜圖的比較等。當代的軟件程序包含廣泛的數據分析能力,復雜的峰型可在數秒內擬合出來。